Меню

Зависимость давления насыщенного пара от температуры кипение влажность измерение влажности



Билет №13. Насыщенный и ненасыщенный пар: зависимость давления насыщенного пара от температуры, кипение, зависимость температуры кипения от давления, изотерма пара, критическая температура, критическое состояние вещества, относительная влажность воздуха, точка росы, гигрометр, психрометр, получение сжиженного газа, его свойства и применение

Билет №13. Насыщенный и ненасыщенный пар: зависимость давления насыщенного пара от температуры, кипение, зависимость температуры кипения от давления, изотерма пара, критическая температура, критическое состояние вещества, относительная влажность воздуха, точка росы, гигрометр, психрометр, получение сжиженного газа, его свойства и применение.

Насыщенный пар — это пар находящийся в равновесии со своей жидкостью. Ненасыщенный пар — это пар, не находящийся в равновесии со своей жидкостью. Влажность воздуха — это количество водяных паров в воздухе.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Так как в насыщенном паре при возрастании температуры концентрация молекул увеличивается, а их средняя кинетическая энергия так же возрастает, то давление насыщенного пара с повышением температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа с постоянной концентрацией молекул.

Кипение. Зависимость температуры кипения от давления.

Процесс испарения, идущий по всему объёму жидкости, называется кипением. Давление насыщенного водяного пара при кипении равно внешнему давлению на жидкость. При нормальном давлении кипение воды происходит при 100˚С. Температура кипения зависит от внешнего давления. При понижении/повышении внешнего давления температура кипения жидкости понижается/повышается.

График изотермы при критической температуре обозначен на рисунке 2.26 символом Ткр; его форма существенно отличается от гиперболы. Штриховая кривая разделяет три фазы. Слева вверху область соответствует жидкой фазе, справа от кривой и внизу – область ненасыщенного пара (газа), под штриховой кривой лежит область ненасыщенного пара над жидкостью (двухфазная среда). Если изотермически сжимать ненасыщенный пар при температуре ниже критической, то концентрация молекул возрастает и соответственно давление будет возрастать вплоть до давления насыщенного пара. При дальнейшем уменьшении объёма на дне сосуда образуется жидкость и установится динамическое равновесие между насыщенным паром и жидкостью. Давление насыщенного пара остаётся неизменным, а с уменьшением объёма все большая часть пара переходит в жидкость. Процесс уменьшения объёма при дальнейшем сжатии прекращается, когда весь газ в сосуде превращается в жидкость.

Относительная влажность воздуха.

Отношение давления паров воды р к давлению насыщенного пара р0 при данной температуре, выраженное в процентах называется относительной влажностью воздуха.

Это температура, при которой пар становится насыщенным, т. е. р=р0, ⱷ=100%

Это прибор, с помощью которого можно определить точку росы. Он представляет собой металлический сосуд, в который наливается легко испаряющаяся жидкость, например эфир. При испарении эфира происходит охлаждение стенок гигрометра, и при достижении точки росы на полированной поверхности появляются капли росы.

Действие гигрометра другого типа, волосного, основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при повышении влажности. В этом приборе натянутый волос соединён со стрелкой прибора, показывающей по шкале относительную влажность воздуха.

Это прибор, с помощью которого можно определить относительную влажность воздуха. Один термометр измеряет температуру воздуха, а другой — температуру ткани, смоченной водой. С поверхности влажной ткани происходит испарение воды, в результате температура влажной ткани понижается.

Сжижение газов имеет техническое и научное значение. Сжижение воздуха используется в технике для разделения воздуха на составные части. Метод основан на том, что различные газы, из которых состоит воздух, кипят при различных температурах. Наиболее низкие температуры кипения имеют гелий, неон, азот, аргон. У кислорода температура кипения несколько выше, чем у аргона. Поэтому сначала испаряется гелий, неон, азот, а затем аргон, кислород.

Сжиженные газы находят широкое применение в технике. Азот идёт для получения аммиака и азотных солей, употребляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси с ацетиленом или водородом он даёт пламя очень высокой температуры, применяемое для резки и сварки металлов. Вдувание кислорода (кислородное дутьё) ускоряет металлургические процессы. Доставляемый из аптек в подушках кислород действует как обезболивающее. Особенно важным является применение жидкого кислорода в качестве окислителя для двигателей космических ракет.

Жидкий водород используется как топливо в космических ракетах. Например, для заправки американской ракеты «Сатурн – 5» требуется 90т жидкого водорода.

Жидкий аммиак нашёл широкое применение в холодильниках – огромных складах, где хранятся скоропортящиеся продукты. Охлаждение, возникающее при испарении сжиженных газов, используют в рефрижераторах при перевозке скоропортящихся продуктов.

Газы, применяемые в промышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся в сжиженном состоянии, так как при этом в том же объёме заключается большее количество вещества.

Источник

Насыщенный пар. Давления насыщенного пара. Кипение

Урок 31. Физика 10 класс ФГОС

Конспект урока «Насыщенный пар. Давления насыщенного пара. Кипение»

Из повседневного опыта мы знаем, что жидкости, например вода, находясь в открытых сосудах, с течением времени переходят в газообразное состояние. Такой процесс в физике называется парообразованием.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное возможен двумя различными процессами: испарением и кипением.

Под испарением мы с вами будем понимать процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом.

Рассмотрим процесс испарения с точки зрения молекулярно-кинетической теории вещества. Но для начала давайте вспомним, что молекулы вещества в любом его агрегатном состоянии находятся в непрерывном движении. Их скорости меняются самым случайным образом. И несмотря на то, что среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определённое значение, кинетическая энергия отдельной молекулы может быть как больше, так и меньше средней:

Наиболее быстрые молекулы, находящиеся в верхних слоях жидкости, могут преодолеть силы притяжения к другим молекулам и покинуть жидкость. А так как молекулы с большой энергией есть всегда, то со временем количество жидкости будет уменьшаться, а над жидкостью будет образовываться пар.

Поскольку при испарении поверхность жидкости покидают самые быстрые молекулы, то средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, и в результате температура жидкости понижается.

Скорость испарения жидкости зависит от многих факторов: от её рода, температуры, площади свободной поверхности и от притока воздуха.

Вылетевшая из жидкости молекула принимает участие в беспорядочном тепловом движении газа. Хаотично двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде, а может и вернуться снова в жидкость.

Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией. При этом процессе число молекул, возвращающихся в жидкость за определённый промежуток времени, всегда больше числа молекул, покидающих её.

Процессы испарения и конденсации широко распространены в природе и технике. Так, например, вследствие испарения воды с поверхности водной оболочки Земли — гидросферы, с поверхности почвы и растительного покрова в воздухе всегда находятся водяные пары, которые могут конденсироваться, образовывать облака и выпадать в виде осадков.

Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости. И если сосуд с жидкостью не закрыт, то концентрация частиц пара при постоянной температуре может изменяться достаточно в широких пределах как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.

Однако процесс испарения в замкнутое пространство при данной температуре может происходить только до определённого предела. Объясняется это достаточно просто. Вот есть сосуд, который частично заполнили водой и плотно закрыли. В сосуде одновременно протекают два противоположно направленных процесса — это испарение и переход водяного пара в жидкость, то есть конденсация.

В течение некоторого промежутка времени после герметизации сосуда испарение жидкости преобладает над конденсацией её пара. Количество жидкости в сосуде будет уменьшаться, а плотность пара над ней — увеличиваться. Но концентрация пара в закрытом сосуде не может расти вечно. Со временем число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё, за тот же промежуток времени. В этом случае говорят, что между жидкостью и паром устанавливается состояние динамического равновесия.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным.

А теперь давайте нагреем наш сосуд, в котором жидкость и пар находятся в состоянии динамического равновесия. Нетрудно заметить, что при увеличении температуры, количество молекул, которые покидают поверхность жидкости, возрастает. При этом в начале количество молекул, покидающих жидкость, больше, чем тех, которые возвращаются обратно, то есть нарушается динамическое равновесие. Однако через какое-то время равновесие вновь восстанавливается. Но так как число молекул в единице объёма пара увеличилось по сравнению с первоначальным, то увеличилась и плотность насыщенного пара. А мы уже знаем, что при увеличении плотности газа возрастает и его давление.

Значит, с увеличением температуры, плотность и давление насыщенного пара увеличиваются. Приближённо зависимость давления насыщенного пара от температуры можно описать уравнением состояния идеального газа:

Почему приближённо? Дело в том, что давление насыщенного пара при постоянном объёме растёт не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара и, как следствие, его плотности и массы.

Поэтому вначале давление насыщенного пара растёт быстрее, чем давление идеального газа. И лишь когда вся жидкость испарится, пар перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объёме будет расти прямо пропорционально температуре.

Вернём нашу систему в исходное состояние и посмотрим, как поведёт себя насыщенный пар, если уменьшить занимаемый им объём. Сразу при уменьшении объёма пара его давление увеличивается, что тут же приводит к возрастанию количества молекул, переходящих в жидкость, и динамическое равновесие нарушается. Но вот число молекул, которые покидают поверхность жидкости, не меняется, так как оно зависит только от температуры, которая у нас остаётся неизменной. В результате количество молекул пара уменьшается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие и плотность пара, а, следовательно, его давление и концентрация молекул не примут своих прежних значений.

Таким образом, при постоянной температуре давление и плотность насыщенного пара не зависят от занимаемого им объёма.

Давление и плотность насыщенного пара при данной температуре — это максимальные давление и плотность, которое может иметь пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью при этой температуре.

Пар, давление (или плотность) которого меньше давления (или плотности) насыщенного пара при той же температуре, называют ненасыщенным паром.

При уменьшении объёма давление ненасыщенного пара увеличивается подобно тому, как изменяется давление при уменьшении объёма идеального газа. Достигнув определённого объёма, пар становится насыщенным, и при дальнейшем сжатии будет происходить превращение пара в жидкость. А как только весь пар превратится в жидкость, дальнейшее уменьшение объёма вызовет резкое увеличение давления, так как жидкости малосжимаемы.

Но самое интересное в этом то, что если температура пара выше некоторого значения, то, как бы мы ни сжимали его, он никогда не превратится в жидкость. То есть превращение пара в жидкость происходит не при любой температуре. Максимальная температура, при которой пар ещё может превратиться в жидкость, называется критической температурой.

У каждого вещества своя критическая температура.

Запомните, что состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость, — паром.

Обобщив всё вышесказанное, можно утверждать, что газовые законы для насыщенного пара не применимы, так как при любом объёме при постоянной температуре давление насыщенного пара одинаково. Однако состояние насыщенного пара достаточно точно описывается уравнением Клайперона — Менделеева.

Читайте также:  Как называется прибор для измерения промилле алкоголя

А теперь давайте посмотрим, как будет происходить испарение жидкости, если к ней постоянно подводить теплоту. Возьмём сосуд с водой и установим под него какой-нибудь нагреватель (например, спиртовку или электроплитку). С помощью термометра будем следить за показаниями температуры в сосуде. Понаблюдаем за жидкостью. Как видим, по мере роста температуры на дне сосуда появляется множество пузырьков. Это растворённый в жидкости газ, который всегда присутствует в жидкости, и степень растворения которого понижается с ростом температуры. При нагревании жидкости снизу газ начинает выделяться в виде пузырьков у дна и стенок сосуда.

В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объёме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объём пузырька уменьшается. Давление стремительно падает, и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются). Этот процесс происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием воды.

Когда температура жидкости выровняется, объём пузырька при подъёме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырёк, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного давления, уменьшается. Пузырёк достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу — жидкость закипает.

Кипение — это процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости.

Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения.

Конечно же, температура кипения у разных жидкостей различна. Это и понятно, ведь различна энергия взаимодействия их молекул. В таблице, которую вы сейчас видите на экране, приведены температуры кипения жидкостей при нормальном атмосферном давлении. А как выдумаете, случайно ли мы, говоря о температуре кипения жидкости, указываем давление?

Конечно же, неслучайно. Пузырьки кипящей жидкости лопаются при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость. И наоборот.

Для подтверждения наших слов, проведём такой опыт. Возьмём три сосуда с водой, находящихся в герметичных камерах. Тепло к сосудам будем подводить при помощи электрических нагревателей, а температуру измерять термометрами. Пусть во второй камере давление воздуха составляет одну атмосферу, в первой камере мы снизим давление в два раза, откачав воздух. А в третьей камере мы давление воздуха увеличим до пяти атмосфер.

Включи́м плитки и пронаблюдаем за жидкостями. Первой у нас закипает вода в первой камере. При этом обратите внимание: кипит она при температуре всего 81 о С. Вода в камере с нормальным давлением, как и ожидалось, закипела при 100 о С.

А что же в камере номер три? Вода кипит в ней при температуре более 151 о С.

Таким образом, мы показали, что действительно чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость, и наоборот.

Если же предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то её можно перегреть, то есть нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а её температура сразу понижается до температуры кипения.

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))

  • 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

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

Удельная энтальпия пара сухостью Х:

h = h f + X * h fg

  • 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.
Читайте также:  Приборы для измерения относительной влажности воздуха называют

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.

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

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))

  • 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

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

Удельная энтальпия пара сухостью Х:

h = h f + X * h fg

  • 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.

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

Насыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Влажность.
методическая разработка (10 класс) на тему

Насыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от

Скачать:

Вложение Размер
vlazhnost_kipenie_nasyshchennyy_par.pptx 842.92 КБ

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

Насыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Влажность. Гусева Н.П. МОУ СОШ №41 г.Саратов

ИСПАРЕНИЕ П роцесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное – испарение; обратный процесс называют конденсацией; испарение происходит при любой температуре, отличной от абсолютного нуля; скорость испарения жидкости зависит от температуры, площади испаряемой поверхности, рода жидкости, ветра .

КИПЕНИЕ — процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости Температурой кипения называется температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно или больше внешнего давления. Для поддержания кипения к жидкости надо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование, т.к. внутренняя энергия пара больше внутренней энергии жидкости такой же массы. В процессе кипения температура жидкости остается постоянной.

Пар – это газ, образованный испарившимися молекулами жидкости Для него справедливо уравнение p = nkT Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара : при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется . С идеальным газом ничего подобного не происходит .

Основное свойство насыщенного пара — давление пара при постоянной температуре не зависит от объема. Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объеме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (см. рис.11.1, участок кривой ВС). p = nkT

При каких условиях начинается кипение? В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, выделяющиеся на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках, которые являются центрами парообразования. Пары жидкости, находящиеся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным и большим внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения . Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6•10 6 Па, вода не кипит и при температуре 200°С. В медицинских учреждениях в герметически закрытых сосудах — автоклавах ( рис.11.2 ) кипение воды также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения жидкости значительно выше 100°С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов и др.

У меньшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Откачивая насосом воздух и пары воды из колбы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис.11.3). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70°С. Сварить мясо в этих условиях невозможно.

Какой процесс называют испарением? От каких факторов зависит скорость испарения жидкости? Какой процесс называется конденсацией? Как объяснить процессы испарения с точки зрения МКТ? Почему испарение сопровождается понижением температуры жидкости?

5.Почему температура жидкости при кипении не изменяется, хотя жидкость продолжает получать энергию от нагревателя? 6. Какая сила поднимает пузырьки на поверхность жидкости? 7. Можно ли заставить кипеть воду при температуре ниже 100оС?

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА В атмосфере Земли находится 13 – 15 тыс , км 3 воды в виде капель, кристаллов и водяного пара. Содержание водяного пара в воздухе называют влажностью . Влажность характеризуется: парциальным давлением ( p )– давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали; относительной влажностью (φ)- отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р о насыщенного пара при той же температуре

В прогнозе погоды указывается величина относительной влажности воздуха в процентах! Относительная влажность воздуха показывает как близко содержание водяных паров в воздухе к насыщению. При относительной влажности 100% — в воздухе насыщенный водяной пар . Для здоровья человека вредны как чрезмерная сухость воздуха, так и большая влажность. Наиболее комфортная влажность воздуха для человека лежит в пределах 40—60%.

Абсолютная влажность — количество водяного пара, содержащегося в 1 см 3 воздуха , т.е . плотность водяного пара.

ПРИБОРИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖОСТИ ВОЗДУХА

Домашнее задание : § 72-74 упр.14

http://class-fizika.spb.ru/index.php/10-11cl/899-td7 http://class-fizika.narod.ru/8_16.htm http://physik.ucoz.ru/board/10_klass/molekuljarnaja_fizika/test_quot_temperatura_osnovnoe_uravnenie_mkt_quot_10_klass_2/53-1-0-588

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Презентация к уроку изучения нового материала. Предусмотрена работа с интерактивной доской для актуализации опорных знаний, изучение нового материала на основе деятельностного подхода, на уроке провод.

Урок раскрывает основные понятия и дает представление о зависимости давления насыщенного пара от температуры.

Методическая разработка лабораторной работы с применением цифровой лаборатории по физике содержит план-конспект урока и презентацию.

Урок с использованием датчика температуры «Влажность воздуха» для 8 класса + лабораторная работа №4.

Урок: «Насыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Образование тумана».

Отчет исследовательских групп о проделанной работесвязь учебной дисциплины «Физика» с МДК «Устройство и техническая эксплуатация бульдозера и скрепера на открытых горных работах&qu.

Актуальность проекта- при изучении темы «Силы в механике» обучающиеся выполняли задание по расчету давления, которое производит человек, стоя на одной ноге. Задание для обучающихся б.

Источник

Насыщенный пар

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: насыщенные и ненасыщенные пары, влажность воздуха.

Если открытый стакан с водой оставить на долгое время, то в конце концов вода полностью улетучится. Точнее — испарится. Что такое испарение и почему оно происходит?

Испарение и конденсация

При данной температуре молекулы жидкости обладают разными скоростями. Скорости большинства молекул находятся вблизи некоторого среднего значения (характерного для этой температуры). Но попадаются молекулы, скорости которых значительно отличаются от средней как в меньшую, так и большую сторону.

На рис. 1 изображён примерный график распределения молекул жидкости по скоростям. Голубым фоном показано то самое большинство молекул, скорости которых группируются около среднего значения. Красный «хвост» графика — это небольшое число «быстрых» молекул, скорости которых существенно превышают среднюю скорость основной массы молекул жидкости.

Рис. 1. Распределение молекул по скоростям

Когда такая весьма быстрая молекула окажется на свободной поверхности жидкости (т.е. на границе раздела жидкости и воздуха), кинетической энергии этой молекулы может хватить на то, чтобы преодолеть силы притяжения остальных молекул и вылететь из жидкости. Данный процесс и есть испарение, а молекулы, покинувшие жидкость, образуют пар.

Итак, испарение — это процесс превращения жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости (при особых условиях превращение жидкости в пар может происходить по всему объёму жидкости. Данный процесс вам хорошо известен — это кипение).

Может случиться, что через некоторое время молекула пара вернётся обратно в жидкость.

Процесс перехода молекул пара в жидкость называется конденсацией. Конденсация пара — процесс, обратный испарению жидкости.

Динамическое равновесие

А что будет, если сосуд с жидкостью герметично закрыть? Плотность пара над поверхностью жидкости начнёт увеличиваться; частицы пара будут всё сильнее мешать другим молекулам жидкости вылетать наружу, и скорость испарения станет уменьшаться. Одновременно начнёт увеличиваться скорость конденсации, так как с возрастанием концентрации пара число молекул, возвращающихся в жидкость, будет становиться всё больше.

Наконец, в какой-то момент скорость конденсации окажется равна скорости испарения. Наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром: за единицу времени из жидкости будет вылетать столько же молекул, сколько возвращается в неё из пара. Начиная с этого момента количество жидкости перестанет убывать, а количество пара — увеличиваться; пар достигнет «насыщения».

Насыщенный пар — это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Пар, не достигший состояния динамического равновесия с жидкостью, называется ненасыщенным.

Давление и плотность насыщенного пара обозначаются и . Очевидно, и — это максимальные давление и плотность, которые может иметь пар при данной температуре. Иными словами, давление и плотность насыщенного пара всегда превышают давление и плотность ненасыщенного пара.

Свойства насыщенного пара

Оказывается, что состояние насыщенного пара (а ненасыщенного — тем более) можно приближённо описывать уравнением состояния идеального газа (уравнением Менделеева — Клапейрона). В частности, имеем приближённое соотношение между давлением насыщенного пара и его плотностью:

Это весьма удивительный факт, подтверждаемый экспериментом. Ведь по своим свойствам насыщенный пар существенно отличается от идеального газа. Перечислим важнейшие из этих отличий.

1. При неизменной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объёма.

Если, например, насыщенный пар изотермически сжимать, то его плотность в первый момент возрастёт, скорость конденсации превысит скорость испарения, и часть пара конденсируется в жидкость — до тех пор, пока вновь не наступит динамическое равновесие, в котором плотность пара вернётся к своему прежнему значению.

Аналогично, при изотермическом расширении насыщенного пара его плотность в первый момент уменьшится (пар станет ненасыщенным), скорость испарения превысит скорость конденсации, и жидкость будет дополнительно испаряться до тех пор, пока опять не установится динамическое равновесие — т.е. пока пар снова не станет насыщенным с прежним значением плотности.

2. Давление насыщенного пара не зависит от его объёма.

Это следует из того, что плотность насыщенного пара не зависит от объёма, а давление однозначно связано с плотностью уравнением (1) .

Как видим, закон Бойля — Мариотта, справедливый для идеальных газов, для насыщенного пара не выполняется. Это и не удивительно — ведь он получен из уравнения Менделеева — Клапейрона в предположении, что масса газа остаётся постоянной.

3. При неизменном объёме плотность насыщенного пара растёт с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры.

Действительно, при увеличении температуры возрастает скорость испарения жидкости.

Динамическое равновесие в первый момент нарушается, и происходит дополнительное испарение некоторой части жидкости. Пара будет прибавляться до тех пор, пока динамическое равновесие вновь не восстановится.

Точно так же при понижении температуры скорость испарения жидкости становится меньше, и часть пара конденсируется до тех пор, пока не восстановится динамическое равновесие — но уже с меньшим количеством пара.

Таким образом, при изохорном нагревании или охлаждении насыщенного пара его масса меняется, поэтому закон Шарля в данном случае не работает. Зависимость давления насыщенного пара от температуры уже не будет линейной функцией.

4. Давление насыщенного пара растёт с температурой быстрее, чем по линейному закону.

В самом деле, с увеличением температуры возрастает плотность насыщенного пара, а согласно уравнению (1) давление пропорционально произведению плотности на температуру.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры является экспоненциальной (рис. 2 ). Она представлена участком 1–2 графика. Эту зависимость нельзя вывести из законов идеального газа.

Рис. 2. Зависимость давления пара от температуры

В точке 2 вся жидкость испаряется; при дальнейшем повышении температуры пар становится ненасыщенным, и его давление растёт линейно по закону Шарля (участок 2–3).

Вспомним, что линейный рост давления идеального газа вызван увеличением интенсивности ударов молекул о стенки сосуда. В случае нагревания насыщенного пара молекулы начинают бить не только сильнее, но и чаще — ведь пара становится больше. Одновременным действием этих двух факторов и вызван экспоненциальный рост давления насыщенного пара.

Влажность воздуха

Воздух, содержащий водяной пар, называется влажным.Чем больше пара находится в воздухе, тем выше влажность воздуха.

Абсолютная влажность — это парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе (т. е. давление, которое водяной пар оказывал бы сам по себе, в отсутствие других газов). Иногда абсолютной влажностью называют также плотность водяного пара в воздухе.

Относительная влажность воздуха — это отношение парциального давления водяного пара в нём к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Как правило, это отношение выражают в процентах:

Из уравнения Менделеева-Клапейрона (1) следует, что отношение давлений пара равно отношению плотностей. Так как само уравнение (1) , напомним, описывает насыщенный пар лишь приближённо, мы имеем приближённое соотношение:

Одним из приборов, измеряющих влажность воздуха, является психрометр. Он включает в себя два термометра, резервуар одного из которых завёрнут в мокрую ткань. Чем ниже влажность, тем интенсивнее идёт испарение воды из ткани, тем сильнее охлаждается резервуар «мокрого» термометра, и тем больше разность его показаний и показаний сухого термометра. По этой разности с помощью специальной психрометрической таблицы определяют влажность воздуха.

Источник