Фазовая р-v-T-диаграмма воды и водяного пара

Рассматривается процесс получения пара из воды, залитой в цилиндр (рис. 5.1).

Обозначения: 1 - линия парообразования; 2 - линия кипящей жидкости
(нижняя пограничная кривая); 3 - линия сухого насыщенного пара (верхняя
пограничная кривая); А - тройная точка, К-критическая точка; Ж - жид­
кость; П - сухой насыщенный пар; ПП -перегретый пар; T_s- температура
насыщения (температура кипения)

Начальное состояние воды в цилиндре характеризуется давлением р₁= F/S, Н/м², температурой Т₁ (точка 1 на диаграммах p-v и р-Т). При под­воде тепла Q вода сначала нагревается до температуры кипения (T_s) при р₁= const, затем в процессе кипения при Т_s = const и р₁ = const преобразуется в пар, который при дальнейшем подводе тепла нагревается до температуры T>T_s.

Обозначения на диаграммах:

1- состояние воды, недогретой до температуры кипения; b'(B)-кипящая вода (T= T_s,p=p₁);

b"(В) - сухой насыщенный пар (T= T_s,p=p₁).

Сухой насыщенный пар имеет температуру, равную температуре насы­щения (T_s) при данном давлении.

Мокрый пар - точки Ь(В) на диаграммах - это смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.

Перегретый пар - точки d(D) на диаграммах - имеет температуру выше, чем температура насыщения при данном давлении (T>T_s).

Процесс парообразования (b¹- b" в p-v- диаграмме) - является изобарно-изотермическим процессом (p₁ = const и T_s = const), в котором кипящая вода преобразуется в сухой насыщенный пар (испарение).

Обратный процесс-переход пара в кипящую жидкость называется кон­денсацией, также является изобарно-изотермическим процессом.

В этих процессах давление и температура взаимосвязаны (T_s = f(p), p_s ⁼f(T)), данная связь на р-Т- диаграмме представлена линией парообразо­вания 1, согласно которой с возрастанием давления (р) температура насыще­ния (T_s) увеличивается.

Таким образом, состояния недогретой до температуры кипения воды и перегретого пара характеризуются двумя независимыми термическими пара­метрами, например, р и Т; состояния кипящей воды, мокрого пара, сухого на­сыщенного пара - одним термическим параметром р или Т.

Тройная точка (состояние А) - это одновременное существование твер­дой, жидкой и паровой фаз. Параметры тройной точки для воды: р_А = 611 Па, t_A = 0,01 °С, v_A = 0,001 м³/кг.

Критическая точка (состояние К) - это одновременное существование жидкой и паровой фаз. Для воды параметры критической точки: р_kр = 221,15 бар, t_kp= 374,12 °С, v_kp =0,003147 м³/кг.

Итак, вода и водяной пар могут находиться в пяти состояниях;

1. Недогретая до температуры кипения вода (область I, . 5.2). Пара­метры обозначаются следующим образом: р, Т, v, h, и, s.

2. Кипящая вода (нижняя пограничная кривая 2).
Параметры обозначаются так: р, T_s, v', h', u', s' или так:
T, p_s, v', h', u', s′.

3. Мокрый пар (область II). Параметры обозначают­ся таким образом: р, T_s, v, h, u, s или р_s, Т, v, h, и, s.

4. Сухой насыщенный пар (верхняя пограничная кривая 3) . Параметры обозначаются следующим образом: p, T_s, v″, h″, u″, s″ или T, p_s, v″, h″, u″, s″.
5. Перегретый пар (область III). Параметры обозначаются так:

p,T,v,h,u,s.

Выше критической точки (К) находится область однофазных состояний, в которой нельзя провести четкой границы между жидкостью и паром.

5.2. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара

В практических расчетах для определения параметров воды и водяного пара пользуются таблицами [8]. В них представлены параметры для четырех состояний: недогретой до температуры кипения воды, кипящей воды, сухого насыщенного пара и перегретого пара.

Таблица I

Состояние насыщения (по температурам)

Таблица II

Состояние насыщения (по давлениям)

Таблица III

Вода и перегретый пар

В таблице I и II содержатся параметры кипящей воды (обозначены одним штрихом) и сухого насыщенного пара (обозначены двумя штрихами), а также значения теплоты парообразования r=h″-h′, кДж/кг.

Теплота парообразования – количество тепла, которое необходимо подвести к 1кг кипящей жикости, чтобы преобразовать ее в сухой насыщенный пар. Эта же теплота выделяется при концентрации 1 кг сухого насыщенного пара.

В табл. III содержатся параметры (v,h,s) недогретой до температуры кипения воды и перегретого пара.

В таблицах отсутствуют значения внутренней энергии, которая легко рассчитывается по формуле

(5.1)

а также параметры мокрого пара, которые рассчитываются по простым формулам.