Теплосиловые паровые циклы

В судовых паровых турбинах, в ядерных реакторах, в различных теплообменных аппаратах в качестве рабочего тела или теплоносителя применяют водяной пар и воду. Их применение обусловлено хорошими термодинамическими свойствами, дешевизной, доступностью и экологической безопасностью.

Переход рабочего тела из жидкого состояния в газообразное (или твердое) называется фазовым переходом. Фазовый переход из жидкого состояния в газообразное называется также парообразованием, а обратный переход из газообразной фазы в жидкую – конденсацией.

Образование пара из воды может происходить в результате двух процессов: испарения и кипения.

Парообразование при испарении происходит с поверхности раздела жидкой и газообразной фаз (со свободной поверхности воды) при любой температуре воды. Часть молекул, обладающих достаточной кинетической энергией, покидает поверхность воды. На преодоление сил притяжения затрачивается работа за счет энергии теплового движения молекул. При этом, если к жидкости не подводится теплота, то температура ее понижается, так как в жидкости остается все меньше молекул, имеющих большой запас кинетической энергии. Когда энергия улетающих молекул уравновесится теплотой, поступающей из окружающей среды, процесс понижения температуры воды прекратится. Если сосуд открыт, пар распространяется в окружающую среду, и испарение будет продолжаться до испарения всей жидкости. В закрытом сосуде наступит динамической равновесие, и количество частиц покидающих жидкость сравнится с количеством частиц, возвращающихся в жидкость за это же время.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Если к жидкости подводить теплоту, оставляя давление постоянным, то скорость движения молекул будет возрастать и интенсивность парообразования будет увеличиваться при возрастании температуры. Когда температура жидкости достигнет значения температуры насыщения при данном давлении, жидкость начнет кипеть. Кипение – это процесс интенсивного образования пузырьков пара на теплообменной поверхности в жидкости имеющей температуру насыщения. Внешним проявлением кипения является образование большого числа пузырьков на теплообменной поверхности, их отрыв от поверхности и всплытие их, интенсивно перемешивающее толщу воды. Поверхности пузырьков служат границами раздела фаз. Если увеличить подвод теплоты к кипящей жидкости, то парообразование будет протекать интенсивней. Однако температура воды и пара остается постоянной до тех пор, пока последняя капля жидкости не выкипит. Пар, не содержащий в своем составе частиц воды, но имеющий температуру и давление насыщения, называют сухим насыщенным паром.

Рис. 9.1 Состояние парожидкостной смеси: а) нагрев жидкости; б) момент начала кипения;
в) процесс кипения; г) момент конца кипения – вся жидкость превращена в пар;
д) перегрев пара

Относительное количество сухого пара в общей массе, так же как и количество жидкости в процессе парообразования изменяется от нуля до единицы.

Количество сухого насыщенного пара (x) в одном килограмме парожидкостной смеси называется степенью сухости пара и выражается в долях единицы. Влага в этом килограмме парожидкостной смеси соответственно будет (1 – x) кг.

На рис. 9.1 изображено пять состояний парожидкостной смеси в цилиндрическом сосуде. В сосуд, закрытый свободно движущимся поршнем, налито 1 кг воды. Так как масса поршня не меняется, то при подводе к воде теплоты, процессы при этом наблюдаемые будут происходить при постоянном давлении.

Рис. 9.2 Процесс превращения жидкости в перегретый пар в pv-диаграмме

На диаграмме p–v (рис. 9.2) состояние воды в начале процесса отображено точкой a. Подвод теплоты к воде в этом состоянии приведет к росту температуры воды, из-за чего увеличится объем воды (рис. 9.1 б). Процесс изобарного нагрева окончится в точке b, (рис. 9.2) когда температура жидкости достигнет значения температуры насыщения при данном давлении. Но так как подвод теплоты продолжается, жидкость начинает кипеть, возникает процесс парообразования, объем парожидкостной смеси увеличивается за счет объема, образовавшегося пара (рис. 9.1 в). Объем пара увеличивается, объем жидкости уменьшается. При этом температура жидкости и температура пара остается неизменной и равной температуре насыщения. Процесс кипения не только изобарный, но и изотермический – отрезок b-c на рис. 9.2. Момент, когда выкипела последняя капля жидкости, степень сухости пара x = 1, в цилиндре находится сухой насыщенный пар с температурой насыщения, показан на рис. 9.1 г. Дальнейший подвод тепла при отсутствии воды приводит к росту температуры пара – пар становится перегретым – процесс c-d на рис. 9.2.

На диаграмме 9.2 кривая FbK, называемая левой пограничной кривой, определяет состояние жидкости, температура которой доведена до температуры насыщения (температуры кипения). На этой кривой пара еще нет и степень сухости его x = 0. Правая пограничная кривая KcL соответствует состоянию сухого насыщенного пара, на этой кривой нет жидкости, а степень сухости пара x = 1.

Пространство между левой и правой пограничными кривыми – это область парожидкостной смеси, она называется областью влажного насыщенного пара (ВНП).

Область диаграмм левей левой пограничной кривой – это область переохлажденной жидкости, температура которой ниже температуры насыщения. Область правее правой пограничной кривой принадлежит перегретому пару, температура которого выше температуры насыщения. Чем выше температура перегретого пара, тем больше он приближается к идеальному газу.

В области ВНП изобары и изотермы являются горизонтальными прямыми линиями. Диаграммы p–v, T–s, h–s, дают возможность с достаточной степенью точности определить параметры пара, энтальпию, разность энтальпий, наглядно изображать адиабатный процесс, имеющий большое значение при изучении работы двигателей и решать многие другие практические задачи.

Пограничная кривая жидкости (левая) и пограничная кривая пара (правая) смыкаются в точке K. Точка K – критическая точка, в которой фазовый переход происходит без изменения удельного объема и других физических свойств.

Параметры критической точки воды: p = 22.129 МПа, t_k = 374.15 °C, удельный объем v_k = 0.00323 м³/кг. За пределами критической точки между жидкостью и паром нет разницы. Это гомогенная масса.