6.3. Понятия, связанные с водяным паром

Водяной пар - рабочее тело в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоноситель в различных теплообменниках.

Пар - газообразное тело в состоянии, близком к кипящей жидкости.

Парообразование - процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное.

Испарение - парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости.

При определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, происходит парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением.

Процесс, обратный парообразованию, называется конденсацией. Конденсация, как и парообразование, протекает при постоянной температуре.

Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называется сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называется десублимацией.

При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление - конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называется насыщенным паром.

Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым.

Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева.

Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным.

В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления(то есть когда жидкость перестаёт испаряться) образуется сухой насыщенный пар. Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением.

Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называется влажным паром.

Массовая доля сухого пара во влажном паре - степень сухости х:

х=m_сп /m_вп , (6.7)

где m_сп - масса сухого пара во влажном; m_вп - масса влажного пара.

Массовая доля ужидкости во влажном паре - степень влажности:

у = 1–x = 1– m_сп /m_вп = ( m_вп – m_сп)/m_вп. (6.8)

6.4. Характеристики влажного воздуха

Атмосферный воздух, в основном состоящий из кислорода, азота, углекислого газа, всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Смесь сухого воздуха и водяного пара называется влажным воздухом. Влажный воздух при данном давлении и температуре может содержать разное количество водяного пара.

Смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного водяного пара,называют насыщенным влажным воздухом. В этом случае во влажном воздухе находится максимально возможное для данной температурыколичество водяного пара. При охлаждении этого воздуха будет происходить конденсация водяного пара. Парциальное давление водяного пара в этой смеси равно давлению насыщения при данной температуре.

Если влажный воздух содержит при данной температуре водяной пар в перегретом состоянии, то он называется ненасыщенным. Так как в нем находится не максимально возможное для данной температуры количество водяного пара, то он способен к дальнейшему увлажнению. Такой воздух используют в качестве сушильного агента в различных сушильных установках.

По закону Дальтона давление р влажного воздуха есть сумма парциальных давлений сухого воздуха р_в и водяного парар_п:

р = р_в + р_п. (6.9)

Максимальное значение p_п при данной температуре влажного воздуха представляет собой давление насыщенного водяного пара p_н.

Для нахождения парциального давления пара пользуются специальным прибором - гигрометром. С помощью этого прибора определяют точку росы, то есть температуру t_p, до которой нужно охладить при постоянном давлении воздух, чтобы он стал насыщенным.

Зная точку росы, можно по таблицам определить парциальное давление пара в воздухе как давление насыщения p_н, соответствующее точке росы t_p.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяных паров, находящихся в 1 м³ влажного воздуха. Абсолютная влажность равна плотности пара при его парциальном давлении и температуре воздуха t_н.

Отношение абсолютной влажности ненасыщенного воздуха при данной температуре к абсолютной влажности насыщенного воздуха при той же температуре называется относительной влажностью воздуха

φ=с_п/с_н или φ=(с_п/с_н)·100%, (6.10)

Для сухого воздуха φ=0, для ненасыщенного φ<1, для насыщенного φ=1 (100%).

Рассматривая водяной пар как идеальный газ,можно, по закону Бойля-Мариотта, отношение плотностей заменить отношением давлений. Тогда:

φ=ρ_п/ρ_н или φ=p_п/p_н·100%. (6.11)

Плотность влажного воздуха слагается из масс сухого воздуха и водяных паров, содержащихся в 1 м³ объёма:

ρ=ρ_в+ρ_п=p_в/(R_вT)+φ/v′′. (6.12)

Молекулярную массу влажного воздуха определяют по формуле:

μ=28,95–10,934φ∙p_н/p . (6.13)

Значения p_н и v′′ при температуре воздуха t берут из таблицы водяного пара, φ - по данным психрометра, p - по барометру.

Влагосодержание представляет собой отношение массы пара к массе сухого воздуха:

d=М_п /М_в , (6.14)

где М_п, М_в - массы пара и сухого воздуха во влажном воздухе.

Связь между влагосодержанием и относительной влажностью:

d=0,622φ·p_н·/(p - φ·p_н). (6.15)

Газовая постояннаявоздуха:

R=8314/μ =8314/(28,95–10,934·μ·p_н/p). (6.16)

Справедлива также формула:

R = (287+462d)/(1+d).

Объем влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:

V_вл.в = R·T/p. (6.17)

Удельный обьем влажного воздуха:

v=V_вл.в/(1+d). (6.17a)

Удельная массовая теплоемкость паровоздушной смеси:

с_см= с_в+d·с_п . (6.18)