Способы получения водяного пара их различие

Водяной пар

Среди реальных газов особое место занимает водяной пар. Он получил весьма широкое распространение во многих областях техники и используется в качестве теплоносителя в энергетических установках. Водяной пар обычно используется при таких давлениях и температурах, когда его необходимо рассматривать как реальный газ. Получить водяной пар можно двумя способами: при испарении и кипении воды.

Испарением называется процесс образования пара из воды, происходящий только со свободной поверхности. Этот процесс протекает при любой температуре. При испарении с поверхности воды отрываются молекулы, имеющие наибольшую кинетическую энергию, и вылетают в окружающее пространство. В результате над жидкостью образуется водяной пар. Интенсивность процесса испарения возрастает при повышении температуры.

Кипение – это процесс образования водяного пара во всем объеме жидкости. При нагревании до определенной температуры внутри жидкости образуются пузырьки пара, которые, соединяясь между собой, вылетают в окружающее пространство. Для того, чтобы пузырек пара мог образоваться и затем расти, необходимо, чтобы процесс парообразования происходил внутри пузырьков, а это возможно только, если кинетическая энергия молекул воды имеет достаточную для этого величину. Так как кинетическая энергия молекул определяется температурой жидкости, следовательно, кипение при данном внешнем давлении может начаться только при вполне определенной температуре. Такая температура называется температурой кипения или температурой насыщения и обозначается t_н. Температура кипения при данном давлении остается постоянной, пока вся жидкость не превратиться в пар.

Пар, образующийся над поверхностью кипящей жидкости, называется насыщенным паром. Насыщенный пар может быть сухим или влажным. Сухим насыщенным паром называется такой пар, который, находясь над поверхностью кипящей жидкости, не содержит взвешенных капелек жидкости. Влажным насыщенным паром, или просто влажным паром, называется механическая смесь сухого насыщенного пара и кипящей жидкости. Характеристикой влажного пара является его степень сухости х. Степенью сухости называется доля сухого насыщенного пара во влажном паре, т.е. отношение массы сухого насыщенного пара во влажном паре к массе влажного пара. Величина 1–х называется степенью влажности или влажностью влажного насыщенного пара, т.е. массовая доля кипящей жидкости во влажном воздухе. Параметрами, полностью определяющими состояние сухого насыщенного пара или кипящей жидкости, являются температура или давление и степень сухости.

Если к сухому насыщенному пару при отсутствии кипящей жидкости подводить тепло при том же давлении, что и давление сухого насыщенного пара, то он будет переходить в перегретый пар. Температура его начнет повышаться. Перегретым паром называется пар, имеющий более высокую температуру при данном давлении, чем сухой насыщенный пар. Температура перегретого пара обозначается буквой t, а разность температур t–t_н называют степенью перегрева, или перегревом пара. С ростом перегрева пара его объем будет увеличиваться, будет расти расстояние между молекулами и, следовательно, уменьшаться силы взаимного притяжения, т.е. перегретый пар при высоких степенях перегрева будет приближаться по своим свойствам к идеальному газу. Параметрами, определяющими состояние перегретого пара, будут давление и температура (или удельный объем).

Процесс, обратный парообразованию, т.е. процесс перехода пара в жидкость, называется процессом конденсации.

Процесс получения перегретого пара можно разбить на три стадии:

1) подогрев воды до температуры кипения;

2) испарение кипящей воды и образование сухого насыщенного пара;

3) перегрев сухого насыщенного пара.

При этом состояние сухого насыщенного пара будет крайне неустойчивым, так как совершенно незначительное увеличение или уменьшение температуры вызовет перегрев пара либо его конденсацию.

Источник

Получение паров и их параметры

Для получения электрической энергии на Тепловых электрических станциях используют перегретый водяной пар.

Пар может получаться двумя способами: при испарении и при кипении. В процессе испарения молекулы жидкости у ее поверхности, имеющие бόльшую скорость, чем другие молекулы, преодолевают силы молекулярного сцепления, создающие поверхностное натяжение, и вылетают в окружающее пространство. Чем выше температура жидкости, тем более интенсивно происходит испарение.

При кипении частицы пара образуются во всей массе жидкости и, имея меньший удельный вес, чем жидкость, устремляются вверх, соединяясь при этом движении с другими частицами пара и, создавая таким образом клубки. Такие клубки пара, достигая поверхности жидкости, преодолевают силы поверхностного натяжения и вылетают в окружающее пространство, вызывая характерное для процесса кипения бурление.

Этот процесс может происходить лишь при вполне определенной для данного давления температуре воды, называемой температурой насыщения,или кипения, и обозначаемой через или .

В практических условиях пар обычно образуется при постоянном давлении. Такой процесс и рассматривается ниже.

Допустим, что 1 кг воды при 0 о С заключен в цилиндре с подвижным поршнем, нагруженным постоянным грузом с общим весом Р (рис. 5.1, положение 1). В первой стадии получения пара вода подогревается от 0 о С до температуры насыщения , соответствующей данному давлению. Если при температуре 0 о С удельный объем воды был v₀, то при нагревании до температуры он увеличится до объема v’ (предполагая условно, что парообразования в этой стадии не было). Этот объем воды называется удельным объемом жидкости (рис. 5.1, положение 2). При дальнейшем нагревании наступает вторая стадия, когда кипящая вода постепенно переходит в пар (рис. 5.1, положение 3). Пар, образующийся из кипящей воды называется насыщенным, практически же он является влажным насыщенным, или, сокращенно, просто влажным. Этот пар представляет собой смесь собственно сухого пара с капельками воды, увлеченными из нее при кипении. В процессе кипения количество пара в цилиндре увеличивается, а воды – уменьшается до тех пор, пока последняя капля воды не превратится в пар. В этот момент пар становится сухим насыщенным, называемым сокращенно просто сухим (рис. 5.1, положение 4).

Рис. 5.1. Стадии получения перегретого пара

Влажный пар характеризуется степенью сухости х. Степенью сухости называется отношение веса сухого пара к общему весу влажного пар. Численно степень сухости равна весу сухого насыщенного пара в килограммах, содержащемуся в 1 кг влажного пара. Например, если влажный пар имеет степень сухости х = 0,85, то это значит, что 1 кг его содержит 0,85 кг сухого пара и 0,15 кг воды. Величина (1 – х) называется степенью влажности пара. В приведенном примере она равна 0,15. Чем пар суше, тем его степень сухости больше; для сухого пара х = 1, для воды х = 0.

Так как объем пара всегда больше объема воды, из которой он получился, то с увеличением степени сухости пара удельный объем влажного пара v_х также увеличивается и при степени сухости х = 1 становится равным удельному объему сухого пара (рис. 5.1, положение 4). Следовательно, v ’

Если к сухому пару подводить теплоту при постоянном давлении, то он становится перегретымпаром. Процесс перегрева является третьей стадией парообразования, сопровождающийся повышением температуры пара и увеличением его удельного объема (рис. 5.1, положение 5).

Температура перегретого пара обозначается через t, а удельный объем его через v. Из сказанного следует, что перегретым называется пар, имеющий температуру выше температуры воды, из которой он получился. Разность называется степенью перегрева, или перегревом. Чем выше температура перегретого пара, тем больше перегрев и удельный объем v.

Перегретый пар в турбину

Первичный воздух

Вторичный воздух

Уходящие газы

Холодный воздух

Питательная вода

Пар с турбины

Вторично перегретый пар в турбину

Рис. 5.2. Практический способ получения перегретого пара.

Схема барабанного котла с естественной циркуляцией:

1 – топочная камера; 2 – топочные экраны; 3 – горелки; 4 – опускные трубы;

5 – барабан; 6 – радиационный пароперегреватель; 7 – конвективный пароперегреватель; 8 – промежуточный перегреватель; 9–экономайзер;

10 – конвективный газоход; 11 – воздухоподогреватель

Перегретый пар по сравнению с насыщенным имеет следующие преимущества. Во-первых, отнятие теплоты от перегретого пара связано только с уменьшением его температуры и удельного объема, конденсации же пара при этом не происходит. В ряде случаев, когда влажный пар отдает теплоту (например, в трубопроводах, в цилиндре паровой машины или турбины), конденсация его влечет за собой ряд нежелательных явлений, поэтому указанное свойство перегретого пара является очень важным. Во-вторых, теплопроводность перегретого пара меньше, чем влажного, вследствие чего он медленнее теряет теплоту, чем насыщенный пар. Благодаря указанным свойствам в теплотехнике в основном используют перегретый пар, хотя в некоторых случаях, наоборот, бывает предпочтительнее влажный пар.

Итак, процесс парообразования в общем случае можно разделить на три стадии: 1) подогрев воды до температуры насыщения; 2) испарение (парообразование) кипящей воды и, наконец, 3) превращение сухого пара в перегретый. При этом сухой пар является границей между влажным и перегретым паром. Такое состояние пара крайне неустойчиво, так как даже при самом незначительном подводе или отводе теплоты он превращается или в перегретый или во влажный пар.

Из рассмотренного процесса парообразования следует также, что в присутствии воды пар может быть только влажным. Такой пар при подводе к нему теплоты становится суше, оставаясь все-таки влажным. Перегретый пар можно получить только в том случае, если он не будет соприкасаться с водой. Практически в теплотехнике перегретый пар получается в особых устройствах, называемых пароперегревателями. Схема получения такого пара указана на рис. 5.2. На нем цифрой 1 обозначена топка парового котла, в которой происходит превращение воды во влажный пар. Этот пар отводится из топки по топочным экранам 2 в барабан котла 5, в котором происходит отделение пара от воды. И далее сухой пар из барабана котла направляется в трубчатые змеевики 6, 7, являющиеся пароперегревателями. Пароперегреватели обогреваются горячими газами, идущими из топки котла (уходящими газами). Так как пароперегреватель все время сообщен с паровым пространством котла, то давление пара в пароперегревателе приблизительно такое же, как и в котле.

Источник

II. ПОЛУЧЕНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА

1. НАСЫЩЕННЫЙ И ПЕРЕГРЕТЫЙ ПАР

Одяной пар можно получить в* открытом и в закрытом сосуде. В каждом случае температура и давление пара будут разные.

При нагревании воды в открытых сосудах нижние, бо­лее теплые слои ее поднимаются вверх, перемешиваясь с холодными верхними слоями, опускающимися вниз. С увеличением нагревания эти токи перемешивания будут усиливаться за счет пузырьков пара, образующихся на обогреваемом дне сосуда и энергично всплывающих вверх. Когда температура воды достигнет 100° С, то вода заки­пит и с этого момента температура ее будет оставаться неизменной до тех пор, пока она вся обратится в пар. Тепло, сообщаемое при этом воде, будет расходоваться только на испарение, т. е. на преодоление сцепления мо­лекул воды между собой.

Иная картина будет, если нагревать и испарять воду в закрытом сосуде. Молекулы образующегося пара, число которых будет все время увеличиваться, не находя сво­бодного выхода, начинают чаще сталкиваться друг с дру­гом и со стенками сосуда. При этих столкновениях их скорость уменьшается, и кинетическая энергия превра­щается в потенциальную — возникает давление, темпера­тура кипящей воды и пара повышается. Чем выше дав­ление пара, тем выше температура его образования.

За единицу измерения давления принято давление ат­мосферного воздуха, равное (округленно) давлению 1 ки­лограмма на 1 квадратный сантиметр; это давление называется технической атмосферой или просто атмосфе­рой. Следует различать избыточное давление, показывае­мое измерительными приборами, и абсолютное давление. Последнее получается, если к измеренному избыточному прибавим давление окружающего воздуха, т. е. еще одну атмосферу. Давление ниже атмосферного называется разрежением или вакуумом. В вакууме водяной пар об­разуется при температуре ниже 100° С, например, при абсолютном давлении 0,03 атмосферы вода будет кипеть при температуре всего лишь 23,8° С.

При испарении воды более быстро двигающиеся мо­лекулы преодолевают силы взаимного притяжения и вы­рываются из жидкости. Некоторые молекулы, вылетев из жидкости и испытав ряд столкновений с другими молеку­лами, возвращаются в жидкость. Пока число молекул, вылетающих из жидкости, больше числа возвращающихся в нее, жидкость испаряется. Чем больше скопляется мо­лекул над поверхностью жидкости, тем больше их воз­вращается в жидкость. Наконец, наступает момент, когда число вылетающих молекул будет равно числу возвра­щающихся; дальнейшее испарение жидкости прекра­щается; в этом случае говорят, что пространство над жидкостью насыщено молекулами пара, а пар, находя­щийся над жидкостью, называют насыщенным. Температура насыщенного пара равна температуре жидкости. Давление насыщенного пара — наибольшее давление, которое может иметь пар при данной тем­пературе.

Можно ли это давление изменить при той же темпе­ратуре? Нет, нельзя. Если при этой температуре увели­чить объем, то давление временно уменьшится и жидкость будет вновь испаряться до тех пор, пока давление станет прежним. Если же уменьшить объем, т. е. сжимать пар, то часть его обратится в жидкость и давление останется неизменным. В этом свойстве насыщенного пара (по­стоянство давления при данной температуре) и заклю­чается его отличие от газов, давление которых увеличи­вается при сжатии и уменьшается при расширении. Давление насыщенного пара можно изменить при том условии, если он не находится в соприкосновении с жид­костью. В этом случае он может быть насыщенным только до определенного объема. Как только этот объем изме­нится, пар перестанет быть насыщенным и давление его изменяется так же, как и у газов.

Чтобы воду превратить в пар, надо затратить какое — то количество теплоты. Какое? Это зависит от давления.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 килограмма воды с температурой 0° С в пар, назы­вается теплосодержанием. Теплосодержание на­сыщенного пара складывается из теплоты жидко­сти (то есть того количества теплоты, которое необхо­
димо для подогрева воды от 0° С до температуры кипения, соответствующей данному давлению) некрытой теп­лоты парообразования (или теплоты испаре­ния). Теплота жидкости по мере повышения давления возрастает сначала довольно быстро, но потом, начиная с 30—35 атмосфер, несколько медленнее (рис. 1).

Источник