Реальные газы. Фазовые диаграммы. Уравнение Ван-дер-Валльса.

В технике используют рабочие тела с высокой плотностью и неоднородной структурой, для них нельзя пренебречь размерами молекул и силами взаимодействия между ними.

Влажный пар – реальный газ. В объеме мелкого сухого пара есть более крупные капли, которые могут на большой скорости выбивать молекулы металла.

Тройная точка для воды:

Р=661 Па

t= 0,01^o C

υ = 0,003

Как видно из параметров тройной точки воды, при нормальных условиях равновесное сосуществование льда, водяного пара и жидкой воды невозможно. Это обстоятельство вроде бы противоречит обыденным наблюдениям — лёд, вода и пар часто наблюдаются одновременно. Но противоречия нет — наблюдаемые состояния далеки от термодинамически равновесных и реализуются на практике только из-за кинетических ограничений фазовых переходов. Тройная точка воды характеризуется определенным набором параметров давления и температуры, поэтому может иногда использоваться как «реперная» — то есть опорная, например, для калибровки приборов.

В паровом котле вода имеет определенное давление, если начало 0^оС, то при подводе тепла удельный объем сначала уменьшится (υ_min=0,001 при t= 4^o C), а затем повысится. При дальнейшем подводе тепла начинается кипение с сильным повышением удельного объема. В цилиндре или в трубе находится двухфазная среда – смесь воды и пара, это и есть – влажный пар. Температура смеси при кипении неизменна и равна температуре насыщения. Когда последняя воды превратились в пар, осталась одна фаза – сухой насыщенный пар. Если дальше подводить тепло – пар перегревается , повышаются температура и удельный объем. А раз удельный объем стал больше, следовательно, в одном и том же количестве пара оказалось меньше молекул при одном и том же давлении.

Есть критическая точка при которой давление равно 220,6 бар, температура = 374^оС и нет разницы между водой паром. При температуре 374^оС две фазы- жидкость и пар, а при температуре большей 374^оС существует одна фаза – пар. И чем выше температура перегрева тем ближе по свойствам этот пар к идеальному газу.

Если воздух нагревается от 0 до 1000^оС он будет в однофазном состоянии, тоже самое будет с парообразованием из воды при давлении равном 30 МПа.

Для идеального газа: PV=RT

Для реального газа: (P+a)*(V-b)=RT, где

1. Внутреннее давление, силы сцепления между молекулами

2. Объем самих молекул т.е. реально объем в котором двигаются молекулы

Реальную силу давления, кроме собственного давления среды, дополнительно имеют силы взаимодействия молекул.

Определение a и b для конкретных условий связано со сложными математическими расчетами. Эти расчеты были выполнены, определены параметры и по ним были созданы таблицы для воды и водного пара( по t_нас, по Р_нас)

Циклы паротурбинных установок (пту).

Циклы ПТУ – совмещенные процессы получения и преобразования энергии в оборудовании ТЭС.

Рабочее тело – вода, питательным насосом (5) подается в паровой котел (1), полученный пар с давлением р1, температурой t1, энтальпией h1 направляется в турбину (2) и вращает ротор и получается механическая работа вращения ротора, которая в электрогенераторе превратиться в электричество, а у пара параметры уменьшаются до р3, t3, h3. С низкими параметрами пар сбрасывается в конденсатор (3) – получается конденсат пара, а он конденсатным насосом (4) отводится из конденсатора, а затем в питательном насосе (5) у воды поднимается давление. Вода вернулась в котел. КПД этого цикла равняется 30%. Для повышения экономичности внедряют дополнительно : вторичный перегрев пара; регенеративный подогрев питательной воды; теплофикацию.

1. В

   Р₁

   торичный перегрев

4

3

4

5

6

1

2

Р₂

2

2^э

р₃

Р₂

Для повышения КПД используют сухой перегретый пар, т.к. влажный пар, который содержит капли воды вызывает эрозию металла в элементах.

Для повышения КПД в цикле с промежуточным перегретым паром используют 2-х цилиндровые турбины.

КПД _цикла=

2. Р

   Р1

   егенерация:

2

1

7

3

4

Р_отбора

охлажд. вода

Р2

Регенеративные циклы – это циклы в которых питательная вода до ее поступлении в котельный агрегат, подвергается предварительному нагреву пара отбираемой из промежуточной ступни паровой турбины

Увеличение КПД при применении регенерации составляет 10-15 %. При этом экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления p₁ пара. Это связано с тем что с повышением p₁ увеличивается температура кипения воды, а следовательно повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве её отработанным паром. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.