Водяной пар применение пара способы его получения

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

Технологии применения пара

Здесь мы разъяснили все достоинства пара водяного и привели общие примеры его применения. Для лучшего понимания объёмов востребованности этого ресурса приведём более конкретные примеры технологических процессов с применением пара для каждой отрасли производства.

Электроэнергетика

Высоким давлением перегретого пара приводят в движение паровые турбины для выработки электроэнергии, с применением пароструйных эжекторов откачивают неконденсируемые газы в турбине и обеспечивают набор первичного вакуума.

Нефтегазовая отрасль

• При добыче нефти перегретый водяной пар закачивают в добывающие скважины для снижения вязкости нефти и повышения продуктивности скважин;
• Насыщенным водяным паром подогревают трубопроводы, резервуары, цистерны для предотвращения застывания, отогревания застывших нефтепродуктов, уменьшения вязкости при разгрузке и перекачивании, для очистки цистерн от остатков нефтепродуктов;
• На нефтеперерабатывающих заводах в процессе ректификации для увеличения отбора светлых продуктов (бензина);
• В газовой промышленности водяной пар широко используется в процессах переработки природного газа для получения разного рода газов в химических процессах, протекающих при повышенной температуре и давлении.

Химическая промышленность

• С помощью пароструйных эжекторов создают вакуум в различном технологическом оборудовании, откачивают жидкости с растворёнными агрессивными примесями, перемещают жидкости и газы по трубам;
• Под воздействием давления и высокой температуры водяного пара протекают многие реакции синтеза материалов;
• Разогрев ванн с электролитом для гальванизации производят водяным паром.

Деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность

• С помощью пара варят древесину для получения целлюлозы;
• Бумажное полотно (полуфабрикат) сушат сушильными цилиндрами, которые равномерно прогреваются водяным паром;
• Сушка древесины осуществляется в паровых термокамерах с помощью пара;
• При производстве фанеры пар применяют для сушки полуфабриката, а затем склейки «пирога» под действием высокой температуры;
• При производстве гофрокартона, полуфабрикат нагревают и увлажняют водяным паром.

Строительная отрасль и ЖКХ

• нагрев и пропарка изделий ЖБИ;
• прогрев инертных материалов (щебень, песок) в зимний период;
• набор прочности газобетона в автоклавах;
• вспенивание и формование пенопласта производят нагревом с помощью пара;
• очистка строительных площадок от льда и снега в зимний период;
• разморозка канализации, трубопроводов и водостоков в зимний период осуществляют с помощью пара.

Пищевая промышленность

• стерилизация и пастеризация молока, пива, консервов;
• мойка и обеззараживание тары, инвентаря, инструментов и оборудования;
• размораживание рыбы и мяса в дефрастационных камерах;
• варка продуктов в варочных котлах;
• варка продукта паром (например, варка колбас в термокамерах);
• в пароконвектоматах с помощью пара разогревают, тушат, жарят, варят, выпекают.

Судоходная отрасль

• Паром приводят в движение паровые двигатели;
• Системы парового пожаротушения на судах.

Применение пара в быту

С давних пор пар мы применяем в повседневной жизни для готовки вкусной и полезной еды в пароварках, глажки вещей утюгом, парясь в банях и саунах. Но технологический прогресс не стоит на месте и сегодня мы уже используем паровые пылесосы и пароочистители, которые не только очищают, но и дезинфицируют любую поверхность, паровые кабины в квартирах, увлажняем воздух для комфортного микроклимата дома.

Поистине, все сферы применения водяного пара перечислить невозможно. Но при этом, многие считают, что это ресурс очень дорогостоящий и опасный, пытаясь заменить на более дешёвые и безопасные аналоги… в последнее время, вы наверно видели железобетонные изделия (лестницы, бордюры, плиты) рассыпающиеся прямо на глазах уже через несколько лет после установки… это и есть результат экономии – оптимизации технологического процесса исключивший водяной пар.

Здесь вы можете ознакомиться с дополнительной информацией, позволяющей сделать выбор в пользу водяного пара:

Источник

Блог об энергетике

энергетика простыми словами

Водяной пар

Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.

Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.

Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В

Фазовые состояния воды

Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние;

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой. Эта точка имеет параметры p_кр, v_кри Т_кр, при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т_кр.

Критическая точка К имеет параметры:

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Процесс получения водяного пара из воды

На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v— и T, s-диаграммах.

Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p₀ и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а. При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром. Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc. Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным. Это состояние обозначается на диаграмме точкой c.

Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.

Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.

При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d. Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.

Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:

• величина с индексом «0» относится к начальному состоянию воды;
• величина с индексом «′» относится к воде, нагретой до температуры кипения (насыщения);
• величина с индексом «″» относится к сухому насыщенному пару;
• величина с индексом «x» относится к влажному насыщенному пару;
• величина без индекса относится к перегретому пару.

Процесс парообразования при более высоком давлении p₁ > p₀ можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.

Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v-диаграмме и поднимается вверх на T,s-диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.

Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.

Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v-диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k, называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v-диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.

Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc.

На T, s-диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.

Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:

Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds.

На T, s-диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.

Обычно T, s-диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.

Источник