Удельный объем сухого насыщенного пара зависит от давления. При давлениях меньше критического удельный объем v сухого пара больше объема жидкости и, из которой он получен. При повышении давления объем пара уменьшается, а жидкости - - увеличивается, так как температура ее возрастает. Поэтому разность и - v с повышением давления уменьшается и, наконец, становится равной нул.
Значения удельного объема сухого насыщенного пара приведены в четвертых вертикальных столбцах таблиц. В пятых столбцах приведены значения плотности этого пара.
Плотность или удельный объем сухого насыщенного пара рассчитывают из уравнения состояния так, как показано р пп.
Данные по удельным объемам сухого насыщенного пара ряда агентов даны в приложениях.
В таком случае удельный объем сухого насыщенного пара, обозначаемый v, также является функцией давления v F (p) или соответственно некоторой функцией температуры.
Для всех жидкостей удельный объем сухого насыщенного пара v больше удельного объема жидкости v и уменьшается с повышением давления, тогда как v растет; в результате разность (v - vr), которой на рис. 11 - 1 соответствует отрезок горизонтали Ьс, будучи значительна при низких давлениях, с повышением давления уменьшается.
Относительная влажность изменяется прямо пропорционально удельному объему сухого насыщенного пара при температуре смеси.
Давлению 0 6 МПа соответствует удельный объем сухого насыщенного пара v - 0 3156 м3 / кг.
Используя это уравнение, следует рассчитать значение удельного объема сухого насыщенного пара v для давления, измеренного в опыте.
Соотношение количества воды и пара в области насыщения. Таким образом, удельный объем влажного насыщенного пара приблизительно равен удельному объему сухого насыщенного пара того же давления, умноженному на степень сухости.
В процессе парообразования удельный объем рабочего тела резко возрастает, поскольку удельный объем сухого насыщенного пара несравненно больше объема кипящей воды. Следовательно, перегретым паром называют пар, температура которого больше температуры насыщения Гн при данном давлении р ркр.
К выводу уравнения.
Используя уравнение (8.21), можно, в частности, определить расчетным путем удельный объем сухого насыщенного пара v: прямое измерение этой величины затруднительно.
Определение температуры влажного пара в ts - диаграмме.| Адиабатный процесс в is - диаграмме. В этой формуле и - искомый удельный объем влажного пара; и - удельный объем сухого насыщенного пара того же давления, что и искомый, а х-заданная степень сухости пара.
Перегретым паром называется такой пар, который имеет температуру и удельный объем выше температуры и удельного объема сухого насыщенного пара при том же давлении.
Перегретый пар является не насыщенным, так как при данном давлении удельный объем перегретого пара больше удельного объема сухого насыщенного пара, а плотность меньше. Он по своим физическим свойствам приближается к газу и тем ближе, чем выше степень перегрева.
Из соотношений (150) и (151) следует, что удельный объем влажного пара меньше удельного объема сухого насыщенного пара, а следовательно, удельный вес влажного пара больше удельного веса сухого насыщенного пара.
Известно, что при изучении термодинамических свойств веществ экспериментальные данные по теплоте тшрообразования часто используются для определения удельного объема сухого насыщенного пара v, так как для низких давлений величина и очень значительна и непосредственное экспериментальное определение ее крайне затруднено.
Известно, что при изучении термодинамических свойств веществ экспериментальные данные по теплоте парообразования часто используются для определения удельного объема сухого насыщенного пара v, так как для низких давлений величина v очень значительна и непосредственное экспериментальное определение ее крайне затруднено.
С увеличением давления возрастает удельный объем воды, соответствующий началу ее кипения, и, наоборот, уменьшаются соответствующие удельные объемы сухого насыщенного пара.
Изменение удельного объема сухого насыщенного водяного пара v в зависимости от давления насыщения показано на рис. 11.5. В области малых давлений удельный объем сухого насыщенного пара во много раз больше удельного объема жидкости, из которого он получен.
Зависимость теплоты парообразования от температуры для воды. Наиболее простое выражение для кривой насыщения получится, если предположить что в (1 - 9) теплота парообразования г не зависит от температуры, удельный объем сухого насыщенного пара v можно выразить по уравнению идеального таза (1 - 2), а удельный объем жидкой фазы v значительно меньше удельного объема паровой фазы и им можно пренебречь.
Зависимость теплоты парообразования от температуры для воды. Наиболее простое выражение для кривой насыщения получится, если предположить, что в уравнении (1 - 9) теплота парообразования т не зависит от температуры, удельный объем сухого насыщенного пара v можно выразить по уравнению идеального газа (1 - 2), а объем жидкой фазы v значительно меньше объема паровой фазы и им можно пренебречь.
Так, например, в пароэжекторной холодильной машине, работающей на водяном паре, без особых затруднений удается достигнуть температуры 0, при которой давление р составляет всего 0 0062 ата, а удельный объем сухого насыщенного пара - 206 3 М3 ] кг. При таких давлениях ни турбокомпрессор, ни тем более поршневой компрессор использовать невозможно.

Если теперь соединить одноименные точки плавными кривыми, то получим нулевую изотерму /, каждая точка которой соответствует состоянию 1 кг воды при 0 С и давлении р, нижнюю пограничную кривую / /, представляющую зависимость от давления удельного объема жидкости при температуре кипения, и верхнюю пограничную кривую III, дающую зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления.
Если теперь соединить одноименные точки плавными кривыми, то получим нулевую изотерму /, каждая точка которой соответствует состоянию 1 кг воды при О С и давлении р, нижнюю пограничную кривую / /, представляющую зависимость от давления удельного объема жидкости при температуре кипения, и верхнюю пограничную кривую / / /, дающую зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления.
Зависимости Pnf (t) и НФ (Р) приведены в табличной форме в приложениях I и II. Значения удельного объема сухого насыщенного пара приведены в вертикальных графах 4 обеих таблиц. В графах 5 приведены значения удельных весов этого пара.
В обратном направлении происходит изменение удельного объема сухого насыщенного пара v: чем больше давление, тем меньше объем.
Удельный объем смеси изменяется пропорционально удельному объему сухого насыщенного пара при температуре смеси. Таким образом, с помощью удельного объема сухого насыщенного пара устанавливается зависимость между температурой и удельным объемом смеси.
Относительная влажность изменяется прямо пропорционально удельному объему сухого насыщенного пара при температуре смеси. Изменение относительной влажности зависит только от температуры: с уменьшением последней удельный объем сухого насыщенного пара увеличивается, и относительная влажность возрастает.
Ниже рассматривается методика расчета адиабатических скачков первого типа, характеризующихся фазовым равновесием. Расчет основывается на следующих допущениях: к паровой фазе применимо уравнение Клайперона рVКТ, скорость движения капель вторичной влаги (за конденсационным скачком) равна скорости движения пара (скольжение отсутствует); удельным объемом жидкой фазы по сравнению с удельным объемом сухого насыщенного пара можно пренебречь.
Если происходит изменение состояния водяного пара, то прежде всего нужно решить вопрос, не произошло ли при этом изменения агрегатного состояния тела. Чтобы решить, в каком агрегатном состоянии находится тело, нужно иметь в виду следующее: для перегретого пара при одном и том же давлении v v, i /, а при одной и той же температуре v v, р р; здесь р, v, t - параметры перегретого пара; v - удельный объем сухого насыщенного пара; ра и ta - давление и температура насыщения.
Зависимость суммарной Хс и удельной Худ холодопроизводительно-сти компрессионных холодильных машин от температуры испарения хладоагента. Выбор компрессионных установок для производства жидкого хлора определяется необходимой холодопроизводительностью и температурой сжижения СЬ - При использовании метода глубокого охлаждения и двухступенчатого сжижения следует учитывать, что снижение температуры приводит к резкому уменьшению холо-допроизводительности установок (рис. 42), увеличению расхода электроэнергии и вынуждает применять дорогостоящие многоступенчатые установки. В этом случае уменьшение холодопроизводи-тельности связано с тем, что испарение хладоагентов приходится вести при низких температурах, вследствие чего увеличивается удельный объем засасываемых компрессором сухих насыщенных паров. Например, удельный объем сухих насыщенных паров аммиака при - 15 и - 45 С составляет соответственно 0 5087 и 2 006 м3 / кг, для фреона Ф-12 соответственно 0 093 и 0 305 м3 / кг.
Эта линия почти параллельна оси ординат. Линия LK, или нижняя пограничная кривая, выражает зависимость удельного объема жидкости при температуре кипения от давления. Линия КР, или верхняя пограничная кривая, выражает зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления.
Соотношение количества воды и пара в области насыщения.| Кривые постоянной сухости пара. Значения удельных объемов воды v и сухого насыщенного пара v приведены в справочных таблицах. Таким образом, удельный объем влажного насыщенного пара приблизительно равен удельному объему сухого насыщенного пара того же давления, умноженному на степень сухости.
Отметим, что диаграмма на рис. 11.4 изображена не в масштабе. При построении пограничных кривых, даже в весьма крупном масштабе, кривые F - a0 - b0 - c0 и F-a - b - c практически сливаются с осью ординат. Последнее становится понятным, если сравнить удельный объем жидкости с удельным объемом сухого насыщенного пара.
Важным преимуществом пароэжекторных холодильных установок является применение в них такого доступного, дешевого и абсолютно безвредного вещества, как вода. Пароэжекторная машина, использующая в качестве хладоагента водяной пар, позволяет без особых затрат понизить температуру до 1 - 3 С. Однако при температуре 1 С давление насыщения составляет всего 0 000663 МПа, а удельный объем сухого насыщенного пара равен 194 м3 / кг. Естественно, что компрессор, сжимающий пар такой малой плотности, был бы весьма громоздким, а поддерживать столь низкое давление в нем было бы достаточно сложно.

Кроме того, пароэжекторная машина позволяет использовать весьма низкие давления ри без значительного увеличения габаритов установки. Это последнее обстоятельство делает возможным применение в пароэжекторных холодильных машинах воды, являющейся наиболее дешевым и по ряду свойств достаточно совершенным холодильным агентом. Так, например, в пароэжекторной холодильной машине, работающей на водяном паре, без особых затруднений удается достигнуть температуры 0 С, при которой давление ри составляет всего 0 0062 бар, а удельный объем сухого насыщенного пара 206 3 м3 / кг. При таких давлениях ни турбокомпрессор, ни тем более поршневой компрессор использовать невозможно.
Применение в молотах пара или воздуха отражается на их работе. Периоды расширения и сжатия для пара и воздуха протекают по-разному. Если применяют сухой насыщенный пар и подогретый воздух, то расширение пара происходит по политропе pV const, а расширение воздуха по политропе pVk - pV1 - 4 - const. Это объясняется тем, что удельный объем сухого насыщенного пара в его начальном состоянии больше удельного объема сжатого воздуха и, кроме того, при одинаковой степени расширения пара и воздуха конечное давление пара получается выше, чем конечное давление воздуха.
У личных давлениях могут быть представлены вр - w - ди-аграмме (фиг. MN выражает зависимость удельного объема жидкости при 0 С от давления. Эта линия почти параллельна оси ординат. Линия LK, или нижняя пограничная кривая, выражает зависимость удельного объема жидкости при температуре кипения от давления. Линия КР, или верхняя пограничная кривая, выражает зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления.
Этот коэффициент характеризует степень необратимости рабочего цикла холодильной установки и является мерой ее термодинамического совершенства. Из двух холодильных установок, работающих в одном и том же интервале температур, более совершенной является та, у которой коэффициент использования тепла больше. Преимуществом пароэжекторной установки является отсутствие громоздкого и дорогостоящего парового компрессора, а кроме того, возможность использования весьма низкого давления р % без значительного увеличения габаритов установки. Это дает возможность применения в качестве холодильного агента воды. В пароэжекторной установке, работающей на водяном паре, без особых затруднений удается достигнуть температуры 0 С, при которой давление PZ составляет всего 0 006108 бар, а удельный объем сухого насыщенного пара равен 206 3 м3 / кг. При таких параметрах ни турбокомпрессор, ни тем более поршневой компрессор использовать невозможно.
Изменение состояния пара на ру-диаграмме. Допустим, что в цилиндре под поршнем (рис. 11.2) находится 1 кг воды, которую нужно превратить в пар. К поршню цилиндра с внешней стороны приложена нагрузка - сила Р, обеспечивающая постоянное давление внутри цилиндра. На диаграмме по оси абсцисс отложены удельный объем воды и образовавшегося пара, а по оси ординат - давление в цилиндре. Следует сделать оговорку, что кривые на диаграмме не соответствуют действительному соотношению объемов воды и пара. Это объясняется тем, что объем воды при невысоких давлениях пренебрежимо мал по сравнению с объемом насыщенного пара того же давления. Таким образом, если построить диаграмму, соблюдая точные пропорции и отметить удельный объем воды отрезком абсциссы, порядка нескольких миллиметров, то удельный объем сухого насыщенного пара пришлось бы отмечать отрезком, порядка нескольких метров.

Насыщенный пар это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава. Давление насыщенного пара связано определённой для данного вещества зависимостью от температуры. Когда внешнее давление… … Википедия

Газообразное состояние воды. П. в. получают в процессе парообразования (испарения (См. Испарение)) при нагревании воды в паровых котлах, испарителях и других теплообменных аппаратах. П. в. служит рабочим телом в паросиловых установках (См … Большая советская энциклопедия

Газообразное вещество, получаемое из жидкости при ее нагревании и способное вновь обращаться в жидкое состояние при охлаждении. В технике наибольшее значение имеет водяной П., применяемый для получения механ. энергии (в паровых машинах, турбинах … Технический железнодорожный словарь

1. ПАР, а (у), предл. о паре, в пару, на пару; мн. пары; м. 1. Газ, в который превращается вода при нагревании. Горячий пар. Холодный пар. Конденсация пара. Количество водяных паров в атмосфере. Варить на пару. // Такой газ как движущая сила… … Энциклопедический словарь

Обыкновенно под словом П. понимают лишь газообразное состояние тела при температурах ниже критической, называя это состояние при температурах выше критической газом этого тела. Парообразование совершается с поверхности не только жидких, но и… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Сухой насыщенный пар с температурой 100° С, имеющий теплосодержание 637 кал/кг в предположении начальной температуры воды в О°С. Понятие Н. П. применяется для сравнения паропроизводительности котлов, имеющих различные характеристики пара и… … Морской словарь

РМГ 75-2004: Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение влажности веществ. Термины и определения - Терминология РМГ 75 2004: Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение влажности веществ. Термины и определения: 11 абсолютно сухое вещество: Гипотетическое вещество, совершенно не содержащее влаги. Определения термина из… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

С древнейших времен стали понимать великое значение воды не только для людей и всяких животных и растительных организмов, но и для всей жизни Земли. Некоторые из первых греческих философов ставили воду даже во главе понимания вещей в природе, и… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Сосуд давления, в котором нагревается вода, превращающаяся в пар. Тепловая энергия, подводимая к паровому котлу, может представлять собой тепло от сгорания топлива, электрическую, ядерную, солнечную или геотермальную энергию. Поскольку котел дает … Энциклопедия Кольера

Водяной пар вырабатывается в паровых котлах, которые устанавливаются в специальном помещении -котельной. Выработанный пар из котельной по паропроводам передается в цехи предприятия.

Современные паровые котлы различаются: а) по конструкции - котлы газотрубные и водотрубные; б) по расположению поверхности нагрева в пространстве - котлы горизонтальные и вертикальные; в) по циркуляции воды в котле -котлы с естественной и принудительной циркуляцией; г) по давлению пара: котлы низкого давления - до 14,7* 10 4 -15,7*10 4 Н/м 2 (15-16 атм) 1 , среднего давления -до 29,4*10 4 - 34,3*10 4 Н/м 2 (30-35 атм) и высокого давления -до 765,2*10 4 Н/м 3 (180 атм) и выше; д) по производительности -котлы большой и малой производительности.

Под паропроизводительностью понимается общее количество пара в тоннах, вырабатываемое котлом в 1 ч.

Паровые котлы вырабатывают насыщенный п а р, т. е. пар, имеющий максимальную плотность и упругость при определенном давлении и температуре. Состояние насыщенного пара соответствует такому процессу парообразования, при котором в паровом пространстве находится максимально возможное количество молекул. Насыщенный пар может быть влажным и сухим.

Влажным насыщением называется пар, получающийся при незаконченном парообразовании и состоящий из смеси пара с капельками воды: температура влажного насыщенного пара равна температуре кипящей воды.

Сухим насыщенным называют пар, который получается при законченном парообразовании. Его температура также равна температуре кипящей воды. Сухой пар характеризуется неустойчивостью состояния- он переходит либо в состояние влажного насыщенного пара (при охлаждении) либо при подводе тепла - в состояние перегретого пара. Давление перегретого пара не изменяется независимо от степени пере-

грева. Таким образом, перегретым называется пар, который имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар того же давления. Перегретый пар, двигаясь по паропроводу, не конденсируется; понижается только его температура.

Превращение воды в пар при температуре ее кипения связано с расходованием определенного количества тепла, не улавливаемого термометром. Тепло, которое расходуется на превращение воды в пар, называется скрытой теплотой испарения. Полная теплота парообразования складывается из количества тепла, расходуемого для подогрева воды до кипения (энтальпия воды) и из скрытой теплоты испарения. Общее количество тепла, расходуемого на парообразование, соответствует теплосодержанию пара. Таким образом, теплосодержание, или энтальпия, пара - количество тепла в килокалориях или джоулях 1 , которое содержится в 1 кг пара (ккал/кг или Дж/кг). Энтальпия пара находится в зависимости от давления, повышаясь с увеличением его. Скрытая теплота испарения при этом несколько уменьшается (табл.2). При конденсации в случае использования пара выделяется тепло в количестве, равном скрытой теплоте испарения.

Таблица 2

Некоторые параметры насыщенного пара

При передаче пара к местам потребления по паропроводам, составленным из металлических труб, из-за потери тепла насыщенный пар конденсируется, а у перегретого пара понижается температура. Потерю тепла значительно уменьшают путем изоляции труб, применяя для этой цели асбест, обрезки пробки, шерстяные и шелковые очесы, инфузорную землю и другие материалы. Тем не менее даже в хорошо изолированных паропроводах может наблюдаться конденсация пара. Поэтому в местах возможного скопления конденсата устанавливаются водоотделители, соединенные с конденсационным горшком для автоматического удаления конденсата. Устройство конденсационного горшка, работающего на принципе поплавка, имеющего форму стакана, показано на рис. 52. Поступающая в горшок горячая вода заполняет кольцевое пространство под поплавком и поднимает его кверху. В результате прикрепленный к поплавку стержень с клапаном перекрывает отверстие в крышке горш-ка. Затем вода достигает краев поплавка и переливается внутрь. Далее наступает такой момент, когда поплавок под тяжестью набравшейся в него воды опускается, открывая тем самым отверстие вверху. Этого достаточно, чтобы вода под давлением пара была вытеснена наружу через трубку вокруг стержня в выходной канал. После этого всплывает поплавок и клапан закрывает отверстие до нового накопления воды в поплавке. Существуют и другие конструкции конденсационных горшков. Если пар в паровых котлах имеет давление, близкое к необходимому

для производственных нужд фармацевтического предприятия 3,92*10 4 -4,90-10 4 Н/м 2 , то в этом случае пар непосредственно подается к аппаратам. Но чаще давление вырабатываемого пара значительно больше необходимого. В этом случае его направляют в пароколлектор (парораспределитель), представляющий собой металлический цилиндр со стенками необходимой прочности, хорошо изолированный. От коллектора отходят паропроводы, снабженные специальными клапанами, называемыми редукционными вентилями. Назначение их - не только впуск и прекращение подачи пара из коллектора в трубы, но и редуцирование, т. е. превращение пара высокого давления в пар более низкого давления. Это имеет место в тех случаях, когда паропровод питает аппарат или систему аппаратов, не требующих того полного давления, под которым находится пар в коллекторе.

Редукционные клапаны работают на принципе выпуска пара через узкие отверстия с дальнейшим резким его расширением. При этом снижается давление пара, а следовательно, и его температура. Совершив работу и отдав часть своего тепла, пар не выводится в атмосферу, а поступает в так называемую обратную линию (рис. 53). При этом отработанный, «мятый» пар попадает в конденсационные горшки, имеющиеся при каждом аппарате или группе аппаратов. Образовавшийся конденсат собирается в один общий трубопровод, по которому самотеком стекает в конденсационный бак, находящийся в котельной ниже

уровня пола, откуда при помощи инжектора после специальной очистки подается в паровой котел. В тех случаях, когда для питания котла конденсата слишком много, он используется для мытья.посуды, душевых и других целей.

Изобразим рассмотренный в предыдущем подразделе процесс парообразования графически в системе vP -координат. Допустим, что при заданном давлении Р 1 и температуре 0 о С удельный объем воды равен . Это состояние воды изобразим на диаграмме точкой (рис. 5.3). Так как процесс парообразования происходит при постоянном давлении, то линия такого процесса будет являться изобарой, идущей из точки вправо. Положим, что в момент начала кипения, когда температура подогреваемой воды станет равной , состояние воды (жидкости) определяется точкой ; в этот момент удельный объем воды увеличится до . При дальнейшем подводе теплоты будет получаться влажный пар, а когда вся вода перейдет в пар, он станет сухим (точка ). Так как в процессе получения насыщенного пара температура его остается постоянной, то участок изобары является одновременно и изотермой. Итак, точка показывает начало кипения, а точка – конец его; поэтому в точке степень сухости х = 0, а в точке степень сухости х =1. Все промежуточные точки относятся к влажному пару. Понятно, что чем правее на линии располагается точка, определяющая состояние влажного пара, тем этот пар суше.

Если сухому пару сообщить некоторое количество теплоты, то он перейдет в перегретый пар, состояние которого может определяться, например, точкой . Чем теплоты будет подведено больше, тем удельный объем перегретого пара v будет также больше, и точка расположится дальше от точки .

Если подобный процесс парообразования повторить при более высоком давлении (например, увеличив нагрузку на поршень), то соответствующая этому давлению изобара расположится выше.

Воду (жидкость) считают практически несжимаемой и полагают, что удельный объем ее не зависит от давления. Поэтому без заметной погрешности можно точку , определяющую состояние воды при давлении и температуре 0 о С, расположить на одной вертикали с точкой . Строго же говоря, точка должна быть расположена несколько левее точки .

Рис. 5.3. Изображение в осях vP процессов парообразования,

протекающих при постоянных давлениях

Как уже говорилось, с увеличением давления температура насыщения повышается. Поэтому для того, чтобы довести воду до температуры кипения при более высоком давлении, ей нужно сообщить больше теплоты. При этом вода больше расширится и удельный объем жидкости станет больше, чем . Ясно, что и точка , определяющая состояние воды в момент начала кипения, должна быть расположена на изобаре правее точки .

Точка , определяющая на диаграмме состояние сухого пара при давлении , расположится на изобаре левее точки , так как опыт показывает, что с увеличением давления объем сухого пара уменьшается.

Проводя процесс парообразования при еще более высоком давлении , получим точки , определяющие состояние воды соответственно при 0 о С, при начале кипения и в конце кипения, когда получится сухой пар.

Если одноименные точки на диаграмме соединить, то получим линию АВ удельных объемов воды при 0 о С и две линии МК и NK , сходящиеся в точке К . Линия МК представляет собой геометрическое место точек, обозначающих состояния воды в моменты начала кипения, а линия NK – геометрическое место точек, соответствующих состояниям сухого пара. Таким образом, линии МК и NK делят всю диаграмму на три области: область воды, лежащую левее МК , область влажного пара, расположенную между линиями МК и NK , и область перегретого пара, находящуюся правее линии NK . Кривая MK называется линией жидкости , а кривая NK – линией сухого насыщенного пара . Очевидно, что в точке К вода и насыщенный пар обладают одними и теми же значениями параметров р, v и t , которые обозначаются и называются критическими , а сама точка К – критической точкой .

Критическую точку имеет не только вода, но и все вообще вещества, что впервые было установлено Д.И. Менделеевым. Это открытие имеет чрезвычайно важное значение для всего дальнейшего развития теории реальных газов и поэтому представляет ценный вклад в мировую науку.

В настоящее время установлено, что для воды:

· критическое давление = 225,65 ≈ 225 ата;

· критическая температура = 374,15 ≈ 374 о С и

· критический удельный объем = 0,0031 м 3 /кг.

Критическая точка лежит на границе трех состояний: перегретого и насыщенного паров и воды. Если, не изменяя объема, уменьшить давление (повести процесс по стрелке, идущей вниз на рис. 5.4), то получим влажный пар.

Рис. 5.4. Критическая точка К лежит на границе трех состояний: воды, влажного пара и перегретого пара

Если, также не изменяя объема, увеличить давление (стрелка вверх), то получим перегретый пар, и, наконец, если, не изменяя давления, уменьшить объем (стрелка влево), то получим воду.

Точность измерения расхода пара зависит от целого ряда факторов. Один из них - степень его сухости. Часто этим показателем пренебрегают при подборе приборов учета и измерения, и совершенно напрасно. Дело в том, что насыщенный влажный пар по сути является средой двухфазной, и это вызывает ряд проблем в измерении его массового расхода и тепловой энергии. Как решить эти проблемы, мы сегодня разберемся.

Свойства водяного пара

Для начала, определимся с терминологией и выясним, каковы особенности влажного пара.

Насыщенный пар - водяной пар, находящийся в термодинамическом равновесии с водой, давление и температура которого связаны между собой и располагаются на кривой насыщения (рис.1), определяющей температуру кипения воды при данном давлении.

Перегретый пар - водяной пар, нагретый до температуры выше температуры кипения воды при данном давлении, получаемый, например, из насыщенного пара путем дополнительного нагрева.

Сухой насыщенный пар (рис.1) - бесцветный прозрачный газ, является гомогенной, т.е. однородной средой. В некоторой степени это абстракция, так как получение его затруднительно: в природе он встречается только в геотермальных источниках, а производимый паровыми котлами насыщенный пар не является сухим - типичные значения степени сухости для современных котлов 0,95-0,97. Чаще всего степень сухости еще ниже. Кроме того, сухой насыщенный пар метастабилен: при поступлении тепла извне он легко становится перегретым, а при отдаче тепла - влажным насыщенным .

Рис. 1. Линия насыщения водяного пара

Влажный насыщенный пар (рис.2) представляет собой механическую смесь сухого насыщенного пара с взвешенной мелкодисперсной жидкостью находящейся с паром в термодинамическом и кинетическом равновесии. Флуктуация плотности газовой фазы, наличие посторонних частиц, в том числе несущих электрические заряды - ионы, приводит к возникновению центров конденсации, носящей гомогенный характер. По мере роста влажности насыщенного пара, например, из-за тепловых потерь или повышения давления, мельчайшие капельки воды становятся центрами конденсации и постепенно растут в размерах, а насыщенный пар становится гетерогенным, т.е. двухфазной средой (пароконденсатной смесью) в виде тумана. Насыщенный пар, представляющий газовую фазу пароконденсатной смеси, при движении передает часть своей кинетической и тепловой энергии жидкой фазе. Газовая фаза потока несет в своем объеме капельки жидкой фазы, но скорость жидкой фазы потока существенно ниже скорости его паровой фазы. Влажный насыщенный пар может формировать границу раздела, например, под воздействием гравитации. Структура двухфазного потока при конденсации пара в горизонтальных и вертикальных трубопроводах меняется в зависимости от соотношения долей газовой и жидкой фаз (рис.3).

Рис. 2. PV-диаграмма водяного пара

Рис. 3. Структура двухфазного потока в горизонтальном трубопроводе

Характер течения жидкой фазы зависит от соотношения сил трения и сил тяжести, и в горизонтально расположенном трубопроводе (рис.4) при высокой скорости пара течение конденсата может оставаться пленочным, как и в вертикальной трубе, при средней может приобретать спиралевидную форму (рис.5), а при низкой пленочное течение наблюдается только на верхней внутренней поверхности трубопровода , а в нижней формируется непрерывный поток, «ручей» .

Таким образом, в общем случае поток пароконденсатной смеси при движении представляет собой три составляющих: сухой насыщенный пар, жидкость в виде капель в ядре потока и жидкость в виде пленки или струи на стенках трубопровода. Каждая из этих фаз имеет свою скорость и температуру, при этом при движении пароконденсатной смеси возникает относительное скольжение фаз . Математические модели двухфазного течения в паропроводе влажного насыщенного пара представлена в работах .

Рис. 4. Структура двухфазного потока в вертикальном трубопроводе

Рис. 5 Спиралевидное движение конденсата.

Проблемы измерения расхода

Измерение массового расхода и тепловой энергии влажного насыщенного пара связано со следующими проблемами:
1. Газовая и жидкая фазы влажного насыщенного пара движутся с различной скоростью и занимают переменную эквивалентную площадь поперечного сечения трубопровода;
2. Плотность насыщенного пара возрастает по мере роста его влажности, причем зависимость плотности влажного пара от давления при различной степени сухости неоднозначна;
3. Удельная энтальпия насыщенного пара снижается по мере роста его влажности.
4. Определение степени сухости влажного насыщенного пара в потоке затруднительно.

Вместе с тем, повышение степени сухости влажного насыщенного пара возможно двумя известными способами: «мятием» пара (снижением давления и, соответственно, температуры влажного пара) с помощью редукционного клапана и отделением жидкой фазы с помощью сепаратора пара и конденсатоотводчика. Современные сепараторы пара обеспечивают почти 100% осушение влажного пара.
Измерение расхода двухфазных сред - крайне сложная задача, до сих пор не вышедшая за пределы исследовательских лабораторий. Это в особой степени касается пароводяной смеси .
Большинство расходомеров пара являются скоростными, т.е. измеряют скорость потока пара. К ним относятся расходомеры переменного перепада давления на базе сужающих устройств, вихревые, ультразвуковые, тахометрические, корреляционные, струйные расходомеры. Особняком стоят кориолисовые и тепловые расходомеры, непосредственно измеряющие массу протекающей среды
Рассмотрим, как различные виды расходомеров справляются со своей задачей, если имеют дело с влажным паром.

Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры переменного перепада давления на базе сужающих устройств (диафрагм, сопел, труб Вентури и других местных гидравлических сопротивлений) до сих пор являются основным средством измерения расхода пара. Однако, в соответствии с подразделом 6.2 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом перепада давления»: По условиям применения стандартных сужающих устройств, контролируемая «среда должна быть однофазной и однородной по физическим свойствам» :
При наличии в трубопроводе двухфазной среды пара и воды измерение расхода теплоносителя приборами переменного перепада давления с нормированной точностью не обеспечивается . В этом случае «можно было бы говорить об измеренном расходе паровой фазы (насыщенного пара) потока влажного пара при неизвестном значении степени сухости» .
Таким образом, применение таких расходомеров для измерения расхода влажного пара приведет к недостоверным показаниям .

Оценка возникающей методической погрешности (до 12% при давлении до 1 МПа и степени сухости 0,8) при измерении влажного пара расходомерами переменного перепада давления на базе сужающих устройств проведена в работе .

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры , успешно применяемые при измерении расхода жидкостей и газов, ещё не нашли широкого применения при измерении расхода пара, несмотря на то, что отдельные их типы выпускаются серийно или были анонсированы производителем . Проблема заключается в том, что ультразвуковые расходомеры, реализующие доплеровский принцип измерений, основанный на сдвиге частоты ультразвукового луча, не пригодны для измерения перегретого и сухого насыщенного пара из-за отсутствия неоднородностей в потоке, необходимых для отражения луча, а при измерении расхода влажного пара сильно занижают показания из-за отличия скоростей газовой и жидкой фазы. Ультразвуковые расходомеры времяимпульсного типа наоборот неприменимы для влажного пара из-за отражения, рассеивания и преломления ультразвукового луча на каплях воды.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры разных производителей при измерении влажного пара ведут себя неодинаково. Это определяется как конструкцией первичного преобразователя расхода, принципа детектирования вихрей, электронной схемы, так и особенностями программного обеспечения. Принципиальным является влияние конденсата на работу чувствительного элемента. В некоторых конструкциях «серьезные проблемы возникают при измерении расхода насыщенного пара, когда одновременно в трубопроводе существует газовая и жидкая фаза. Вода концентрируется вдоль стенок трубы и препятствует нормальному функционированию датчиков давления, установленных заподлицо со стенкой трубы» . В других конструкциях конденсат может затапливать сенсор и блокировать измерение расхода вовсе. Зато у некоторых расходомеров это практически не влияет на показания.

Кроме этого, двухфазный поток, набегая на тело обтекания, формирует целый спектр вихревых частот, связанных как со скоростью газовой фазы, так и со скоростями жидкой фазой (капельной формы ядра потока и пленочной или струйной пристеночной области) влажного насыщенного пара. При этом амплитуда вихревого сигнала жидкой фазы может быть весьма значительной и, если электронная схема не предполагает цифровой фильтрации сигнала с помощью спектрального анализа и специального алгоритма выделения «истинного» сигнала, связанного с газовой фазой потока, что характерно для упрощенных моделей расходомеров, то будет происходить сильное занижение показаний расхода. Лучшие модели вихревых расходомеров обладают системами DSP (цифровой обработки сигнала) и SSP (спектральной обработки сигнала на основе быстрого преобразования Фурье), которые позволяют не только повысить отношение сигнал/шум, выделить «истинный» вихревой сигнал, но и устранить влияние вибраций трубопровода и электрических помех.
Несмотря на то, что вихревые расходомеры предназначены для измерения расхода однофазной среды, в работе показано, что они могут быть использованы для измерения расхода двухфазных сред, в том числе, пара с каплями воды при некоторой деградации метрологических характеристик.

Влажный насыщенный пар со степенью сухости свыше 0,9 по экспериментальным исследованиям EMCO и Spirax Sarco можно считать гомогенным и за счет «запаса» по точности расходомеров PhD и VLM (±0,8-1,0%), показания массового расхода и тепловой мощности будут находиться в пределах погрешностей, нормированных в .
При степени же сухости 0,7-0,9 относительная погрешность измерений массового расхода этих расходомеров может достигать десяти и более процентов.

Другие исследования, например, дают более оптимистический результат - погрешность измерения массового расхода влажного пара соплами Вентури на специальной установке для калибровки расходомеров пара находится в пределах ±3,0% для насыщенного пара со степенью сухости свыше 0,84.

Чтобы избежать блокирования чувствительного элемента вихревого расходомера, например, чувствительного крыла конденсатом, некоторые производители рекомендуют ориентировать первичный преобразователь таким образом, чтобы ось чувствительного элемента была параллельна поверхности раздела пар/конденсат.

Другие типы расходомеров

Расходомеры переменного перепада/переменной площади, обтекания с подпружиненной заслонкой и мишенные переменной площади не допускают измерение двухфазной среды из-за возможного эрозионного износа проточной части при движении конденсата.
Принципиально только массовые расходомеры кориолисового типа могли бы измерять двухфазную среду, однако исследования показывают, что погрешности измерений кориолисовых расходомеров в значительной степени зависят от соотношения долей фаз, а «попытки разработать универсальный расходомер для многофазных сред скорее ведут в тупик». В тоже время кориолисовые расходомеры интенсивно развиваются , и, возможно, успех будет достигнут уже скоро, но пока таких промышленных средств измерений на рынке нет.

Продолжение следует.