Что такое перегретый пар

Парообразование: насыщенный и перегретый пар

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:

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

ДИАГРАММА

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».

Перегретый пар

Перегре́тый пар — пар, нагретый до температуры, превышающей температуру кипения при данном давлении. Перегретый пар используется в циклах различных тепловых машин с целью повышения их КПД. Получение перегретого пара происходит в специальных устройствах — пароперегревателях.

Если насыщенный пар продолжать нагревать в отдельном объёме, не имеющем воды, то получится перегретый пар. При этом сначала испарится влага, содержащаяся в паре, а затем начнётся повышение температуры и увеличение удельного его объёма.

Перегретый пар обладает следующими основными свойствами и преимуществами:

  • при одинаковом давлении с насыщенным паром имеет значительно бо́льшую температуру и теплосодержание;
  • имеет больший удельный объём в сравнении с насыщенным паром, то есть объём 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объема 1 кг насыщенного пара. Поэтому в паровых машинах для получения необходимой мощности перегретого пара по массе потребуется меньше, что даёт экономию в расходе воды и топлива;
  • перегретый пар при охлаждении не конденсируется; конденсация при охлаждении наступает лишь тогда, когда температура перегретого пара станет ниже температуры насыщенного пара при данном давлении.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Перегретый пар» в других словарях:

ПЕРЕГРЕТЫЙ ПАР — (Superheated steam) пар, который получается посредством подогрева насыщенного пара в пароперегревателе. Для паровых машин и турбин применяется почти исключительно перегретый пар, т. к. перегрев пара значительно повышает экономичность паросиловой… … Морской словарь

ПЕРЕГРЕТЫЙ ПАР — пар, имеющий темп ру выше темп ры насыщения при том же давлении (см. НАСЫЩЕННЫЙ ПАР). П. п. служит рабочим телом в тепловых двигателях, турбинах и т. д. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М.… … Физическая энциклопедия

перегретый пар — Пар, имеющий температуру более высокую, чем температура насыщенного пара при том же давлении. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 103. Термодинамика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.] EN superheated steam… … Справочник технического переводчика

перегретый пар — perkaitintasis garas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Garas, kurio temperatūra yra aukštesnė už to paties slėgio sočiųjų garų temperatūrą. atitikmenys: angl. highly preheated steam; superheated steam vok. überhitzter… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

перегретый пар — 3.66 перегретый пар : пар после пароперегревателя котла. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

перегретый пар — perkaitintieji garai statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. superheated steam vok. überhitzter Dampf, m rus. перегретый пар, m pranc. vapeur surchauffée, m … Automatikos terminų žodynas

перегретый пар — perkaitintasis garas statusas T sritis chemija apibrėžtis Garas, kurio temperatūra yra aukštesnė už to paties slėgio sočiųjų garų temperatūrą. atitikmenys: angl. gaseous steam; highly preheated steam; superheated steam rus. перегретый пар … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

перегретый пар — perkaitintieji garai statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. superheated steam; superheated vapor; superheated vapour vok. überhitzter Dampf, m rus. перегретый пар, m pranc. vapeur surchauffée, f … Fizikos terminų žodynas

перегретый пар — perkaitintasis garas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Garas, kurio temperatūra aukštesnė už sauso sočiojo garo temperatūrą esant tam pačiam slėgiui. atitikmenys: angl. superheated steam vok. überhitzter Dampf, m rus. перегретый пар, m… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Перегретый пар — пар, имеющий температуру выше температуры насыщения при том же давлении. Водяной П. п., служащий рабочим телом паровых двигателей, получают в пароперегревателях (См. Пароперегреватель) котлоагрегата. Чем выше температура водяного П. п.,… … Большая советская энциклопедия

Типы пара

Если вода нагревается выше точки кипения, она становится паром или водой в газообразном состоянии. Однако все виды пара разные, и их свойства существенно варьируются в зависимости от давления и температуры.

В статье Основные сферы применения пара, мы рассмотрели различные процессы, в которых используется пар. А теперь поговорим о типах пара, применяемых в этих процессах.

Соотношение давления и температуры воды и пара

Для просмотра анимации кликните на слово

Насыщенный (сухой) пар возникает, когда вода нагревается до температуры кипения (контактное тепло), а затем испаряется с помощью дополнительного подогрева (скрытое тепло). Если этот пар далее нагревается выше точки насыщения, он становится перегретым паром (контактное тепло).

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.

Читайте также  Холодильник с двумя дверями как называется

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

  • 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.

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.

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.

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.

Различные состояния воды

Ненасыщенная вода

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

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

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

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.

Параметры пара

Свойства пара определяются его параметрами, то есть величинами, характеризующими состояние пара (давление, температура, степень сухости, энтальпия, теплосодержание и т. д.). Тепловая энергия подводится к паровой турбине при помощи водяного пара, являющегося носителем тепловой энергии (теплоносителем).

Насыщенный пар

Если нагревать воду в открытом сосуде, то температура ее будет постепенно повышаться, пока не достигнет примерно 100 0 С; после этого дальнейшее повышение температуры прекращается и начинается кипение воды, то есть бурный переход ее в парообразное состояние. Температура воды во время кипения остается одной и той же, так же как температура получающегося над водой пара; она равна точно 100 0 С при нормальном атмосферном давлении, равном давлению ртутного столба 760 мм высотой. Искусственно изменяя давление, можно изменять температуру кипения в очень широких пределах; при увеличении давления температура кипения повышается, при уменьшении давления – понижается.

Так, при давлении 0,02 ата (0,02 от атмосферного давления) вода кипит при 17,2 0 С, а при давлении 10 ата при 179 0 С.

схема получения насыщенного пара, температура насыщенного пара

Температура пара над водой, из которой он получается (рис. 1), всегда равна температуре этой воды. Получающийся над водой пар называется насыщенный пар.

Определенной температуре насыщенного пара всегда соответствует определенное давление, и наоборот, определенному давлению всегда соответствует строго определенная температура.

В (таблице 1) приводится зависимость между температурой и давлением насыщенного пара.

Измерив термометром температуру насыщенного пара, можно по этой таблице определить его давление или, измерив давление, определить температуру.

При образовании пара в паровое пространство котла всегда попадают частицы воды, увлекаемые выделяющимся паром; особенно сильное увлажнение пара происходит в современных мощных котлах при работе их с большой нагрузкой. Кроме того, насыщенный пар обладает тем свойством, что при самом незначительном отнятии теплоты часть пара обращается в воду (конденсируется); вода в виде мельчайших капелек удерживается в паре. Таким образом, практически мы всегда имеем смесь сухого пара и воды (конденсата); такой пар называется влажный насыщенный пар. Так же как и у сухого насыщенного пара, температура влажного пара всегда соответствует его давлению.

Состав влажного пара принято выражать в весовых частях пара и воды. Вес сухого пара в 1 кг влажного пара называется или и обозначается буковой «х». Значение «х» обычно дают в сотых долях. Таким образом, если говорят, что у пара «х»=0,95, то это значит, что во влажном паре содержится по весу 95% сухого пара и 5% воды. При «х»=1 насыщенный пар носит название сухого насыщенного пара.

Один килограмм воды при своем испарении дает один килограмм пара; объем получающегося пара зависит от его давления, а следовательно, и от температуры. В противоположность воде, которая по сравнению с газами почти несжимаема, пар может сжиматься и расширяться в очень широких пределах.

Удельный объем, то есть объем 1 кг пара, при давлении 1 ата для сухого насыщенного пара равен 1,425 м 3 , то есть в 1725 раз больше объема 1 килограмма воды. При повышении давления удельный объем пара уменьшается, та как пар как упругое тело сжимается; так, при давлении 5 ата объем 1 кг сухого насыщенного пара уже равен только 0,3816 м 3 .

Энтальпия пара(теплосодержание) – практически определяется как количество тепла, которое нужно для поучения 1 кг пара данного состояния из 1 кг воды при 0 0 С, если нагрев происходит при постоянном давлении.

Понятно, что при одной и той же температуре энтальпии пара значительно больше, чем энтальпия воды. Для того чтобы нагреть 1 кг воды от 0 до 100 0 С, нужно затратить приблизительно 100 ккал тепла, так как теплоемкость воды равна приблизительно единице. Для того же, чтобы превратить эту воду в сухой насыщенный пар, нужно сообщить воде добавочно значительное количество теплоты, которое расходуется на преодоление внутренних сил сцепления между молекулами воды при переходе ее из жидкого состояния в парообразное и на совершение внешней работы расширения пара от начального объема v / (объем воды) до объема v // (объема пара).

Читайте также  Какой холодильник лучше однокомпрессорный или двухкомпрессорный

Это добавочное количество теплоты называется теплота парообразования.

Следовательно, энтальпия сухого насыщенного пара будет определяться так:

i // =i / +r, ккал/кг,

где i // — полная теплота (энтальпия пара); i / — энтальпия воды при температуре кипения; r – теплота парообразования.

Например, при давлении 3 кг/см 3 теплосодержание 1 кг кипящей воды равно 133,4 ккал, а теплота парообразования равна 516,9 ккал/кг; отсюда энтальпия сухого насыщенного пара при давлении 3 кг/см 2 будет:

i // =133,4+516,9=650,3 ккал/кг (табл 2)

в сильной степени зависит от его степени сухости; с уменьшением степени сухости пара его энтальпия уменьшается.

Энтальпия влажного пара равна:

iвл=i / (1-x)+ i // x, ккал /кг.

Эту формулу легко уяснить себе на следующем примере: допустим, что давление пара 5 кг/см 2 и степень сухости 0,9 иначе говоря, 1 кг этого пара содержит 0,1 кг воды и 0,9 кг сухого пара. По (табл 2) находим, что энтальпия воды при давлении 5 кг/см 2 равна округленно 152 ккал/кг, а энтальпия сухого пара 656 ккал/кг; так как влажный пар состоит из смеси сухого пара и воды, то энтальпия влажного пара в данном случае будет равна:

Следовательно, энтальпия влажного пара будет в этом случае примерно на 50 ккал/кг меньше, чем сухого насыщенного пара того же давления.

Перегретый пар

схема получение перегретого пара

Если насыщенный пар отвести от поверхности испарения воды в котле и продолжать нагревать его отдельно, то температура пара будет подниматься и объем его увеличиваться. Устройство, в котором пар подогревается (пароперегреватель), сообщается с паровым пространством котла (рис 2). Пар, температура которого выше температуры кипения воды при том же давлении, называется . Если давление пара равно 25 ата, а температура его 425 0 С, то он прегрет на 425 – 222,9 = 202,1 0 С, так как давлению 25 ата соответствует температура насыщенного пара, равная 222,9 0 С (табл 2)

Энтальпия перегретого пара

I=i / +a=i / +r+a, ккал/кг.

Следовательно, она превышает энтальпию сухого насыщенного пара того же давления на величину, выражающую собой количество теплоты, дополнительно сообщенное пару при перегреве; это количество теплоты равно:

а=ср(t2 – t1), ккал/кг,

где ср – средняя теплоемкость 1 кг пара при постоянном давлении. Ее величина зависит от давления и температуры пара; в (табл. 3) даны значения ср для некоторых температур и давлений;

t1 – температура насыщенного пара; t2 – температура перегретого пара.

Энтальпии перегретого пара для некоторых давлений и температур приведены в (табл. 4).

Перегревая свежий пар, мы сообщаем ему дополнительную теплоты, то есть увеличиваем начальную энтальпию. Это приводит к увеличению использованного теплопадения и повышению экономического к.п.д. установки работающей на перегретом паре. Кроме того, перегретый пар при движении в паропроводах не конденсируется в воду, так как конденсация может начаться только с момента, когда температура перегретого пара понизиться на столько, что он перейдет в насыщенное состояние. Отсутствие конденсации свежего пара особенно важно для паровых турбин, вода, скопившаяся в паропроводе и увлеченная паром в турбину, легко может разрушить лопатки турбины.

Преимущество перегретого пара настолько значительны и выгодность его применения настолько велика, что современные турбинные установки работают почти исключительно перегретым паром.

В настоящее время большинство тепловых электростанций строится с параметрами пара свыше 130 – 150 ата и свыше 565 0 С. В дальнейшем для самых мощных блоков предполагается по мере освоения новых жаростойких сталей повысить параметры до 300 ата и 656 0 С.

При расширении перегретого пара его температура понижается, по достижении температуры насыщения перегретый пар проходит через состояние сухого насыщенного пара и превращается во влажный пар.

Перегретый пар — Superheated steam

Перегретый пар — это пар с температурой выше точки его испарения при абсолютном давлении, при котором температура измеряется.

Поэтому перегретый пар может охладиться (потерять внутреннюю энергию ) на некоторую величину, что приведет к снижению его температуры без изменения состояния (т. Е. Конденсации ) с газа на смесь насыщенного пара и жидкости . Если ненасыщенный пар (смесь, которая содержит как водяной пар, так и жидкие капли воды) нагревается при постоянном давлении , его температура также останется постоянной, поскольку качество пара (например, сухость или процент насыщенного пара) увеличивается до 100% и становится сухим ( т.е. без насыщенной жидкости) насыщенный пар. Продолжая подвод тепла, тогда сухой насыщенный пар будет «перегреваться». Это произойдет, если насыщенный пар попадет на поверхность с более высокой температурой.

Перегретый пар и жидкая вода не могут сосуществовать при термодинамическом равновесии , так как любое дополнительное тепло просто испаряет больше воды, и пар становится насыщенным паром. Однако это ограничение может временно нарушаться в динамических (неравновесных) ситуациях. Для производства перегретого пара на электростанции или для технологических процессов (например, для сушки бумаги) насыщенный пар, отбираемый из котла , пропускается через отдельное нагревательное устройство ( перегреватель ), которое передает дополнительное тепло пару путем контакта или излучения .

Перегретый пар не подходит для стерилизации . Это потому, что перегретый пар сухой. Сухой пар должен достигать гораздо более высоких температур, а материалы, подвергающиеся воздействию в течение более длительного периода времени, должны иметь такую ​​же эффективность; или равное значение уничтожения F0 . Перегретый пар также бесполезен для обогрева, но он обладает большей энергией и может выполнять больше работы, чем насыщенный пар, но теплосодержание гораздо менее полезно. Это связано с тем, что перегретый пар имеет тот же коэффициент теплопередачи , что и воздух, что делает его изолятором — плохим проводником тепла. Насыщенный пар имеет гораздо более высокий коэффициент теплоотдачи стенок.

Слегка перегретый пар можно использовать для антимикробной дезинфекции биопленок на твердых поверхностях.

Самая большая ценность перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которую можно использовать для кинетической реакции за счет механического расширения лопаток турбины и возвратно-поступательных поршней , вызывающих вращательное движение вала. Ценность перегретого пара в этих применениях заключается в его способности выделять огромное количество внутренней энергии, оставаясь при этом выше температуры конденсации водяного пара; при давлениях, при которых работают реактивные турбины и поршневые двигатели.

Первостепенное значение в этих применениях имеет тот факт, что водяной пар, содержащий увлеченные капли жидкости, обычно несжимаем при таких давлениях. В поршневом двигателе или турбине, если пар, выполняющий работу, охлаждается до температуры, при которой образуются капли жидкости, то капли воды, захваченные потоком жидкости, ударяются о механические части с достаточной силой, чтобы изгибать, трескать или ломать их. Перегрев и снижение давления за счет расширения гарантирует, что поток пара остается в виде сжимаемого газа на протяжении всего его прохождения через турбину или двигатель, предотвращая повреждение внутренних движущихся частей.

СОДЕРЖАНИЕ

Насыщенный пар

Насыщенный пар — это пар, который находится в равновесии с нагретой водой при том же давлении, т. Е. Он не был нагрет выше точки кипения для его давления. Это отличается от перегретого пара, в котором пар (пар) был отделен от водяных капель, а затем было добавлено дополнительное тепло.

Эти капли конденсата являются причиной повреждения лопаток паровой турбины , поэтому такие турбины используют сухой перегретый пар.

Сухой пар — это насыщенный пар, который слегка перегрет. Этого недостаточно для значительного изменения его энергии, но достаточно для повышения температуры, чтобы избежать проблем с конденсацией, учитывая среднюю потерю температуры в контуре подачи пара. К концу 19-го века, когда перегрев был еще не вполне определенной технологией, такая сушка паром давала преимущества перегрева, предотвращающие конденсацию, и не требовала сложных бойлеров или смазочных технологий полного перегрева.

Напротив, водяной пар, содержащий капли воды, описывается как влажный пар . Если влажный пар нагревается дальше, капли испаряются, и при достаточно высокой температуре (которая зависит от давления) вся вода испаряется, система находится в равновесии пар-жидкость , и она становится насыщенным паром .

Насыщенный пар полезен для передачи тепла из-за высокой скрытой теплоты парообразования. Это очень эффективный способ передачи тепла. С точки зрения непрофессионала, насыщенный пар находится в точке росы при соответствующей температуре и давлении. Типичная скрытая теплота парообразования (или конденсации) составляет 970 БТЕ / фунт (2256,5 кДж / кг) для насыщенного пара при атмосферном давлении.

Использует

Паровой двигатель

Перегретый пар широко применялся в магистральных паровозах . Насыщенный пар имеет три основных недостатка паровой машины : он содержит мелкие капли воды, которые необходимо периодически сливать из цилиндров; будучи точно в точке кипения воды для рабочего давления котла, он неизбежно в некоторой степени конденсируется в паропроводах и цилиндрах вне котла, вызывая при этом непропорциональную потерю объема пара; и это предъявляет высокие требования к котлу.

Перегрев пара эффективно сушит его, повышает его температуру до точки, при которой конденсация гораздо менее вероятна, и значительно увеличивает его объем. В совокупности эти факторы увеличивают мощность и экономичность локомотива. Основными недостатками являются дополнительная сложность и стоимость трубок пароперегревателя, а также отрицательное влияние «сухого» пара на смазку движущихся компонентов, таких как паровые клапаны. На маневровых тепловозах перегрев обычно не применялся.

Обычное устройство включает в себя отбор пара после регулирующего клапана и пропускание его через длинные трубы пароперегревателя внутри особо больших пожарных труб котла. Трубки пароперегревателя имели обратный («торпедный») изгиб на конце топки, так что пар должен был пройти по длине котла не менее двух раз, забирая при этом тепло.

Обработка

Другие потенциальные применения перегретого пара включают: сушка, очистка, наслоение, разработка реакций, сушка эпоксидной смолы и использование пленки, где требуется насыщенный или сильно перегретый пар при одном атмосферном давлении или при высоком давлении. Идеально подходит для сушки паром, окисления паром и химической обработки. Используется в технологиях обработки поверхностей, технологиях очистки, сушке паром, катализе, химической обработке, технологиях сушки поверхностей, технологиях отверждения, энергетических системах и нанотехнологиях.

Сообщалось о применении перегретого пара для очистки окружающей среды на предприятиях по переработке сухих пищевых продуктов.

Перегретый пар обычно не используется в теплообменнике из-за низкого коэффициента теплопередачи. В нефтеперерабатывающей и углеводородной промышленности перегретый пар в основном используется для отпарки и очистки.

Читайте также  Что такое осушитель воздуха

Борьба с вредителями

Пар используется для пропаривания почвы с 1890-х годов. Пар проникает в почву, что вызывает разрушение почти всего органического материала (используется термин «стерилизация», но это не совсем правильно, поскольку не обязательно все микроорганизмы погибают). Обработка почвы паром является эффективной альтернативой многим химическим веществам в сельском хозяйстве и широко используется в теплицах. В этом процессе в основном используется влажный пар, но если требуется температура почвы выше 212 ° F (100,0 ° C) точки кипения воды, необходимо использовать перегретый пар.

Что такое насыщенный и перегретый пар

Термины насыщенный пар и перегретый пар относятся к термодинамическому состоянию воды. Вода и пар являются средами, используемыми для теплообмена в котловых установках благодаря своей доступности и высокой теплоемкости. Особенно эффективно передавать тепло посредством испарения и конденсации воды, которая обладает большой скрытой теплоты испарения.

Насыщенный пар (НП) и перегретый пар (ПП) относятся к определенному давлению среды. Первый НП может существовать во влажном и сухом состоянии, а перегретый ПП – только в сухом, поскольку не может содержать в своем составе частиц воды.

Чаще всего эти понятия применяются в теплоэнергетике, для расчета термодинамических циклов в контуре парового котла и в паровых турбинах, генерирующих электрическую энергию на ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС и АЭС.

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.

Здесь начинается процесс парообразования, поскольку температура воды достигает значения точки насыщения при рабочем давлении в котлоагрегате.

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))

  • 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

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

Удельная энтальпия пара сухостью Х:

h = h f + X * h fg

  • 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.

Перегретый пар

Перегретый пар — это пар с температурой, превышающей его температуру кипения при абсолютном давлении, при котором проводились измерение температуры. Давление и температура перегретого пара не зависят друг от друга, поскольку температура может увеличиваться, в то время как давление остается постоянным.

Процесс перегрева водяного пара на диаграмме Ts представлен на рисунке между состоянием E и кривой насыщенного пара. Чтобы оценить тепловую эффективность цикла, энтальпия должна быть получена из таблиц перегретого пара.

Процесс перегрева — единственный способ увеличить пиковую температуру цикла Ренкина и повысить эффективность без увеличения давления в котле. Это требует добавления в конструкцию котла особого теплообменника, называемого пароперегревателем.

В пароперегревателе дальнейший нагрев при фиксированном давлении приводит к увеличению, как температуры, так и удельного объема. Наибольшее значение перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которая может быть использована для кинетической реакции для движения лопастей турбины, создающих вращательное движение вала.

Температура перегретого пара

Характеристики перегретого пара (ПП) аналогичны идеальному газу, но не равны насыщенному пару. Поскольку ПП не обладает зависимостью между температурой и давлением, при конкретном давлении он может вырабатываться в широком температурном диапазоне, что будет зависеть от площади нагрева пароперегревателя.

Перегретый пар отличается от насыщенного такими преимуществами:

  • gри равном давлении насыщения он обладает намного большей температурой;
  • обладает большим удельным объемом, что дает экономию энергоресурсов при использовании;
  • при снижении он не конденсируется, пока температура не упадет ниже точки насыщения при давлении среды.

Методы регулирования температуры перегретого пара

Довольно часто для технологических процессов, требуется получение перегретого пара строго определенной температуры. Для того чтобы снять ее излишки, обычно используют три метода воздействия на температуру ПП:

  • cмешивание разных температурных потоков, когда в ПП впрыскивают котловую воду или паровой теплоноситель меньшего теплосодержания;
  • поверхностное охлаждение, заключается в перенаправление ПП через систему специальных теплообменных аппаратов, выполняющих роль охладителей;
  • изменение тепловосприятия потока, реализуется через изменение температуры или расхода уходящих котловых газов.

В теплоэнергетике в котлах высокого давления наиболее часто применяют первый метод, путем впрыскивания в поток ПП питательной воды или конденсата от турбогенератора. Впрыском насыщенного пара, как правило, регулируют температуру вторичного перегрева пара.

Получение перегретого пара

Пароперегреватель устройство, устанавливаемый в котлоагрегате, вырабатывает перегретый пар с параметрами, превышающими температуру насыщения в барабане котла. Он относится к особо критичным котловым элементам, поскольку из-за высоких температур ПП металл конструкции функционирует в предельно-допустимых условиях.

Пароперегреватели бывают основного типа, работающие в зоне сверхкритического давления и промежуточного типа, которые направляют пар отработанный в турбине для промперегрева.

Кроме того пароперегреватели классифицируются по тепловосприятию на конвективные, установленные в конвективной части котла, радиационные — расположены около топочных экранов и ширмовые — установленные в верхней части топки. По направлению движения потоков ПП и уходящих котловых газов выпускают ПП : прямоточные, противоточные и смешанные.

Использование перегретого пара в технике

В современных паровых турбинах применяют ПП с температурой перегретого пара существенно выше критической (374C).

Перегретый пар используется в турбинах для повышения теплового КПД. Другое использование перегретого пара:

  • Пищевые технологии.
  • Технологии очистки.
  • Катализ / химическая обработка.
  • Технологии поверхностной сушки.
  • Технологии отверждения.
  • Энергетика.
  • Нанотехнологии.

Котлы перегретого пара

В России применяется ГОСТ 3619-76 на паровые котлоагрегаты, в котором установлены параметры насыщенного и перегретого пара, а также паровая производительность и температура воды для питания котла.

Современная российская энергетика использует котлоагрегаты производительностью вырабатывающих 1000/1650/2650/3950 т/ч пара для турбогенераторов соответствующей мощностью 300/500/800/1200 МВт, работающих на сверхкритических параметрах по давлению 25,5 МПа и Тпп=545С.

Энергетические котлы классифицируются по давлению пара — высокого от 10 до 14 МПа и сверхкритического свыше 25,5 МПа. Котлоагрегаты сверхвысокого давления, обычно, выполняют с вторичным перегревом пара.

Паровые котлоагрегаты малой и средней паропроизводительности используются для производства насыщенного и перегретого пара с характеристиками до 3,9 МПа и Т=450 С. Они эксплуатируются на промпредприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве для производственно-технологических нужд и в системах центрального теплоснабжения.

Типичными представителями агрегатов данной категории являются котел Е (ДЕ) производительностью пара от 1 до 25 т/ч, Е (КЕ) производительностью пара до 25 т/ч с газомазутной горелкой и ДКВР производительностью до 20 т/ч. Их применение – источники тепловой энергии для центрального теплоснабжения с параметрами насыщенного и перегретого пара.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: