Рабочее тело и параметры его состояния

Передача тепловой энергии осуществляет рабочее тело, т. е. веществом, способным воспринимать теплоту и совершать работу. В отопительно-котельной технике рабочее тело это горячая вода и водяной пар.

В водогрейных или паровых котлах теплота продуктов сгорания, образующаяся при сжигании топлива, передается через стенки котла (площадь поверхности нагрева) к воде, которая нагревается до определенной температуры или преобразуется в пар. В результате сообщения теплоты рабочее тело изменяет свое состояние, характеризующееся параметрами состояния рабочего тела: температурой, удельным объемом, давлением. Часто эти параметры называют основными.

Температура - мера нагретости тела, которая является величиной, определяющей направление самопроизвольной передачи теплоты.

Температура измеряется в градусах. Градус - одна сотая часть расстояния на столбике ртути между точками, соответствующими температурам плавления льда и кипения воды при атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Шкалу температур, полученную таким образом, называют стоградусной, или шкалой Цельсия °С. Температуру, выраженную по этой шкале, принято обозначать буквой t.

Стоградусная, или международная, практическая шкала применяется наравне с основной в международной системе (СИ) термодинамической шкалой температур Кельвина. За начало отсчета температур по этой шкале принят абсолютный нуль (- 273 °С) - наинизшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул. При этом размер градуса оставлен таким же, как в практической шкале. Выраженную по шкале Кельвина температуру обозначают буквой Т, а единицу ее измерения - (Кельвин) К. Температура, выраженная в Кельвинах, связана с температурой в градусах Цельсия соотношением:

T = t + 273.

Таким образом, по данной шкале температура таяния льда равна 273 К, а температура кипения воды 373 К. Однако следует отметить, что температура кипения зависит от давления. При давлении выше атмосферного вода закипает при температуре более 100 °С. Например, при давлении 0,17 МПа температура кипения составит 115 С.

Удельный объем v - это объем единицы массы вещества

v = V/M,

где V - объем тела, м3; М - масса тела, кг.

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью и обозначается буквой р:

p =1/v = M/V.

Давление - сила, действующая на единицу площади поверхности тела (нормально или перпендикулярно последней).

Чтобы определить давление Р, надо силу F разделить на площадь S, на которую она действует, т. е.

P=F/S.

В Международной системе СИ за единицу давления принят Паскаль (Па=Н/м2) - давление силы, равной 1 Ньютону, на 1 квадратный метр. Эта единица давления очень мала и пользоваться ею практически неудобно, поэтому употребляют более крупные кратные единицы: 1 МПа (мегапаскаль) = 106 Па (для измерения, например давления пара в котле), 1 кПа (килопаскаль) - 103 Па (для измерения, например барометрического давления).

Широкое распространение в технике имеет внесистемная единица давления - техническая атмосфера (или кратко атмосфера): 1ат = 98,0665 × 103Па = 0,0981 МПа = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2.

Небольшие давления, а также разрежения измеряют иногда высотой столба жидкости (например, воды, ртути). Единицы измерения 1 мм вод. ст. и 1 м вод. ст. широко используются в технике (1 мм вод. ст. = 9,807 Па).

В закрытых сосудах различают давление избыточное, разрежение (или вакуум) и абсолютное. Давление в закрытом сосуде, превышающее атмосферное, называется избыточным (ати), а давление меньше атмосферного разрежением или вакуумом. Абсолютное давление (ата) равно сумме измеренного избыточного и атмосферного давлений или разности атмосферного давления и измеренного разрежения.

Избыточное или рабочее давление в котлах, трубопроводах и других сосудах измеряют приборами, которые называются манометрами, а вакуум или разрежение измеряют вакуумметрами. Например, манометр показывает давление пара в котле 0,07 МПа (0,7 кгс/см2). Это значит, что давление в котле 0,7 ати. Для того чтобы получить абсолютное давление пара в котле, необходимо к 0,7 ати прибавить атмосферное давление, т. е, 0,7 +  1 = 1,7 ата (атмосферы абсолютные).

Если в каком-либо сосуде имеется разрежение, равное 0,5 ата, то абсолютное давление составит 1 - 0,5 = 0,5 ата или 0,05 МПа.

Обозначив Ра - атмосферное давление; Рм - избыточное или манометрическое давление, Р - абсолютное давление, Рв - разрежение или вакуум, имеем следующие формулы соотношения давлений:

Рм = Р - Ра; Р = Рк + Ра; Рв = Ра - Р

Атмосферное давление. Земля окружена воздушной оболочкой (атмосферой) толщиной в несколько сотен километров. Поверхность земли и находящиеся на ней предметы подвержены действию атмосферного давления.

Давление в 1 атмосферу уравновешивается столбиком ртути высотой 760 мм (физическая атмосфера). Зная плотность ртути, можно подсчитать величину физической атмосферы в другие единицах, например в кгс/м : 13595×0,76=10331,2 кгс/м2, или 1,033 кгс/см2. Таким образом, физическая атмосфера равна 760 мм рт. ст., или 1,033 кгс/см2 или 101,3 кПа, Физическая атмосфера сокращенно обозначается атм. В отличие от физической, техническая атмосфера (1 ат) равна 1 кгс/см3, или 735,6 мм рт. ст., или 98 кПа; 1 кгс/м2 = 1 мм вод. ст.

Атмосферное давление зависит от состояния погоды и высоты местности над уровнем моря. Атмосферное давление на уровне моря равно 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Чем выше над уровнем моря точка поверхности земли, тем меньше атмосферное давление. Этим и объясняется то, что температура кипения воды высоко в горах менее 100 °С. Атмосферное давление измеряется приборами, которые называют барометрами. Помимо основных параметров рабочее тело имеет теплоемкость, теплопроводность.

Теплоемкость - количество теплоты, необходимое для изменения температуры какого-либо вещества на один градус. Тепловые свойства вещества характеризуются теплоемкостью его единицы количества (1 кг, 1 м3, 1 киломоль), которую соответственно называют удельной массовой, объемной или киломольной теплоемкостью. Единицами измерения указанных удельных теплоемкостей являются в Международной системе единиц СИ кДж/(кг×град); кДж/(м3×град); кДж/(кмоль×град) или ккал/(кг×град); ккал/(м3×град); ккал/(кмоль×град).

Для газов удельная теплоемкость зависит от того, в каких условиях происходит нагревание. При этом различают удельную теплоемкость при постоянном объеме Сv и удельную теплоемкость при постоянном давлении Ср. Причем Ср всегда больше, чем Сv. Для твердых тел и жидкостей эти теплоемкости не различаются.

Зная удельную теплоемкость вещества, по формуле

Q=Cm(t2 – t1)

Можно рассчитать количество теплоты (кДж или ккал), идущее на нагревание или охлаждение тела. В данной формуле С - удельная теплоемкость; m - единица количества вещества; t1 – t2 - разность температур.

Значения удельной теплоемкости веществ и материалов, наиболее часто встречающихся в отопительно-котельной технике, приводятся ниже, кДж/ (кг×град) ккал/(кг×град).

Таблица

Таблица

В табл. 1 даны значения Ср и Cv для некоторых газов при температуре 0 °С.

Водяной пар и его свойства. Водяной пар получают в паровых котлах при постоянном давлении (Р = const). В отопительных котельных малой мощности давление пара не превышает 0,07 МПа (0,7 кгс/см2).

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а из газообразного состояния в жидкое - конденсацией. Процесс парообразования протекает следующим образом. Сначала происходит нагрев воды до температуры кипения при соответствующем давлении. При дальнейшем сообщении теплоты кипящая вода превращается в пар и ее температура до полного испарения воды остается постоянной.Кипение есть процесс парообразования во всем объеме жидкости.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превращения ее из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования или теплотой испарения.

В теплотехнических расчетах часто приходится иметь дело с энтальпией, которая может быть оценена как суммарное количество теплоты, которое требуется для превращения 1 кг воды, взятой при 0°С, в пар при постоянном давлении. Энтальпия (или теплосодержание) - параметр состояния газа. Например, в открытом сосуде энтальпия кипящей воды составит около 420 кДж/кг (100 ккал/кг). Скрытая теплота парообразования воды при атмосферном давлении равна 2260 кДж/кг (539 ккал/кг). Следовательно, энтальпия пара при атмосферном давлении составит 420 + 2260 = 2680 кДж/кг (100 + 539 = 639 ккал/кг). С увеличением давления пара скрытая теплота парообразования уменьшается, а энтальпия пара повышается.

Различают пар насыщенный и перегретый.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью и имеющий одинаковые с жидкостью температуру и давление, называется насыщенным.

Обычно в процессе парообразования в пар попадают капельки котловой воды. Такой пар называется влажным насыщенным. Насыщенный пар, не имеющий капелек воды, называется сухим насыщенным. Доля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости пара и обозначается х. При этом влажность пара будет равна 1 - х. Для сухого насыщенного пара х = 1.

Массовая удельная теплоемкость некоторых газов при постоянных давлениях и объеме

Таблица 1. Массовая удельная теплоемкость некоторых газов при постоянных  давлениях и объеме

Влажность насыщенного пара нормально работающих паровых чугунных котлов составляет 1-3 %.

Если сообщить теплоту сухому насыщенному пару при данном постоянном давлении, то получится перегретый пар. Перегретый пар не содержит в себе влаги и его температура при данном давлении выше температуры котловой воды. В отопительных установках перегретый пар обычно не применяют.

Разновидностью процесса парообразования является испарение воды. Испарение воды в открытом сосуде при атмосферном давлении может происходить и при температуре меньше 100 °С, В отличие от кипения, когда паровые пузыри возникают во всем объеме, испарение воды происходит только с поверхности жидкости. Чем меньше паров воды в окружающем воздухе и чем выше температура воды, тем интенсивнее идет испарение с ее поверхности.

Обычно зависимости между параметрами состояния рабочего тела изучают и устанавливают для упрощенной модели рабочего тела, например идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами газа, а сами молекулы принимаются за материальные точки, не имеющие объема. С методической точки зрения такой подход более удобен. Однако законы термодинамики и полученные на их основе соотношения, справедливы не только для газа, а вообще для всяких тел независимо от их агрегатного состояния. Несмотря на то, что в природе идеальный газ отсутствует, в теплотехнических расчетах вполне допустимо (без особой погрешности для точности расчетов) принимать за идеальные все газы, с которыми в теплотехнике приходится иметь дело, за исключением водяного пара, который относится к реальным газам. Уравнения состояния реальных газов (в отличие от идеальных) имеют сложный характер и для практических расчетов неудобны, поэтому их обычно используют для составления диаграмм, пригодных для теплотехнических расчетов, и таблиц термодинамических свойств реальных газов, важных для техники.