В чем разница в значении для насыщенного и ненасыщенного?
Плотность насыщенного пара всегда больше, чем ненасыщенного. Разница кроется в уровне влажности.
В насыщенном паре больше молекул воды, они более крупные и горячие. Для ненасыщенного пара свойственен малый уровень насыщения водой, молекул в среде меньше, а значит пространство, которое занимает пар разряженное.
Еще одной зависимостью является температура. При ее росте увеличивается плотность ненасыщенного пара до предела насыщения в 100%. На этом пороге пар входит в термодинамическое равновесие с водой, и рост плотности останавливается.
При увеличении температуры плотность станет увеличиваться, но при этом произойдет потеря равновесия, и пар станет перегретым.
Точка росы — это… Что такое Точка росы?
Температура точки росы газа (точка росы) — это значение температуры газа, ниже которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом изобарически, становится насыщенным над плоской поверхностью воды.
На приведённой диаграмме представлено максимальное содержание водяного пара в воздухе на уровне моря в зависимости от температуры. Чем выше температура, тем выше равновесное парциальное давление пара.
Точка росы определяется относительной влажностью воздуха. Чем выше относительная влажность, тем точка росы выше и ближе к фактической температуре воздуха. Чем ниже относительная влажность, тем точка росы ниже фактической температуры. Если относительная влажность составляет 100 %, то точка росы совпадает с фактической температурой.
Формула для приблизительного расчёта точки росы в градусах Цельсия (только для положительных температур):
где
Точка росы воздуха — важнейший параметр при антикоррозионной защите, говорит о влажности и возможности конденсации. Если точка росы воздуха выше, чем температура подложки (субстрат, как правило поверхность металла), то на подложке будет иметь место конденсация влаги.
Краска, наносимая на подложку с конденсацией, не достигнет должной адгезии, за исключением случаев использования красок, разработанных по специальной рецептуре (Справку можно получить в Технологической карте продукта или покрасочной спецификации).
Таким образом, последствием нанесения краски на подложку с конденсацией будет плохая адгезия и образование дефектов, таких как шелушение, пузырение и др., приводящее к преждевременной коррозии и/или обрастанию.
Определение точки росы
Значения точки росы в градусах °C для ряда ситуаций определяют с помощью пращевого психрометра и специальных таблиц. Сначала определяют температуру воздуха, затем влажность, температуру подложки и с помощью таблицы Точки росы определяют температуру, при которой не рекомендуется наносить покрытия на поверхность.
Если вы не можете найти точно ваши показания на пращевом психрометре, то найдите один показатель на одно деление выше по обеим шкалам, как относительной влажности, так и температуры, а другой показатель соответственно на одно деление ниже и интерполируйте необходимое значение между ними. Стандарт ISO 8502-4 используется для определения относительной влажности и точки росы на стальной поверхности, подготовленной для окраски.
Таблица температур
Значения точки росы (°С) в разных условиях приведены в таблице.
| Относительная влажность % | |||||||||||
| 20 | −20 | −18 | −16 | −14 | −12 | −9,8 | −7,7 | −5,6 | −3,6 | −1,5 | −0,5 |
| 25 | −18 | −15 | −13 | −11 | −9,1 | −6,9 | −4,8 | −2,7 | −0,6 | 1,5 | 3,6 |
| 30 | −15 | −13 | −11 | −8,9 | −6,7 | −4,5 | −2,4 | −0,2 | 1,9 | 4,1 | 6,2 |
| 35 | −14 | −11 | −9,1 | −6,9 | −4,7 | −2,5 | −0,3 | 1,9 | 4,1 | 6,3 | 8,5 |
| 40 | −12 | −9,7 | −7,4 | −5,2 | −2,9 | −0,7 | 1,5 | 3,8 | 6,0 | 8,2 | 10,5 |
| 45 | −10 | −8,2 | −5,9 | −3,6 | −1,3 | 0,9 | 3,2 | 5,5 | 7,7 | 10,0 | 12,3 |
| 50 | −9,1 | −6,8 | −4,5 | −2,2 | 0,1 | 2,4 | 4,7 | 7,0 | 9,3 | 11,6 | 13,9 |
| 55 | −7,9 | −5,6 | −3,3 | −0,9 | 1,4 | 3,7 | 6,1 | 8,4 | 10,7 | 13,0 | 15,3 |
| 60 | −6,8 | −4,4 | −2,1 | 0,3 | 2,6 | 5,0 | 7,3 | 9,7 | 12,0 | 14,4 | 16,7 |
| 65 | −5,8 | −3,4 | −1,0 | 1,4 | 3,7 | 6,1 | 8,5 | 10,9 | 13,2 | 15,6 | 18,0 |
| 70 | −4,8 | −2,4 | 0,0 | 2,4 | 4,8 | 7,2 | 9,6 | 12,0 | 14,4 | 16,8 | 19,1 |
| 75 | −3,9 | −1,5 | 1,0 | 3,4 | 5,8 | 8,2 | 10,6 | 13,0 | 15,4 | 17,8 | 20,3 |
| 80 | −3,0 | −0,6 | 1,9 | 4,3 | 6,7 | 9,2 | 11,6 | 14,0 | 16,4 | 18,9 | 21,3 |
| 85 | −2,2 | 0,2 | 2,7 | 5,1 | 7,6 | 10,1 | 12,5 | 15,0 | 17,4 | 19,9 | 22,3 |
| 90 | −1,4 | 1,0 | 3,5 | 6,0 | 8,4 | 10,9 | 13,4 | 15,8 | 18,3 | 20,8 | 23,2 |
| 95 | −0,7 | 1,8 | 4,3 | 6,8 | 9,2 | 11,7 | 14,2 | 16,7 | 19,2 | 21,7 | 24,1 |
| 100 | 0,0 | 2,5 | 5,0 | 7,5 | 10,0 | 12,5 | 15,0 | 17,5 | 20,0 | 22,5 | 25,0 |
Диапазон комфорта
Человек при высоких значениях точки росы чувствует себя некомфортно. В континентальном климате условия с точкой росы между 15 и 20 °C доставляют некоторый дискомфорт, а воздух с точкой росы выше 21 °C воспринимается как душный. Нижняя точка росы, менее 10 °C, коррелирует с более низкой температурой окружающей среды, и тело требует меньшего охлаждения. Нижняя точка росы может пойти вместе с высокой температурой только при очень низкой относительной влажности.
| более 26 | крайне высокое восприятие, смертельно опасно для больных астмой | 65 и выше |
| 24—26 | крайне некомфортное состояние | 62 |
| 21—24 | очень влажно и некомфортно | 52—60 |
| 18—21 | неприятно воспринимается большинством людей | 44—52 |
| 16—18 | комфортно для большинства, но ощущается верхний предел влажности | 37—46 |
| 13—16 | комфортно | 38—41 |
| 10—12 | очень комфортно | 31—37 |
| менее 10 | немного сухо для некоторых | 30 |
Влияние давления на плотность пара
При увеличении давления на газовую фазу, молекулы пара начинают сближаться и чаще сталкиваться друг с другом. Это приводит к увеличению плотности пара. При уменьшении давления, наоборот, молекулы пара рассеиваются и сталкиваются реже, что снижает плотность.
Зависимость плотности пара от давления можно выразить через уравнение состояния газа. Для идеального газа справедливо уравнение состояния PV=nRT, где P — давление, V — объем, n — количество вещества, R — универсальная газовая постоянная, T — температура.
Из этого уравнения следует, что при постоянной температуре увеличение давления приводит к уменьшению объема газовой фазы, что в свою очередь увеличивает плотность пара.
Таким образом, давление оказывает значительное влияние на плотность пара. При повышении давления происходит сжатие пара, что приводит к увеличению плотности, а при понижении давления пар рассеивается и его плотность уменьшается.
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.
Методика расчёта
Значения температуры и давления насыщения пара вычисляются по формулам IAPWS-IF 97.
Температура точки росы соответствует температуре насыщения пара при давлении *.
Плотность влажного воздуха ro_wa = ro_da+ro_v, где ro_da — плотность сухого воздуха, ro_v — плотность пара;
ro_v = P_v/(t+273,15)/R_v, где P_v — парциальное давление пара, t — температура окружающей среды (в градусах Цельсия), R_v = 461,495 Дж/кг/К — газовая постоянная пара;
P_v = P_vsat * RH, где P_vsat — давление насыщения пара при температуре окружающей среды t, RH — относительная влажность воздуха;
ro_da = P_da/(t+273,15)/R_da, где P_da — парциальное давление сухого воздуха, R_da=287,058 Дж/кг/К — газовая постоянная сухого воздуха;
P_da = P — P_v, где P — атмосферное давление.
Влагосодержание воздуха в г/(кг сухого воздуха) d = ro_v/ro_da*1000.
Температура мокрого термометра
Температура мокрого термометра — минимальная температура до которой возможно охладить воздух с помощью адиабатического охлаждения (охлаждение воздуха путём распыления в объёме воздуха воды с её последующим испарением за счёт теплоты воздуха).
Адиабатическое охлаждение воздуха достигается за счёт использования тепловой энергии воздуха для испарения воды, при котором явная теплота воздуха переходит в скрытую теплоту парообразования водяного пара. Так как тепловая энергия, переданная от воздуха к воде и затраченная на её испарение, снова возвращается в воздух в виде скрытой теплоты парообразования, энтальпия влажного воздуха в этом процессе остаётся неизменной. При этом количество влажного воздуха увеличивается за счёт поступающего в него водяного пара. Таким образом удельная энтальпия влажного воздуха уменьшается, неизменной остаётся энтальпия отнесённая на килограмм сухого воздуха.
Относительная влажность воздуха RH = p_пар/p_нас, где p_пар — парциальное давление водяного пара в воздухе, p_нас — давление насыщенного водяного пара.
При уменьшении температуры влажного воздуха давление насыщенного водяного пара так же уменьшается, что приводит к увеличению относительной влажности.
При поступлении в воздух дополнительного количества водяного пара парциальное давление водяного пара увеличивается, что приводит к увеличению относительной влажности воздуха. Таким образом, при испарении воды относительная влажность воздуха увеличивается как по причине снижения его температуры так и из-за поступления в него дополнительного количества водяного пара. Процесс испарения воды останавливается после достижения величины относительной влажности воздуха значения 100%.
При определении температуры мокрого термометра по температуре сухого термометра и его относительной влажности предполагается, что температура вступающей в контакт с воздухом воды равна температуре мокрого термометра, т.е. температура воды в процессе адиабатического охлаждения воздуха не изменяется, вся теплота передаваемая от воздуха воде идёт на парообразование.
Для определения значения температуры мокрого термометра сначала нужно найти h — значение энтальпии на кг сухого воздуха при заданных параметрах окружающей среды (атмосферное давление, температура сухого термометра, относительная влажность). Температура мокрого термометра t_w – это температура, при которой воздух с относительной влажностью 100% будет иметь значение h.
Формула для определения энтальпии воздуха в кДж/(кг сухого воздуха): h = (1,006 кДж/кг/C) t + d [(1,84 кДж/кг/C) t + (2501 кДж/кг)], где 1,006 кДж/кг/C — теплоёмкость сухого воздуха; d — влагосодержание, кг/(кг сухого воздуха); 1,84 кДж/кг/C — теплоёмкость пара; 2501 кДж/кг — скрытая теплота парообразования.
Первое приближение значения мокрого термометра можно притять t_w=0,75*t. Для t_w находим h_w, если h_w больше h, то значение t_w нужно уменьшить, если меньше — увеличить. Продолжаем подбор t_w до того момента как h_w приблизется к h с заданной точностью.
Точность расчёта значения температуры мокрого термометра в данном случае зависит от точности использованной формулы расчёта значения энтальпии влажного воздуха на кг сухого воздуха.
, С.В. Медведев, 2020-2023Использование Python и Jupyter Notebook для инженерных расчётов, С.В. Медведев, 2020-2023
Как влияют внешние воздействия на расчет
Понятие «плотность» зависимо от условий окружающей среды, в которых происходит ее измерение. По мере повышения либо понижения температуры плотность начинает постепенно уменьшаться. Например, плотность воды при температуре кипения составляет 958,4 кг/м3. Однако таким образом ведут себя не все жидкости. Многие, испытывая понижение температуры, увеличивают свою плотность.
Пример
Водка при 20°C имеет плотность 935 кг/м3, а при 80°C — 888; нафталин при 230°C — 865 кг/м3, при 320°C — 794 кг/м3; раствора сахара при 20°C — 1333 кг/м3, при 100°C — 1436 кг/м3. Значение аналогичных величин вынесены в специальные таблицы, которые носят справочный характер.
Для вычисления ρ при изменении температуры вещества применяется формула:
\(\rho t=\rho20\div(1+\beta t\times(t-20))\)
Существуют особенности изменения плотности при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Так, обычная вода при затвердевании уменьшает свою плотность. Касательно других жидкостей — при переходе в твердое состояние ρ чаще растет.
Еще один внешний фактор, под действием которого жидкость сжимается, а, следовательно, ее плотность меняется, является внешнее давление. Однако так называемая сжимаемость жидкого вещества совсем невелика — 10-6бар.
Для характеристики реакции жидкого тела на воздействие внешнего давления вводится термин — сжимаемость. Она высчитывается по формуле:
\(\beta w=\Delta W\div W\times\Delta p=1\div\rho\times(\Delta\rho\div\Delta p)\)
Где βw — коэффициент объемного сжатия, ΔW — разница в изменении объема, Δρ — изменение плотности, Δp — изменение объема.
Введена еще одна величина, имеющая отношение к сжимаемости. Это объемный модуль упругости (Еж).
Она обратна коэффициенту объемного сжатия и определяется по формуле:
\(Еж=1\div\beta.\)
В качестве единицы измерения выступает Па — паскаль. Для примера, Еж воды равняется 2 000 МПа.
Единицы измерения плотности
Какова единица плотности в СИ?В СИ плотность вещества измеряется в килограммах на кубический метр ($1 \frac{кг}{м^3}$).
Какие еще единицы плотности вам известны?Часто используется другая единица измерения — граммы на кубический сантиметр ($1 \frac{г}{см^3}$) (рисунок 4).
Рисунок 4. Плотности различных веществ в $\frac{г}{см^3}$
Иногда нам потребуется переводить плотность веществ, выраженную в $\frac{кг}{м^3}$ в $ \frac{г}{см^3}$.
Давайте выразим плотность мрамора ($2700 \frac{кг}{м^3}$) в $\frac{г}{см^3}$:
$$\rho = 2700 \cdot \frac{1 \space кг}{1 \space м^3} = 2700 \cdot \frac{1000 \space г}{1 \space 000 \space 000 \space см^3} = \frac{2700}{1000} \cdot \frac{г}{см^3} = 2.7 \frac{г}{см^3}$$
{"questions":,"answer":}}}]}
Насыщенный пар — что это такое, определение
Образование водяного пара. Конденсация водяного пара:
Водяной пар может быть получен в результате испарения или кипения жидкой воды, а также в результате сублимации льда. При испарении пар образуется только на поверхности вещества, при кипении же пар образуется по всему объему жидкости.
В обычных атмосферных условиях водяной пар непрерывно образуется в результате испарения и конденсируется в жидкое состояние.
Кипение воды происходит при температурах, которые зависят от химического состава водного раствора и атмосферного давления.
При нормальном давлении окружающей среды 1 атм. (101,325 кПа) вода кипит при 100 °C. Температура кипения остается неизменной на протяжении всего процесса. Так, если в оставшуюся воду подается энергия (тепло), она испаряется без дальнейшего повышения температуры. Из 1 литра (соответственно 1 кг) воды образуется 1673 литра водяного пара (в нормальных условиях), для чего требуются затраты энергии 2257 кДж.
При поступлении водяного пара в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление, называемое парциальным. Парциальное давление (лат. partialis – «частичный» от pars – «часть») – давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений её компонентов.
Обратные образованию водяного пара процессы именуются конденсацией и десублимацией. Водяной пар будет конденсироваться на другую поверхность только тогда, когда эта поверхность будет более холодной, чем температура точки росы, или когда равновесие водяного пара в воздухе будет превышено.
В атмосфере конденсация водяного пара приводит к образованию облаков, тумана и осадков, а десублимация – снега.
Свойства насыщенного водяного пара от 0 до 200 бар. Давление насыщенного. Температура кипения (конденсации). Удельный объем и плотность. Объемная масса. Удельная энтальпия воды и пара. Удельная теплота парообразования. Таблица.
Взаимосвязи в пределах модели идеального газа
|
1.1. Температура, давление и плотность
Плотность сухого воздуха может быть вычислена с использованием уравнения Клапейрона для идеального газа при заданных температуре (англ.)
русск. и давлении:
Здесь ρ — плотность воздуха, p — абсолютное давление, R — удельная газовая постоянная для сухого воздуха (287,058 Дж ⁄ (кг·К) ) , T — абсолютная температура в Кельвинах. Таким образом подстановкой получаем:
- при стандартной атмосфере Международного союза теоретической и прикладной химии (температуре 0°С, давлении 100 КПа, нулевой влажности) плотность воздуха 1,2754 кг ⁄ м³ ;
- при 20 °C, 101,325 КПа и сухом воздухе плотность атмосферы составляет 1,2041 кг ⁄ м³ .
В приведенной таблице даны различные параметры воздуха, вычисленные на основании соответствующих элементарных формул, в зависимости от температуры (давление взято за 101,325 КПа)
1.2. Влияние влажности воздуха
Под влажностью понимается наличие в воздухе газообразного водяного пара, парциальное давление которого не превосходит давления насыщенного пара для данных атмосферных условий. Добавление водяного пара в воздух приводит к уменьшению его плотности, что объясняется более низкой молярной массой воды (18 гр ⁄ мол ) по сравнению с молярной массой сухого воздуха (29 гр ⁄ мол ). Влажный воздух может рассматриваться как смесь идеальных газов, комбинация плотностей каждого из которых позволяет получить требуемое значение для их смеси. Подобная интерпретация позволяет определение значения плотности с уровнем ошибки менее 0,2% в диапазоне температур от −10 °C до 50 °C и может быть выражена следующим образом:
где — плотность влажного воздуха ( кг ⁄ м³ ); p d — парциальное давление сухого воздуха (Па); R d — универсальная газовая постоянная для сухого воздуха (287,058 Дж ⁄ (кг·К) ); T — температура (K); p v — давление водяного пара (Па) и R v — универсальная постоянная для пара (461,495 Дж ⁄ (кг·К) ). Давление водяного пара может быть определено исходя из относительной влажности:
где p v — давление водяного пара; φ — относительная влажность и p sat — парциальное давление насыщенного пара, последнее может быть представлено в виде следующего упрощенного выражения:
которое дает результат в миллибарах. Давление сухого воздуха p d определяется простой разницей:
где p обозначает абсолютное давление рассматриваемой системы.
1.3. Влияние высоты над уровнем моря в тропосфере
Зависимость давления, температуры и плотности воздуха от высоты по сравнению со стандартной атмосферой (p 0 =101325 Па, T 0=288,15 K, ρ 0 =1,225 кг/м³).
Для вычисления плотности воздуха на определенной высоте в тропосфере могут использоваться следующие параметры (в параметрах атмосферы указано значение для стандартной атмосферы):
- стандартное атмосферное давление на уровне моря — p 0 = 101325 Па;
- стандартная температура на уровне моря — T 0 = 288,15 K;
- ускорение свободного падения над поверхностью Земли — g = 9,80665 м ⁄ сек 2 (при данных вычислениях считается независимой от высоты величиной);
- скорость падения температуры (англ.)
русск. с высотой, в пределах тропосферы — L = 0,0065 K ⁄ м ;
- универсальная газовая постоянная — R = 8,31447 Дж ⁄ (Мол·K) ;
- молярная масса сухого воздуха — M = 0,0289644 кг ⁄ Мол .
Для тропосферы (т.е. области линейного убывания температуры — это единственное свойство тропосферы, используемое здесь) температура на высоте h над уровнем моря может быть задана формулой:
Давление на высоте h:
Тогда плотность может быть вычислена подстановкой соответствующих данной высоте h температуры T и давления P в формулу:
Эти три формулы (зависимость температуры, давления и плотности от высоты) и использованы для построения графиков, приведенных справа. Графики нормализованы — показывают обший вид поведения параметров. «Нулевые» значения для верных вычислений нужно каждый раз подставлять в соответствии с показаниями соответствующих приборов (градусника и барометра) на данный момент на уровне моря.
Параметры влажного воздуха
Но мы, наверное, уже далеко забрались, так и не объяснив, что такое влагосодержание, энтальпия и уж тем более парциальное давление водяного пара. Начнём с простого. Касательно температуры и давления вопросов, я думаю, не возникает.
Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим. Если сухому воздуху показать каплю воды, он мгновенно её испарит и станет влажным. Итак, — это отношение массы воды к массе сухого воздуха, в котором эта вода испарилась. Однако, продолжим: вторую каплю он также испарит, но немного медленнее. Третья капля испарится ещё медленнее. Наконец, на N-ной капле воздух «устанет» вбирать в себя воду. Он насытится ею, «напьется водой». Это будет насыщенный влажный воздух (та самая жирная линия на диаграмме).
Парциальное давление водяного пара
Встаёт вопрос, почему всё так происходит? Видимо, что-то толкает воздух впитывать в себя влагу до определенного момента. Что это за движущая сила? Для примера вспомним горячую плиту на кухне. Воздух вокруг неё нагревается, и для нас очевидно, что движущей силой является разность температур между плитой и воздухом. Воздух будет греться до тех пор, пока плита не остынет, т.е. не станет той же температуры, что и воздух — процесс прекратится.
Вернёмся к влажному воздуху. Он в своём составе имеет водяной пар. Парциальным давлением водяного пара влажного воздуха называется то давление, которое обретет водяной пар в замкнутом объёме, если из этого объема убрать весь сухой воздух. Очевидно, что в воздухе водяного пара совсем мало (об этом нам говорит влагосодержание, которое измеряется величинами порядка 0.005…0.03 кг/кг), а, значит, при исчезновении сухого воздуха из некого объёма, оставшийся пар будет вполне вольготно себя чувствовать в предоставленном объеме, следовательно, иметь низкое давление. Это означает, что и парциальное давление водяного пара достаточно низко. Действительно, оно измеряется тысячами Паскалей, а ведь атмосферное давление воздуха равно примерно ста тысячам Паскалей. Снова вернемся к поглощаемым каплям.
Движущей силой процесса испарения служит именно разность парциальных давлений. У капли воды оно равно некоторой величине, а у сухого воздуха — нулю. Процесс испарения максимально активен. Далее, парциальное давление водяного пара растет, процесс замедляется и заканчивается в условиях их равенства. Водяным паром во влажном воздухе достигнуто давление насыщения. Оно же называется давлением насыщенного водяного пара. Сама же кривая насыщения — это известная нам жирная линия.
Относительная влажность
Следующий вопрос: как определить, насколько имеющийся влажный воздух насыщен водяным паром? Другими словами, каково отношение текущего давления водяного пара к давлению насыщения? На этот вопрос в точности отвечает относительная влажность, разве что для удобства измеряется она в процентах, а потому упомянутое отношение умножается на 100%. Итак, относительная влажность — это отношение текущего давления водяного пара к максимально возможному для данной температуры.
Значения для различных температур и давлений
Ниже приведена таблица плотности влажного насыщенного пара, в которой указаны значения для различных температур и давлений:
| Температура (°C) | Давление (кПа) | Плотность (кг/м³) |
|---|---|---|
| 1 | 0.6113 | |
| 2 | 0.7467 | |
| 10 | 1 | 1.233 |
| 10 | 2 | 1.525 |
| 20 | 1 | 2.339 |
| 20 | 2 | 2.658 |
Эти значения позволяют определить плотность влажного насыщенного пара при заданных значениях температуры и давления. Таблица является полезным инструментом для инженеров и специалистов в области теплотехники, которые занимаются расчетами паропроводных систем, паровых котлов и другого оборудования, связанного с использованием водяного пара.
Ненасыщенный (влажный) пар
Это наиболее распространенная форма пара, которая используется на большинстве заводов. Когда при работе котла образуется пар, он, как правило, влажный из-за неиспарившихся молекул воды, которые в нем присутствуют. Даже лучшие котлы могут выпускать пар, чья влажность будет составлять от 3% до 5%. Когда вода приближается к состоянию насыщения и начинает испаряться, часть ее, обычно в форме водяной пыли или капелек, попадает в поднимающийся пар и распределяется дальше. Это одна из основных причин, по которой сепарация используется для удаления конденсата из распределенного пара.
Определение плотности влажного насыщенного пара
Для определения плотности влажного насыщенного пара необходимо знать значения температуры и давления. В зависимости от этих параметров можно рассчитать плотность влажного насыщенного пара по соответствующей таблице или использовать специальные формулы и уравнения.
| Температура (°C) | Давление (кПа) | Плотность (кг/м³) |
|---|---|---|
| 0.611 | 0.804 | |
| 10 | 1.227 | 1.247 |
| 20 | 2.338 | 1.184 |
Представленная таблица показывает значения плотности влажного насыщенного пара для различных температур от 0 до 20 °C и давлений от 0.611 до 2.338 кПа. Эти значения являются приближенными и могут использоваться в расчетах и исследованиях в соответствующих областях науки и техники.
Теплофизические свойства водяного пара при различных температурах на линии насыщения
В таблице представлены теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения в зависимости от температуры. Свойства пара приведены в таблице в интервале температуры от 0,01 до 370°С.
Каждой температуре соответствует давление, при котором водяной пар находится в состоянии насыщения. Например, при температуре водяного пара 200°С его давление составит величину 1,555 МПа или около 15,3 атм.
Удельная теплоемкость пара, теплопроводность и его динамическая вязкость увеличиваются по мере роста температуры. Также растет и плотность водяного пара. Водяной пар становится горячим, тяжелым и вязким, с высоким значением удельной теплоемкости, что положительно влияет на выбор пара в качестве теплоносителя в некоторых типах теплообменных аппаратов.
Например, по данным таблицы, удельная теплоемкость водяного пара Cp при температуре 20°С равна 1877 Дж/(кг·град), а при нагревании до 370°С теплоемкость пара увеличивается до значения 56520 Дж/(кг·град).
В таблице даны следующие теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения:
- давление пара при указанной температуре p·10-5, Па;
- плотность пара ρ″, кг/м3;
- удельная (массовая) энтальпия h″, кДж/кг;
- теплота парообразования r, кДж/кг;
- удельная теплоемкость пара Cp, кДж/(кг·град);
- коэффициент теплопроводности λ·102, Вт/(м·град);
- коэффициент температуропроводности a·106, м2/с;
- вязкость динамическая μ·106, Па·с;
- вязкость кинематическая ν·106, м2/с;
- число Прандтля Pr.
Удельная теплота парообразования, энтальпия, коэффициент температуропроводности и кинематическая вязкость водяного пара при увеличении температуры снижаются. Динамическая вязкость и число Прандтля пара при этом увеличиваются.
Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100! Например, теплопроводность пара при температуре 100°С равна 0,02372 Вт/(м·град).
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.