ВОДЯНОЙ ПАР

II. ПОЛУЧЕНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА

1. НАСЫЩЕННЫЙ И ПЕРЕГРЕТЫЙ ПАР

Одяной пар можно получить в* открытом и в закрытом сосуде. В каждом случае температура и давление пара будут разные.

При нагревании воды в открытых сосудах нижние, бо­лее теплые слои ее поднимаются вверх, перемешиваясь с холодными верхними слоями, опускающимися вниз. С увеличением нагревания эти токи перемешивания будут усиливаться за счет пузырьков пара, образующихся на обогреваемом дне сосуда и энергично всплывающих вверх. Когда температура воды достигнет 100° С, то вода заки­пит и с этого момента температура ее будет оставаться неизменной до тех пор, пока она вся обратится в пар. Тепло, сообщаемое при этом воде, будет расходоваться только на испарение, т. е. на преодоление сцепления мо­лекул воды между собой.

Иная картина будет, если нагревать и испарять воду в закрытом сосуде. Молекулы образующегося пара, число которых будет все время увеличиваться, не находя сво­бодного выхода, начинают чаще сталкиваться друг с дру­гом и со стенками сосуда. При этих столкновениях их скорость уменьшается, и кинетическая энергия превра­щается в потенциальную — возникает давление, темпера­тура кипящей воды и пара повышается. Чем выше дав­ление пара, тем выше температура его образования.

За единицу измерения давления принято давление ат­мосферного воздуха, равное (округленно) давлению 1 ки­лограмма на 1 квадратный сантиметр; это давление называется технической атмосферой или просто атмосфе­рой. Следует различать избыточное давление, показывае­мое измерительными приборами, и абсолютное давление. Последнее получается, если к измеренному избыточному прибавим давление окружающего воздуха, т. е. еще одну атмосферу. Давление ниже атмосферного называется разрежением или вакуумом. В вакууме водяной пар об­разуется при температуре ниже 100° С, например, при абсолютном давлении 0,03 атмосферы вода будет кипеть при температуре всего лишь 23,8° С.

При испарении воды более быстро двигающиеся мо­лекулы преодолевают силы взаимного притяжения и вы­рываются из жидкости. Некоторые молекулы, вылетев из жидкости и испытав ряд столкновений с другими молеку­лами, возвращаются в жидкость. Пока число молекул, вылетающих из жидкости, больше числа возвращающихся в нее, жидкость испаряется. Чем больше скопляется мо­лекул над поверхностью жидкости, тем больше их воз­вращается в жидкость. Наконец, наступает момент, когда число вылетающих молекул будет равно числу возвра­щающихся; дальнейшее испарение жидкости прекра­щается; в этом случае говорят, что пространство над жидкостью насыщено молекулами пара, а пар, находя­щийся над жидкостью, называют насыщенным. Температура насыщенного пара равна температуре жидкости. Давление насыщенного пара — наибольшее давление, которое может иметь пар при данной тем­пературе.

Можно ли это давление изменить при той же темпе­ратуре? Нет, нельзя. Если при этой температуре увели­чить объем, то давление временно уменьшится и жидкость будет вновь испаряться до тех пор, пока давление станет прежним. Если же уменьшить объем, т. е. сжимать пар, то часть его обратится в жидкость и давление останется неизменным. В этом свойстве насыщенного пара (по­стоянство давления при данной температуре) и заклю­чается его отличие от газов, давление которых увеличи­вается при сжатии и уменьшается при расширении. Давление насыщенного пара можно изменить при том условии, если он не находится в соприкосновении с жид­костью. В этом случае он может быть насыщенным только до определенного объема. Как только этот объем изме­нится, пар перестанет быть насыщенным и давление его изменяется так же, как и у газов.

Чтобы воду превратить в пар, надо затратить какое - то количество теплоты. Какое? Это зависит от давления.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 килограмма воды с температурой 0° С в пар, назы­вается теплосодержанием. Теплосодержание на­сыщенного пара складывается из теплоты жидко­сти (то есть того количества теплоты, которое необхо­
димо для подогрева воды от 0° С до температуры кипения, соответствующей данному давлению) некрытой теп­лоты парообразования (или теплоты испаре­ния). Теплота жидкости по мере повышения давления возрастает сначала довольно быстро, но потом, начиная с 30—35 атмосфер, несколько медленнее (рис. 1).

Теплосодержание пара 669,6 665,4

638.8

498

Ж

Lam 30am 60am 100am 150am EOOam 225,65am

: Теплота жидкости в мал ; V;-: Теплота испарения в тал

Рис. 1. Зависимость теплоты жидкости, теплоты испа­рения и теплосодержания насыщенного пара от давления.

Теплота испарения при увеличении давления уменьшается в силу того, что нагретая жидкость несколько расши­ряется и связь между ее молекулами ослабевает; кроме того, молекулы движутся в ней быстрее и большее число их приобретает скорость, достаточную для того, чтобы покинуть жидкость. За единицу измерения тепла в тех­нике принята килокалория — количество теплоты, кото­рое необходимо для того, чтобы нагреть 1 килограмм воды на 1° С.

В результате полное теплосодержание 1 килограмма насыщенного пара, равное при атмосферном давлении 638,8 килокалории, при повышении давления сначала возрастает, при давлении 30—35 атмосфер достигает наибольшего значения 669,6 килокалории, затем начи­
нает уменьшаться и при абсолютном давлении 225,65 ат­мосферы и температуре 374,15° С доходит до 498 килока­лорий. Теплота испарения при этом равна нулю.

Таким образом, для получения пара очень высокого давления требуется меньше тепла, а следовательно, и меньше топлива, чем при низком давлении. Значит, пар высокого давления экономичнее пара низкого дав­ления.

Давление 225,65 атмосферы, соответствующее темпе­ратуре насыщенного водяного пара 374,15° С, и состояние пара при этом давлении и температуре называются кри­тическими. Критическое состояние замечательно тем, что вес одного кубического метра пара, увеличивающийся при возрастании давления, и вес кубического метра воды, наоборот, уменьшающийся, становятся в этом случае оди­наковыми и равными 323 килограммам, т. е. мы име­ем дело не с водой и находящимся над ней паром, а с однородным телом, имеющим однообразные физи­ческие свойства.

Насыщенный пар при охлаждении, например при соприкосновении с холодными стенками, частично обра­щается в воду, т. е. конденсируется. Тепловая энергия сконденсировавшегося пара большею частью теряется бесполезно. Поэтому для уменьшения конденсации пара паропроводы, по которым он подводится к месту потреб­ления, машины и аппараты, в которых он используется, изолируют, покрывают материалами, плохо проводя­щими тепло.

Есть еще одно интересное свойство водяного пара. Если насыщенный пар пропустить через трубки, обогре­ваемые горячими газами (пароперегреватель), не изме­няя при этом давления, то температура пара повышается и она уже не зависит от давления. Такой пар называется перегретым; его теплосодержание, а следовательно, и работоспособность будут выше, чем у насыщенного пара.

Перегретый пар имеет то преимущество перед насы­щенным, что при соприкосновении с холодными стенками трубопроводов и внутренними частями машин он лишь несколько остывает, но не конденсируется. Поэтому его теплота используется в большей степени.

При превращении тепловой энергии пара в механиче­скую (например, в паровозе, паротурбине) теплосодержа­ние пара и его температура понижаются. Найдено, что, чем больше разность между начальной и конечной тем­пературами пара (т. е. чем больше перепад темпера­тур), тем более полно тепловая энергия превращается в механическую.

На заре использования водяного пара применяли очень низкие давления — 2—3 атмосферы и даже ниже, т. е. работали с очень низким перепадом температур и поэтому неэкономично. С течением времени давление пара повысили, а затем ввели его перегрев. Особенно быстрое развитие машин больших давлений и температур пере­грева пара наблюдалось в последние десятилетия. До 1915 г. давление пара редко превышало 15 атмосфер, а температура перегрева 350° С. В настоящее же время давление до 30 атмосфер считается низким. Теперь ра­бочее давление пара доходит до критического и даже превышает его, а перегрев пара — до 550° С и выше.