7.6. Перегретый пар

Изобарный подвод теплоты к сухому насыщенному пару приводит к повышению его температуры по отношению к температуре насыщения при данном давлении. Параметры состояния перегретого пара обозначаются соответствующими буквами без индексов (t, h, s, u и т.д.).

Получение перегретого пара можно рассмотреть на примере энергетического парогенератора. В парогенераторах для перегрева пара используют пароперегреватели, представляющие собой трубную поверхность теплообмена (рис.7.17).

Внутри труб пароперегревателя проходит пар, поступающий из котла в виде влажного пара. Поверхность труб омывается горячими продуктами сгорания топлива (на ТЭС) или горячей водой или паром большего давления (на АЭС). Не учитывая незначительного падения давления, вызванного гидравлическим сопротивлением в трубах, процесс перегрева пара в пароперегревателе можно считать изобарным.

Рассмотрим методику определения калорических параметров перегретого пара. В соответствии с первым законом термодинамики теплота при перегреве пара затрачивается на изменение его внутренней энергии и на работу изменения объема. При этом теплота, идущая на изменение внутренней энергии пара, расходуется на изменение кинетической энергии молекул, что проявляется в изменении температуры, и на преодоление сил взаимодействия между молекулами - работу дисгрегации (разделения частиц). Работа изменения объема расходуется на преодоление внешнего давления и при изобарном процессе определяется как Р(v - v").

Теплота, необходимая для перевода 1 кг сухого насыщенного пара в перегретый пар с температурой t при изобарном ее нагревании, называется теплотой перегрева q_П (рис. 7.18) и может быть определена как

(7.25)

Изобарная теплоемкость перегретого пара является переменной величиной, зависящей от давления и температуры. Она определяется экспериментально. На рис. 7.19 представлена зависимость изобарной теплоемкости перегретого пара от давления и температуры в области докритических давлений. В системе координат c_Р,t изображены изобары, крайние левые точки которых, соединенные пунктирной кривой, определяют c_Р при температуре насыщения, т.е. это изобарные теплоемкости сухого насыщенного пара на линии х=1.

Анализ представленных на графике опытных данных при Р < Р_КР приводит к выводу:

1) при постоянном давлении с повышением температуры от температуры насыщения изобарная теплоемкость сначала уменьшается, проходит через минимум, а затем медленно возрастает;

2) при одной и той же температуре c_Р тем больше, чем выше давление;

3) с повышением температуры зависимость c_Р от Р уменьшается.

На рис. 7.20 даны экспериментальные кривые зависимости изобарной теплоемкости жидкой воды и пара при давлениях выше критического.

Анализ изменения изобарной теплоемкости воды и пара при Р>Р_КР показывает:

1) при критическом давлении с повышением температуры жидкости ее изобарная теплоемкость растет и при критической температуре переходит в бесконечность, далее вблизи критической точки при t>t_КР c_Р пара резко понижается;

2) при сверхкритических давлениях повышение температуры воды сопровождается повышением c_p воды до максимума, а затем понижением теплоемкости пара;

3) с повышением давления уменьшается степень изменения c_Р от температуры, значение максимума снижается, а максимум теплоемкости смещается в область более высоких температур.

Поскольку изобарная теплоемкость перегретого пара является величиной переменной, определение энтальпии перегретого пара ведется через теплоту перегрева

(7.26)

а энтропию перегретого пара рассчитывают, используя экспериментальные данные по зависимости теплоемкости от температуры и давления, по формуле

(7.27)

Проведенный анализ определения термодинамических свойств воды и водяного пара приводит к выводу, что нахождение параметров воды и пара связано с трудоемкими экспериментальными исследованиями и сложными математическими вычислениями. Поэтому экспериментальные данные и расчеты, выполненные на их основе, по определению калорических параметров и других характеристик воды и водяного пара используются для составления таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара и для построения диаграмм. C применением данных этих таблиц выполняются все расчеты, где необходимы параметры и характеристики воды и водяного пара.