Парообразование: насыщенный и перегретый пар

В начале процесса нагрева воды, при достижении температуры 100°С на дне емкости (сосуда, прибора, котла) постепенно образуются пузырьки пара, которые поднимаясь вверх, не достигая поверхности, конденсируются в верхних более холодных, еще не прогретых до 100°С слоях воды. Через некоторое время, когда температура всего объема воды в сосуде повышается до 100°С, пузырьки пара начинают достигать верхнего слоя воды. То есть начинает происходить процесс кипения и испарения. При этом температура исходящего пара также составляет 100°С.

При увеличении подвода тепловой энергии интенсивность парообразования будет увеличиваться (количество пузырьков пара станет больше), но температура воды и выделяющегося пара будет прежней - 100°С, т.к. атмосферное давление останется неизменным. Напомним, что при атмосферных условиях (давление 1013 мбар) вода имеет температуру испарения 100°С. Но для простоты расчетов принято округлять значение давления до 1 бар (1000 мбар).

Вода на стадии испарения (при достижении температуры 100°С в атмосферных условиях) не может более принимать энергию, не изменив свое агрегатное состояние. Энтальпия (теплосодержание) воды, находящейся в данном состоянии определяется, как ее тепловая энергия насыщения и обозначается как h’.

Если нагреваемый сосуд - закрытого типа, вода и пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, при котором число молекул воды, превращающихся в пар, равно числу молекул, конденсирующихся обратно в воду (скорости процессов парообразования и конденсации одинаковы). При этом пар, находящийся в данном состоянии, называется насыщенным.
Чтобы продолжить процесс испарения и добиться полного испарения воды, необходимо передать ей больше энергии, чем тепловая энергия насыщения. Указанная энергия – это теплота парообразования r. Общая энтальпия полученного пара обозначается h” и определяется как:

h”=h’+r

1 кг пара при температуре 100°С обладает тепловой энергией примерно в 6 раз большей, чем 1 кг воды при 100°С. Когда пар с температурой 100°С отдает тепловую энергию, образуется конденсат. То есть процесс конденсации 1 кг пара, имеющего температуру 100°С, будет сопровождаться высвобождением тепловой энергии, которая будет в 6 раз больше, чем присутствует в воде с теми же параметрами. Количество теплоты, выделяемое при конденсации пара, называется тепловой энергией парообразования. Полученный при этом конденсат имеет такую же температуру, как и пар, из которого он был получен.

Значение температуры насыщения пара находится в прямой зависимости от давления пара в сосуде. От давления пара также зависят такие величины, как тепловая энергия насыщения и парообразования, энтальпия и удельный объем. Значения указанных параметров, соответствующих определенному давлению пара, приведены в Таблице насыщенного пара.

В таблице представлены следующие данные:
- температура насыщенного пара (ts, С), которая определяет точку кипения воды при определенном давлении. Значение указанной температуры также определяет температуру конденсации пара;
- удельный объем (v”, м3/кг) - объем, занимаемый единицей массы вещества. Величина удельного объема находится в обратной зависимости от увеличения давления пара;
- удельный вес (po, кг/м3), который показывает массу пара, выраженного в килограммах, содержащегося в 1 м3 объема. Удельный вес увеличивается при увеличении давления;
- энтальпия насыщения (h’, кДж/кг) – показатель количества тепловой энергии, которая необходима для доведения до кипения 1 кг воды при определенном давлении или количество тепловой энергии, которое содержит конденсат, сконденсированный из 1 кг пара при том же давлении. Чем выше давление пара, тем больше тепловой энергии несет конденсат;
- суммарная энтальпия пара (h”, кДж/кг);
- тепловая энергия парообразования (конденсации) (r, кДж/кг) – показатель количества тепловой энергии, требуемой для полного испарения 1 кг воды при определенном давлении или количество тепловой энергии, высвобождаемое при конденсации насыщенного пара при этом же давлении. При повышении давления количество тепловой энергии, которая требуется для полного испарения воды, уменьшается. А при конденсации такого насыщенного пара, соответственно, выделяется меньше энергии.

Для наглядности приведем пример расчета:

Сколько тепловой энергии необходимо, чтобы нагреть 10 м3 (10 000 кг) воды температурой 15°С до 90°С и какое количество пара необходимо для этого, при давлении пара в теплообменнике - 6 бар?

Удельная теплоемкость воды – 4,2 кДж/кг х К.

Сделаем расчет требуемого количества тепловой энергии:

А) Количество среды х перепад температуры х удельная теплоемкость = 10 000 х (90-15) х 4,2 = 3150000 кДж. При давлении 6 бар тепловая энергия конденсации - 2085 кДж/кг.

Б) Требуемое количество пара для нагрева воды: 3150000 / 2085 = 1511 кг. При этом температура конденсата, который будет отводиться через конденсатоотводчик из паровой сети, составит 159°С.

Пар, который имеет температуру и энтальпию при определенном давлении выше указанного в Таблице насыщенного пара, называется перегретым. Например, пар с давлением 9 бар и температурой 190°С является перегретым. Перегретый пар обладает меньшими теплопередающими свойствами по сравнению с насыщенным паром. Если перегретый пар используется в качестве теплоносителя, то значительная часть поверхности теплообмена будет использована для его охлаждения до температуры насыщенного пара. Как правило, перегретый пар используется в качестве энергоносителя паровых турбин.

При равном давлении удельный объем насыщенного пара значительно меньше, чем перегретого. Поэтому при переходе пара из насыщенного состояния в перегретое необходимо обращать внимание на уменьшение пропускной способности трубопроводов. Редуцируя (снижая) давление, насыщенный пар с давлением меньше 31 бар может перейти в перегретое состояние. При этом обмена тепловой энергии не происходит и никакая работа не производится.

С помощью h-t-p диаграммы, представленной ниже можно наглядно показать процессы испарения, конденсации, парообразования и т.д

К примеру, рассмотрим процесс редуцирования давления пара со 120 до 50 бар. Согласно диаграмме точка пересечения с линией давления 50 бар находится в зоне парообразования/конденсации. Часть пара будет конденсироваться, т.к. энтальпия насыщенного пара при давлении 120 бар - 2689,2 кДж/кг меньше, чем энтальпия пара с давлением 50 бар -2794,2 кДж/кг. Пересечение находится в зоне линии х=0,9 - значит 10% пара будет сконденсировано и пар станет «влажным».