Зависимость температуры насыщенного пара от давления - фундаментальный физический процесс, лежащий в основе работы паровых машин и турбин. Понимание этой зависимости позволяет оптимизировать КПД тепловых двигателей и сэкономить топливо.
Определение насыщенного пара
Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Количество молекул жидкости, покидающих ее в единицу времени, в среднем равно количеству молекул пара, возвращающихся обратно в жидкое состояние.
Динамическое равновесие между жидкостью и паром определяет свойства насыщенного пара.
Важное свойство насыщенного пара заключается в том, что его давление не зависит от занимаемого объема:
- При сжатии насыщенного пара избыточное количество молекул конденсируется обратно в жидкость, восстанавливая равновесие
- Плотность пара снова достигает первоначального значения, определяемого динамическим равновесием с жидкостью
В отличие от идеального газа, давление насыщенного пара зависит от температуры нелинейно, пока не испарится вся жидкость:
- Рост давления обусловлен также увеличением концентрации пара
- После полного испарения жидкости зависимость становится линейной как у идеального газа
Для большинства веществ экспериментально получены значения давлений насыщенных паров при различных температурах. Эти данные приведены в справочных таблицах :
| Температура, °C | 99,1 | 179 | 309,5 | 372,1 |
| Давление пара, МПа | 0,101 | 1,01 | 10,1 | 22,3 |
Механизм процесса кипения
Кипение – это интенсивное парообразование, протекающее по всему объему жидкости. Рассмотрим механизм этого процесса:
- В воде есть растворенные газы, растворимость которых падает с ростом температуры
- Образуются микропузырьки газа, цепляющиеся за неровности стенок сосуда
- В пузырьки диффундирует пар, достигая состояния насыщения
- Пузырьки насыщенного пара всплывают, увеличиваясь в объеме, и лопаются у поверхности
Условием всплытия пузырьков является превышение давлением насыщенного пара атмосферного:
pнас.пара ≥ pатм
Отсюда температура кипения зависит от внешнего давления. Это свойство используется в паровых машинах и турбинах:
- Пар под высоким давлением расширяется, совершая механическую работу
- За счет понижения давления температура падает ниже точки кипения
- Пар конденсируется, замыкая термодинамический цикл
Теплота парообразования
Теплота парообразования - это количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре, равной температуре кипения. Она рассчитывается по формуле:
Q = r·m
где Q - теплота парообразования, r - удельная теплота парообразования , а m - масса испарившейся жидкости. Для разных веществ значения удельной теплоты парообразования приводятся в справочных таблицах.
Перегретый пар
Перегретый пар - это пар, имеющий температуру выше температуры насыщенного пара при данном давлении. Такой пар получают путем дополнительного подогрева насыщенного пара без изменения давления.
Основные свойства перегретого пара:
- Более высокая температура по сравнению с насыщенным паром при том же давлении
- Отсутствие влаги
- Увеличенная теплоемкость и большая способность переносить тепло
Критическое состояние пара
Существует критическое состояние пара, при котором исчезает различие между жидкостью и паром. Для воды оно достигается при давлении 22,1 МПа и температуре 374,15°C.
При нагреве воды выше критической температуры происходит плавный подогрев пара без фазового перехода. Это свойство используется в паровых котлах для получения перегретого пара при сверхкритических параметрах.
Практическое применение пара
На практике водяной пар широко используется в паровых машинах и турбинах. Применяется также паровое отопление, нагрев теплоносителей в теплообменниках. Кроме того, пар находит применение в различных технологических процессах.
Диаграмма состояния водяного пара
Для наглядного представления свойств водяного пара используется диаграмма состояния - график зависимости параметров пара от температуры и давления. На ней можно проследить изменение агрегатных состояний воды.
Ниже линии насыщения находится область существования жидкой воды, выше - водяного пара. Критическая точка разделяет области насыщенного и перегретого пара.
Теплоемкость насыщенного пара
Теплоемкость насыщенного пара - это количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы пара на 1 градус. Зависит от давления и слабо меняется с ростом температуры.
Большая теплоемкость обеспечивает эффективность использования насыщенного пара в системах теплоснабжения и отопления.
Скрытая теплота парообразования
Скрытая теплота парообразования выделяется при конденсации пара и численно равна теплоте его парообразования, но имеет противоположный знак:
r = -qпар
Благодаря скрытой теплоте обеспечивается эффективность теплообменных аппаратов, работающих по принципу конденсации пара.
Пути оптимизации циклов тепловых машин
Для повышения КПД паротурбинных установок можно использовать следующие методы:
- Подогрев питательной воды отработавшим паром
- Промежуточный перегрев пара
- Регенерация теплоты конденсата
Их применение, основанное на знаниях свойств водяного пара, позволяет экономить топливо в энергетике.
