Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Тема 2. 7 реальні гази. Водяна пара ⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 7
План 1 Водяна пара, області застосування. 2 Водяна пара, основні поняття і визначення. 3 Процес пароутворення при постійному тиску. - діаграма водяної пари. 4 Таблиці термодинамічних властивостей води і водяної пари. 5 Визначення термодинамічних параметрів води і водяної пари.
1 Водяна пара як робоче тіло і теплоносій отримала широке застосування в теплотехні-ці. Це пояснюється тим, що вода є дуже поширеною речовиною в природі і, по-друге, вода і водяна пара мають відносно добрі термодинамічні властивості і не впливають шкідливо на метал і живий організм. Як теплоносій водяна пара широко застосовується в технологічних процесах ба-гатьох галузей народного господарства: енергетики хімічної технології, машинобуду-вання тощо. Наприклад, · в системах опалення і вентиляції житлових і виробничих будинків; · в системах забезпечення мікроклімату приміщень і споруд захищеного грунту, овоче- і фруктосховищ; · в процесах кормоприготування, пастеризації, пропарювання грунту тощо. Водяна пара застосовується в різних станах у дуже широкому діапазоні тисків і температур і часто переходить в рідкий стан – конденсується. В цих умовах не можна знехтувати силами взаємодії, отже, до водяної пари не можна застосовувати закони ідеальних газів і рівняння Мендєлеєва – Клапейрона.
2 Розділення речовини на газ і пару умовне, бо між ними не існує будь – якої межі. Парою називається всякий реальний газ, котрий в умовах його застосування здатний переходити в рідину. Всякий реальний газ, який в звичайних умовах його застосуван-ня не переходить в рідкий стан, зберігає назву газу. Процес переходу рідини в пару називається пароутворенням. Цей процес може проходити шляхом випаровування і кипіння. При випаровуванні утворення пари від-бувається тільки з вільної поверхні рідини. Цей процес протікає при будь – яких тем-пературах рідини і може супроводжуватися зниженням її температури. Бурхливий процес пароутворення, який супроводжується виникненням бульбо-чок пари по всьому об’єму рідини, називається кипінням. Кипіння рідини відбуваєть-ся при постійному тиску і при відповідній йому постійній температурі, яка називається температурою кипіння або температурою насичення і позначається . Для всіх рі-дин температура кипіння підвищується з збільшенням тиску, залежність між ними знаходиться з досліду і в загальному випадку виражається рівнянням . Для різ-них рідин і води є велика кількість емпіричних рівнянь, які дозволяють приблизно встановити залежність . В якості прикладу можна навести рівняння Руша, яке має вигляд:
, (2.86) де Р – абсолютний тиск, . Для точного визначення температури кипіння необхідно користуватися таблицями. Всі параметри киплячої рідини позначаються відповідною буквою зі штрихом, наприк-лад: питомий об’єм , ентальпія , ентропія тощо. Насиченою парою називається пара, яка знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною. Це означає, що в закритій посудині кількість молекул пари, які над-ходять в простір над киплячою рідиною, дорівнює кількості молекул, котрі поверта-ються знову в рідину. Така рухома рівновага обмовлена хаотичністю руху молекул і силами взаємодії пари і рідиною поблизу її поверхні. Якщо при до киплячої рідини підвести необхідну кількість теплоти для випаровування всієї рідини, то в момент зникнення останніх крапель рідини (води) отримують суху насичену пару при температурі кипіння . Ця пара є нестійким ста-ном й отримується в парогенераторах як миттєвий стан при переході в перегріту пару. Стан сухої насиченої пари визначається одним параметром: тиском або температурою насичення . Всі параметри сухої насиченої пари позначаються відповідними буквами з двома штрихами: питомий об’єм , ентальпія , ентропія тощо. При кипінні рідини разом із бульбочками пари виносяться дрібні частки вологи. Отримана суміш пари і рідини називається вологою насиченою парою, причому част-ки рідини рівномірно поширені по всьому об’єму пари. Стан вологої насиченої пари визначається тиском і степеню сухості або температурою кипіння і степеню сухості . Степеню сухості називається масова частка сухої пари, яка міститься в вологій парі: , (2.87) де і - відповідно маса сухої пари і рідини, котрі знаходяться в 1 кг суміші; - маса 1 кг вологої пари. Вологість насиченої пари в парових котлах повинна бути в межах 1-3 %, тобто її степінь сухості %.
Для сухої пари , для киплячої рідини . Масова частка рідини, котра міс-титься в вологій парі, називається степеню вологості і позначається . Всі пара-метри вологої пари (крім тиску і температури) позначаються відповідною буквою з індексом , наприклад: питомий об’єм , ентальпія , ентропія тощо. Перегрітою називається пара, яка при однаковому тиску з насиченою, має більш високу температуру, чим температура кипіння . Стан перегрітої пари визначається будь – якими двома параметрами, найбільш часто – тиском і температурою. Процес переходу насиченої пари в рідину називається конденсацією. Цей процес є зворотним процесу пароутворення і також відбувається при і відповідній йому постійній температурі, рівній температурі кипіння при тому ж тиску.
3 На рисунку 2.15 зображена - діаграма водяної пари, на котрій показана залеж-ність зміни питомого об’єму води і пари від тиску. Отримання пари в парогенераторах відбувається при . Розглянемо про-цес отримання пари при деякому постійному тиску . Нехай при даному тиску 1 кг води з температурою займає об’єм . Стан її на діаграмі зображено точкою . При підведенні теплоти вода нагрівається і її температура підвищується до тих пір, по-ки вона не досягне температури кипіння , котра відповідає тиску . При нагріванні об’єм води збільшується від до . Стан киплячої рідини позначено на діаграмі точкою . Відрізок характеризує процес перетворення 1 кг холодної води в киплячу. При подальшому підведенні теплоти кипляча вода поступово переходить в пару. В той момент, коли випариться вся рідина, буде отримана суха насичена пара, об’єм її буде в багато разів більше (при низьких тисках) об’єму киплячої води .Стан сухої насиченої пари на діаграмі зображено точкою . Процес пароутворення відбува- ється не тільки при , але й при , тому цей процес ізобарно - ізотермічний. Якщо до сухої насиченої пари стану підводити теп- лоту при тому ж тиску , то вона перетворю- ється в перегріту пару. Стан її на діаграмі зображено точкою . Між точками і знахо- диться суміш сухої на сиченої пари і води, тобто волога насичена пара, довільний стан її на діаграмі зображено точкою .
Рисунок 2.15 - - діаграма водяної пари
При більш високому тиску процес отримання пари відбувається аналогічно. Але через те що , то питомий об’єм води незначно зменшується і стан її зобра- жується точкою , яка розташована лівіше точки . Навпаки, питомий об’єм киплячої води буде збільшуватися, бо з підвищенням тиску підвищується температура кипін-ня . Цей стан зображується точкою , розташованою правіше точки . При тиску об’єм сухої пари зменшується і зображується точкою , котра буде лівіше точки . Якщо з’єднати точки , які визначають характерні стани води і пари при різ-них тисках, то на - діаграмі отримують три основні лінії: І, ІІ і ІІІ. Лінія І визначає стан води при температурі і різних тисках. З діаграми вид-но, що з підвищенням тиску питомий об’єм води зменшується. Одначе внаслідок ма-лого стиснення води залежність від незначна і нею звичайно знехтують. Тому при будь – яких тисках приймають . Лінія ІІ визначає стан киплячої рідини () і показує, що об’єм з підвищен-ням тиску підвищується. Ця лінія називається нижньою пограничною кривою, зліва від неї знаходиться некипляча рідина, справа – область вологої насиченої пари.
Лінія ІІІ характеризує стан сухої насиченої пари () при різних тисках і на- зивається верхньою пограничною кривою, зліва від неї знаходиться область вологої пари, а справа – область перегрітої пари. З діаграми видно, що об’єм пари буде тим менше, чим більше його тиск. З підвищенням тиску різниця () зменшується, лінії ІІ і ІІІ зближуються і при деякому тиску вони перетинаються в точці К, яка називається критичною. Таким чином, точка К визначає критичний стан води і водяної пари і всі параметри в цьому стані називаються критичними. Критичний стан будь – якої речовини характеризуєть-ся тим, що різниця між рідиною і парою щезає. Критичні параметри для води мають наступні значення: , , . При зменшенні тиску лінії І і ІІ зближуються і при деякому тиску перетинають-ся в точці М, котра називається потрійною точкою. Кожна речовина в цій точці зна-ходиться в трьох станах: твердому, рідкому і газоподібному. В потрійній точці кожна речовина має певні параметри, наприклад для води: , . В області вологої пари наносяться лінії постійної сухості , котрі на діаграмі зображені пунктирними кривими, що виходять з критичної точки К.
4 Всі розрахунки процесів з водою і водяною парою проводяться за допомогою спеці-альних таблиць термодинамічних властивостей води і водяної пари. В наш час в країнах колишнього СРСР прийняті єдині таблиці (автори С.Л. Рів- кін або М.П. Вукалович). При складанні цих таблиць були враховані всі найновіші експериментальні і теоретичні дослідження термодинамічних властивостей води і во- дяної пари. В таблицях приведені термодинамічні властивості води і водяної пари в інтервалі тисків до 100 МПа і температур – до 800 . Параметри киплячої рідини і су-хої насиченої пари виділені в окремі таблиці, де ці параметри приведені в залежності або від тисків, або від температур. Користуючись цими таблицями, можна легко знай-ти по заданих температурі або тиску насичення необхідні для розрахунку величини. Для знаходження цих величин при проміжних значеннях тисків або температур (яких немає в таблицях) користуються методом лінійної інтерполяції. Параметри воло-гої пари при відомій степені сухості розраховуються по наведених раніше рівняннях. При цьому величини, які входять в формули, приймаються по таблицях сухої насиче-ної пари і киплячої рідини.
Таблиці параметрів для некиплячої рідини і перегрітої пари також виділені особливо. Дані для води розташовані вище жирної лінії, а для перегрітої пари – нижче цієї лінії. В області тисків вище критичних, де немає видимої різниці між водою і дуже щільною перегрітою парою, лінія розділу відсутня.
5 При термодинамічних дослідженнях прийнято вважати, що при і будь – якому тиску ентальпія, ентропія і внутрішня енергія рідини дорівнюють нулю, тобто , , . В ізобарному процесі (рисунок 19) на підігрівання 1 кг рідини від до витрачається теплота , яку називають теплотою рідини. Вона дорівнює: , (2.88) де - масова теплоємність рідини. По І закону ТД теплота рідини витрачається на зміну внутрішньої енергії і на роботу розширення, тому (2.89) Оскільки об’єм рідини змінюється незначно, то в цьому процесі переважна частина теплоти рідини витрачається на зміну внутрішньої енергії. Основні параметри киплячої рідини (точка ) , , знаходять з таблиць по заданому тиску або по температурі насичення. Внутрішня енергія киплячої рідини ви-значається по формулі , (2.90) з рівняння (108) () , (2.91) отже, для одного і того ж стану можна написати: , (2.92) звідки . (2.93) Таким чином, теплота киплячої рідини більше теплоти рідини на величину . Цей висновок відноситься до будь – якого стану води і пари. При низьких тисках вели-чиною знехтують та ентальпію в будь – якому стані води і пари прирівнюють до теплоти. В ізобарному процесі (рисунок 2.15) кипляча рідина при постійній темпера-турі переходить в пару. Кількість теплоти, яка підводиться до 1 кг киплячої рідини при для пе-ретворення її в суху насичену пару, називається теплотою пароутворення і познача-ється буквою . При будь – яких тисках нижче критичного більша частина теплоти па-роутворення витрачається на зміну внутрішньої потенційної енергії і менша – на ро-боту розширення. Тоді рівняння І закону ТД можна виразити в наступному вигляді:
(2.94)
Ентальпія сухої насиченої пари визначається по формулі
(2.95)
Внутрішня енергія сухої насиченої пари розраховується по відомому рівнянню
(2.96) Волога насичена пара є сумішшю киплячої води і сухої насиченої пари. Її тем-пература дорівнює температурі кипіння рідини при даному тиску. Питомий об’єм вологої пари дорівнює сумі питомих об’ємів кг сухої пари і () кг води
(2.97)
Звідси можна отримати рівняння
, (2.98)
яке застосовують для точного визначення . Ентальпія та ентропія вологої пари визна-чаються за аналогією з рівнянням (116), а саме
, (2.99)
(2.100)
Внутрішня енергія вологої пари знаходиться з рівняння
(2.101)
Властивості перегрітої пари сильно відрізняються від властивостей насиченої. При даному тиску перегріта пара може мати будь – яку температуру вище температури насичення , а її об’єм при одному ж і тому тиску завжди буде більше об’єму сухої насиченої пари .
Чим вище температура перегрітої пари і чим нижче її тиск, тем менше відхиля-ється перегріта пара від властивостей ідеального газу. При високих тисках і темпера-турах, близьких до стану насичення, перегріта пара буде значно відхиляться від Влас-тивостей ідеального газу. Одначе у всіх випадках перегріта пара не підпорядковується рівнянню . Для перегрітої пари різними дослідниками були запропоновані емпіричні рівняння стану, які дозволяють знаходити значення її основних параметрів та інші фізичні величини. Внутрішня енергія перегрітої пари в даному стані визначається по відомому рівнянню (2.102)
В ізобарному процесі (рисунок 2.15) відбувається перегрівання пари, при цьому температура пари становиться більше температури кипіння . Кількість теплоти, яка підводиться до 1 кг сухої насиченої пари при перетворен-ні її в перегріту, називається теплотою перегрівання і позначається . Ця теплота підраховується по рівнянню
, (2.103)
де і - відповідно ентальпія і температура перегрітої пари; - середня масова ізобарна теплоємність перегрітої пари.
Лекція 11
Тема 2.8 Вологе повітря План 1 Атмосферне повітря. Основні поняття і визначення. 2 Абсолютна і відносна вологості повітря. 3 Характеристики вологого повітря. 4 діаграма. 5 Графічне зображення термодинамічних процесів із вологим повітрям на діаграмі та їх розрахунок.
1 Атмосферне повітря використовується в різних технологічних процесах, наприклад: для сушіння вологих матеріалів в сушильних установках, для охолодження циркуля-ційної води на теплових електростанціях при оборотній системі водопостачання, в установках кондиціювання повітря тощо. Вологе повітря є механічною сумішшю сухого повітря і водяної пари. В цю су-міш входять наступні гази, що мають такі об’ємні відсотки (%): азот () – 78, кисень () – 21, інертні гази (аргон, неон, криптон тощо) і вуглекислий газ – приблизно 1, останні компоненти – водяна пара, пил, мікроорганізми, сірчаний газ та ін. Гази, що входять до склад повітря, розподілені в ньому рівномірно і кожний з них зберігає свої властивості в суміші. Практично вологе повітря використовується при тисках, близьких до атмо-сферного, тому і водяну пару, і сухе повітря з достатньою точністю можна вважати ідеальними газами. У зв’язку з цим при всіх розрахунках з вологим повітрям можна застосовувати раніше отримані співвідношення для суміші ідеальних газів, закони ідеальних газів і рівняння стану Менделєєва – Клапейрона. По закону Дальтона тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків , (2.104) де і - відповідно парціальні тиски повітря і водяної пари; - тиск суміші, тобто вологого повітря, дорівнює барометричному тиску. Чим більше в суміші водяної пари, тим більше його парціальний тиск . Найвищим його значенням буде тиск насичення . Розглянемо різні стани водяної пари в вологому повітрі, використовуючи - діаграму пари, яка зобра- жена на рисунку 2.16. Так, якщо при температурі воло- гого повітря парціальний тиск пари менше тиску на- сичення , пара в суміші буде знаходитися в перегрі- тому стані і зображатися точкою 2. Суміш сухого по- вітря і перегрітої пари називається ненасиченим Рисунок 2.16 – Стан водяної вологим повітрям. пари в вологому повітрі Якщо при тій же температурі вологого повітря парціальний тиск пари буде дорівнювати тиску насичення , то в суміші буде знаходитися суха насичена пара і стан її на діаграмі визначається точкою 1. Суміш сухого повітря і сухої насиченої пари називається насиченим вологим повітрям. Охолоджуючи ненасичене вологе повітря при , його можна перетворити в насичене. В той момент температура вологого повітря стане рівною температурі насичення пари при його парціальному тиску . Ізобарний процес охолодження пари в вологому повітрі на діаграмі показаний відрізком , а стан насичення – точкою . При подальшому охолодженні насичено-го вологого повітря водяна пара, котра міститься в ньому, буде конденсуватися і виді-лятися у вигляді роси. Температура, при якій вологе повітря становиться насиченим, називається температурою точки роси і позначається . При збільшенні парціаль-ного тиску пари в вологому повітрі температура точки роси також підвищується.
2 В практичних умовах використання вологого повітря в ньому можуть міститься різні кількості водяної пари. Тому для характеристики стану вологого повітря введені поняття абсолютної і відносної вологості. Кількість водяної пари в кг , яка міститься в 1 вологого повітря, називається абсолютною вологістю. Із визначення витікає, що абсолютна вологість повітря дорів-нює щільності пари при її парціальному тиску і при температурі вологого по-вітря . Тоді з рівняння стану отримують
, (2.105)
де , , - відповідно щільність, парціальний тиск і газова постійна пари; - температура вологого повітря. Найбільша щільність водяної пари досягається в насиченому вологому по-вітрі при тій же температурі
(2.106)
Через те що , то . Відношення (2.107)
називається відносною вологістю повітря. Отже, це і є відношення дійсної абсолют-ної вологості повітря до максимально можливої абсолютної вологості в насиченому повітрі при тій же температурі. При постійній температурі тиски змінюються пропорційно щільностям (закон Бойля – Маріота), тому можна записати
(2.108)
Відносна вологість вимірюється за допомогою приладу, який називається псих-рометром. При зміні стану вологого повітря кількість сухого повітря в суміші звичайно не змінюється, а кількість водяної пари або зменшується, або збільшується внаслідок ви-паровування вологи. У зв’язку з цим теплові розрахунки з вологим повітрям прийнято відносити до 1 кг сухого повітря.
3 До параметрів вологого повітря відносяться: а) вологовміст вологого повітря – це відношення маси водяної пари , яка міс-титься в суміші, до маси сухого повітря або, що те ж, відношення щільності водя-ної пари до щільності сухого повітря , взятих при їх же парціальних тисках і при температурі вологого повітря:
(2.109)
По рівнянню стану
, ;
після підстановки значень і в рівняння (2.109) отримують
(2.110)
Останнє рівняння шляхом нескладних перетворень приводиться до вигляду
, (2.111)
який дозволяє визначити парціальний тиск водяної пари в залежності від волого- вмісту. б) Ентальпія вологого повітря визначається як ентальпія суміші, що складається з 1 кг сухого повітря і кг водяної пари:
(2.112)
Ентальпія 1 кг водяної пари, яка, як правило, знаходиться в перегрітому стані при тисках, близьких до атмосферного, може бути визначена по емпіричній формулі
(2.113)
в) Щільність вологого повітря знаходять з рівняння стану
, (2.114)
де - параметри вологого повітря.
4 Дослідження термодинамічних процесів і визначення параметрів вологого повітря найбільш просто можна здійснити за допомогою діаграми, яка запропонована в 1918 р. проф. Л.К.Рамзіним. Діаграма побудована для барометричного тиску , але може бути використана і при невеликих відхиленнях тисків від прийнятого. Для збільшення площі робочої частини діаграми, тобто розширення області ненасиченого вологого повітря, діаграма побудована в косокутних коорди-натах із кутом між осями. По осі ординат відкладаються значення ентальпій воло-гого повітря , а по осі абсцис – вологовміст , обидві величини відносяться до 1 кг сухого повітря. Лінії розташовуються вертикально, а шкала абсцис в деякому масштабі перенесена на допоміжну горизонтальну пряму, котра проходить через початок коор-динат. Лінії є прямими, нахиленими під кутом до горизонталі (рисунок 21). На рисунку 22 приведено схематичне зображення основних ліній діаграми. Лінія (), яка характеризує стан вологого насиченого повітря, ділить діаграму на дві частини: зверху розташована область ненасиченого вологого повітря, котра є робо-чою частиною діаграми, а нижче – область пересиченого вологого повітря, яка не має практичного значення. В області ненасиченого вологого повітря зображуються ізотерми і лінії відносної вологості . Ізотерми є прямими, які піднімаються вгору під деяким кутом до горизонталі; кут нахилу ізотерм збільшується з підвищенням температури. Система ізотерм наноситься шляхом використання рівняння (2.113). Лінії є плавними кривими з випуклостями, що повернені вгору, які розходяться. Вони побудовані за до-
Рисунок 2.17 – Координатна система Рисунок 2.18 – Схематичне зображення вологого повітря діаграми вологого повітря
помогою рівняння (2.108). В нижній частині діаграми наноситься лінія парціальних тисків водяної пари, котра міститься в вологому повітря, для чого використовується рівняння (2.110). діаграма дозволяє по відомих і знайти значення і , а по значенню знайти значення . Визначення цих величин показано на діаграмі для стану повітря, що зображується точкою .
5 На діаграмі можна зображувати процеси нагрівання, охолодження, змішування потоків, сушки матеріалів повітрям, а також їх розраховувати за допомогою неї. Процеси нагрівання повітря (в калориферах або повітропідігрівачах). Нехай 1 кг повітря з початковими параметрами і (або ) підігрівається до температури . Спочатку на діаграмі будується точка А (рисунок 2.19) як точка пере-тину ізотерми з лінією (або ). Під час нагрівання повітря вологовміст незмінний, тобто . Точка В, яка характеризує кінцевий стан вологого повітря, може бути побудована як точка перетину і .
Для точки А за допомогою діаграми визнача ють ентальпію , а для точки В - і . Відрізок АВ – це графічне зображення проце- су нагрівання повітря. Для визначення кількос- ті теплоти, необхідної для нагріву 1 кг повітря від до використовують формулу
, (2.115)
а для довільної маси повітря
|
||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-09-05; просмотров: 643; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.237.46.120 (0.187 с.) |