Manual de propiedades del agua y del vapor de agua. Propiedades termofísicas del vapor de agua: densidad, capacidad calorífica, conductividad térmica. Cálculo de procesos termodinámicos del vapor de agua.
La tabla muestra las propiedades termofísicas del vapor de agua en la línea de saturación en función de la temperatura. Las propiedades del vapor se dan en la tabla en el rango de temperatura de 0,01 a 370°C.
Cada temperatura corresponde a la presión a la que el vapor de agua se encuentra en estado de saturación. Por ejemplo, a una temperatura de vapor de agua de 200°C, su presión será de 1,555 MPa o aproximadamente 15,3 atm.
La capacidad calorífica específica del vapor, la conductividad térmica y el vapor aumentan a medida que aumenta la temperatura. La densidad del vapor de agua también aumenta. El vapor de agua se vuelve caliente, pesado y viscoso, con una alta capacidad calorífica específica, lo que tiene un efecto positivo en la elección del vapor como refrigerante en algunos tipos de intercambiadores de calor.
Por ejemplo, según la tabla, la capacidad calorífica específica del vapor de agua. Cp a una temperatura de 20°C es 1877 J/(kg grados), y cuando se calienta a 370°C, la capacidad calorífica del vapor aumenta a un valor de 56520 J/(kg grados).
La tabla muestra las siguientes propiedades termofísicas del vapor de agua en la línea de saturación:
- presión de vapor a una temperatura especificada p·10-5, papá;
- densidad de vapor ρ″ , kg/m 3 ;
- entalpía específica (masa) h″, kJ/kg;
- r, kJ/kg;
- capacidad calorífica específica del vapor Cp, kJ/(kg grados);
- coeficiente de conductividad térmica λ·10 2, W/(m grados);
- coeficiente de difusividad térmica a·10 6, m2/s;
- viscosidad dinámica µ·10 6, Pa·s;
- viscosidad cinemática v·10 6, m2/s;
- número de prandtl pr.
El calor específico de vaporización, la entalpía, la difusividad térmica y la viscosidad cinemática del vapor de agua disminuyen al aumentar la temperatura. La viscosidad dinámica y el número de Prandtl del vapor aumentan.
¡Ten cuidado! La conductividad térmica en la tabla se indica elevada a 10 2. ¡No olvides dividir por 100! Por ejemplo, la conductividad térmica del vapor a una temperatura de 100°C es 0,02372 W/(m grados).
Conductividad térmica del vapor de agua a diversas temperaturas y presiones.
La tabla muestra los valores de conductividad térmica del agua y del vapor de agua a temperaturas de 0 a 700°C y presiones de 0,1 a 500 atm. Dimensión de conductividad térmica W/(m grados).
La línea debajo de los valores de la tabla significa la transición de fase del agua a vapor, es decir, los números debajo de la línea se refieren al vapor y los que están encima, al agua. Según la tabla, se puede observar que el valor del coeficiente y del vapor de agua aumenta a medida que aumenta la presión.
Nota: la conductividad térmica en la tabla se indica en potencias de 10 3. ¡No olvides dividir por 1000!
Conductividad térmica del vapor de agua a altas temperaturas.
La tabla muestra los valores de conductividad térmica del vapor de agua disociado en la dimensión W/(m grados) a temperaturas de 1400 a 6000 K y presiones de 0,1 a 100 atm.
Según la tabla, la conductividad térmica del vapor de agua en altas temperaturas aumenta notablemente en la región de 3000...5000 K. En valores altos presión, el coeficiente máximo de conductividad térmica se alcanza a temperaturas más altas.
¡Ten cuidado! La conductividad térmica en la tabla se indica elevada a 10 3. ¡No olvides dividir por 1000!
Tablas de propiedades termodinámicas del agua y el vapor.
Para determinar los parámetros del estado del agua y el vapor de agua, se utilizan tablas de propiedades termodinámicas (termofísicas) del agua y el vapor de agua. Las tablas modernas se compilan usando Sistema internacional Unidades SI. En las tablas se utilizan las siguientes notaciones. cantidades fisicas y sus dimensiones:
pag– presión, Pa: 1 MPa = 10 3 kPa = 10 6 Pa = 10 bar;
t– temperatura, K;
t– temperatura, ºC:
v– volumen específico, m 3 /kg;
h– entalpía específica, kJ/kg;
s– entropía específica, kJ/(kg×deg).
En los cálculos termodinámicos se aceptan parámetros (excepto pag Y t) denotado para un líquido a temperatura de saturación (ebullición) por el índice "cebado" ( v", h", s"), para vapor seco saturado con el índice "dos tiempos" ( v"", h"", s""), y para vapor húmedo saturado con el índice " incógnita" (v x, h x, s x). Las tablas también muestran los valores del calor específico de vaporización. r = h"" – h" y la diferencia de entalpía en el estado de saturación s"" Y s".
Para vapor saturado húmedo (nivel de sequedad 0< incógnita < 1) параметры пара рассчитываются по формулам:
v x = v" + incógnita (v"" – v"); (2.74)
h x = h" + incógnita (h"" – h") = h" +x×r; (2.75)
s x = s" + incógnita (s"" – s"). (2.76)
Además, v" < v incógnita< v""; h" < h x < h""; s" < s x < s"".
Para líquido en t < t n y para vapor sobrecalentado a t > t n Los parámetros del agua y del vapor se encuentran según la tabla de vapor sobrecalentado.
En pag £ pag kr = 22,115 MPa, la tabla está dividida por una línea horizontal en dos partes: la superior – para la región líquida; el inferior es para vapor sobrecalentado. La interfaz entre estas áreas pasa en t = t norte.
En pag > pag no hay transición de fase visible de agua a vapor y la sustancia permanece homogénea (líquido o vapor). El límite convencional entre líquido y vapor en este caso puede tomarse según la isoterma crítica.
La energía interna del agua y del vapor de agua no se da en las tablas; está determinada por la fórmula:
tu = h – pag× v. (2.77)
Si tu Y h tiene la dimensión kJ/kg, entonces la presión debe expresarse en kPa y el volumen específico en m 3 /kg.
Diagrama h – S (entalpía – entropía) encuentra amplia aplicación al calcular procesos y ciclos de vapor de centrales térmicas.
A efectos prácticos el diagrama h– s no se cumple para todas las regiones de fase del agua, sino sólo para una región limitada de vapor de agua (figura 2.17).
En el diagrama de trabajo. h– s Se aplica una densa red de isobaras, isocoras, isotermas y líneas de sequedad constante. incógnita. Como ya se señaló, en la región del vapor saturado húmedo la isoterma coincide con la isobara y, geométricamente, son líneas rectas. Cuanto mayor es la presión, más inclinada es la isobara y más cerca del eje de ordenadas.
En la práctica, hay cuatro cálculos principales. proceso termodinámico cambios en el estado del agua y el vapor de agua: isobárico ( pag= constante), isocórica ( v= constante), isotérmica ( t= constante), adiabático ( dq= 0). Representación de los procesos especificados en diagramas. pag– v Y t– s se muestra en la Fig. 2.15 y 2.16.
El estado del vapor saturado húmedo está determinado en tecnología por la presión. r y grado de sequedad incógnita. El punto que representa este estado se encuentra en la intersección de la isobara y la línea incógnita= constante El estado del vapor sobrecalentado está determinado por la presión. r y temperatura t. El punto que representa el estado del vapor sobrecalentado se encuentra en la intersección de la isobara y la isoterma correspondientes.
Arroz. 2.17 Trabajando h-s diagrama de vapor de agua
Los cálculos de los principales procesos del vapor de agua se pueden realizar tanto de forma analítica como método gráfico, usando h– s diagramas. Método analítico complicado debido a lo engorroso de las ecuaciones de estado del vapor de agua.
La Tabla 2.4 muestra las fórmulas de cálculo para determinar la cantidad de calor, el trabajo de cambio de volumen y el cambio de energía interna para los principales procesos termodinámicos.
Tabla 2.4: Fórmulas de cálculo procesos termodinámicos básicos
Los cálculos de ingeniería de los procesos de cambio de estado del agua y el vapor de agua y los ciclos de vapor se llevan a cabo utilizando tablas de propiedades termodinámicas del agua y el vapor de agua. Estas tablas se compilan sobre la base de datos experimentales confiables con coordinación de resultados experimentales y valores calculados a nivel interestatal.
En nuestro país, la norma aprobada son las tablas de propiedades termodinámicas del agua y el vapor de agua compiladas por M.P. Vukalovich, S.L. Rivkin, A.A. Incluyen datos sobre las propiedades termodinámicas del agua y el vapor de agua en el rango de cambios de presión de 0,0061 a 1000 bar y temperatura de 0 a 1000 o C.
Las tablas contienen todos los datos necesarios para calcular los parámetros termodinámicos en las áreas de líquido, vapor húmedo y vapor sobrecalentado. Las tablas no muestran los valores de la energía interna; para calcularla se utiliza la relación u = h - Pv. Al calcular la energía interna, es necesario prestar atención a la correspondencia de las unidades de medida de la entalpía h, que se da en las tablas en kilojulios por kilogramo (kJ/kg), y el producto pv, cuando se utiliza presión en kilopascales ( kPa), este producto también estará en kilojulios por kilogramo (kJ/kg).
Las tablas se construyen de la siguiente manera. La primera y segunda tablas describen las propiedades del agua y del vapor de agua en estado saturado en función de la temperatura (primera tabla) y la presión (segunda tabla). Estas dos tablas dan la dependencia de los parámetros de las líneas x = 0 (agua saturada) y x = 1 (vapor seco saturado) con la temperatura y la presión. Todos los parámetros se encuentran usando un valor; en la mesa 1 – por temperatura, en la tabla. 2 – según la presión de saturación. Estos parámetros de definición se encuentran en las columnas más a la izquierda de las tablas. A continuación en las columnas de la derecha están los valores correspondientes de P n y t n: v" y v", h" y h", r=h"-h", s" y s", s"-s". Los parámetros con un golpe se refieren al agua en estado de saturación, con dos golpes, para secar vapor saturado. Los parámetros del vapor saturado húmedo se determinan mediante cálculo utilizando el grado de sequedad x. Para facilitar estos cálculos, los valores de r y s"-s" se dan en las tablas. Por ejemplo, el volumen específico, la entalpía y la entropía del vapor húmedo se determinan mediante las fórmulas
v x = v" + x(v" - v");h x = h" + xr;s x = s" + x(s" - s").
El rango de parámetros definitorios de estas tablas: desde t = 0 o C hasta t cr = 374,12 o C y desde P = 0,0061 bar hasta P cr = 221,15 bar, es decir el límite inferior es el punto triple del agua, el límite superior es el punto crítico del agua.
Cabe señalar que como parámetro determinante en la tabla. 1 y 2, puede utilizar cualquiera de los parámetros (v", v", h", h", s", s"), y no sólo la presión y la temperatura de saturación. Dado que en la práctica de la ingeniería P y t actúan con mayor frecuencia como parámetros determinantes, se colocan en la columna de la izquierda.
La siguiente (tercera) tabla describe las propiedades del agua y del vapor sobrecalentado. Su rango es de 0 a 1000 o C (quizás hasta 800 o C) y de 1 kPa a 100 MPa. Aquí se necesitan dos cantidades como parámetros determinantes. En 3 tablas, esto es la presión (la línea horizontal superior) y la temperatura (la columna más a la izquierda). Debajo de la línea de presiones hay un rectángulo en el que se dan todos los parámetros del estado de saturación correspondientes a una presión determinada. Esto le permite navegar rápidamente por el estado de fase del agua y el vapor y, sin pasar por las tablas, realizar cálculos necesarios para diferentes estados de fase del agua. Cada presión y temperatura en las 3 tablas se dan v, h, s en las columnas verticales correspondientes.
Para orientación visual, los parámetros de las fases líquida y de vapor están separados en estas columnas en negrita. lineas horizontales. Arriba de estas líneas está la fase líquida del agua, debajo está el vapor sobrecalentado. A presiones superiores a las críticas (22,12 MPa), estos lineas divisorias están ausentes, porque en parámetros supercríticos no hay línea de transición de fase visible de líquido a vapor.
en la mesa 3, además de P y t, cualquier par de parámetros puede actuar como determinantes: P, t, v, h, s.
Al orientarse en los estados de fase del agua y el vapor mediante tablas, es necesario recordar:
1) con P = constante:
t< t н – жидкая фаза воды,
t > t n – vapor sobrecalentado,
T = t n – Se requiere el tercer parámetro,
Por ejemplo:
h = h" - agua hirviendo,
h = h" – vapor seco saturado,
h"< h < h" – влажный пар,
h< h" – жидкая фаза воды,
h > h" – vapor sobrecalentado,
h"< h < h" – влажный пар.
2) en t = constante:
R< Р н – перегретый пар,
Р > Р n – fase líquida del agua,
P = P n - similar a t = t n con P = const con orientación a h, v, s.
Algunas ediciones de tablas incluyen 2 partes: la primera en SI, donde P está en Pa, h en kJ/kg y la segunda en GHS, donde P está en kgf/cm 2 y h está en kcal/kg.
6.8. diagrama T, s para agua y vapor
Para ilustrar los procesos de cambio de estado del agua y del vapor de agua y los ciclos del vapor, se utiliza ampliamente el diagrama T,s. Proporciona una gran cantidad de información que permite juzgar las características de los efectos energéticos y la eficiencia térmica de los ciclos.
 |
Se dibujan líneas en el diagrama térmico T,s parámetros constantes funciones de agua y vapor y estado (Fig. 6.21).
valor nulo la entropía corresponde al punto triple del líquido (0,01 o C o 273,16 K y 611,2 Pa). La construcción de líneas de parámetros constantes y funciones de estado se realiza según datos de tablas de propiedades termodinámicas del agua y el vapor de agua. Usando valores de la tabla Para determinar la dependencia entre la temperatura de saturación Tn y la entropía del líquido en ebullición s" y del vapor saturado seco s", se pueden construir las curvas límite inferior (x=0) y superior (x=1). Estas curvas límite se conectan en el punto crítico K con coordenadas T cr = 647,27 K (374,12 o C) y s cr = 4,4237 kJ/(kg K). La línea x = 0 comienza en el punto triple del líquido en T = 273,16 K y s 1 "= 0. El vapor saturado seco en el punto triple corresponde a la entropía s N "= 9,1562 kJ/(kg K) (ver Fig. 6.21, punto N). Debajo de la línea horizontal 1N hay una zona de sublimación, aquí a la izquierda de la línea x = 1 está la región de la fase sólida y el vapor, y a la derecha de la línea x = 1 está la región del vapor sobrecalentado. Por encima de la línea x = 0 hay una región de la fase líquida, y por encima de la línea x = 1 hay una región de vapor sobrecalentado. No hay una zona de transición visible desde la región de la fase líquida a la región de vapor en parámetros supercríticos; condicionalmente, esta transición se puede tomar de acuerdo con los parámetros críticos T cr, P cr o v cr, considerando la región por encima del punto crítico y hasta el derecha de P cr o v cr como la región de vapor.
La isobara de presión subcrítica en el diagrama T,s es una curva compleja 1234. Consta de tres partes: 12 en la región líquida, 23 en la región de vapor húmedo saturado, 34 en la región de vapor sobrecalentado. La configuración de isobaras se puede establecer usando la pendiente de la expresión
¶q p = (c p dT) p = (Tds) p ,
de donde el coeficiente angular será igual a
De la expresión del coeficiente angular (6.28), que determina el ángulo de inclinación de la tangente a la isobara, se deduce que en la región del líquido y en la región del vapor sobrecalentado, cuando se suministra calor, los valores de T/c p y s aumentan, el ángulo de inclinación de la tangente aumenta, es decir aquí la isobara es una curva cóncava. Además, en la región líquida a bajas presiones c p es un valor que varía poco dependiendo de la temperatura, y la isobara es una curva logarítmica. En la región del vapor sobrecalentado, c p depende en gran medida de la temperatura y la isobara es una curva logarítmica con un logaritmo variable (la naturaleza del cambio en c p en la región del vapor sobrecalentado se escribió anteriormente). En la región del vapor húmedo saturado, la isobara coincide con la isoterma, c p =±¥, y en el diagrama T,s representa una recta horizontal 23.
A bajas presiones (hasta 100 bar), las isobaras del líquido están muy cerca de la curva límite inferior (x = 0). Por lo tanto, al utilizar Diagramas T,s Para ilustrar los procesos del agua y el vapor, a menudo se supone que las isobaras del líquido coinciden con la línea x=0.
El área bajo la isobara 12 (calentamiento del líquido) corresponde al calor del líquido q", bajo la isobara 23 (vaporización) - el calor de vaporización r, bajo 34 (sobrecalentamiento del vapor) - el calor de sobrecalentamiento q p. El área bajo el proceso 2e corresponde al calor gastado en evaporación x-ésima acciones de 1 kg de líquido saturado.
Para cualquier estado en la región de vapor húmedo saturado (punto e), el grado de sequedad se puede determinar gráficamente como la relación de dos segmentos isobáricos entre las curvas límite x=0 y x=1:
.
Usando este principio, es posible construir líneas de grados de sequedad constantes x=const.
La isobara de presión crítica en el punto crítico K tiene una inflexión; aquí su tangente es una línea recta horizontal. Las isobaras de presión supercrítica no caen en la región del vapor húmedo y son curvas que aumentan continuamente con puntos de inflexión en los que las tangentes tienen una pendiente mínima. Estos puntos corresponden valores máximos Capacidad calorífica isobárica.
Isocoros con v< v кр пересекают только нижнюю пограничную кривую х=0 и размещаются в области жидкости при altas presiones y temperaturas, y en la región del vapor húmedo saturado, a bajas presiones y temperaturas.
Para todos los isocoros correspondientes a un volumen específico mayor que el volumen específico de líquido en el punto triple del agua, con una disminución de la presión y temperatura del vapor húmedo, su grado de sequedad tiende a cero, pero nunca lo alcanzará, por lo tanto isocoros. nunca alcance la curva límite inferior (con la excepción de la región anómala en el rango de temperatura 0 - 8 o C).
Las isocoras con v > v cr en la región del vapor sobrecalentado son curvas cóncavas (más pronunciadas que las isobaras), y en la región del vapor húmedo son curvas de doble curvatura: convexas - con altos grados de sequedad y cóncavas - con bajos grados de sequedad. . Además, sólo intersecan la curva límite derecha x = 1.
En la figura. La figura 6.21 muestra las líneas de entalpías constantes h=const. En la región del vapor sobrecalentado, el isenthalpe es una curva suave con una tangente negativa al ángulo de inclinación. Los isenthalps que se mueven desde la región del vapor húmedo a la región del líquido tienen un punto de ruptura pronunciado en la línea x = 0. En la región del líquido, la pendiente del isenthalpe cambia de modo que con valores bajos de entalpías, al aumentar la presión , la temperatura disminuye y en valores grandes Entalpía, un aumento de presión va acompañado de un aumento de temperatura.
En la figura. 6.21 en los puntos 2 y 3 se trazan tangentes a las curvas límite x=0 y x=1. Las subtangentes c" y c" representan las capacidades caloríficas del líquido y del vapor saturado seco en las curvas límite (cuando el estado cambia a lo largo de x=0 y x=1). Resulta que c">0 y c"<0. Последнее означает, что при понижении температуры для поддержания пара в состоянии сухого насыщенного к нему необходимо подводить теплоту.
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