При каком давлении вода превращается в пар

Удельное парообразование воды: формула, физика процесса

Автор Виктор На чтение 4 мин. Просмотров 460 Опубликовано 15.04.2020

В мире столько всего, на первый взгляд, привычного, о чем многие из нас даже не задумываются и не пытаются глубже проникнуть в происходящие процессы.

Например, парообразование. Оно окружает нас повсюду — и в бытовой жизни, и в природе. Пар исходит от стоящего на плите борща, от вскипающего чайника, пар идет изо рта при низкой атмосферной температуре.

Испарение происходит на поверхности горячего источника

Попытаемся подробнее остановиться на процессе образования пара и выяснить, в чем определяется удельная теплота парообразования воды и что она показывает.

Физика процесса

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное в физике называется парообразованием.

Обратный процесс перехода из газообразного состояния в твёрдое или жидкое, называется конденсация. Например, скопление облаков или наступающий туман.

Выделяют два вида парообразования:

• испарение;
• кипение.

В первом случае необходимо достичь порога температуры плавления, преодолев его. А при кипении у каждого жидкого вещества своя определенная температура, до достижении которой образуется пар.

Область парообразования в этих случаях тоже отличается.

1. При испарении пар образуется со свободной поверхности, которая граничит с окружающими ее газами — кислородом и др.
2. При кипении образование пара происходит со всего объема жидкости.

Образование пара при кипении

Для наглядности посмотрим, как же образуется пар при кипении на рисунке № 1.

Пузырьки пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на её поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в в воздух.

Когда вода кипятится, ей передается некоторое количество теплоты, благодаря чему у молекул воды увеличивается внутренняя энергия. Это приводит к тому, что эти молекулы беспорядочно движутся и сталкиваются друг с другом, за счет чего вода закипает.

Пар выделяется в растворенных газах, которые есть в воде. Именно пар как раз и находится в тех пузырьках, которые образуются при кипячении.

Пузырек лопается, чтобы высвободить постоянно увеличивающийся пар. Все это происходит под привыкший для всех нас звук бурления. Но многие пузырьки лопаются внутри воды, не успевая достичь свободной поверхности.

Формула

Физические процессы основаны на формулах. Не является исключением и парообразование.

Если величина будет показывать, сколько теплоты (дж) нужно для обращения жидкости (кг) в пар при испарении при указанной температуре в отсутствие ее изменения, тогда она будет называться удельной теплотой парообразования и конденсации. Обозначается она как L и при расчете используется формула:

L=Q/m

Q — теплота, затраченная на превращение пара в жидкость

m — масса

Удельная теплота парообразования при различных температурах будет отличаться. Например, при достижении температуры кипения это значение будет самым низким.

Эта величина имеет особое значение во многих сферах производства, например при производстве металлов.

Выяснилось, что когда плавится железо, после его повторного затвердевания возникшая кристаллическая решетка оказывается намного прочнее предыдущей.

Определить удельную теплоту возможно только путем эксперимента, а ее основные значения уже давно установлены. Например, для спирта это 0,9*106, а для воды 2,3*106.

Изменяется удельная теплота парообразования воды и в зависимости от давления. Здесь наблюдается как раз обратная зависимость — когда давление воды увеличивается, снижается значение удельной теплоты парообразования.

При атмосферном давлении в 760 мм рт. ст. удельная теплота парообразования равна 2258 кДж/кг.

От давления зависит также и температура кипения воды — она уменьшается при понижении давления и, наоборот, увеличивается при его повышении, и может достичь своего максимального значения 374,15 °С.

Характерным примером может явиться покорение альпинистами высоких гор.

На особых высотах (более 3000 м) из-за пониженного атмосферного давления, уменьшается и температура кипения воды (до 90°С), что усложняет процесс приготовления еды, поскольку требуется больше времени, чтобы произвести термическую обработку пищи.

А на более высоких местностях (около 7000 м.) готовить еду становится практически невозможно из-за падения температуры кипения до 50 °С.

При рассмотрении температуры воды необходимо упомянуть еще одну физическую величину — удельную теплоемкость. Она равняется количеству теплоты, необходимому для передачи единичной массе вещества, чтобы изменить его температуру на единицу.

Если теплота не сопровождается изменением температуры при изменении своего состояния, такая теплота называется скрытой. Скрытая теплота может наблюдаться как раз при парообразовании.

Она также отличается при разных жидкостях и изменяется в зависимости от давления.

При увеличении атмосферного давления и как следствие увеличении температуры жидкости, уменьшается скрытая теплота парообразования.

Источник

Давление водяного пара — Vapour pressure of water

Давление водяного пара — это давление, при котором водяной пар в термодинамическом равновесии с конденсированным состоянием . При более высоком давлении вода будет конденсироваться . Давление водяного пара — это парциальное давление водяного пара в любой газовой смеси, находящейся в равновесии с твердой или жидкой водой. Что касается других веществ, давление водяного пара является функцией температуры и может быть определено с помощью соотношения Клаузиуса — Клапейрона .

Давление водяного пара (0-100 ° C)

Формулы приближения

Есть многие опубликованные приближения для расчета давления насыщенного пара над водой и льдом. Вот некоторые из них (в приблизительном порядке увеличения точности):

• P = exp ⁡ (20,386 — 5132 T), (E q .1) { displaystyle P = exp left (20,386 — { frac {5132 } {T}} right), (Eq.1)}

где P — давление пара в мм рт. Ст. , а T — температура в кельвинах .

• Уравнение Антуана

log 10 ⁡ P = A — BC + T, { displaystyle log _ {10} P = A — { frac {B} {C + T}},} где температура T находится в градусах Цельсия (° C), а давление пара P находится в мм рт. ст. . Константы задаются как

• Уравнение Августа-Роша-Магнуса (или Магнуса-Тетенса или Магнуса), как описано в Alduchov and Eskridge (1996). Уравнение 25 в обеспечивает используемые здесь коэффициенты. См. Также обсуждение приближений Клаузиуса-Клапейрона, используемых в метеорологии и климатологии .

P = 0,61094 exp ⁡ (17,625 TT + 243,04), { displaystyle P = 0,61094 exp left ({ frac {17.625T} { T + 243.04}} right),}

где температура T выражена в ° C, а давление пара P выражено в килопаскалях (кПа)

• Уравнение Тетенса

P = 0,61078 ехр ⁡ (17,27 TT + 237,3), { displaystyle P = 0,61078 exp left ({ frac {17.27T} {T + 237.3}} right),}

где температура T выражена в ° C и P выражается в кПа

• Уравнение Бакка .

P = 0,61121 exp ⁡ ((18,678 — T 234,5) (T 257,14 + T)), { displaystyle P = 0,61121 exp left ( left ( 18.678 — { frac {T} {234.5}} right) left ({ frac {T} {257.14 + T}} right) right),}

где T в ° C, а P — в кПа.

• Уравнение Гоффа-Гратча (1946) .

Точность различных формулировок

Вот сравнение точности этих различных явных формулировок, показывающих давления насыщенного пара для жидкой воды в кПа, рассчитаны для шести температур с их процентной погрешностью из значений таблицы Lide (2005):

Более подробное обсуждение точности и соображений относительно неточности измерения температуры представлено в Alduchov and Eskridge (1996). Проведенный здесь анализ показывает, что простая формула без атрибуции и уравнение Антуана достаточно точны при 100 ° C, но довольно плохи для более низких температур выше нуля. Tetens намного точнее в диапазоне от 0 до 50 ° C и очень конкурентоспособен при 75 ° C, но Antoine лучше при 75 ° C и выше. Формула без атрибуции должна иметь нулевую ошибку при температуре около 26 ° C, но имеет очень низкую точность за пределами очень узкого диапазона. Уравнения Тетенса, как правило, намного точнее и, возможно, проще для использования при повседневных температурах (например, в метеорологии). Как и ожидалось, уравнение Бака для T>0 ° C значительно точнее, чем у Tetens, и его превосходство заметно возрастает выше 50 ° C, хотя его сложнее использовать. Уравнение Бака даже превосходит более сложное уравнение Гоффа-Грэтча в диапазоне, необходимом для практической метеорологии.

Численные приближения

Для серьезных вычислений Лоу (1977) разработал две пары уравнений для температур выше и ниже точки замерзания с разными уровнями точности. Все они очень точны (по сравнению с Клаузиусом-Клапейроном и Гофф-Гратч ), но используют вложенные многочлены для очень эффективных вычислений. Однако есть более свежие обзоры возможно более совершенных составов, особенно Wexler (1976, 1977), представленные Flatau et al. (1992).

Графическая зависимость давления от температуры

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

• Фемель, Хольгер (2016). «Составы для определения давления насыщенного пара» . Боулдер, штат Колорадо: Лаборатория наблюдений за Землей, Национальный центр атмосферных исследований. Архивировано из оригинала 23 июня 2017 года.
• «Калькулятор давления пара» . Национальная служба погоды, Национальное управление океанических и атмосферных исследований.

Источник

Что такое насыщенный и перегретый пар

Термины насыщенный пар и перегретый пар относятся к термодинамическому состоянию воды. Вода и пар являются средами, используемыми для теплообмена в котловых установках благодаря своей доступности и высокой теплоемкости. Особенно эффективно передавать тепло посредством испарения и конденсации воды, которая обладает большой скрытой теплоты испарения.

Насыщенный пар (НП) и перегретый пар (ПП) относятся к определенному давлению среды. Первый НП может существовать во влажном и сухом состоянии, а перегретый ПП — только в сухом, поскольку не может содержать в своем составе частиц воды.

Чаще всего эти понятия применяются в теплоэнергетике, для расчета термодинамических циклов в контуре парового котла и в паровых турбинах, генерирующих электрическую энергию на ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС и АЭС.

Что такое насыщенный пар

Водяной пар, пребывающий в термодинамическом равновесии с котловой водой, является насыщенным. Это формулировка дает понимание того, что давление насыщенного пара при температуре может иметь только одно значение

В котлоагрегатах парообразование протекает при постоянном давлении и подводе тепла к котловой воде от уходящих газов. Этот процесс базируется на следующих последовательных стадиях: подпитка котла водой, подогрев ее до температуры точки насыщения, и образование сухого насыщенного пара, когда вся жидкость испаряется из него.

В паровых котлах питательная вода, пройдя через экономайзер, попадает в барабан. Из него более холодные потоки под воздействием силы тяжести опускаются по необогреваемым трубам, а поднимаются по подъёмным топочным экранам обогреваемые более горячими дымовыми газами.

Здесь начинается процесс парообразования, поскольку температура воды достигает значения точки насыщения при рабочем давлении в котлоагрегате.

Плотность пароводяной смеси в экранных пакетах уменьшается и становится ниже плотности воды в опускных трубах, что создает напор для движения пароводяной смеси по экранам в барабан, где смесь сепарируется на воду и пар.

В закрытой поверхности нагрева при не меняющейся температуре в точке насыщения устанавливается термодинамическое равновесие между котловой водой и водяным паром. Число молекул пара, выделяющихся из поверхности воды за определенное время, будет равняться числу молекул сконденсированного пара, которые перейдут обратно в воду в барабане котла.

Давление насыщенного пара

Давление насыщения в котле зависит от температуры котловой воды в равновесном термодинамическом состоянии. При росте давления, пар сжимается и баланс нарушается. Плотность пара первоначально несколько возрастает, и из паровой среды в котловую воду будет переходить больше молекул конденсата, чем наоборот.

Поскольку количество молекул, переходящих из воды в единицу времени связано исключительно с температурой, то сжатие паровой среды не будет влиять на изменение этого числа.

Процесс будет протекать пока не возникнет термодинамическое равновесие, а следовательно, и концентрация возвращающихся молекул не достигнет первоначального уровня. Таким образом, Тнп напрямую зависит от давления насыщения в котле.

Таблица насыщенного пара

Характеристики сухого НП, приводятся в Таблице водяного пара. В ней указывают Т (С), при точке кипения котловой воды и давление (кПа и мм. рт.ст.) при которой этот процесс протекает.

Дополнительно в таблице могут указываться и другие параметры пара:

• eдельный объем, м3/кг;
• плотность, кг/м3;
• удельная энтальпия, кДж/кг
• удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Плотность насыщенного пара

Плотность НП определяют по формуле.

D st = 216,49 * P / (Z st * (t + 273))

Где:

• D st — плотность насыщенного пара в кг / м3;
• P- абсолютное давление пара в барах;
• t — температура в градусах Цельсия;
• Z st — коэффициент сжимаемости насыщенного пара при Р и t.

В этом уравнении символ «Z st» обозначает коэффициент сжимаемости насыщенного пара при абсолютной величине давления насыщенного водяного пара P, бар. Это удобное уравнение действительно для диапазона давления пара от 0,012 до 165 бар, с соответствующим диапазоном температур насыщения от 10 до 360 С.

Влажность насыщенного пара

Когда котлоагрегат нагревает воду, пузырьки, прорывающиеся через слой воды, захватываются паром. Влажный пар определяется как пар, в котором вода присутствует в виде микрокапель паров воды. В этом случае соотношение может составлять от 0 до 1. Если пар имеет 20 % воды по объему — он считается сухим на 80% или имеет долю сухости 0,8.

Таблицы НП содержит значения, такие как температура, энтальпия и удельный объем для сухого НП, но не для влажного. Для того чтобы их определить потребуется воспользоваться формулами, учитывая соотношение двух сред:

Удельный объем (v) мокрого пара

v = X * v g + (1 — X) * v f

Где:

• X = сухость (% / 100);
• v f = удельный объем жидкости;
• v g = удельный объем НП.

Удельная энтальпия пара сухостью Х:

h = h f + X * h fg

Где:

• X = сухость (%);
• h f = удельная энтальпия жидкости;
• h fg = удельная энтальпия НП.

Чем влажнее пар, тем ниже значения удельного объема, теплосодержание, энтальпия и энтропия. Таким образом сухость пара оказывает существенное влияние на все эти значения.

Задачей теплоэнергетиков является организация процессов парообразования в котле с сухостью 100%. Для этого в барабанах котлов устанавливают специальные сепарационные устройства, отделяющие пар от воды.

Перегретый пар

Перегретый пар — это пар с температурой, превышающей его температуру кипения при абсолютном давлении, при котором проводились измерение температуры. Давление и температура перегретого пара не зависят друг от друга, поскольку температура может увеличиваться, в то время как давление остается постоянным.

Процесс перегрева водяного пара на диаграмме Ts представлен на рисунке между состоянием E и кривой насыщенного пара. Чтобы оценить тепловую эффективность цикла, энтальпия должна быть получена из таблиц перегретого пара.

Процесс перегрева — единственный способ увеличить пиковую температуру цикла Ренкина и повысить эффективность без увеличения давления в котле. Это требует добавления в конструкцию котла особого теплообменника, называемого пароперегревателем.

В пароперегревателе дальнейший нагрев при фиксированном давлении приводит к увеличению, как температуры, так и удельного объема. Наибольшее значение перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которая может быть использована для кинетической реакции для движения лопастей турбины, создающих вращательное движение вала.

Температура перегретого пара

Характеристики перегретого пара (ПП) аналогичны идеальному газу, но не равны насыщенному пару. Поскольку ПП не обладает зависимостью между температурой и давлением, при конкретном давлении он может вырабатываться в широком температурном диапазоне, что будет зависеть от площади нагрева пароперегревателя.

Перегретый пар отличается от насыщенного такими преимуществами:

• gри равном давлении насыщения он обладает намного большей температурой;
• обладает большим удельным объемом, что дает экономию энергоресурсов при использовании;
• при снижении он не конденсируется, пока температура не упадет ниже точки насыщения при давлении среды.

Методы регулирования температуры перегретого пара

Довольно часто для технологических процессов, требуется получение перегретого пара строго определенной температуры. Для того чтобы снять ее излишки, обычно используют три метода воздействия на температуру ПП:

• cмешивание разных температурных потоков, когда в ПП впрыскивают котловую воду или паровой теплоноситель меньшего теплосодержания;
• поверхностное охлаждение, заключается в перенаправление ПП через систему специальных теплообменных аппаратов, выполняющих роль охладителей;
• изменение тепловосприятия потока, реализуется через изменение температуры или расхода уходящих котловых газов.

В теплоэнергетике в котлах высокого давления наиболее часто применяют первый метод, путем впрыскивания в поток ПП питательной воды или конденсата от турбогенератора. Впрыском насыщенного пара, как правило, регулируют температуру вторичного перегрева пара.

Получение перегретого пара

Пароперегреватель устройство, устанавливаемый в котлоагрегате, вырабатывает перегретый пар с параметрами, превышающими температуру насыщения в барабане котла. Он относится к особо критичным котловым элементам, поскольку из-за высоких температур ПП металл конструкции функционирует в предельно-допустимых условиях.

Пароперегреватели бывают основного типа, работающие в зоне сверхкритического давления и промежуточного типа, которые направляют пар отработанный в турбине для промперегрева.

Кроме того пароперегреватели классифицируются по тепловосприятию на конвективные, установленные в конвективной части котла, радиационные — расположены около топочных экранов и ширмовые — установленные в верхней части топки. По направлению движения потоков ПП и уходящих котловых газов выпускают ПП : прямоточные, противоточные и смешанные.

Использование перегретого пара в технике

В современных паровых турбинах применяют ПП с температурой перегретого пара существенно выше критической (374C).

Перегретый пар используется в турбинах для повышения теплового КПД. Другое использование перегретого пара:

• Пищевые технологии.
• Технологии очистки.
• Катализ / химическая обработка.
• Технологии поверхностной сушки.
• Технологии отверждения.
• Энергетика.
• Нанотехнологии.

Котлы перегретого пара

В России применяется ГОСТ 3619-76 на паровые котлоагрегаты, в котором установлены параметры насыщенного и перегретого пара, а также паровая производительность и температура воды для питания котла.

Современная российская энергетика использует котлоагрегаты производительностью вырабатывающих 1000/1650/2650/3950 т/ч пара для турбогенераторов соответствующей мощностью 300/500/800/1200 МВт, работающих на сверхкритических параметрах по давлению 25,5 МПа и Тпп=545С.

Схема котла с пароперегревателем

Энергетические котлы классифицируются по давлению пара — высокого от 10 до 14 МПа и сверхкритического свыше 25,5 МПа. Котлоагрегаты сверхвысокого давления, обычно, выполняют с вторичным перегревом пара.

Паровые котлоагрегаты малой и средней паропроизводительности используются для производства насыщенного и перегретого пара с характеристиками до 3,9 МПа и Т=450 С. Они эксплуатируются на промпредприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве для производственно-технологических нужд и в системах центрального теплоснабжения.

Типичными представителями агрегатов данной категории являются котел Е (ДЕ) производительностью пара от 1 до 25 т/ч, Е (КЕ) производительностью пара до 25 т/ч с газомазутной горелкой и ДКВР производительностью до 20 т/ч. Их применение — источники тепловой энергии для центрального теплоснабжения с параметрами насыщенного и перегретого пара.

Источник