6.3. Поняття про водяну пару.

Одним з розповсюджених робочих тіл у парових турбінах, парових машинах, в атомних установках, теплоносієм у різних теплообмінниках є водяна пара.

Пара - газоподібне тіло в стані, близьке до киплячої рідини.

Паротворення – процес перетворення речовини з рідкого стану в пароподібне.

Випарування – паротворення, що відбувається завжди при будь-якій температурі з поверхні рідини.

При деякій визначеній температурі, що залежить від природи рідини і тиску, під яким вона знаходиться, починається паротворення у всій масі рідини. Цей процес називається кипінням.

Зворотний процес паротворення називається конденсацією. Вона також протікає при постійній температурі.

Процес переходу твердої речовини безпосередньо в пару називається сублімацією. Зворотний процес переходу пари у твердий стан називається десублімацією.

При випарі рідини в обмеженому просторі (у парових казанах) одночасно відбувається зворотне явище – конденсація пари. Якщо швидкість конденсації стане рівної швидкості випару , то настає динамічна рівновага.

Пара в цьому випадку має максимальну щільність і називається насиченою парою.

Якщо температура пари вище температури насиченої пари того ж тиску, то така пара називається перегрітим. Різниця між температурою перегрітої пари і температурою насиченої пари того ж тиску називається ступенем перегріву.

Тому що питомий об’єм перегрітої пари більше питомого об’єму насиченої пари, то щільність перегрітої пари менше щільності насиченої пари. Тому перегріта пара є ненасиченою парою.

У момент випарування останньої краплі рідини в обмеженому просторі без зміни температури і тиску утвориться суха насичена пара. Стан такої пари визначається одним параметром - тиском.

Механічна суміш сухої і дрібної крапельок рідини називається вологою парою.

Масова частка сухої пари у вологій парі називається ступенем сухості – х.

х = m_сп / m_вп , (6.7)

m_сп - маса сухої пари у вологому; m_вп - маса вологої пари.

Масова частка рідини у вологій парі називається ступенем вологості – у.

у = 1 –  . (6.8)

Для киплячої рідини при температурі насичення  = 0, для сухої пари –

 = 1.

6.4. Характеристики вологого повітря.

Атмосферне повітря, в основному складається з кисню, азоту, вуглекислого газу, містить завжди деяку кількість водяної пари.

Суміш сухого повітря і водяної пари називається вологим повітрям.

Вологе повітря при даному тиску і температурі може містити різну кількість водяної пари. Якщо суміш складається із сухого повітря і насиченої водяної пари, то його називають насиченим вологим повітрям.

У цьому випадку у вологому повітрі знаходиться максимально можливе для даної температури кількість водяної пари. При охолодженні цього повітря, буде відбуватися конденсація водяної пари. Парціальний тиск водяної пари в цій суміші дорівнює тискові насичення при даній температурі.

Якщо вологе повітря містить при даній температурі водяну пару в перегрітому стані, то воно буде називатися ненасиченим. Тому що в ньому знаходиться не максимально можлива для даної температури кількість водяної пари, то воно здатне до подальшого зволоження. Тому таке повітря використовують як сушильного агента в різних сушильних установках.

За законом Дальтона загальний тиск вологого повітря дорівнює сумі парціальних тисків сухого повітря і водяної пари, що входять у його склад:

Р = Р_В + Р_П , (6.9)

де: Р_В – парціальний тиск сухого повітря; Р_П - парціальний тиск водяної пари.

Максимальне значення Р_П при даній температурі вологого повітря t являє собою тиск насиченої водяної пари - Р_Н.

Для вимірювання парціального тиску пари користають спеціальний прилад – гігрометр. За допомогою цього приладу визначають крапку роси, тобто температуру (t_p), до якої потрібно остудити при постійному тиску повітря, щоб воно стало насиченим.

Знаючи крапку роси, можна по таблицях визначити парціальний тиск пари в повітрі як тиск насичення (Р_Н), що відповідає крапки роси t_p.

Абсолютною вологістю повітря називається кількість водяного пару, що знаходяться в 1 м³ вологого повітря. Абсолютна вологість дорівнює щільності пари при її парціальному тиску і температурі повітря – t_н .

Відношення абсолютної вологості ненасиченого повітря при даній температурі до абсолютної вологості насиченого повітря при тій же температурі називається відносною вологістю повітря

 = с_п / с_н або  = с_п / с_н ·100% , (6.10)

Для сухого повітря  = 0, для ненасиченого  < 1, для насиченого  = 1(100%).

Якщо водяну пару вважати як ідеальний газ, то за законом Бойля-Мариотта відношення густин можна замінити відношенням тисків. Тоді:

 = _П / Р_Н або  = Р_П / Р_Н ·100% . (6.11)

Щільність вологого повітря складається з мас, що утримуються в 1 м³ сухого повітря і водяного пару:

 = _у + _п = P_B/(R_B·T) + /^'' . (6.12)

Молекулярна маса вологого повітря визначається по формулі:

 = 28,95 – 10,934 P_Н/P (6.13)

Значення Р_Н і ^'' при температурі повітря t беруться з таблиці водяної пари,  – за даними психрометра, P - по барометрі.

Вологовміст – являє собою відношення маси пари до маси сухого повітря:

d = М_П / М_В , (6.14)

де: М_П, М_В – відповідно маси пари і сухого повітря у вологому повітрі.

Зв'язок між вологовмістом з відносною вологістю:

d = 0,622 ·Р_Н·/(Р - ·Р_Н). (6.15)

Газова постійна:

R = 8314/м = 8314/(28,95 – 10,934··Р_Н/P). (6.16)

Об’єм вологого повітря, що приходиться на 1 кг сухого повітря:

V_ВЛ.У = R·T/P. (6.17)

Питомий об’єм вологого повітря:

 = V_ВЛ.У/(1 + d). (6.17)

Питома масова теплоємність пароповітряної суміші:

с_см = с_В + d·с_П . (6.18)