Влажность пара

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

$y=\frac{G_f}{G_f+G_s}$,

где $G_f$ — масса жидкой фазы, $G_s$ — масса сухого пара. Аналогично определяется сухость пара

$x=\frac{G_s}{G_f+G_s}=1-y$.

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 $i$ и энтальпии насыщенной жидкости $i^{\prime }$ и сухого насыщенного пара $i^{″}$ как

$x=\frac{i-i^{\prime }}{i^{″}-i^{\prime }}$.

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 %. 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).

Способы снижения влажности пара

Шаблон:Дополнить разделШаблон:Проверить факты 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

Шаблон:Основная статья

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.

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.

Скорость циркуляции $w_0$

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

$w_0=G_{f+s}/({\rho }^{\prime }f)$

Приведённая скорость воды $w_0^{\prime }$, пара $w_0^{\prime \prime }$

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

$w_0^{\prime ,\prime \prime }=G_{f,s}/({\rho }^{\prime ,\prime \prime }f)$

Истинные (среднерасходные) скорости пара и воды

$w^{″}=G_s/({\rho }^{\prime \prime }{f}_s)$, $w^{\prime }=G_f/({\rho }^{\prime }(f-f_s))$,

где $f_s$, м² — площадь сечения, занятая паром.

Относительная скорость пара $w_r$

разность истинных скоростей пара и воды ($w^{″}=G_s/({\rho }^{\prime \prime }{f}_s)$, $w^{\prime }=G_f/({\rho }^{\prime }(f-f_s))$)

$w_r=w^{″}-w^{\prime }$

Скорость пароводяной смеси $w_{f+s}$

отношение объёмного расхода, м³/с, смеси в трубе $V_{f+s}=G_f/{\rho }^{\prime }+G_s/{\rho }^{″}$ к её сечению

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

Массовое паросодержание $x$

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

Объёмное расходное паросодержание $\beta$

объёмная доля расхода пара в потоке при $w^{\prime }=w^{″}$. При любом соотношении скоростей

$\beta =\frac{V_s}{V_{f+s}}=\frac{1}{1+\frac{1-x}{x}\frac{{\rho }^{″}}{{\rho }^{\prime }}}$

Истинное (напорное) паросодержание $\phi$

доля сечения трубы, занятого паром: $\phi =f_s/f$. Эта величина (средняя по высоте) используется при расчёте напора $\mathrm{\Delta }{p}_a$, Па, естественной циркуляции: при высоте системы $h$ и плотности воды в опускной трубе ${\rho }^{\prime }$

$\mathrm{\Delta }{p}_a=gh⟨\phi {⟩}_h({\rho }^{\prime }-{\rho }^{″})$,

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

Литература

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

Ссылки

• Что такое влажный пар?