Насыщенный и перегретый пар: давление, температура, влажность, плотность

Что такое насыщенный пар

Водяной пар, находящийся в термодинамическом равновесии с котловой водой, является насыщенным. Эта формулировка дает понимание того, что давление насыщенного пара при температуре может иметь только одно значение

В котлах парообразование происходит при постоянном давлении и подвод тепла к котловой воде от дымовых газов. Этот процесс основан на следующих последовательных стадиях: подача в котел воды, нагрев до температуры насыщения и образование сухого насыщенного пара, когда из него испаряется вся жидкость.

В паровых котлах питательная вода проходит через экономайзер и поступает в барабан. Из него более холодные потоки под действием силы тяжести спускаются по неотапливаемым трубам и поднимаются по подъемным печным экранам, подогреваемым более теплыми дымовыми газами.

Именно здесь начинается процесс испарения, когда температура воды достигает точки насыщения при рабочем давлении в котле.

Плотность пароводяной смеси в ситовых пакетах уменьшается и становится меньше плотности воды в водосточных трубах, что создает давление для перемещения пароводяной смеси через сита в барабан, где смесь разделяется на воду и готовить на пару.

В замкнутой поверхности нагрева при постоянной температуре в точке насыщения устанавливается термодинамическое равновесие между котловой водой и паром. Количество молекул пара, выделившихся с поверхности воды за определенное время, будет равно количеству сконденсировавшихся молекул пара, которые вернутся в воду в барабане котла.

Давление насыщенного пара

Давление насыщения в котле зависит от температуры котловой воды в термодинамическом равновесии. При повышении давления пар сжимается и равновесие нарушается. Плотность пара вначале несколько увеличивается, и из паровой среды в котловую воду будет переходить больше молекул конденсата, чем наоборот.

Поскольку число молекул, проходящих из воды в единицу времени, связано исключительно с температурой, сжатие паровой среды не повлияет на изменение этого числа.

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не наступит термодинамическое равновесие, и, следовательно, концентрация возвращающихся молекул не достигнет исходного уровня. Таким образом, Tnp напрямую зависит от давления насыщения в котле.

Таблица насыщенного пара

Характеристики сухих НЧ приведены в таблице водяного пара. Он указывает Т (С), при температуре кипения котловой воды и давлении (кПа и мм рт ст.), при котором этот процесс продолжается.

Кроме того, в таблице можно указать и другие параметры пара:

• удельный объем, м3/кг;
• плотность, кг/м3;
• удельная энтальпия, кДж/кг
• удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Плотность насыщенного пара

Плотность НЧ определяется по формуле.

Дст = 216,49 * Р / (Зст * (т + 273))

Где:

• Dст — плотность насыщенного пара в кг/м3;
• Р — абсолютное давление паров в барах;
• t – температура в градусах Цельсия;
• Z ст — коэффициент сжимаемости насыщенного пара при Р и t.

В этом уравнении символ «Z ст» обозначает коэффициент сжимаемости насыщенного пара при абсолютном значении давления насыщенного водяного пара Р, бар. Это практическое уравнение справедливо для диапазона давления пара от 0,012 до 165 бар с соответствующим диапазоном температуры насыщения от 10 до 360°C.

Влажность насыщенного пара

Когда котел нагревает воду, пузырьки, прорывающиеся сквозь слой воды, захватываются паром. Влажный пар определяется как пар, в котором вода присутствует в виде микрокапель водяного пара. При этом отношение может быть от 0 до 1. Если пар содержит 20 % воды по объему, он считается сухим на 80 % или имеет долю сухости 0,8.

Таблица NP содержит такие значения, как температура, энтальпия и удельный объем для сухих NP, но не для влажных. Для их определения нужно воспользоваться формулами, учитывающими соотношение между двумя средами:

Удельный объем (v) влажного пара

v = X * vg + (1 — X) * vf

Где:

• X = сухость (%/100);
• vf = удельный объем жидкости;
• vg = удельный объем NP.

Удельная энтальпия сухого пара X:

h = hf + X*h fg

Где:

• X = сухость (%);
• hf = удельная энтальпия жидкости;
• h fg = удельная энтальпия NP.

Чем влажнее пар, тем ниже значения удельного объема, теплоемкости, энтальпии и энтропии. Таким образом, сухость пара оказывает существенное влияние на все эти значения.

Задача теплоэнергетиков организовать процессы парообразования в котле с сухостью 100%. Для этого в барабанах котлов установлены специальные сепарационные устройства, которые отделяют пар от воды.

Температуры кипения воды на разных высотах

Высота над уровнем моря (метры)	Температура кипения воды (0С)
0	100,0
500	98,3
1000	96,7
1500	95,0
2000 г	93,3
2500	91,7
3000	90,0
3500	88,3
4000	86,7
4500	85,0
5000	83,8
6000	80

Эти показатели могут меняться, если вода содержит примеси. В присутствии нелетучих примесей температура кипения воды повысится.

Испарение в жизни

И действительно: что не испаряется в этой жизни — с этим мы сталкиваемся каждый день. Давайте выясним, зачем вообще нужен этот процесс, и как люди научились им пользоваться.

Испарение в организме человека и животных

Выше мы обсудили вопрос, почему если облить себя горячей водой, мы все равно остынем. Ощущение холода после того, как мы вспотели, работает по тому же принципу — в какой-то момент мы простужаемся.

Пот сам по себе является важным процессом терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или из-за болезни), то тело стремится остыть, чтобы не умереть за счет превращения белков в нашем организме в яичницу.

Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется – все это позволяет нашему организму быстро избавляться от лишней энергии, охлаждать тело и нормализовать температуру.

При повышенной влажности холод и тепло воспринимаются более чутко. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой и «сбрасывать» лишнее тепло, но при высокой влажности пот не может испаряться. Нечто подобное происходит и при низкой влажности. Как ни странно, на морозе мы тоже потеем (гораздо меньше, но все же бывает). Если влажность на улице низкая, пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности будет висеть там и проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.

У животных этот механизм работает аналогичным образом. А вот например испарения с кожи собакам мало, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и иногда дышат, ну очень смешно

Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.

Испарение у растений

Удивительно, но и у растений механизм испарения работает аналогичным образом. Растения очень любят воду, поэтому мы поливаем комнатные растения, но в пустынях они просто не водятся.

Воду, которую впитали цветы, они могут испарить, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода необходима растениям для питания, но в жаркие дни она еще и для саморегуляции температуры. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.

Испарение в природе и окружающей среде

Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговорот воды в природе обеспечивает жизнь на земле — поскольку влага распределена по всему миру, растения в природе умудряются жить без наших попыток полить большую пальму из лейки.

Испарение воды с поверхности рек, озер, океанов и морей создает дождевые облака, которые затем, проливая дождь, поливают растения и деревья. Дождь многие не любят, мол, он мокрый, противный и немеет в ботинках, но он очень необходим для засушливых районов — Северной Африки или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.

Испарение в промышленности и быту

С жизнью все довольно просто: сушим вещи, готовим, покупаем увлажнители или размазываем по полу пролитую лужу.

Когда дело доходит до промышленности, для нас все не так очевидно. Аналогичным образом развивается промышленная технология, основанная на испарении: она всегда максимально увеличивает поверхность жидкости, чтобы испарение продолжалось интенсивно.

Например, испаритель, показанный на схеме, состоит из набора соединенных между собой испарителей. Его действие основано на паре, полученном на одной ступени, который используется в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура падает от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения снижается, а испарение сохраняется. Он предназначен для очистки воды от отходов.

Температура — испаряющаяся жидкость

Температура испаряющейся жидкости остается постоянной, а поглощение скрытой теплоты непрерывно восполняется змеевиками, нагреваемыми горячей водой или паром. При этом скорость -па испаряющейся жидкости обычно равна или несколько выше температуры увлажненной воздушной среды.

Примером холодного испарения является испарение простой лужи, пролитой на пол в результате какого-либо технологического процесса. Температура испаряющейся жидкости изменяется первой и становится стабильной только по прошествии определенного времени. Расположение приточно-вытяжных отверстий устанавливается в зависимости от наличия в помещении горячих или холодных токов.

Этот процесс характеризуется константой температуры испаряющейся жидкости tM — const. Точка пересечения B дает значение tM, в нашем примере равное 33 C.

Скорость перегонки зависит прежде всего от температуры испаряющейся жидкости, эффективности конденсатора и размеров емкости. Если в типичной U-образной трубке или перегонной колбе необходимо перегнать примерно 1 г вещества за измеримое время, давление паров вещества должно быть не менее 1–5 мм рт. Искусство. Скорость перегонки сильно зависит от давления пара или температуры испарения.

Если в этом оборудовании в течение 1 часа при давлении паров 1 мм рт ст., отгоняют некоторое количество вещества, затем при давлении паров 10 мм рт ст., перегонка того же количества вещества займет около 1/2 мин, а при давлении 0 1 мм рт. Время перегонки арта составит 1 неделю. Однако рост давления паров или температуры ограничивается тем, что легко наступает депрессия температуры кипения, которая в условиях высокого вакуума может привести к процессу, напоминающему взрыв.

Удельная теплота парообразования уменьшается с повышением температуры испаряющейся жидкости. В частности, с повышением температуры кипения (например, из-за повышения давления) снижается удельная теплота парообразования при кипении.

При определенных условиях температура смоченного термометра соответствует температуре испаряющейся жидкости. Поэтому адиабатическая температура насыщения газа также называется температурой смоченного термометра.

Как видите, выгоднее использовать пар с температурой перегрева выше температуры испаряющейся жидкости. Перегретый пар нагревается в специальных пароперегревателях.

Теплота парообразования лишь поддерживает тепловой баланс процесса парообразования и не влияет на изменение температуры испаряющейся жидкости в сторону ее повышения.

Их влияние на скорость испарения носит косвенный характер, так как они определяют время нагрева или охлаждения испаряющегося топлива и температуру испаряющейся жидкости при изменении внешних условий.

Если давление в объеме, в котором испаряется сжиженный газ, уменьшить по сравнению с атмосферным давлением, то температура испаряющейся жидкости понизится и температура охлаждаемого объема будет несколько ниже. На практике для снижения давления газа, находящегося в равновесии с жидкостью, этот газ непрерывно откачивают из охлаждаемого объема с помощью форвакуумных насосов; в этом случае охлаждаемый объем должен быть изолирован от окружающей атмосферы.

Коэффициент теплопроводности и теплоемкость косвенно влияют на скорость испарения, так как определяют время нагрева или охлаждения, а следовательно, и температуру испаряющейся жидкости при изменении внешних условий.

В распылительных сушилках сушка происходит настолько быстро, что, несмотря на высокую температуру, материал не успевает нагреться сверх допустимого предела и температура приближается к температуре испаряющейся жидкости.

При полном насыщении температура газа становится такой же, как и температура жидкости. Поэтому температуру испаряющейся жидкости в изобарно-адиабатическом процессе называют адиабатической температурой насыщения газа. При определенных условиях температура смоченного термометра указывает на температуру испаряющейся жидкости.

Интенсивность испарения

Под скоростью испарения понимается количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.

Скорость испарения зависит от следующих факторов:

• Температура поверхности. Чем выше температура, тем больше испарение. После дождя в Санкт-Петербурге улицы еще долго остаются мокрыми, а вот в Таиланде даже в сезон дождей все быстро высыхает из-за высокой температуры. Но это только в том случае, если дождь успел прекратиться в сезон дождей 🙂
• Ветер. Чем больше скорость ветра, тем больше испарение. По такому принципу работает фен — по сути, он создает переносной ветер, который помогает высушить волосы.
• Отсутствие влаги. Скорость испарения будет выше там, где больше дефицит влаги. Вряд ли многие из нас бывали в Сахаре, но все представляют, что это такое. В любой пустыне влажность колоссально низкая — из-за этого испарение идет интенсивнее.
• Давление. Чем больше давление, тем меньше испарение. Мы уже установили, что, несмотря на различие между кипением и испарением, эти два процесса родственны. Таким образом, температура кипения воды на вершине Эвереста составляет 69 градусов по Цельсию. В то время как в нашей повседневной жизни он равен 100. Это возвращает нас к первому фактору – температуре.

Кажется, правильнее говорить не интенсивность, а «скорость испарения»? Или нет?

Скорость испарения – это количество жидкости, испаряющееся со свободной поверхности в единицу времени.

Скорость испарения – это количество жидкости, которое испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.

На самом деле эти два понятия очень близки друг к другу, поэтому разница будет только в количествах и единицах измерения, и обе формулировки отражают суть процесса.

Температура кипения дистиллированной воды

Дистиллированная вода – это очищенная H2O вода, практически не содержащая примесей. Обычно он используется в медицинских, технических или исследовательских целях.

Дистиллированная вода не предназначена для питья или приготовления пищи. Такую воду производят на специальном оборудовании — спиртзаводах, где пресная вода выпаривается, а затем пар конденсируется.

Этот процесс называется «дистилляция». После перегонки все примеси, присутствующие в воде, остаются в упаренном остатке.

Температура кипения дистиллированной воды будет такой же, как у обычной водопроводной воды – 100 градусов по Цельсию. Разница в том, что дистиллированная вода со временем закипит быстрее, чем пресная.

Однако этот показатель практически не отличается от времени закипания обычной воды: разница составляет доли секунды.

Температура кипения соленой воды

Температура кипения соленой воды выше, чем температура кипения пресной воды. В результате соленая вода закипает позже, чем пресная. Соленая вода содержит ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенное пространство между молекулами воды.

В соленой воде молекулы воды прикрепляются к ионам соли, этот процесс называется гидратацией. Связь между молекулами воды намного слабее, чем связь, образующаяся при гидратации.

Поэтому при кипячении из молекул пресной воды испарение происходит быстрее.

Для кипячения воды с растворенной солью потребуется больше энергии, в данном случае это температура.

С повышением температуры молекулы в соленой воде начинают двигаться быстрее, но их меньше, поэтому они реже сталкиваются. В результате вырабатывается меньше пара, давление которого ниже, чем у пара пресной воды.

Для того чтобы давление в соленой воде стало выше атмосферного и начался процесс кипения, нужна более высокая температура. При добавлении 60 г соли на 1 л воды температура кипения повысится на 10 С.

Температура — свежий пар

Температура свежего пара при регулировании мощности скользящим начальным давлением пара поддерживается постоянной и равной номинальной.

Температура свежего пара снижается и перед поступлением в турбину этот пар возвращается в котлоагрегат и поступает во вторую ступень пароперегревателя, где температура вновь повышается до 520 С.

Температура свежего пара перед пуском турбины должна быть на 80 — 100°С выше температуры в верхней части парозаборника ЦВД, но не более чем на 500°С; температура греющего пара должна иметь такое же превышение и не превышать номинального значения.

Температура свежего пара отклоняется от номинальной не более чем на 100 — 120 С.

Для повышения эксплуатационной надежности энергоблоков мощностью 300 МВт температура острого пара и пара после прогрева снижена до 540°С. Турбоустановка может работать при температуре острого пара 560°С и температуре пара после прогрева 565°С.

Температура свежего пара измеряется не менее чем в трех точках, в том числе перед измерительной диафрагмой и перед запорной арматурой.

Температуру острого пара повышают со скоростью 1°С/мин, определяемой из условия выполнения основных критериев безопасности пуска. Для контроля температуры включаются стартовые впрыски. Для нагрузок 70 — 80 МВт и выше температура пара регулируется закачкой собственного конденсата. При мощности 50 МВт включают пылеулавливающую установку и котел постепенно переводят на сжигание пыли.

Изменение мощности турбины Т-250/300 — 23,5 ТМЗ в зависимости от начальной температуры пара и его расхода при двухступенчатом подогреве сетевой воды.

Снижение температуры острого пара таит в себе опасность охлаждения ротора и быстрого его уменьшения относительно статора с возникновением трения.

Изменение мощности турбины Т-250/300 — 23,5 ТМЗ в зависимости от начальной температуры пара и его расхода при двухступенчатом подогреве сетевой воды.

понижение температуры свежего пара значительно снижает КПД турбоустановки, поэтому всегда нежелательно.

Снижение температуры свежего пара вызывает уменьшение теплового сопротивления R0 и увеличение удельного расхода пара на турбину. При постоянной нагрузке давление пара в камере регулирующей ступени будет увеличиваться, а теплоперепад в ней уменьшаться; тепловые перепады в остальных ступенях несколько увеличатся, лопатки и мембраны напорных ступеней будут при этом работать с перегрузкой, тем больше будет снижение температуры пара при номинальном давлении.

Повышение температуры острого пара выше номинального значения снижает запас прочности деталей, вызывая снижение долговечности и надежности турбины.

Температура острого пара регулируется отдельно для каждой системы трубопроводов посредством двухступенчатого впрыска; Количество впрыска регулируется в зависимости от нагрузки на котел и температуры пара. Регулирование температуры пара после промежуточных перегревов осуществляется изменением положения дросселей на выходе из обоих стволов последнего газохода.

Для поддержания определенных соотношений вода-топливо-воздух и устранения новых отклонений применяются корректирующие регуляторы. Изменения теплопроизводительности в топке, например из-за колебаний теплотворной способности угля, приводят к изменению температуры параллельных поверхностей нагрева; При использовании регулятора параллельной поверхности нагрева импульс перепада температур влияет на изменение подачи топлива и питательной воды. Изменение подачи воды носит временный характер для компенсации временных колебаний тепловой мощности печи; как только корректировка топлива вступает в силу, корректировка воды снимается.

Перегретый пар

Перегретый пар – это пар с температурой выше точки кипения при абсолютном давлении, при котором была измерена температура. Давление и температура перегретого пара не зависят друг от друга, так как температура может увеличиваться, а давление остается постоянным.

Процесс перегрева водяного пара на диаграмме Ts показан на рисунке между состоянием Е и кривой для насыщенного пара. Чтобы оценить тепловой КПД цикла, энтальпия должна быть получена из таблиц перегретого пара.

Процесс перегрева — единственный способ увеличить пиковую температуру цикла Ренкина и повысить эффективность без увеличения давления в котле. Это требует добавления в конструкцию котла специального теплообменника, называемого пароперегревателем.

В пароперегревателе дальнейший нагрев при фиксированном давлении приводит к увеличению как температуры, так и удельного объема. Наибольшая ценность перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которую можно использовать для кинетической реакции на движение лопаток турбины, создавая вращательное движение вала.

Читайте также: Какой самый доступный коньяк — рейтинг 2022 от магазинов Магнит, Красное и Белое и других

Температура перегретого пара

По свойствам перегретый пар (ПВС) близок к идеальному газу, но не к насыщенному пару. Так как ПП не имеет зависимости между температурой и давлением, то при определенном давлении его можно производить в широком диапазоне температур, который будет зависеть от диапазона нагрева пароперегревателя.

Перегретый пар отличается от насыщенного пара такими преимуществами:

• при том же давлении насыщения имеет гораздо более высокую температуру;
• имеет большой удельный объем, что позволяет экономить электроэнергию при использовании;
• при опускании не конденсируется до тех пор, пока температура не упадет ниже точки насыщения при давлении среды.

Методы регулирования температуры перегретого пара

Довольно часто для технологических процессов необходимо получить перегретый пар строго определенной температуры. Для удаления лишнего обычно используют три метода воздействия на температуру текстолита:

• смешение разнотемпературных потоков, когда в ПП подается котловая вода или паровой теплоноситель с меньшей теплоемкостью;
• поверхностное охлаждение, заключается в перенаправлении ПП через систему специальных теплообменников, выполняющих роль охладителей;
• изменение тепловосприятия потока реализуется за счет изменения температуры или расхода уходящих из котла газов.

В теплоэнергетике в котлах высокого давления чаще всего применяют первый способ, путем впрыска питательной воды или конденсата из турбогенератора в поток ПП. При вдувании насыщенного пара обычно контролируют температуру вторичного перегрева пара.

Получение перегретого пара

Пароперегреватель – это установленное в котлоагрегате устройство, вырабатывающее перегретый пар с параметрами, превышающими температуру насыщения в барабане котла. Он относится к наиболее ответственным элементам котла, так как из-за высоких температур ПП металл в конструкции работает в максимально допустимых условиях.

Пароперегреватели бывают основного типа, работающие в зоне сверхкритического давления, и промежуточного типа, направляющие отводимый в турбину пар на догрев.

Кроме того, пароперегреватели классифицируют по теплопоглощению на конвективные, устанавливаемые в конвективной части котла, радиационные — расположенные у топочных экранов и экранные — устанавливаемые в верхней части топки. По ходу движения ПП и отходящих котловых газов выделяется ПП: прямоточное, противоточное и смешанное.

Использование перегретого пара в технике

В современных паровых турбинах ПП используется при температуре перегретого пара, значительно превышающей критическую (374°С).

Перегретый пар используется в турбинах для повышения теплового КПД. Другие области применения перегретого пара:

• Пищевые технологии.
• Технологии очистки.
• Катализ/химическая обработка.
• Технологии поверхностной сушки.
• Технологии отверждения.
• Энергия.
• Нанотехнологии.

Температура кипения воды в чайнике

Кипяток – это вода, доведенная до точки кипения. Как правило, чайники используют для получения кипящей воды. Охлажденная вода, предварительно прокипяченная, называется кипяченой.

При закипании воды выделяется сильный пар. Процесс испарения сопровождается выделением свободных молекул кислорода из состава жидкости. Чистая пресная вода кипит в чайнике при температуре 100 градусов С.

Большинство болезнетворных бактерий погибает в кипящей воде из-за длительного воздействия высокой температуры воды. При кипячении соли в жесткой воде образуют осадок, известный нам как накипь.

Обычно кипяченую воду используют для заваривания кофе и чая, а также для дезинфекции овощей и фруктов и так далее