Влажность пара

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

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

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

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

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 $i$ и энтальпии насыщенной жидкости $i'$ и сухого насыщенного пара $i''$ как

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

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

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

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

Первичныей 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 двжения таких потоков (например, при расчёте циркуляции в трубах испарительной поверхности котлов) важно соотношение не столько веса, сколько объёмов фаз.^[4]

Скорость циркуляции $w_0$

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

$w_0=G_{f+s}/(\rho'f\,)$

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

$w'=G_s/f_s$, $w''=G_f/(f-f_s)$,

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

Относительная скорость пара $w_r$

разность истинных скоростей пара и воды ($w'=G_s/f_s$, $w''=G_f/(f-f_s)$)

$w_r=w''-w'$

Скорость пароводяной смеси $w_{f+s}$

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

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

Массовое паросодержание $x$

массовая доля расхода пара в потоке при $w'=w''$, $x=G_s/G_{f+s}$. 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 $w'=w''$. При любом соотношении скоростей

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

Истинное (напорное) паросодержание $\varphi$

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

$\Delta p_a=gh\langle\varphi\rangle_h(\rho'-\rho'')$,

где $g\approx9,807$ м/с² - ускорение свободного падения. Поскольку движение в обогреваемой трубе подъёмное, $\varphi<\beta$, и напор естественной циркуляции меньше, чем можно было бы предположить, исходя из значения кратности циркуляции.

Примечания

1. ↑ Зах Р. Г. Котельные установки. — М.: Энергия, 1968. — С. 156—158. — 352 с.
2. ↑ Турбины тепловых и атомных электрических станций / Под ред. А. Г. Костюка, В. В. Фролова. — М.: Издательство МЭИ, 2001. — С. 131. — 488 с. — ISBN 5-7046-0844-2
3. ↑ Причём тем ниже, чем выше они на входе, например, из пара 7 МПа/286 °C с энтальпией 2772 кДж/кг может получиться всего примерно 0,88 МПа/174 °C
4. ↑ Двойнишников В. А. и др. Конструкция и расчёт котлов и котельных установок: Учебник для техникумов по специальности "Котлостроение" / В. А. Двойнишников, Л. В. Деев, М. А. Изюмов. — М.: Машиностроение, 1988. — С. 164—167. — 264 с.

Источники

• Большая техническая энциклопедия, 1927
• Что такое влажный пар?