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 %. 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

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

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 $\rho '$ 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

$w''=G_{s}/(\rho ^{\prime \prime }f_{s})$, $w'=G_{f}/(\rho ^{\prime }(f-f_{s}))$,

где $f_{s}$, м² — площадь сечения, занятая паром.

Относительная скорость пара $w_{r}$

разность истинных скоростей пара и воды ($w''=G_{s}/(\rho ^{\prime \prime }f_{s})$, $w'=G_{f}/(\rho ^{\prime }(f-f_{s}))$)

$w_{r}=w''-w'$

Скорость пароводяной смеси $w_{f+s}$

отношение объёмного расхода, м³/с, смеси в трубе $V_{f+s}=G_{f}/\rho '+G_{s}/\rho ''$ 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 $g\approx 9,807$ 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.

Источники

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