Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. Испарение и конденсация воды

Свойства пара определяются его параметрами, то есть величинами, характеризующими состояние пара (давление, температура, степень сухости, энтальпия, теплосодержание и т. д.). Тепловая энергия подводится к при помощи водяного пара, являющегося носителем тепловой энергии (теплоносителем).

Насыщенный пар

Если нагревать воду в открытом сосуде, то температура ее будет постепенно повышаться, пока не достигнет примерно 100 0 С; после этого дальнейшее повышение температуры прекращается и начинается кипение воды, то есть бурный переход ее в парообразное состояние. Температура воды во время кипения остается одной и той же, так же как температура получающегося над водой пара; она равна точно 100 0 С при нормальном атмосферном давлении, равном давлению ртутного столба 760 мм высотой. Искусственно изменяя давление, можно изменять температуру кипения в очень широких пределах; при увеличении давления температура кипения повышается, при уменьшении давления - понижается.

Так, при давлении 0,02 ата (0,02 от атмосферного давления) вода кипит при 17,2 0 С, а при давлении 10 ата при 179 0 С.

Температура пара над водой, из которой он получается (рис. 1) , всегда равна температуре этой воды. Получающийся над водой пар называется насыщенный пар .

Определенной температуре насыщенного пара всегда соответствует определенное давление, и наоборот, определенному давлению всегда соответствует строго определенная температура.

Перегревая свежий пар, мы сообщаем ему дополнительную теплоты, то есть увеличиваем начальную энтальпию. Это приводит к увеличению использованного теплопадения и повышению экономического к.п.д. установки работающей на перегретом паре. Кроме того, перегретый пар при движении в паропроводах не конденсируется в воду, так как конденсация может начаться только с момента, когда температура перегретого пара понизиться на столько, что он перейдет в насыщенное состояние. Отсутствие конденсации свежего пара особенно важно для паровых турбин, вода, скопившаяся в паропроводе и увлеченная паром в турбину, легко может разрушить лопатки турбины.

Преимущество перегретого пара настолько значительны и выгодность его применения настолько велика, что современные турбинные установки работают почти исключительно перегретым паром.

А. А. Филоненко , директор ЧТСУП «Стим-систем»

Несмотря на положительные результаты работы по повышению эффективности использования энергоресурсов, отражённые в значительном снижении удельного расхода энергии как в целом по республике, так и на отдельных предприятиях, проблема энергосбережения сохраняет свою остроту, при этом становится актуальнее и сложнее. По мере реализации малозатратных и краткосрочных проектов значительно увеличились удельные затраты на экономию энергии при сохранении дефицита инвестиционных ресурсов. Ужесточается законодательство в сфере энергосбережения: невыполнение показателей грозит не только лишением премии некоторых руководителей, но и оплатой предприятием потребления электроэнергии и газа сверх установленных величин по двойному тарифу.

Водяной пар — очень удобный и эффективный теплоноситель. Его достаточно просто произвести, легко транспортировать, контролировать параметры, управлять ими и, наконец, использовать содержащуюся в нём энергию. Благодаря таким характеристикам и огромному опыту применения в системах теплоснабжения и множестве самых разнообразных технологических процессов пар с давних пор широко используется на промышленных предприятиях.

Разнообразие применений и огромные объёмы потребления пара ставят эффективность его использования в ряд важнейших задач энергосбережения. Наведение порядка в пароконденсатном хозяйстве может обеспечить снижение потребления энергии, сопоставимое по результатам с выполнением крупных энергосберегающих мероприятий. При этом по материальным затратам повышение эффективности использования пара несопоставимо мало в сравнении с реализацией крупных проектов, которая длится месяцы, а то и годы. Кроме того, мероприятия, связанные с паром, могут выполняться поэтапно и тем самым обеспечить возможность энергетикам регулировать показатели на непродолжительных промежутках времени.

Как показывают результаты проведения энергоаудитов и опыт общения с персоналом, обслуживающим пароконденсатное хозяйство, имеет место явный недостаток практических знаний даже у опытных работников энергослужб промышленных предприятий. В связи с этим в журнале будет опубликован цикл статей, ориентированный на техническую поддержку специалистов, связанных с проектированием и эксплуатацией паросилового хозяйства.

Пар. Основные понятия

Что такое водяной пар, каким он бывает и какими основными свойствами обладает.

Водяной пар — это газ, получаемый в процессе испарения воды. Свойства пара отличаются от свойств идеального газа и не описываются газовыми законами. Формулы для расчёта параметров пара сложны и громоздки для ежедневного применения, поэтому проще пользоваться таблицами свойств пара и воды, например, из . Ниже приведен сокращённый вариант такой таблицы.

Таблица. Свойства насыщенного пара

Абсолютное (истинное или полное) давление — это давление, измеренное относительно полного вакуума. Манометрическое давление — давление, измеренное относительно атмосферного давления. Следовательно, значение абсолютного давления больше манометрического на 0,1 МПа.

1 ккал = 4,186 кДж; 1 кДж = 0,24 ккал; 1 бар = 0,102 МПа

Насыщенный пар

Насыщенным называют пар, который образовался в процессе кипения и находится в динамическом равновесии с жидкостью. Как следует из таблицы, при повышении давления растёт температура фазового перехода жидкости в пар. Пар, параметры которого находятся на этой кривой насыщения, и называется насыщенным паром.

Рассмотрим, какими свойствами он обладает и что означают параметры, приведённые в таблице. Давление и температура уже упоминались. Удельный объём пара — это объём в метрах кубических, который занимает 1 кг насыщенного пара при определённом давлении. Знание удельного объёма пара необходимо при расчёте скоростей движения пара по трубопроводам, объёмов, которые будет занимать вторичный пар в ресиверах и расширительных баках, и т. д. (подробно об этом в следующих статьях).

Энтальпия кипящей воды — это полная теплота, которой обладает кипящая вода. Для нагрева 1 кг воды на 1 °С требуется 1 ккал тепловой энергии. Энтальпия кипящей воды отражает, сколько теплоты содержится в одном её килограмме. Чтобы превратить воду в пар, надо затратить дополнительную энергию, например, для 1 кг кипящей воды при атмосферном давлении потребуется 539,3 ккал теплоты. Вся теплота, которая была расходована на нагрев воды и превращение её в пар, называется энтальпией насыщенного пара. Она как бы аккумулируется в полученном паре и будет отдаваться при его конденсации и охлаждении конденсата.

При конденсации пар выделяет ту теплоту, которая была затрачена на испарение кипящей воды. Количество этой теплоты представляет собой разность энтальпий насыщенного пара и кипящей воды и называется скрытой теплотой парообразования. Обратите внимание, что если с ростом давления температура насыщенного пара растёт, то скрытая теплота парообразования (то есть эффективная теплота пара) снижается.

Перегретый пар

Если полученный насыщенный пар нагревать дальше (например, в пароперегревателе котла), то мы получим перегретый пар. Энтальпия перегретого пара будет выше энтальпии насыщенного. При перегреве пара будет также увеличиваться его удельный объём. Это свойство перегретого пара используется в паровых машинах, чтобы снизить расход воды и топлива.

Какими свойствами обладает перегретый пар? При охлаждении он не конденсируется. Конденсация начинается только после того, как перегретый пар достигнет температуры насыщения (см. таблицу). При этом теплообмен между перегретым паром и стенкой теплообменника или трубопровода происходит хуже, чем в случае с насыщенным паром. Это свойство перегретого пара говорит о том, что его использование при транспортировке, особенно на дальние расстояния, эффективнее, так как в трубопроводе не будет образовываться конденсат пара, который может вызывать гидроудары, коррозию труб и запорной арматуры (подробно о проблемах, которые может вызвать конденсат, в следующих статьях). Естественно, что для работы в теплообменнике (где требуется максимально эффективно отобрать теплоту, содержащуюся в паре) предпочтительнее насыщенный пар, который лучше отдаёт теплоту. Исключение составляют случаи, когда требуются высокие температуры теплообменника, при которых использование насыщенного пара требует очень высоких давлений и, следовательно, более сложной и дорогой конструкции теплообменного аппарата.

Следует также рассмотреть такое понятие, как критическая температура . Допустим, имеется пар с давлением 3 кг/см 2 абс и температурой 137 °С. При таких параметрах пар является перегретым. Как видно из таблицы, если при той же температуре повысить давление до 4 кг/см 2 абс, то пар сконденсируется. Если же перегреть пар до температуры 374 °С, то пар не будет конденсироваться ни при каком давлении. Такая температура и называется критической .

Часто упоминается понятие «влажный» пар. Иногда в него вкладывают разный смысл. Доводилось слышать, как влажным называли насыщенный пар. Это неверно. Правильно говорить о сухом насыщенном паре и влажном паре, то есть о паре с какой-либо степенью влажности. определяется как отношение содержащейся в насыщенном паре капельной жидкости к общему количеству смеси фаз:

где G f — масса жидкой фазы, G s — масса сухого пара.

Аналогично определяется :

Очевидно, что влажность и сухость пара могут принимать значения от 0 до 1. В расширенном понимании сухость пара, или паросодержание жидкостно-паровой смеси, можно определить через энтальпии среды i, насыщенной жидкости i ’ и сухого насыщенного пара i ” как:

Эта величина может быть как отрицательной (для недогретой до кипения воды), так и больше единицы (для перегретого пара).

Рис. 1 . Зависимость энтальпии пара от степени сухости (х) (энтропия — это сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии. В рамках данной статьи смысл понятия энтропии не так важен.)

Как следует из рис. 1, теплосодержание (энтальпия) влажного пара будет тем меньше, чем меньше его сухость. Соответственно, чтобы максимально эффективно использовать пар в теплообменниках, следует использовать пар с минимальной влажностью. Её можно снизить, используя циклонные сепараторы или дросселирование (подробно об этом в следующих статьях).

Ещё одна особенность пара, используемого на промышленных предприятиях. В нём может содержаться воздух или другие неконденсируемые газы. Их присутствие снижает температуру пара и, что ещё более вредно, ухудшает теплоотдачу от пара стенкам теплообменника (рис. 2). Воздух, обладая хорошими теплоизоляционными свойствами, в определённых условиях может образовывать плёнки на поверхности стенки теплообменника, значительно ухудшающие теплоотдачу.

Рис. 2 . Зависимость температуры насыщенного пара от давления и содержания воздуха

Углекислый газ (CO 2), содержащийся в паре, может раствориться в конденсате, образуя угольную кислоту, которая приведёт к коррозии стенок трубопроводов, теплообменников и запорной арматуры. Следовательно, воздух и неконденсируемые газы нужно своевременно удалять из пара.

Литература

М.П. Вукалович. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы «МАШГИЗ». — М., 1955.

Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, имеет важнейшее значение для процессов, происходящих в атмосфере. Оно оказывает также большое влияние на жизнь растений и животных. Количество водяного пара в воздухе можно выразить при помощи следующих величин: а) давление водяного пара (парциальное, § 239); б) абсолютная влажность воздуха - масса водяного пара в воздуха, выраженная в граммах; в) относительная влажность воздуха - отношение давления пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. В табл. 24 приведены значения давления насыщенных паров воды при различных температурах, выраженные в миллиметрах ртутного столба, а также абсолютная влажность воздуха, соответствующая этому давлению.

Таблица 24. Давление насыщенного пара воды и абсолютная влажность воздуха в зависимости от температуры

Давление насыщенного пара зависит также от того, находится ли пар над поверхностью переохлажденной воды или над поверхностью льда. Над льдом давление насыщенного пара меньше, чем над переохлажденной водой при той же температуре (§ 301). Это значит, что если в воздух, содержащий водяной пар вблизи состояния насыщения, внести кусочек льда и капельку переохлажденной воды, то на поверхности льда начнется конденсация, и он будет увеличиваться в размерах, а капелька воды будет испаряться и уменьшаться. Этот процесс имеет очень большое значение при образовании осадков (§ 311).

Для определения влажности воздуха пользуются гигрометром и психрометром.

1. Волосной гигрометр изображен на рис. 503. Основная часть прибора - обезжиренный человеческий волос 1, обладающий способностью удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха. Волос 1 навит на ролик 2 и держится в натянутом состоянии грузиком 3. При изменении влажности меняется длина волоса, ролик 2 вращается и движет стрелку 4. Деления шкалы указывают относительную влажность. Если одновременно измерять и температуру воздуха, то можно определить абсолютную влажность воздуха и давление водяного пара.

Рис. 503. Волосной гигрометр

Пусть, например, относительная влажность равна 50%, а температура воздуха равна . Тогда из табл. 24 находим, что давление насыщенного пара при температуре равно , абсолютная влажность - . Следовательно, давление (парциальное) водяного пара равно , а в воздуха содержится воды в виде пара.

1. Психрометр изображен на рис. 504. Прибор состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из термометров обернут куском чистого батиста, нижний край которого опущен в небольшой стеклянный стаканчик с дистиллированной водой. Вода смачивает батист и испаряется на шарике термометра, если водяной пар в воздухе не является насыщенным. Вследствие потери тепла на испарение шарик термометра охлаждается и смоченный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Разница между показаниями термометров тем больше, чем больше отличается давление водяного пара, содержащегося в воздухе, от давления насыщенного пара. По показаниям сухого и смоченного термометров при помощи особых психрометрических таблиц находят давление водяного пара и относительную влажность воздуха.

Рис. 504. Психрометр

При понижении температуры воздуха при постоянной массе водяного пара относительная влажность возрастает, так как чем ниже температура воздуха, тем ближе водяной пар к состоянию насыщения. Наконец, при какой-то определенной температуре относительная влажность становится равной 100%, и дальнейшее понижение температуры приводит к конденсации водяного пара. Появляется туман, «запотевают» окна, на траве оседают капельки росы. Температуру, при которой пар при данном давлении становится насыщенным, или, что то же самое, при которой относительная влажность воздуха становится равной 100%, называют точкой росы. Точку росы легко определить, медленно охлаждая металлический стакан, например, бросая в него кусочки льда, и замечая температуру, при которой стакан запотевает.. Следовательно, относительная влажность воздуха равна

В таблице представлены теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения в зависимости от температуры. Свойства пара приведены в таблице в интервале температуры от 0,01 до 370°С.

Каждой температуре соответствует давление, при котором водяной пар находится в состоянии насыщения. Например, при температуре водяного пара 200°С его давление составит величину 1,555 МПа или около 15,3 атм.

Удельная теплоемкость пара, теплопроводность и его увеличиваются по мере роста температуры. Также растет и плотность водяного пара. Водяной пар становится горячим, тяжелым и вязким, с высоким значением удельной теплоемкости, что положительно влияет на выбор пара в качестве теплоносителя в некоторых типах теплообменных аппаратов.

Например, по данным таблицы, удельная теплоемкость водяного пара C p при температуре 20°С равна 1877 Дж/(кг·град), а при нагревании до 370°С теплоемкость пара увеличивается до значения 56520 Дж/(кг·град).

В таблице даны следующие теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения:

• давление пара при указанной температуре p·10 -5 , Па;
• плотность пара ρ″ , кг/м 3 ;
• удельная (массовая) энтальпия h″ , кДж/кг;
• r , кДж/кг;
• удельная теплоемкость пара C p , кДж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности λ·10 2 , Вт/(м·град);
• коэффициент температуропроводности a·10 6 , м 2 /с;
• вязкость динамическая μ·10 6 , Па·с;
• вязкость кинематическая ν·10 6 , м 2 /с;
• число Прандтля Pr .

Удельная теплота парообразования, энтальпия, коэффициент температуропроводности и кинематическая вязкость водяного пара при увеличении температуры снижаются. Динамическая вязкость и число Прандтля пара при этом увеличиваются.

Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100! Например, теплопроводность пара при температуре 100°С равна 0,02372 Вт/(м·град).

Теплопроводность водяного пара при различных температурах и давлениях

В таблице приведены значения теплопроводности воды и водяного пара при температурах от 0 до 700°С и давлении от 0,1 до 500 атм. Размерность теплопроводности Вт/(м·град).

Черта под значениями в таблице означает фазовый переход воды в пар, то есть цифры под чертой относятся к пару, а выше ее — к воде. По данным таблицы видно, что значение коэффициента и водяного пара увеличивается по мере роста давления.

Примечание: теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность водяного пара при высоких температурах

В таблице приведены значения теплопроводности диссоциированного водяного пара в размерности Вт/(м·град) при температурах от 1400 до 6000 K и давлении от 0,1 до 100 атм.

По данным таблицы, теплопроводность водяного пара при высоких температурах заметно увеличивается в области 3000…5000 К. При высоких значениях давления максимум коэффициента теплопроводности достигается при более высоких температурах.

Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Кипение - процесс изменения агрегатного состояния вещества. Когда мы говорим о воде, то имеем в виду изменение жидкого состояния в парообразное. Важно отметить, что кипение - это не испарение, которое может протекать даже при комнатной температуре. Также не стоит путать с кипячением, что является процессом нагревания воды до определенной температуры. Теперь, когда мы разобрались с понятиями, можно определить, при какой температуре кипит вода.

Процесс

Сам процесс преобразования агрегатного состояния из жидкого в газообразное является сложным. И хотя люди этого не видят, существует 4 стадии:

1. На первой стадии на дне нагреваемой емкости образуются небольшие пузырьки. Также их можно заметить по бокам или на поверхности воды. Они образуются из-за расширения воздушных пузырьков, которые всегда есть в трещинах емкости, где нагревается вода.
2. На второй стадии объем пузырьков увеличивается. Все они начинают рваться к поверхности, так как внутри них находится насыщенный пар, который легче воды. При повышении температуры нагрева давление пузырьков возрастает, и они выталкиваются на поверхность благодаря известной силе Архимеда. При этом можно слышать характерный звук кипения, который образуется из-за постоянного расширения и уменьшения в размере пузырьков.
3. На третьей стадии на поверхности можно видеть большое количество пузырьков. Это вначале создает помутнение воды. Данный процесс в народе называют "кипением белым ключом", и длится он короткий промежуток времени.
4. На четвертой стадии вода интенсивно бурлит, на поверхности возникают большие лопающиеся пузыри, возможно появление брызг. Чаще всего брызги означают, что жидкость нагрелась до максимальной температуры. Из воды начнет исходить пар.

Известно, что вода кипит при температуре 100 градусов, которая возможна лишь на четвертой стадии.

Температура пара

Пар представляет собой одно из состояний воды. Когда он поступает в воздух, то, как и другие газы, оказывает на него определенное давление. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока вся жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление можно объяснить тем, что при кипении вся энергия расходуется на преобразование воды в пар.

В самом начале закипания образуется влажный насыщенный пар, который после испарения всей жидкости становится сухим. Если его температура начинает превышать температуру воды, то такой пар является перегретым, и по своим характеристикам он будет ближе к газу.

Кипение соленой воды

Достаточно интересно знать, при какой температура кипит вода с повышенным содержанием соли. Известно, что она должна быть выше из-за содержания в составе ионов Na+ и Cl-, которые между молекулами воды занимают область. Этим химический состав воды с солью отличается от обычной пресной жидкости.

Дело в том, что в соленой воде имеет место реакция гидратации - процесс присоединения молекул воды к ионам соли. Связь между молекулами пресной воды слабее тех, которые образуются при гидратации, поэтому закипание жидкости с растворенной солью будет происходить дольше. По мере роста температуры молекулы в воде с содержанием соли двигаются быстрее, но их становится меньше, из-за чего столкновения между ними осуществляются реже. В результате пара образуется меньше, и его давление из-за этого ниже, чем напор пара пресной воды. Следовательно, для полноценного парообразования потребуется больше энергии (температуры). В среднем для закипания одного литра воды с содержанием 60 граммов соли необходимо поднять градус кипения воды на 10% (то есть на 10 С).

Зависимости кипения от давления

Известно, что в горах вне зависимости от химического состава воды температура кипения будет ниже. Это происходит из-за того, что атмосферное давление на высоте ниже. Нормальным принято считать давление со значением 101.325 кПа. При нем температура закипания воды составляет 100 градусов по Цельсию. Но если подняться на гору, где давление составляет в среднем 40 кПа, то там вода закипит при 75.88 С. Но это не значит, что для приготовления еды в горах придется потратить почти вдвое меньше времени. Для термической обработки продуктов нужна определенная температура.

Считается, что на высоте 500 метров над уровнем моря вода будет закипать при 98.3 С, а на высоте 3000 метров температура закипания составит 90 С.

Отметим, что данный закон действует и в обратном направлении. Если поместить жидкость в замкнутую колбу, через которую не может проходить пар, то с ростом температуры и образованием пара давление в этой колбе будет расти, и закипание при повышенном давлении произойдет при более высокой температуре. Например, при давлении 490.3 кПа температура кипения воды составит 151 С.

Кипение дистиллированной воды

Дистиллированной называется очищенная вода без содержания каких-либо примесей. Ее часто применяют в медицинских или технических целях. С учетом того, что в такой воде нет никаких примесей, ее не используют для приготовления пищи. Интересно заметить, что закипает дистиллированная вода быстрее обычной пресной, однако температура кипения остается такой же - 100 градусов. Впрочем, разница по времени закипания будет минимальной - всего доли секунды.

В чайнике

Часто люди интересуются, при какой температуре кипит вода в чайнике, так как именно этими приборами они пользуются для кипячения жидкости. С учетом того, что атмосферное давление в квартире равно стандартному, а используемая вода не содержит солей и других примесей, которых там не должно быть, то и температура закипания также будет стандартной - 100 градусов. Но если вода будет содержать соль, то температура закипания, как мы уже знаем, будет выше.

Заключение

Теперь вы знаете, при какой температуре кипит вода, и как атмосферное давление и состав жидкости влияют на данный процесс. В этом нет ничего сложного, и подобную информацию дети получают еще в школе. Главное - запомнить, что со снижением давления понижается и температура кипения жидкости, а с его ростом увеличивается и она.

В интернете можно найти множество разных таблиц, где указывается зависимость температуры кипения жидкости от атмосферного давления. Они доступны всем и активно используются школьниками, студентами и даже преподавателями в институтах.