Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара

Количественные соотношения между различными параметрами и функциями состояния воды, сухого насыщенного и перегретого пара устанавливаются по формулам или по специальным таблицам, составленным на основании теоретических и экспериментальных исследований.

Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара содержат три таблицы [6]: термодинамические свойства воды и водяного пара (ТСВВП) в состоянии насыщения по температурам и по давлениям и термодинамические свойства воды и перегретого пара.

В приложении приведены таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

В табл. П.1 и П.2 приводятся значения удельного объема, энтальпии и энтропии воды, нагретой до состояния кипения, и сухого насыщенного пара, температуры кипения, давления, при котором происходит парообразование, теплоты парообразования, параметры критического состояния.

В табл. П.3 приведены удельный объем, энтальпия и энтропия воды и перегретого пара при различных давлениях и температурах.

Таблицы дают лишь дискретные значения искомых величин. Для изображения непрерывных изменений параметров (процессов) на практике часто используется плоская система координат (диаграмма водяного пара).

Диаграмма р, u водяного пара приведена на рис. 1.5. На диаграмме нанесены три линии:

АОА' – линия холодной воды. На диаграмме она изображается в виде прямой линии, параллельной оси ординат, так как вода практически несжимаема. Эта линия будет и изотермой 0 ОС;

А'К – линия кипящей воды (левая пограничная кривая);

КА" – линия сухого насыщенного пара (правая пограничная кривая).

Графическим изображением процесса нагрева воды, парообразования и перегрева пара при постоянном давлении будет линия аОа'а"а (рис. 1.5) с четырьмя точками: аО – холодная вода при 0 ОС; точка а' – кипящая вода (начало процесса парообразования); точка а" – сухой насыщенный пар (окончание процесса парообразования); точка а – перегретый пар.

Отрезок аОа' на прямой аОа'а"а изображает в р-u-диаграмме процесс нагрева воды до кипения, отрезок а'а" – парообразование; отрезок а"а – перегрев пара.

  Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №1 - открытая онлайн библиотека  
Рис. 1.5. Диаграмма р, u водяного пара

По мере увеличения давления расстояние между пограничными кривыми уменьшается и, наконец, кривые сходятся в критической точке К. В этом состоянии исчезает различие в свойствах пара и воды. Для воды параметры критического состояния: рКР = 22,115 МПа; tКР = 374,12 ОС; uКР = 0,003147 м3/кг; удельная энтальпия hКР = 2095,2 кДж/кг; удельная энтропия sКР = = 4,4237 кДж/(кг×К). При температурах выше критической tКР возможно сосуществование только перегретого пара.

Точка А' пересечения линии кипящей жидкости и линии холодной воды соответствует состоянию кипящей жидкости в тройной точке. В этой точке могут находиться в равновесии все три фазы воды: лед, вода и пар. Параметры тройной точки для воды: рО = 0,61 кПа; tО = 0,01 ОС; uО = 0,001 м3/кг.

Линии холодной и кипящей воды и сухого насыщенного пара разбивают поле диаграммы на три области:

- область I, расположенная между линиями АОА' и А'К, характеризует состояние подогретой воды;

- область II, ограниченная линиями А'К и КА", - равновесное состояние воды и влажного насыщенного пара с различными степенями сухости (двухфазное состояние);

- область III, находится правее кривой КА", - перегретый пар.

Количество теплоты, которое нужно сообщить воде, чтобы нагреть ее от t0 = 0 ОС до температуры кипения в процессе р = const, называется теплотой жидкости, и определяется по формуле

Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №2 - открытая онлайн библиотека

где Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №3 - открытая онлайн библиотека - средняя теплоемкость воды в интервале температур от 0 ОС до tН ОС.

При низких по сравнению с ТКР температурах можно считать Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №3 - открытая онлайн библиотека = = 4,1865 кДж/(кг·К).

Параметры влажного насыщенного пара при заданной величине сухости могут быть определены из следующих соотношений.

Удельный объем влажного насыщенного пара

Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №5 - открытая онлайн библиотека

Так как объем воды (1 - х)u' мал по сравнению с объемом пара, то при невысоких давлениях

Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №6 - открытая онлайн библиотека

Энтальпию влажного насыщенного пара с учетом того, что на превращение в пар х кг жидкости необходимо затратить xr кДж/кг теплоты, можно определить по формулам:

Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №7 - открытая онлайн библиотека Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №8 - открытая онлайн библиотека

Скрытая теплота парообразования, кДж/кг,

r = h" – h'.

Удельная энтропия влажного насыщенного пара, кДж/(кг×К),

s = s" x + s' (1 – x).

Перегретый пар характеризуется тем, что его температура выше температуры парообразования ТН при том же давлении и удельный объем его больше, чем сухого насыщенного пара при том же давлении.

Количество теплоты, необходимое для перевода 1 кг сухого насыщенного пара при р = const в перегретый с температурой t, называют теплотой перегрева qП и определяют по формуле

Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №9 - открытая онлайн библиотека

Если сРm – средняя массовая теплоемкость перегретого пара при постоянном давлении, то

Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №10 - открытая онлайн библиотека

Энтальпия перегретого пара

Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №11 - открытая онлайн библиотека

называется полной теплотой перегретого пара.

Диаграмма Т, s водяного пара. Для графического изображения процессов, происходящих в паре, удобно пользоваться Т-s-диаграммой (рис. 1.6). Площадь под кривой обратимого процесса определяет количество теплоты, сообщаемое рабочему веществу или отнимаемое от него.

  Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №12 - открытая онлайн библиотека  
Рис. 1.6. Т-s-диаграмма водяного пара

Область, лежащая между линией кипящей жидкости (аК) и линией сухого насыщенного пара (сК), это область влажного насыщенного пара. Область, лежащая правее линии сК, - область перегретого пара.

Так как процесс парообразования идет при ТН = const и р = const, изотерма b-c является одновременно и изобарой. Дальнейший подвод теплоты снова сопровождается увеличением температуры и энтропии - процесс перегрева пара (кривая сe).

Теплота, подведенная к жидкости в процессе нагрева до состояния кипения, пропорциональна площади abАО. Площадь bcВА пропорциональна теплоте, подводимой к воде в процессе парообразования; площадь сеСВ – теплоте, затраченной на перегрев пара.

Диаграмма h, s водяного пара. Для изучения и расчетов различных термодинамических процессов, в котором рабочим веществом является насыщенный и перегретый пар, удобно пользоваться h-s-диаграммой (рис. 1.7). На диаграмме линии кипящей жидкости и сухого насыщенного пара сливаются в критической точке К. В этой диаграмме теплота жидкостей, парообразования и перегрева изображается линейными отрезками, а не площадями. Теплота парообразования по данной изобаре

r = h" – h'

равна разности ординат точек пересечения изобары с пограничными кривыми.

    Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара - №13 - открытая онлайн библиотека  
Рис. 1.7. h-s-диаграмма водяного пара

В области влажного пара изобары, являясь одновременно и изотермами, представляют собой прямые линии. Изобары пересекают пограничные кривые без излома.

Изобары в области перегретого пара слабо вогнутые логарифмические кривые, изотермы – выпуклые кривые, поднимающиеся слева вверх направо. Чем больше температура, тем выше располагается изотерма. Чем дальше от пограничной кривой (х = 1) проходит изотерма, тем больше она приближается к горизонтали h = const, так как в области идеального газа энтальпия однозначно определяется температурой.

На рис. 1.7 точки А, В, С изображают соответственно состояние влажного, сухого и перегретого пара.