19. Циклы паросиловых установок

Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, (число частиц, покидающих жидкость в единицу времени, равно числу частиц, возвращающихся за это же время в жидкость), называется насыщенным. При равновесии устанавливается постоянная плотность пара, которая отвечает вполне определённому давлению. Это давление называется упругостью насыщенного пара. Пар, находящийся в соприкосновении с жидкостью и насыщающий пространство над её поверхностью, называют влажным насыщенным паром (смесь пара и мельчайших капель воды). Вода, находящаяся в равновесии с паром, является примером насыщенной жидкости.

Кипением называется интенсивный переход жидкости в пар не только со свободной поверхности, но и во всём объёме, сопровождающийся быстрым образованием и ростом пузырьков пара. Температура и давление, при котором происходит кипение, связаны между собой. Их называют температурой и давлением насыщения (t_н и р_н). Чем выше давление, при котором кипит жидкость, тем соответственно выше её температура кипения. Пар, не содержащий в своём составе частиц воды, но имеющий температуру и давление насыщения, называют сухим насыщенным паром. Если к нему подводить теплоту при постоянном давлении, то температура его будет повышаться, объём увеличиваться и сухой насыщенный пар перейдёт в состояние перегретого.

Степень перегрева пара t определяется разностью температур t=t-t_н, где t – температура перегретого пара, которая чем выше, тем пар ближе по своим свойствам к идеальному газу.

В настоящее время основную часть электроэнергии (около 80%) вырабатывают на паросиловых установках, рабочим телом которых является вода в жидком и парообразном состояниях.

Водяной пар получают в паровых котлах, различных по конструкции и производительности, обычно при p=const. Данному давлению соответствует единственная и вполне определённая температура кипения воды.

Процесс парообразования является одновременно изобарным и изотермическим.

Под степенью сухости (сухостью) пара понимают массу сухого пара, содержащегося в единице массы влажного пара, т.е. пароводяной смеси, обозначают х (доля сухого насыщенного пара во влажном паре). Величина 1-х представляет собой массу воды в единице массы пароводяной смеси и называется нижней пограничной кривой (рис. 19.1 - –роходит через точки v₁`, v<sub>2</sub>`, v₃` и к – удельные объёмы кипящей воды). Соединив точки, отображающие конец процесса парообразования при различных давлениях, можно получить линию, называемую верхней пограничной кривой (проходит через точки v₁``, v<sub>2</sub>``, v₃`` и к – удельные объёмы сухого насыщенного пара). Обе пограничные кривые сходятся в точке к, носящей название критической.

Рис. 19.1. pv-диаграмма

Из определения следует, что нижняя пограничная кривая отделяет на pv-диаграмме область жидкого состояния воды от области, где вода находится в двухфазном состоянии (в виде влажного пара); между двумя кривыми заключена область, в которой ТРТ находится в виде влажного пара; наконец кривая сухого насыщенного пара отделяет область влажного пара от области перегретого пара.

При критическом давлении различие между водой и паром исчезает совсем, удельные объёмы пара и воды становятся равными; вода и пар в этом состоянии обладают одинаковыми свойствами. Критическому состоянию соответствуют следующие значения параметров водяного пара, называемые критическими: р=22,129 Мпа или 225,65 ат. абс. ; t=374,14^oC ; v=0,00326 м³/кг.

Тот или иной газ тем больше приближается по своим свойствам к идеальному, чем выше его температура при данном давлении и чем ниже его критическая температура.

Тройная точка воды соответствует единственному состоянию, при котором она одновременно может находиться в трёх фазах: в виде жидкости, твёрдого тела (льда) и насыщенного пара. Параметры этой точки следующие: р=611 Па; t=0,01^оС; v=0,001 м³/кг.

Количество тепла, которое нужно сообщить 1 кг кипящей воды, чтобы она превратилась в сухой насыщенный пар, называют теплотой парообразования и обозначают r. Часть этой теплоты, называемая внутренней теплотой парообразования , затрачивается на изменение внутренней энергии пара, расходуемой на преодоление внутренних сил сцепления между его молекулами. Другая часть этой теплоты, называемая внешней теплотой парообразования, затрачивается на совершение работы расширения, обусловленной увеличением удельного объёма при превращении воды в сухой насыщенный пар и равна р(v``-v`).

Процессы нагрева воды, парообразования и перегрева пара в TS-диаграмме изображаются так. Если допустить, что С_вm не зависит от давления, то независимо под каким давлением находится вода, логарифмическая кривая (S_в=C_вmln(T/273)), будет совпадать с нижней пограничной кривой. Однако, для каждого давления отрезок этой кривой, отображающий процесс нагрева воды от 0^оС (273К) до температуры кипения при данном давлении, различен, поскольку для каждого давления различна температура кипения. Например, для давления р₁ кривая нагрева воды от 0^оС ограничивается отрезком а-в₁, на котором точка в₁ соответствует температуре кипения t_н1. По достижении этой температуры процесс парообразования из изобарного, отображаемый указанной выше логарифмической кривой, переходит в изобарно-изотермический, который в TS-диаграмме отображается горизонтальной линией.

Рис. 19.2. TS-диаграмма

Очевидно, для давлений р₂<p₃<p₄ и т.д., превышающих р₁, точки в₂, в₃, в₄ и т.д., располагающиеся согласно предыдущему на нижней пограничной кривой а-к и соответствующие температурам кипения t_н2, t_н3, t_н4 (на рис. 19.2 показаны соответствующие абсолютные температуры); будут помещаться выше точки в₁ и притом тем выше, чем больше давление, при котором происходит процесс нагрева воды. Сообразно расположению точек в₂, в₃, в₄ и т.д. будут расположены и изобары-изотермы в₂-с₂, в₃-с₃, в₄-с₄ и т.д

Длины отрезков в₁-с₁, в₂-с₂, в₃-с₃ и т.д., характеризующие изменения энтропии в процессе парообразования, определяются величиной r/Т_н, различной для различных давлений. Точки с₂, с₃, с₄ и т.д., отображающие окончание процесса парообразования, в совокупности образуют верхнюю пограничную кривую с₁-к. Обе пограничные кривые сходятся в критической точке к. На TS-диаграмме линия а-с соответствует изобаре, проведённой через тройную точку (611 Па). Область диаграммы, расположенная ниже этой изобары, соответствует различным состояниям двухфазной системы пар+лёд. Область между изобарой 611 Па и пограничными кривыми соответствует различным состояниям влажного пара.

Изменения энтропии при перегреве пара отображаются логарифмическими кривыми C_рmln(Т/Т_н), располагающимися тем выше, чем больше давление, при котором происходит перегрев. Линия а-а₂ отображает процесс парообразования при давлении, превышающем критическое. Она проходит левее нижней пограничной кривой, поскольку при высоких давлениях нельзя пренебрегать зависимостью теплоёмкости воды с_р от давления и соответственно считать, что изобары нагрева воды совпадают с нижней пограничной кривой, как это делается для давлений, меньших критического.

Точки d₁, d₂ и т.д. на кривых перегрева пара определяются температурами перегрева (Т₁, Т₂ и т.д.). Таким образом, процессы превращения воды в перегретый пар при нагреве её от 0^оС при неизменных давлениях отображаются на TS-диаграмме серией ломаных линий а-в₁-с₁-d₁, а-в₂-с₂-d₂, а-в₃-с₃-d₃ и т.д.

Площади, расположенные под соответствующими участками этих линий, выражают количество тепла, сообщённого воде (или пару) в этих процессах.