Теплосилові парові цикли
У суднових парових турбінах, в ядерних реакторах, в різних теплообмінних апаратах як робоче тіло або теплоносія застосовують водяну пару і воду. Їх застосування обумовлено хорошими термодинамическими властивостями, дешевизною, доступністю і екологічною безпекою.
Перехід робочого тіла з рідкого стану в газоподібний (або тверде) називається фазовим переходом. Фазовий перехід з рідкого стану в газоподібний називається також паротворенням, а зворотний перехід з газоподібної фази в рідку - конденсацією.
Освіта пара з води може відбуватися в результаті двох процесів: випаровування і кипіння.
Випаровування при випаровуванні відбувається з поверхні розділу рідкої і газоподібної фаз (з вільною поверхні води) при будь-якій температурі води. Частина молекул, що володіють достатньою кінетичної енергією, залишає поверхню води. На подолання сил тяжіння витрачається робота за рахунок енергії теплового руху молекул. При цьому, якщо до рідини не підводиться теплота, то температура її знижується, так як в рідині залишається все менше молекул, що мають великий запас кінетичної енергії. Коли енергія відлітають молекул урівноважиться теплотою, що надходить з навколишнього середовища, процес зниження температури води припиниться. Якщо посудина відкритий, пар поширюється в навколишнє середовище, і випаровування триватиме до випаровування всієї рідини. У закритій посудині настане динамічної рівноваги, і кількість частинок залишають рідину зрівняється з кількістю частинок, які повертаються в рідину за цей же час.
Пар, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченим. Якщо до рідини підводити теплоту, залишаючи тиск постійним, то швидкість руху молекул буде зростати і інтенсивність пароутворення буде збільшуватися при зростанні температури. Коли температура рідини досягне значення температури насичення при даному тиску, рідина почне кипіти. Кипіння - це процес інтенсивного утворення бульбашок пари на теплообмінної поверхні в рідини має температуру насичення. Зовнішнім проявом кипіння є утворення великої кількості бульбашок на теплообмінної поверхні, їх відрив від поверхні і спливання їх, інтенсивно переміщуючий товщу води. Поверхні бульбашок служать межами розділу фаз. Якщо збільшити підведення теплоти до киплячої рідини, то пароутворення буде протікати інтенсивніше. Однак температура води і пара залишається постійною до тих пір, поки остання крапля рідини не википить. Пар, який не містить в своєму складі частинок води, але він має температуру і тиск насичення, називають сухим насиченим паром.
Мал. 9.1 Стан парожидкостной суміші: а) нагрів рідини; б) момент початку кипіння;
в) процес кипіння; г) момент кінця кипіння - вся рідина перетворена в пар;
д) перегрів пара
Відносна кількість сухого пара в загальній масі, так само як і кількість рідини в процесі пароутворення змінюється від нуля до одиниці.
Кількість сухого насиченої пари (x) в одному кілограмі парожидкостной суміші називається ступенем сухості пара і виражається в частках одиниці. Волога в цьому кілограмі парожидкостной суміші відповідно буде (1 - x) кг.
На рис. 9.1 зображено п'ять станів парожидкостной суміші в циліндричній посудині. У посудину, закритий вільно рухаються поршнем, налито 1 кг води. Так як маса поршня не змінюється, то при підводі до води теплоти, процеси при цьому спостерігаються відбуватимуться при постійному тиску.
Мал. 9.2 Процес перетворення рідини в перегрітий пар в pv-діаграмі
На діаграмі p-v (рис. 9.2) стан води на початку процесу відображено точкою a. Підведення теплоти до води в цьому стані призведе до зростання температури води, через що збільшиться обсяг води (рис. 9.1 б). Процес ізобарного нагрівання закінчиться в точці b, (рис. 9.2) коли температура рідини досягне значення температури насичення при даному тиску. Але так як підведення теплоти триває, рідина починає кипіти, виникає процес пароутворення, обсяг парожидкостной суміші збільшується за рахунок обсягу, що утворився пара (рис. 9.1 в). Обсяг пара збільшується, обсяг рідини зменшується. При цьому температура рідини і температура пара залишається незмінною і дорівнює температурі насичення. Процес кипіння не тільки ізобарний, але і ізотермічний - відрізок bc на рис. 9.2. Момент, коли википіла остання крапля рідини, ступінь сухості пара x = 1, в циліндрі знаходиться сухий насичений пар з температурою насичення, показаний на рис. 9.1 м Подальший підведення тепла при відсутності води призводить до зростання температури пара - пара стає перегрітою - процес cd на рис. 9.2.
На діаграмі 9.2 крива FbK, звана лівої прикордонної кривої, визначає стан рідини, температура якої доведена до температури насичення (температури кипіння). На цій кривій пара ще немає і ступінь сухості його x = 0. Права прикордонна крива KcL відповідає стану сухої насиченої пари, на цій кривій немає рідини, а ступінь сухості пара x = 1.
Простір між лівою і правою прикордонними кривими - це область парожидкостной суміші, вона називається областю вологого насиченого пара (ВНП).
Область діаграм лівій лівої прикордонної кривої - це область переохолодженої рідини, температура якої нижча за температуру насичення. Область правіше правої прикордонної кривої належить перегрітому пару, температура якого вища за температуру насичення. Чим вище температура перегрітої пари, тим більше він наближається до ідеального газу.
В області ВНП ізобари і ізотерми є горизонтальними прямими лініями. Діаграми p-v, T-s, h-s, дають можливість з достатнім ступенем точності визначити параметри пара, ентальпію, різниця ентальпій, наочно зображати Адіабатний процес, що має велике значення при вивченні роботи двигунів і вирішувати багато інших практичні завдання.
Прикордонна крива рідини (ліва) і прикордонна крива пара (права) змикаються в точці K. Точка K - критична точка, в якій фазовий перехід відбувається без зміни питомої обсягу та інших фізичних властивостей.
Параметри критичної точки води: p = 22.129 МПа, tk = 374.15 ° C, питомий об'єм vk = 0.00323 м3 / кг. За межами критичної точки між рідиною і парою немає різниці. Це гомогенна маса.