ВОДЯНОЙ ПАР, ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ, ПРОЦЕСС ПАРООБРАЗОВАНИЯ

Вода и водяной пар с древних времен используются человечеством в качестве рабочего тела в гидравлических и паровых машинах. Первая паровая машина была создана в Англии в 1710 г. Томасом Ньюкоменом и Джоном Калли и использовалась для откачки воды из шахт. Основными элементами машины были вертикальный открытый сверху цилиндр и поршень. Водяной пар подавался снизу под поршень и поднимал его. После того как поршень достигал верхнего положения, в цилиндр впрыскивалась холодная вода. В результате конденсации пара в цилиндре создавался вакуум и поршень под действием разности давлений рос- рпил и собственного веса устремлялся вниз. Паровые машины, работавшие на основе этого принципа, назывались «атмосферными», так как в них «работала» атмосфера. Коэффициент полезного действия такой машины составлял около 0,5%. В 1765 г. И.И. Ползунов строит подобную атмосферную машину для привода мехов плавильной печи. Однако только шотландцу Джеймсу Уатту удалось создать паровую машину, принцип действия которой не претерпел существенных изменений до наших дней. В машине Уатта работала уже не атмосфера, а пар с давлением 2...3 атм. Машина имела конденсатор и была двустороннего действия: пар поочередно подводился то с одной, то с другой стороны поршня. В дальнейшем паровые машины совершенствовались за счет применения многократного расширения пара в двух-четырех цилиндрах (Артур Вольф).

На смену паровым машинам, где потенциальная энергия пара превращалась в механическую, пришли паровые турбины, в которых потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а затем в механическую энергию вращательного движения вала. В 1884 г. выпускник Кембриджского университета Чарльз Парсонс получает патент на реактивную турбину, в которой ускорение парового потока осуществляется не только в сопловом аппарате, как у активной турбины, но и на рабочих лопатках колеса. Вскоре после этого он создает и испытывает реактивную турбину мощностью 10 л.с. с частотой вращения 18 000 об/мин. Современные мощные паровые турбины строятся, как правило, реактивными.

Сопловые аппараты первых паровых турбин состояли из сходящихся насадков Рато. В 1900 г. французский профессор Август Рато совместно с фирмой «Соттэ-Гарле» создает и испытывает первую активную паровую турбину мощностью 1000 л.с. Насадки Рато не позволяли полностью преобразовать перепад энтальпии пара в кинетическую энергию направленного потока, так как на срезе насадка устанавливалось так называемое критическое давлениеркр0 с. Только с началом использования в установках изобретенного Лавалем еще в 1889 г. сопла, состоящего из сходящегося и расходящегося каналов, эффективность паровых турбин резко возросла. (Карл Густав де Лаваль — шведский доктор философии, изобретатель сепаратора, в 1888 г. создал однодисковую турбину активного типа.)

После краткого экскурса в историю теплотехники перейдем к рассмотрению свойств водяного пара. Вода, как и любое другое вещество, может находиться в трех агрегатных состояниях. На рис 9.10 в Г-s-диаграмме показаны области существования вещества в различных состояниях:

  • • твердом (т);
  • • твердом и жидком (т + ж);
  • • жидком (ж);
  • • жидком и парообразном (ж + п);
  • • твердом и парообразном (т + п);
  • • парообразном (п).

Эти области разделяются кривыми abnde — левой и правой пограничными кривыми двухфазной области «твердая фаза — пар»; ск и Kd — левой и правой пограничными кривыми двухфазной области «жидкость — пар»; mb и пс — левой и правой пограничными кривыми двухфазной области «твердая фаза — жидкость»; bed — линией, соответствующей тройной точке, в которой сосуществуют все три агрегатных состояния вещества.

Рис. 9.10

При изучении циклов паросиловых установок нас будет интересовать лишь область, ограниченная на фазовой диаграмме прямоугольником.

Рассмотрим процесс парообразования в /^-диаграмме (рис. 9.11, а). Предположим, что имеется вода с параметрами, которые характеризуются точкой 1. Будем при постоянном давлении подводить теплоту к воде (рис. 9.11, б) до тех пор, пока она не станет насыщенной (кипящей) — процесс 1 -s (см. рис. 9.11, а). При этом энтальпия воды

Рис. 9.11

увеличится от /, (площадь 0-0'-1-я-0) до is = /' (площадь 0-0'-5-/>-0), а удельное количество подведенной теплоты равно q{_s = /' - /(. Полагая теплоемкость срН 0 = const, найдем увеличение энтропии:

Дальнейший подвод теплоты приведет к образованию влажного пара (процесс 5-2), параметры которого будут определяться состоя-

(0 Т ^ Т

- == О,

ср

т.е. изобары и изотермы в двухфазной области, включая левую и правую пограничные кривые со стороны двухфазной области, совпадают. В точке 5 изобара имеет излом, а теплоемкость ср вещества скачком изменяется от конечного до бесконечного значения.

Если продолжить подвод теплоты при dp = 0 (процесс 2-3), то влажный пар в точке 3 превратится в сухой насыщенный пар (напомним, что его термодинамические параметры принято обозначать надстрочным индексом «два штриха»: s", v" и т.д.). Значению энтальпии /3 = /" в Г-я-диаграмме соответствует площадь 3-б/-0-0'-5-3. На правой пограничной кривой (в точке 3) изобара снова имеет излом, а теплоемкость скачком изменяется от бесконечного значения до конечной величины, так как со стороны перегретого пара

1П = ^>о.

V SSсрп

Подвод теплоты в процессе 3-4 делает пар перегретым.

Так как под удельной теплотой парообразования г понимают количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг кипящей жидкости, чтобы превратить ее в сухой насыщенный пар, то

(площадь b-s-3-d-b).

Если теперь увеличить давление от р{ до ри и осуществить подвод теплоты, получим новые точки s' и 3".

Выполнив подвод теплоты при разных давлениях и соединив точки изломов изобар, получим левую (O'-s-s'-к) и правую (к-3”-3-«) пограничные кривые как геометрические места состояний насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара соответственно. В критической точке (к) г= 0, v' = v" = vKp.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >