Параметры пара

Уменьшение паросодержания в процессе транспортировки

В процессе транспортировки потери лучистого нагрева из трубопровода заставляют пар расстаться с частью его латентного тепла и обратно превращают его в воду, тем самым уменьшая коэффициент содержания пара.

Капли воды, содержащиеся в паре

Следует принять соответствующие меры для сброса всего конденсата в трубопроводе, в т.ч. и капелек воды, попавших с потоком пара.

Поскольку влажный пар влияет не только на эффективность теплопередачи, но также может вызвать эрозию трубопровода и критического оборудования, такого как лопасти турбины, настоятельно рекомендуется принять соответствующие профилактические меры и использовать пароотделитель для удаления унесенного потоком конденсата, а также следовать советам следующих статей:

Рекомендации по удалению конденсата из паропроводовПолезно знать

Области применения различных видов конденсатоотводчиков

Рекомендации по удалению конденсата из паропроводов

Что такое ненасыщенный пар

Если число частиц, покидающих вещество за единицу времени больше числа частиц возвращающихся обратно за то же время, то пар называется ненасыщенным. Значит, когда пар ненасыщен, процесс испарения идет не останавливаясь, и масса вещества в жидкой (или твердой) фазе уменьшается, а количество ненасыщенного пара увеличивается. Ситуация становится неравновесной: динамическое равновесие отсутствует.

Не следует путать водяной пар и туман, хотя и тот, и другой состоят из молекул воды. Туман образуется в атмосфере в результате конденсации водяных паров, которые собираются в мелкие водяные капли. При этом воздух утрачивает свою оптическую прозрачность. Водяной пар образовывается над поверхностями водоемов, оставаясь абсолютно прозрачным.

Рис. 3. Пар, облака и туман.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного. Если число частиц, покидающих вещество за единицу времени больше числа частиц возвращающихся обратно за то же время, то пар называется ненасыщенным. Когда число молекул, покидающих вещество за единицу времени равно числу молекул возвращающихся обратно за то же время, то этом случае пар называется насыщенным.

Тест по теме

Вопрос 1 из 5

Начать тест(новая вкладка)

Чем отличается пар от газа?

Агрегатное состояние вещества задается температурой, точнее соотношением между энергией, с которой взаимодействуют его молекулы и энергией их теплового хаотического движения. Приближенно, можно считать, что если энергия взаимодействия значительно больше – твердое состояние, если значительно больше энергия теплового движения — газообразное, если энергии сравнимы – жидкое.

Молекула газа

Получается, чтобы молекула могла оторваться от жидкости и участвовать в образовании пара, величина тепловой энергии должна быть больше энергии взаимодействия. Как это может произойти? Средняя скорость теплового движения молекул равна определенному значению, зависящему от температуры. Однако индивидуальные скорости молекул различны: большая их часть обладает скоростями близкими к среднему значению, но некоторая часть имеет скорости больше средней, некоторая — меньше.

Более быстрые молекулы могут иметь тепловую энергию большую, чем энергия взаимодействия, а значит, попав на поверхность жидкости, способны оторваться от нее, образуя пар. Такой способ парообразования называется испарением. Из-за того же распределения скоростей существует и противоположный процесс — конденсация: молекулы из пара переходят в жидкость. Кстати образы, которые обычно возникают при слове пар, это не пар, а результат противоположного процесса — конденсации. Пар увидеть нельзя.

Испарение

Пар при определенных условиях может стать жидкостью, но для этого его температура не должна превышать определенного значения. Это значение называется критической температурой. Пар и газ — газообразные состояния, отличающиеся температурой, при которой они существуют. Если температура не превышает критической — пар, если превышает – газ. Если поддерживать температуру постоянной и уменьшать объем, пар — сжижается, газ – не сжижается.

Что такое насыщенный пар

Водяной пар, пребывающий в термодинамическом равновесии с котловой водой, является насыщенным. Это формулировка дает понимание того, что давление насыщенного пара при температуре может иметь только одно значение

В котлоагрегатах парообразование протекает при постоянном давлении и подводе тепла к котловой воде от уходящих газов. Этот процесс базируется на следующих последовательных стадиях: подпитка котла водой, подогрев ее до температуры точки насыщения, и образование сухого насыщенного пара, когда вся жидкость испаряется из него.

В паровых котлах питательная вода, пройдя через экономайзер, попадает в барабан. Из него более холодные потоки под воздействием силы тяжести опускаются по необогреваемым трубам, а поднимаются по подъёмным топочным экранам обогреваемые более горячими дымовыми газами.

Плотность пароводяной смеси в экранных пакетах уменьшается и становится ниже плотности воды в опускных трубах, что создает напор для движения пароводяной смеси по экранам в барабан, где смесь сепарируется на воду и пар.

В закрытой поверхности нагрева при не меняющейся температуре в точке насыщения устанавливается термодинамическое равновесие между котловой водой и водяным паром. Число молекул пара, выделяющихся из поверхности воды за определенное время, будет равняться числу молекул сконденсированного пара, которые перейдут обратно в воду в барабане котла.

Давление насыщенного пара

Давление насыщения в котле зависит от температуры котловой воды в равновесном термодинамическом состоянии. При росте давления, пар сжимается и баланс нарушается. Плотность пара первоначально несколько возрастает, и из паровой среды в котловую воду будет переходить больше молекул конденсата, чем наоборот.

Поскольку количество молекул, переходящих из воды в единицу времени связано исключительно с температурой, то сжатие паровой среды не будет влиять на изменение этого числа.

Процесс будет протекать пока не возникнет термодинамическое равновесие, а следовательно, и концентрация возвращающихся молекул не достигнет первоначального уровня. Таким образом, Тнп напрямую зависит от давления насыщения в котле.

Таблица насыщенного пара

Характеристики сухого НП, приводятся в Таблице водяного пара. В ней указывают Т (С), при точке кипения котловой воды и давление (кПа и мм. рт.ст.) при которой этот процесс протекает.

Дополнительно в таблице могут указываться и другие параметры пара:

eдельный объем, м3/кг;
плотность, кг/м3;
удельная энтальпия, кДж/кг
удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Плотность насыщенного пара

Плотность НП определяют по формуле.

D st = 216,49 * P / (Z st * (t + 273))

Где:

D st — плотность насыщенного пара в кг / м3;
P- абсолютное давление пара в барах;
t — температура в градусах Цельсия;
Z st — коэффициент сжимаемости насыщенного пара при Р и t.

В этом уравнении символ «Z st» обозначает коэффициент сжимаемости насыщенного пара при абсолютной величине давления насыщенного водяного пара P, бар. Это удобное уравнение действительно для диапазона давления пара от 0,012 до 165 бар, с соответствующим диапазоном температур насыщения от 10 до 360 С.

Влажность насыщенного пара

Когда котлоагрегат нагревает воду, пузырьки, прорывающиеся через слой воды, захватываются паром. Влажный пар определяется как пар, в котором вода присутствует в виде микрокапель паров воды. В этом случае соотношение может составлять от 0 до 1. Если пар имеет 20 % воды по объему — он считается сухим на 80% или имеет долю сухости 0,8.

Таблицы НП содержит значения, такие как температура, энтальпия и удельный объем для сухого НП, но не для влажного. Для того чтобы их определить потребуется воспользоваться формулами, учитывая соотношение двух сред:

Удельный объем (v) мокрого пара

v = X * v g + (1 — X) * v f

Где:

X = сухость (% / 100);
v f = удельный объем жидкости;
v g = удельный объем НП.

Удельная энтальпия пара сухостью Х:

h = h f + X * h fg

Где:

X = сухость (%);
h f = удельная энтальпия жидкости;
h fg = удельная энтальпия НП.

Чем влажнее пар, тем ниже значения удельного объема, теплосодержание, энтальпия и энтропия. Таким образом сухость пара оказывает существенное влияние на все эти значения.

Задачей теплоэнергетиков является организация процессов парообразования в котле с сухостью 100%. Для этого в барабанах котлов устанавливают специальные сепарационные устройства, отделяющие пар от воды.

Что такое пар насыщенный и ненасыщенный

Само слово «насыщенный» несет определенную информацию, трудно насытить большую область пространства. Значит, чтобы получить насыщенный пар, надо ограничить пространство, в котором находится жидкость. Температура при этом должна быть меньше критической для данного вещества. Теперь испарившиеся молекулы остаются в пространстве, где находится жидкость. Сначала большинство переходов молекул будет происходить из жидкости, при этом плотность пара будет повышаться. Это в свою очередь вызовет большее число обратных переходов молекул в жидкость, что увеличит скорость процесса конденсации.

Наконец, устанавливается состояние, для которого среднее число молекул, переходящих из одной фазы в другую будет равным. Такое состояние называется динамическое равновесие. Для этого состояния характерно одинаковое изменение величины и направления скоростей испарения и конденсации. Это состояние соответствует насыщенному пару. Если состояние динамического равновесия не достигнуто, это соответствует ненасыщенному пару.

Начинают изучение какого-то объекта, всегда с самой простой его модели. В молекулярно-кинетической теории это — идеальный газ. Основные упрощения здесь — пренебрежение собственным объемом молекул и энергией их взаимодействия. Оказывается, подобная модель вполне удовлетворительно описывает ненасыщенный пар. Причем чем менее он насыщен, тем правомернее ее применение. Идеальный газ — это газ, он не может стать ни паром, ни жидкостью. Следовательно, для насыщенного пара подобная модель не является адекватной.

Ненасыщенный (влажный) пар

Это наиболее распространенная форма пара, которая используется на большинстве заводов. Когда при работе котла образуется пар, он, как правило, влажный из-за неиспарившихся молекул воды, которые в нем присутствуют. Даже лучшие котлы могут выпускать пар, чья влажность будет составлять от 3% до 5%. Когда вода приближается к состоянию насыщения и начинает испаряться, часть ее, обычно в форме водяной пыли или капелек, попадает в поднимающийся пар и распределяется дальше. Это одна из основных причин, по которой сепарация используется для удаления конденсата из распределенного пара.

Какой пар называется насыщенным

Итак, молекулы все время вылетают из вещества и возвращаются обратно. Если вылетает больше молекул, чем возвращается, жидкость испаряется. Если, наоборот, больше молекул возвращается, чем вылетает, значит происходит конденсация. Если же число вылетающих молекул равно числу возвращающихся, то устанавливается так называемое динамическое (подвижное) равновесие между веществом и паром. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью (веществом), называется насыщенным паром.

Рис. 2. Динамическое равновесие жидкости и пара

Насыщенный пар, содержащий капельки жидкости, называется влажным, а не содержащий — сухим. Состояние сухого пара неустойчиво: при малейшем отводе теплоты он частично конденсируется и становится влажным, а при подводе тепла превращается в перегретый пар.

Состояние динамического равновесия для воды при комнатной температуре достигается, когда за 1 секунду жидкость покидают и возвращаются обратно 1022 молекул с 1 см2 поверхности воды.

Когда скорость испарения превышает скорость конденсации, пар называется ненасыщенным, а динамическое равновесие при этом отсутствует.

Насыщенный (сухой) пар

Черная линия вышеприведенного графика показывает, что насыщенный пар появляется при такой температуре и давлении, при которых пар (газ) и вода (жидкость) могут сосуществовать. Другими словами, он образуется тогда, когда скорость испарения воды равна скорости конденсации.

Преимущества использования насыщенного пара для подогрева

Свойства насыщенного пара делают из него отличный источник тепла особенно при температуре 100 °C и выше. Вот некоторые из этих свойств:

Свойства	Преимущества
Обеспечивает быстрое и равномерное нагревание за счет передачи скрытой теплоты	Улучшает качество продукта и повышает производительность
Давление может контролировать температуру	Температура устанавливается быстро и точно
Гарантирует высокий коэффициент теплопередачи	Требуемая площадь теплообмена меньше, что позволяет снизить первоначальные затраты на оборудование
Образовывается из воды	Безопасный, чистый и недорогой

Полезные советы

С учетом сказанного, при подогреве насыщенным паром необходимо помнить о следующих моментах:

эффективность подогрева может уменьшиться, если в данном процессе используется любой другой пар, кроме сухого. Вопреки общераспространенному мнению, фактически весь пар, производимый в котле — это не сухой насыщенный пар, а влажный, содержащий часть неиспарившихся молекул воды.
Потеря теплового излучения приводит к тому, что часть пара конденсируется. Получившийся влажный пар становится еще более влажным, к тому же образуется конденсат, который надо удалить, установив там, где это необходимо, конденсатоотводчики.
Образованный из пара тяжелый конденсат может быть выведен конденсатоотводчиками в специальные коллекторы. Однако этот влажный пар снизит эффективность нагрева, поэтому его следует удалить через устройства очистки или распределительные сборники.
В паре, в котором снижается давление за счет трения в трубопроводе и т.д., также может понизиться температура.

Чем отличается пар от газа?

Молекула газа

Испарение

Что такое испарение

Чем выше температура вещества, тем больше средняя кинетическая энергия молекул. У отдельных молекул энергия может быть больше средней, и тогда они могут вылетать за пределы своей среды, преодолевая притяжение соседних молекул.

Рис. 1. Распределение молекул по скоростям.

Процесс перехода части молекул из жидкого (или твердого) состояния в пар называется испарением. Пар — это газообразное состояние вещества. Хорошо известный всем водяной пар невидим также, как и воздух. Водяные капли есть не что иное, как результат конденсации. Нефть, ртуть, нафталин, взрывоопасные вещества испаряются так медленно, что без применения специальных приборов их не обнаружить.

Рис. 2. Примеры испарения разных веществ

Сверхкритическая вода

Сверхкритическая вода — это вода в состоянии, превышающем ее критическую точку: 22,1 МПа, 374 °C. В критической точке скрытое тепло пара равняется нулю, а его удельный объем точно такой же, как для жидкого или газообразного состояния. Другими словами, вода с давлением и температурой большими, чем в критической точке, находится в своеобразном состоянии, которое нельзя назвать ни жидким, ни газообразным.

Сверхкритическая вода используется для работы турбин на электростанциях, которые требуют более высокой эффективности. Исследования сверхкритической воды проводятся с упором на ее использование в качестве текущей среды, обладающей свойствами как жидкости, так и газа, а также на ее пригодность в качестве растворителя для химических реакций.

Что такое насыщенный пар

Наблюдения показывают, что при увеличении температуры скорость испарения возрастает. Лужи после дождя исчезают гораздо быстрее, когда есть ветер. Это говорит о том, что скорость испарения увеличивается, если образовавшийся пар удаляется с границы раздела жидкость – пар. Если пар совсем не удалять, например, плотно закупорить сосуд пробкой, то испарение прекратится. То есть установится равновесная ситуация — число частиц, покидающих вещество за единицу времени, будет равно числу частиц возвращающихся обратно за тот же промежуток времени. При этом говорят, что система вещество-пар находится в динамическом равновесии, а пар называется насыщенным. Само название говорит о том, что в данном объеме достигнут предел по количеству пара.

Рис. 2. Динамическое равновесия жидкости и пара.

Еще о температуре и насыщенном паре

Температура пара влияет и на скорость конденсации. Так же, как температура жидкости определяет скорость испарения – число молекул, которые вылетают с поверхности жидкости в единицу времени, другими словами.

У насыщенного пара его температура равна температуре жидкости. Чем выше температура насыщенного пара, тем выше его давление и плотность, ниже плотность жидкости. При достижении критической для вещества температуры плотность жидкости и пара одинаковая. Если температура пара выше критической для вещества температуры, физические различия между жидкостью и насыщенным паром стираются.

Коэффициент сухости пара

Коэффициент сухости пара используется для определения доли воды в паре. Если пар содержит 10% воды, он считается сухим на 90%, т.е. его коэффициент сухости равен 0.9.

Сухость пара важна ещё и потому, что непосредственно влияет на общее количество передаваемой энергии, содержащейся в паре (как правило, скрытой теплоты), которая в свою очередь определяет эффективность и качество подогрева.

Например, насыщенный пар (сухой на 100%) при данном давлении содержит 100% скрытой теплоты. В насыщенной воде с сухостью 0% нет скрытого тепла, а есть только контактное.

Сухость пара = 100% — (по массе)

Различные состояния воды

Ненасыщенная вода

Для просмотра файла необходим Flash Player

Эта вода находится в самом узнаваемом ее состоянии. Приблизительно 70% человеческого веса — это вода. Когда она находится в жидком состоянии, водородные связи держат молекулы ее вместе. В результате ненасыщенная вода имеет относительно компактную, плотную и стабильную структуру.

Насыщенный пар

Для просмотра файла необходим Flash Player

Молекулы насыщенного пара невидимы. Когда насыщенный пар выпускается в атмосферу из трубопровода, часть его конденсируется, передавая свое тепло окружающему воздуху и образовывая облака белого пара (крошечные капли воды). Если в паре есть такие капельки, то он называется влажным.

В паровых системах пар, выходящий из конденсатоотводчиков часто ошибочно принимается за насыщенный (острый) пар, в действительности же это — выпар. Разница между ними состоит в том, что насыщенный пар мнгновенно становится невидимым уже на уровне выпускного отверстия трубы, тогда как выпар содержит мелкие капли воды в момент образования.

Перегретый пар

Для просмотра файла необходим Flash Player

Пока перегретый пар находится в своем перегретом состоянии, он не будет конденсироваться, даже если вступит в контакт с атмосферой, а его температура упадет. В результате, клубы пара образовываться не будут. Перегретый пар содержит больше тепла, чем насыщенный пар при том же давлении, а его молекулы двигаются быстрее, поэтому его плотность ниже (т.е. его удельный объем больше).

Сверхкритическая вода

Для просмотра файла необходим Flash Player

Хотя визуальное наблюдение не представляется возможным, но эта вода находится в состоянии, которое не является ни жидким, ни газообразным. В общих чертах, молекулярное движение ближе к газу, а плотность больше похожа на плотность жидкости.

Основные сферы применения пара

Как читать таблицы водяного пара

Также на TLV.com

Влажный пар или сухой пар: о роли паросодержания
Основные сферы применения пара
Таблица свойств насыщенного пара по давлению

Чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного – Сайт о

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Насыщенный и ненасыщенный пар

Процессы испарения и конденсации идут непрерывно и параллельно друг другу.

В открытом сосуде количество жидкости со временем уменьшается, т.к. испарение преобладает над конденсацией.

Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда испарение преобладает над конденсацией или пар при отсутствии жидкости, называетсяненасыщенным.

В герметически закрытом сосуде уровень жидкости со временем не изменяется, т.к. испарение и конденсация компенсируют друг друга: сколько молекул вылетает из жидкости, столько же их за тоже время возвращается в неё, наступает динамическое (подвижное) равновесие между паром и его жидкостью.

Пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью, называетсянасыщенным.
При данной температуре насыщенный пар какой-либо жидкости имеет наибольшую плотность () и создаёт максимальное давление (), которое может иметь пар этой жидкости при этой температуре.
Давление и плотность насыщенного пара при одной и той же температуре зависит от рода вещества: большее давление создаёт насыщенный пар той жидкости, которая быстрее испаряется. Например, и
Свойства ненасыщенных паров:Ненасыщенные пары подчиняются газовым законам Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, к ним можно применять уравнение состояния идеального газа.

Свойства насыщенных паров:1.

При неизменном объёме с возрастанием температуры давление насыщенного пара увеличивается, но не прямо пропорционально (закон Шарля не выполняется), давление растёт быстрее, чем у идеального газа.

, при возрастании температуры ( ), увеличивается масса пара, а поэтому возрастает концентрация молекул пара ( ) и давление насыщенного пара растает по двум причинам (

3 1– ненасыщенный пар (идеальный газ);
2 2 – насыщенный пар; 3 – ненасыщенный пар,
1 полученный из насыщенного пара в том же

2. Давление насыщенного пара при неизменной температуре не зависит от занимаемого им объёма.

С увеличением объёма масса пара увеличивается, а масса жидкости уменьшается (часть жидкости переходит в пар), при уменьшении объёма пара становится меньше, а жидкости больше (часть пара переходит в жидкость), плотность же и концентрация молекул насыщенного пара остаются постоянными, следовательно, и давление остаётся постоянным ( ).

жидкость
(насыщ. пар + жидкость)
Ненасыщ. пар

Насыщенные пары не подчиняются газовым законам Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, т.к. масса пара в процессах не остаётся постоянной, а все газовые законы получены для неизменной массы. К насыщенному пару можно применять уравнение состояния идеального газа.

Итак, насыщенный пар можно перевести в ненасыщенный пар, либо нагревая его при постоянном объёме, либо увеличивая его объём при постоянной температуре. Ненасыщенный пар можно перевести в насыщенный пар, либо охлаждая его при постоянном объёме, либо сжимая его при постоянной температуре.

Критическое состояние

Наличие свободной поверхности у жидкости даёт возможность указать, где находится жидкая фаза вещества, а где газообразная. Резкое различие между жидкостью и её паром объясняется тем, что плотность жидкости во много раз больше, чем у пара.

Если нагревать жидкость в герметически закрытом сосуде, то вследствие расширения её плотность будет уменьшаться, а плотность пара над ней увеличиваться. Это означает, что различие между жидкостью и её насыщенным паром сглаживается и при достаточно высокой температуре исчезает совсем.

Температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и её насыщенным паром, и их плотности становятся одинаковыми, называется критической температурой.

критическая точка
Для образования жидкости из газа средняя потенциальная энергия притяжения молекул должна превышать их среднюю кинетическую энергию.

Перегретый пар

Перегретый пар получается в результате дополнительного нагревания влажного или насыщенного пара до точки кипения выше, чем для последнего. Так, при идентичном давлении, что и у насыщенного пара, его температура будет выше, а плотность ниже. Перегретый пар в основном используется для сообщения движения, например, в турбинах, но не применяется в процессах теплопередачи.

Преимущества использования перегретого пара в приводных турбинах:

Обеспечивает сухость пара в паровом оборудовании, производительность которого может ухудшиться от присутствия конденсата
Улучшает тепловую эффективность и производительность при переходе от перегретого состоянии к снижению давления и даже вакууму в определенном удельном объеме.

Предпочтительно и подавать, и выпускать пар в перегретом состоянии, т.к. конденсат не будет образовываться во время нормальной работы парового оборудования, что снизит риск повреждений от эрозии или коррозии, вызванной влиянием углекислого газа. Кроме того, теоретический тепловой КПД турбины рассчитывается с учетом показателей энтальпии во впускном и выпускном отверстиях; это увеличивает градус перегрева, давление поднимает энтальпию со стороны входного отверстия турбины, что эффективно улучшает тепловой КПД.

Недостатки использования перегретого пара для подогрева:

Свойства	Недостатки
Низкий коэффициент передачи тепла	Снижается производительность
Требуется большая площадь поверхности теплопередачи
Нестабильная температура пара даже при постоянном давлении	Перегретому пару надо поддерживать высокую скорость, в противном случае температура будет падать по мере потери тепла из оборудования.
Контактное тепло используется для передачи тепловой энергии	Падение температуры может отрицательно сказаться на качестве продукта
Температура может быть необычайно велика	Могут понадобиться более стойкие строительные материалы, требующие более высоких первоначальных затрат на оборудование

По этой и другим причинам, насыщенный пар предпочтительнее перегретого пара, если он выступает в качестве рабочей среды теплообменников или иного оборудования для теплопередачи. С другой стороны, если рассматривать его как источник тепла для прямого нагрева, как высокотемпературный газ, обнаружится преимущество над горячим воздухом, благодаря возможности подогрева даже в условиях отсутствия кислорода. Также проводятся исследования по использованию пара в пищевой промышленности для приготовления еды и для сушки.