§ 11. Свойства водяного пара

Водяной пар широко используют в качестве рабочего тела в поршневых паровых машинах и паровых турбинах, а также как теп­лоноситель в теплообменных аппаратах. Поэтому изучение свойств водяного пара занимает в термодинамике важное место.

Пар получают двумя способами: испарением и кипением.

Испарением называется процесс парообразования, происходя­щий только с поверхности жидкости. Испарение идет при любой температуре, причем интенсивность его увеличивается с повышени­ем температуры.

Кипение — интенсивный переход жидкости в пар, протекающий во всем объеме. Кипение происходит при строго определенной для каждой жидкости температуре, которая зависит от давления Чем выше давление, тем соответственно выше температура, при которой кипит жидкость. Температура кипения остается постоянной, пока вся жидкость не превратится в пар.

Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называет­ся насыщенным. При равновесии устанавливается постоянная плот­ность пара, которая отвечает определенному давлению. Это давле­ние называют упругостью насыщенного пара. Упругость насыщенно­го пара возрастает с повышением температуры. Состояние насыщенного пара очень неустойчиво. Малейшее изменение усло­вий, в которых он находится, приводит либо к конденсации пара, либо к дополнительному парообразованию.

Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Пар, не содер­жащий в своем составе частиц жидкости, называют сухим насыщен­ным паром.

Влажный насыщенный пар представляет собой механическую смесь сухого пара и мельчайших частиц жидкости.

Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называют теплотой парообразова­ния. С увеличением давления теплота парообразования уменьша­ется.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту при посто­янном давлении, то температура его будет повышаться, объем уве­личится и сухой насыщенный пар перейдет в состояние перегретого.

Степень перегрева пара ∆t определяют разностью температур перегретого t_П и насыщенного t_H паров:

∆t = t_П-t_H

Чем выше температура перегрева пара, тем ближе он по своим свойствам к идеальному газу.

Водяной пар получают в паровых котлах различных размеров и типов. Так как экономичность тепловых двигателей повышается с увеличением температуры горячего источника, в паросиловых установках всегда используют перегретый пар. В настоящее время в нашей стране освоено изготовление паровых котлов большой производительности с температурой перегретого пара до 585°С. Пе­регрев пара осуществляется в пароперегревателях, в которые пар поступает из котла во влажном насыщенном состоянии. В паропе­регревателях пар сначала подсушивается, т. е. из него полностью удаляется влага, а затем перегревается до заданной температуры. Промышленный технологический пар следует рассматривать как реальный газ, который подчиняется уравнению Ван-дер-Ваальса.

Для каждого вещества существует так называемое критическое состояние, которое характеризуется критическим давлением р_к и критической температурой t_K. В этом состоянии плотность жидкости и ее насыщенного пара становятся одинаковыми; исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром. Вещество, находящееся в критическом состоянии, является однофазным. Оно обладает свой­ствами газообразных и жидких тел одновременно. При температуре выше критической никаким повышением давления перегретый пар не может быть обращен в жидкость.