Какими свойствами обладает пар
Насыщенные и ненасыщенные пары.
Рассмотрим процессы, происходящие в закрытом сосуде:
- процесс испарения, скорость которого постепенно уменьшается
- конденсации, скорость которого постепенно возрастает
С течением времени в сосуде закрытом крышкой между жидкостью и её паром устанавливается состояние динамического (подвижного) равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, то есть когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называютдвухфазной.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называютнасыщенным.
Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.
Ненасыщенный пар – это пар, не достигший динамического равновесия со своей жидкостью. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. При наличии над поверхностью жидкости ненасыщенного пара процесс парообразования преобладает над процессом конденсации, и потому жидкости в сосуде с течением времени становится все меньше и меньше.
Рассмотрим некоторые свойства насыщенного пара:
1. Концентрация молекул насыщенного пара не зависит от его объёма при постоянной температуре. Если уменьшить объем насыщенного пара, то сначала концентрация его молекул увеличится и из газа в жидкость начнет переходить больше молекул до тех пор, пока опять на установится динамическое равновесие.
2. Давление насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объёма.
p = n*k*T, т.к. n не зависит от V , то и р не зависит от V.
Независимое от объёма давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара. Это наибольшее давление, которое может иметь пар при данной температуре.
3. Давление насыщенного пара зависит от температуры. Чем выше будет температура жидкости, тем больше молекул будет испаряться, динамическое равновесие нарушится, но концентрация молекул пара будет расти до тех пор, пока равновесие не установится опять, а значит, больше станет и давление насыщенного пара. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает.
В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды, которая испаряется с поверхности морей, рек, океанов и т.п.
Воздух, содержащий водяной пар, называют влажным.
Влажность воздуха оказывает огромное влияние на многие процессы на Земле: на развитие флоры и фауны, на урожай сельхоз. культур, на продуктивность животноводства и т.д. Влажность воздуха имеет большое значение для здоровья людей, т.к. от неё зависит теплообмен организма человека с окружающей средой. При низкой влажности происходит быстрое испарение с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, что приводит к ухудшению состояния.
Значит, влажность воздуха надо уметь измерять. Для количественной оценки влажности воздуха используют понятия абсолютной и относительной влажности.
Абсолютная влажность – величина, показывающая, какая масса паров воды находится в 1 м³ воздуха. Она равна парциальному давлению пара при данной температуре.
Парциальное давление пара – это давление, которое оказывал бы водяной пар, находящийся в воздух , если бы все остальные газы отсутствовали.
Относительная влажность воздуха – это величина, показывающая, как далек пар от насыщения. Это отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара p0 при той же температуре, выраженное в процентах:
Если воздух не содержит паров воды, то его абсолютная и относительная влажность равны 0.
Если влажный воздух охлаждать, то находящийся в нем пар можно довести до насыщения, и далее он будет конденсироваться.
Примеры:
выпадение росы под утро,
запотевание холодного стекла, если на него подышать,
образование капли воды на холодной водопроводной трубе,
сырость в подвалах домов.
Точка росы – это температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.
Точка росы также характеризует влажность воздуха.
C° | Точка россы при относительной влажности воздуха в % | |||||||||||||
30% | 35% | 40% | 45% | 50% | 55% | 60% | 65% | 70% | 75% | 80% | 85% | 90% | 95% | |
30 | 10,5 | 12,9 | 14,9 | 16,8 | 18,4 | 20 | 21,4 | 22,7 | 23,9 | 25,1 | 26,2 | 27,2 | 28,2 | 29,1 |
29 | 9,7 | 12 | 14 | 15,9 | 17,5 | 19 | 20,4 | 21,7 | 23 | 24,1 | 25,2 | 26,2 | 27,2 | 28,1 |
28 | 8,8 | 11,1 | 13,1 | 15 | 16,6 | 18,1 | 19,5 | 20,8 | 22 | 23,2 | 24,2 | 25,2 | 26,2 | 27,1 |
27 | 8 | 10,2 | 12,2 | 14,1 | 15,7 | 17,2 | 18,6 | 19,9 | 21,1 | 22,2 | 23,3 | 24,3 | 25,2 | 26,1 |
26 | 7,1 | 9,4 | 11,4 | 13,2 | 14,8 | 16,3 | 17,6 | 18,9 | 20,1 | 21,2 | 22,3 | 23,3 | 24,2 | 25,1 |
25 | 6,2 | 8,5 | 10,5 | 12,2 | 13,9 | 15,3 | 16,7 | 18 | 19,1 | 20,3 | 21,3 | 22,3 | 23,2 | 24,1 |
24 | 5,4 | 7,6 | 9,6 | 11,3 | 12,9 | 14,4 | 15,8 | 17 | 18,2 | 19,3 | 20,3 | 21,3 | 22,3 | 23,1 |
23 | 4,5 | 6,7 | 8,7 | 10,4 | 12 | 13,5 | 14,8 | 16,1 | 17,2 | 18,3 | 19,4 | 20,3 | 21,3 | 22,2 |
22 | 3,6 | 5,9 | 7,8 | 9,5 | 11,1 | 12,5 | 13,9 | 15,1 | 16,3 | 17,4 | 18,4 | 19,4 | 20,3 | 21,1 |
21 | 2,8 | 5 | 6,9 | 8,6 | 10,2 | 11,6 | 12,9 | 14,2 | 15,3 | 16,4 | 17,4 | 18,4 | 19,3 | 20,2 |
20 | 1,9 | 4,1 | 6 | 7,7 | 9,3 | 10,7 | 12 | 13,2 | 14,4 | 15,4 | 16,4 | 17,4 | 18,3 | 19,2 |
19 | 1 | 3,2 | 5,1 | 6,8 | 8,3 | 9,8 | 11,1 | 12,3 | 13,4 | 14,5 | 15,3 | 16,4 | 17,3 | 18,2 |
18 | 0,2 | 2,3 | 4,2 | 5,9 | 7,4 | 8,8 | 10,1 | 11,3 | 12,5 | 13,5 | 14,5 | 15,4 | 16,3 | 17,2 |
17 | -0,6 | 1,4 | 3,3 | 5 | 6,5 | 7,9 | 9,2 | 10,4 | 11,5 | 12,5 | 13,5 | 14,5 | 15,3 | 16,2 |
16 | -1,4 | 0,5 | 2,4 | 4,1 | 5,6 | 7 | 8,2 | 9,4 | 10,5 | 11,6 | 12,6 | 13,5 | 14,4 | 15,2 |
Для измерения влажности воздуха используют приборы гигрометры и психрометры.
1. Конденсационный гигрометр.
Состоит из укрепленной на подставке металлической круглой коробочки с отполированной плоской поверхностью. В коробочке сверху имеются два отверстия. Через одно из них в коробочку наливают эфир и вставляют термометр, а другое соединяют с резиновой грушей. Действие конденсационного гигрометра основано на определении точки росы.
Продувают воздух через эфир (с помощью резиновой груши), при этом эфир быстро испаряется и охлаждает коробочку. При определенной температуре на отполированной поверхности коробочки появляются капельки воды (роса). По термометру определяют эту температуру, это и будет точка росы. В специальной таблице по точке росы находят абсолютную влажность.
Чтобы найти относительную влажность, надо давление насыщенного пара при температуре точки росы разделить на давление насыщенного пара при температуре окружающего воздуха и умножить на 100%.
2. Волосной гигрометр.
Его работа основана на том, что обезжиренный человеческий волос при увеличении влажности воздуха удлиняется, а при уменьшении влажности укорачивается. Волос оборачивают вокруг легкого блока, прикрепив один конец к раме, а к другому подвешивают груз. При изменении длины волоса указатель (стрелка), прикрепленный к блоку, будет двигаться, перемещаясь по шкале. Шкалу градуируют по эталонному прибору.
3. Психрометр. (от греч «психриа» – холод).
Состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из них обернут марлей, опущенной в сосуд с водой. Вода смачивает резервуар термометра и при её испарении он охлаждается. По разности температур сухого и влажного термометров по психрометрической таблице определяют влажность воздуха.
Источник
Водяной пар – это газообразное состояние воды, т.е. газ, это знают все ещё с школы, и каждый из нас видя белые облака газа, выходящие из чайника, заводской трубы и в морозную погоду из рта знает – это пар. Но пар бывает не просто горячим и облачно белым, у него есть другие разновидности и характеристики, пар бывает прозрачным, сухим, влажным, перегретым.
В большинстве технологических теплообменных процессах производственных предприятий применяют водяной пар давлением от 1,5 кг/см² до 24 кг/см², поэтому оставим в стороне технологические процессы большой энергетики и процессов, где используют пар с параметрами намного выше 25 кг/см² и температурой до 600°C. Так же не будем рассматривать процессы сублимации и других технологий, протекающих при температурах ниже 100°C.
На рисунке 1 предоставлены «Диаграма состояния воды» (а) и «hs диаграмма водяного пара» (б), с помощью них разберём «наш» пар. На диаграмме «а» область водяного пара с интересующими нас параметрами – это область «A». Для более лучшего понимания состояния и характеристик воды (водяного пара) при интересующих нас давлениях и температурах обратимся к диаграмме «б».
Рис.1. Диаграммы
а) Диаграмма состояния воды | б) h,s – диаграмма водяного пара |
Этальпия пара (полная теплота пара) – это количество тепловой энергии, которой нужно для получения 1 кг пара данных параметров из 1 кг воды температурой 0°С, если нагревать воду при постоянном давлении.
χ – коэффициент сухости пара. Показатель качества насыщенного пара. Чем ниже «χ», тем больше воды в паре и меньше энтальпия (количество тепловой энергии).
На диаграмме «б» разными цветами выделены области с характеристиками интересующего нас водяного пара: перегретый пар (область «E»), влажный насыщенный пар (область «F»). Кривая c-d характеризует состояние сухого насыщенного пара. В таблице 1 перечислим свойства пара в каждом из состояний.
Таблица 1. Виды и свойства водяного пара
Область на диаграмме | Показатели характеризующие состояние пара | РАЗНОВИДНОСТЬ ПАРА краткое описание свойств пара |
Кривая с-d | Давление (температура) Коэффициент сухости (χ = 1) Энтальпия | СУХОЙ НАСЫЩЕННЫЙ ПАР (СНП) Пограничная кривая a-b соответствует сухому насыщенному пару (χ = 1), ниже этой кривой – влажный насыщенный пар (0 ? χ ? 1), выше – перегретый пар. В таблице СВОЙСТВА НАСЫЩЕННОГО ПАРА* указаны более точные характеристики СНП. Свойства СНП: * СНП – это прозрачный газ; * СНП – «идеальный пар» для теплотехнических процессов, может существовать только в закрытом пространстве, не стабилен; * Давление и температура СНП взаимозависимы и меняются корреляционно в соответствии с кривой a-b на «h,s – диаграмма водяного пара»; * СНП – это наиболее эффективный пар для теплообменных процессов (максимальный коэффициет теплоотдачи при высоком теплосодержании (энтальпии)); * Ввиду нестабильности СНП, необходимо делать поправку и все теплотехнические расчёты рекомендуется вести по ВНП. |
Область F | Давление (температура) 0 ? χ ? 1 Энтальпия | ВЛАЖНЫЙ НАСЫЩЕННЫЙ ПАР (ВНП) На «h,s – диаграмма водяного пара» кривые помеченные χ=0.9, χ=0.8, χ=0.7 являются кривыми ВНП. Свойства ВНП: * ВНП – это водяной газ облачно-белого цвета, с которым мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни; * ВНП – реальный пар, с которым работают теплообменные аппараты; * ВНП – это смесь пара и мельчайших капелек воды; * В теплообменных процессах при постоянном давлении, температура ВНП от момента χ = 1 до χ = 0 (конденсат) является величиной постоянной; * Без применения пароперегревателей на выходе любого парового котла ВНП; * При транспортировке ВНП по паропроводу образуется конденсат, который необходимо отводить в обязательном порядке. |
Область E | Давление Температура перегрева Энтальпия | ПЕРЕГРЕТЫЙ ПАР (ПП) * ПП ещё называют сухим ненасыщенным паром; * ПП – это прозрачный газ; * ПП – не применяется в теплообменных процессах; * ПП – это пар, температура которого при данном давлении больше, чем температура СНП; * ПП получается дальнейшим нагревом насыщенного пара. В отличии от насыщенного пара у перегретого пара нет прямой зависимости давления от температуры, и он в обязательном порядке должен характеризоваться давлением и температурой перегрева; * Преимущество ПП в отсутствии образования конденсата при транспортировке; * Недостатки ПП – низкий коэффициент теплоотдачи, что требует больших площадей теплообменных поверхностей при теплообменных процессах. |
ВЫВОДЫ:
- На выходе из любого парового котла (парогенератора) влажный насыщенный пар;
- Необходимо стремиться использовать в технологических процессах на производстве сухой насыщенный пар, тогда эффективность теплообменного оборудования на производстве будет максимальной;
- Транспортировать по паропроводу до паропотребителя лучше слегка перегретый пар (не образуется конденсат при транспортировке), но к паропотребителю должен «приходить» сухой насыщенный пар (максимальная эффективность теплообменного оборудования).
Думаю, что в данной статье я кратко и понятно разъяснил про наиболее часто встречающиеся виды пара в технологических процессах промышленных предприятий. Если вы хотите знать больше про энтропию, свойства перегретого пара для энергетических турбин, сублимацию, понятие критической точки – изучайте ТЕРМОДИНАМИКУ.
Источник
Если вода нагревается выше точки кипения, она становится паром или водой в газообразном состоянии. Однако все виды пара разные, и их свойства существенно варьируются в зависимости от давления и температуры.
В статье Основные сферы применения пара, мы рассмотрели различные процессы, в которых используется пар. А теперь поговорим о типах пара, применяемых в этих процессах.
Соотношение давления и температуры воды и пара
Для просмотра анимации кликните на слово
Насыщенный (сухой) пар возникает, когда вода нагревается до температуры кипения (контактное тепло), а затем испаряется с помощью дополнительного подогрева (скрытое тепло). Если этот пар далее нагревается выше точки насыщения, он становится перегретым паром (контактное тепло).
Насыщенный (сухой) пар
Черная линия вышеприведенного графика показывает, что насыщенный пар появляется при такой температуре и давлении, при которых пар (газ) и вода (жидкость) могут сосуществовать. Другими словами, он образуется тогда, когда скорость испарения воды равна скорости конденсации.
Преимущества использования насыщенного пара для подогрева
Свойства насыщенного пара делают из него отличный источник тепла особенно при температуре 100 °C и выше. Вот некоторые из этих свойств:
| Свойства | Преимущества |
| Обеспечивает быстрое и равномерное нагревание за счет передачи скрытой теплоты | Улучшает качество продукта и повышает производительность |
| Давление может контролировать температуру | Температура устанавливается быстро и точно |
| Гарантирует высокий коэффициент теплопередачи | Требуемая площадь теплообмена меньше, что позволяет снизить первоначальные затраты на оборудование |
| Образовывается из воды | Безопасный, чистый и недорогой |
Полезные советы
С учетом сказанного, при подогреве насыщенным паром необходимо помнить о следующих моментах:
- эффективность подогрева может уменьшиться, если в данном процессе используется любой другой пар, кроме сухого. Вопреки общераспространенному мнению, фактически весь пар, производимый в котле — это не сухой насыщенный пар, а влажный, содержащий часть неиспарившихся молекул воды.
- Потеря теплового излучения приводит к тому, что часть пара конденсируется. Получившийся влажный пар становится еще более влажным, к тому же образуется конденсат, который надо удалить, установив там, где это необходимо, конденсатоотводчики.
- Образованный из пара тяжелый конденсат может быть выведен конденсатоотводчиками в специальные коллекторы. Однако этот влажный пар снизит эффективность нагрева, поэтому его следует удалить через устройства очистки или распределительные сборники.
- В паре, в котором снижается давление за счет трения в трубопроводе и т.д., также может понизиться температура.
Ненасыщенный (влажный) пар
Это наиболее распространенная форма пара, которая используется на большинстве заводов. Когда при работе котла образуется пар, он, как правило, влажный из-за неиспарившихся молекул воды, которые в нем присутствуют. Даже лучшие котлы могут выпускать пар, чья влажность будет составлять от 3% до 5%. Когда вода приближается к состоянию насыщения и начинает испаряться, часть ее, обычно в форме водяной пыли или капелек, попадает в поднимающийся пар и распределяется дальше. Это одна из основных причин, по которой сепарация используется для удаления конденсата из распределенного пара.
Перегретый пар
Перегретый пар получается в результате дополнительного нагревания влажного или насыщенного пара до точки кипения выше, чем для последнего. Так, при идентичном давлении, что и у насыщенного пара, его температура будет выше, а плотность ниже. Перегретый пар в основном используется для сообщения движения, например, в турбинах, но не применяется в процессах теплопередачи.
Преимущества использования перегретого пара в приводных турбинах:
- Обеспечивает сухость пара в паровом оборудовании, производительность которого может ухудшиться от присутствия конденсата
- Улучшает тепловую эффективность и производительность при переходе от перегретого состоянии к снижению давления и даже вакууму в определенном удельном объеме.
Предпочтительно и подавать, и выпускать пар в перегретом состоянии, т.к. конденсат не будет образовываться во время нормальной работы парового оборудования, что снизит риск повреждений от эрозии или коррозии, вызванной влиянием углекислого газа. Кроме того, теоретический тепловой КПД турбины рассчитывается с учетом показателей энтальпии во впускном и выпускном отверстиях; это увеличивает градус перегрева, давление поднимает энтальпию со стороны входного отверстия турбины, что эффективно улучшает тепловой КПД.
Недостатки использования перегретого пара для подогрева:
| Свойства | Недостатки |
| Низкий коэффициент передачи тепла | Снижается производительность |
| Требуется большая площадь поверхности теплопередачи | |
| Нестабильная температура пара даже при постоянном давлении | Перегретому пару надо поддерживать высокую скорость, в противном случае температура будет падать по мере потери тепла из оборудования. |
| Контактное тепло используется для передачи тепловой энергии | Падение температуры может отрицательно сказаться на качестве продукта |
| Температура может быть необычайно велика | Могут понадобиться более стойкие строительные материалы, требующие более высоких первоначальных затрат на оборудование |
По этой и другим причинам, насыщенный пар предпочтительнее перегретого пара, если он выступает в качестве рабочей среды теплообменников или иного оборудования для теплопередачи. С другой стороны, если рассматривать его как источник тепла для прямого нагрева, как высокотемпературный газ, обнаружится преимущество над горячим воздухом, благодаря возможности подогрева даже в условиях отсутствия кислорода. Также проводятся исследования по использованию пара в пищевой промышленности для приготовления еды и для сушки.
Сверхкритическая вода
Сверхкритическая вода — это вода в состоянии, превышающем ее критическую точку: 22,1 МПа, 374 °C. В критической точке скрытое тепло пара равняется нулю, а его удельный объем точно такой же, как для жидкого или газообразного состояния. Другими словами, вода с давлением и температурой большими, чем в критической точке, находится в своеобразном состоянии, которое нельзя назвать ни жидким, ни газообразным.
Сверхкритическая вода используется для работы турбин на электростанциях, которые требуют более высокой эффективности. Исследования сверхкритической воды проводятся с упором на ее использование в качестве текущей среды, обладающей свойствами как жидкости, так и газа, а также на ее пригодность в качестве растворителя для химических реакций.
Различные состояния воды
Ненасыщенная вода
Эта вода находится в самом узнаваемом ее состоянии. Приблизительно 70% человеческого веса — это вода. Когда она находится в жидком состоянии, водородные связи держат молекулы ее вместе. В результате ненасыщенная вода имеет относительно компактную, плотную и стабильную структуру.
Насыщенный пар
Молекулы насыщенного пара невидимы. Когда насыщенный пар выпускается в атмосферу из трубопровода, часть его конденсируется, передавая свое тепло окружающему воздуху и образовывая облака белого пара (крошечные капли воды). Если в паре есть такие капельки, то он называется влажным.
В паровых системах пар, выходящий из конденсатоотводчиков часто ошибочно принимается за насыщенный (острый) пар, в действительности же это — выпар. Разница между ними состоит в том, что насыщенный пар мнгновенно становится невидимым уже на уровне выпускного отверстия трубы, тогда как выпар содержит мелкие капли воды в момент образования.
Перегретый пар
Пока перегретый пар находится в своем перегретом состоянии, он не будет конденсироваться, даже если вступит в контакт с атмосферой, а его температура упадет. В результате, клубы пара образовываться не будут. Перегретый пар содержит больше тепла, чем насыщенный пар при том же давлении, а его молекулы двигаются быстрее, поэтому его плотность ниже (т.е. его удельный объем больше).
Сверхкритическая вода
Хотя визуальное наблюдение не представляется возможным, но эта вода находится в состоянии, которое не является ни жидким, ни газообразным. В общих чертах, молекулярное движение ближе к газу, а плотность больше похожа на плотность жидкости.
Источник