Влажность пара

Влажность пара — отношение содержащейся в насыщенном паре капельной жидкости к общему количеству смеси фаз

${\displaystyle y={G_{f} \over {G_{f}+G_{s}}}}$,

где ${\displaystyle G_{f}}$ — масса жидкой фазы, ${\displaystyle G_{s}}$ — масса сухого пара. Аналогично определяется сухость пара

${\displaystyle x={G_{s} \over {G_{f}+G_{s}}}=1-y}$.

Обе величины могут, очевидно, принимать значения от 0 до 1. В расширенном понимании сухость пара, или паросодержание жидкостно-паровой смеси, можно определить через энтальпию среды ${\displaystyle i}$ и энтальпии насыщенной жидкости ${\displaystyle i'}$ и сухого насыщенного пара ${\displaystyle i''}$ как

${\displaystyle x={{i-i'} \over {i''-i'}}}$.

Данная величина может быть отрицательной для недогретой до кипения воды и превосходить единицу для перегретого пара.

В технике

При образовании насыщенного пара в котле часть воды остается в капельном состоянии. Также тепловые потери в трубопроводах приходят к дополнительному образованию конденсата, количество которого тем больше, чем выше был начальный уровень капельной влаги. В свою очередь, повышение доли конденсата ведёт к более интенсивным тепловым потерям. Кроме того, в котлах с перегревом пара унос влаги в пароперегреватель приводит к его быстрому загрязнению солями, растворимость которых в воде намного выше, чем в паре.

Для предотвращения уноса влаги в барабанах паровых котлов стремятся создать как можно большее зеркало испарения для снижения скорости среды, а также применяют специальные сепарационные устройства. Влажность пара на выходе из барабана удаётся снизить до 0,1—0,15 %^[1]. Перед паро-паровым перегревателем на АЭС также используется сепаратор, из которого влага удаляется в систему регенерации, а пар с высокой сухостью идёт на перегрев.

Крупнодисперсная капельная влага в паре придаёт ему абразивные свойства, приводит к быстрому износу клапанов и всех мест, где поток изменяет направление (более плотные, чем пар, капли обладают большой инерцией и бьют в стенку). В турбинной технике конечная влажность пара ограничена по условиям износа лопаток и снижения КПД последних отсеков величиной 8—14 % (предел снижается с ростом окружной скорости)^[2].

Способы снижения влажности пара

По вышеприведённым и другим причинам в некоторых случаях в технике допустимо применять исключительно полностью сухой насыщенный или перегретый (хотя бы незначительно) пар. В то же время многие доступные источники пара выдают слегка или сильно влажный пар (реакторы РБМК и многие парогенераторы АЭС, барабанные котлы на выходе из барабана, испарители, большинство скважин ГеоТЭС, низкие отборы турбин и т. п.). Для снижения и ликвидации влажности пара применяют следующие типы устройств:

Сепараторы

Механически разделяют фазы. В большинстве случаев эффект основан на том, что при поворотах потока более тяжёлая жидкость выбрасывается из него центробежной силой, а также на её свойстве прилипать к некоторым материалам (в частности, стали, чугуну). Соответственно, бывают циклонные, жалюзийные паросепараторы. Они могут устанавливаться внутри барабана или в иных местах.

Перегрев пара

Основная статья: Пароперегреватель

Первичный пароперегреватель устанавливается после испарительной поверхности теплоисточника (котла, парогенератора) перед подачей пара к месту использования; в большинстве крупных современных котлов он является неотъемлемой частью, иногда это отдельное устройство. После совершения работы в турбине пару можно сообщить дополнительную теплоту, после чего его влажность (если она была) убирается, а способность совершать работу (энтальпия) возрастает. На ТЭС и некоторых АЭС (в частности, в блоке БН-600) пар возвращают к источнику теплоты, где пропускают через специальный трубный пучок — промежуточный пароперегреватель. На значительной части АЭС пар в головной части турбины влажный изначально и дорабатывает до значительной влажности, затем его направляют в сепаратор, где по возможности удаляют влагу. Поскольку возвращать отсепарированный пар в парогенератор неудобно и ненадёжно, его перегрев обеспечивают первичным паром в поверхностном теплообменном аппарате — паро-паровом перегревателе.

Дросселирование

Давление пара сбрасывается без совершения работы и отбора тепла, в итоге его энтальпия в конце процесса превышает энтальпию насыщенного пара при этом более низком давлении. Проблема заключается в том, что при параметрах примерно 235/3,08 МПа энтальпия насыщенного водяного пара имеет максимум; если дросселировать пар около линии насыщения более высоких параметров, его влажность сначала будет расти, что приведёт к быстрому износу редукционной установки и позволит получить сухой пар только низких параметров^[3].

Паросодержание и скорости фаз в двухфазных потоках

В двухфазных потоках пар и жидкость могут двигаться с разной скоростью: например, при подъёмном движении более плотные капли жидкости отстают от пара, а при опускном опережают его. Кроме того, при расчёте динамики движения таких потоков (например, при расчёте циркуляции в трубах испарительной поверхности котлов) важно соотношение не столько веса, сколько объёмов фаз.^[4]

Скорость циркуляции ${\displaystyle w_{0}}$

скорость воды, м/с, при температуре насыщения (плотность ${\displaystyle \rho '}$ кг/м³), соответствующая расходу ${\displaystyle G_{f+s}}$, кг/с, рабочего тела в канале сечением ${\displaystyle f}$, м²

${\displaystyle w_{0}=G_{f+s}/(\rho 'f\,)}$

Приведённая скорость воды ${\displaystyle w_{0}^{\prime }}$, пара ${\displaystyle w_{0}^{\prime \prime }}$

скорость, которую имела бы фаза, проходя через полное поперечное сечение

${\displaystyle w_{0}^{\prime ,\prime \prime }=G_{f,s}/(\rho ^{\prime ,\prime \prime }f)}$

Истинные (среднерасходные) скорости пара и воды

${\displaystyle w''=G_{s}/(\rho ^{\prime \prime }f_{s})}$, ${\displaystyle w'=G_{f}/(\rho ^{\prime }(f-f_{s}))}$,

где ${\displaystyle f_{s}}$, м² — площадь сечения, занятая паром.

Относительная скорость пара ${\displaystyle w_{r}}$

разность истинных скоростей пара и воды (${\displaystyle w''=G_{s}/(\rho ^{\prime \prime }f_{s})}$, ${\displaystyle w'=G_{f}/(\rho ^{\prime }(f-f_{s}))}$)

${\displaystyle w_{r}=w''-w'}$

Скорость пароводяной смеси ${\displaystyle w_{f+s}}$

отношение объёмного расхода, м³/с, смеси в трубе ${\displaystyle V_{f+s}=G_{f}/\rho '+G_{s}/\rho ''}$ к её сечению

${\displaystyle w_{f+s}=V_{f+s}/f}$

Массовое паросодержание ${\displaystyle x}$

массовая доля расхода пара в потоке при ${\displaystyle w'=w''}$, ${\displaystyle x=G_{s}/G_{f+s}}$. Поскольку скорости фаз обычно не равны, при заборе пробы из трубы получается соотношение, не отражающее истинный перенос энтальпии потоком.

Объёмное расходное паросодержание ${\displaystyle \beta }$

объёмная доля расхода пара в потоке при ${\displaystyle w'=w''}$. При любом соотношении скоростей

${\displaystyle \beta ={V_{s} \over V_{f+s}}={1 \over 1+{{{1-x} \over x}{\rho '' \over \rho '}}}}$

Истинное (напорное) паросодержание ${\displaystyle \varphi }$

доля сечения трубы, занятого паром: ${\displaystyle \varphi =f_{s}/f}$. Эта величина (средняя по высоте) используется при расчёте напора ${\displaystyle \Delta p_{a}}$, Па, естественной циркуляции: при высоте системы ${\displaystyle h}$ и плотности воды в опускной трубе ${\displaystyle \rho '}$

${\displaystyle \Delta p_{a}=gh\langle \varphi \rangle _{h}(\rho '-\rho '')}$,

где ${\displaystyle g\approx 9,807}$ м/с² — ускорение свободного падения. Поскольку движение в обогреваемой трубе подъёмное, ${\displaystyle \varphi <\beta }$, и напор естественной циркуляции меньше, чем можно было бы предположить, исходя из значения кратности циркуляции.

Примечания

Литература

• Влажность пара // Техническая энциклопедия. Т. 3, 1928.

Ссылки

• Что такое влажный пар?

Эта страница в последний раз была отредактирована 9 мая 2024 в 20:54.