Влажность пара

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

[math]\displaystyle{ y = {G_f \over{G_f+G_s}} }[/math],

где [math]\displaystyle{ G_f }[/math] — масса жидкой фазы, [math]\displaystyle{ G_s }[/math] — масса сухого пара. Аналогично определяется сухость пара

[math]\displaystyle{ x = {G_s \over{G_f+G_s}} = 1-y }[/math].

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 [math]\displaystyle{ i }[/math] и энтальпии насыщенной жидкости [math]\displaystyle{ i' }[/math] и сухого насыщенного пара [math]\displaystyle{ i'' }[/math] как

[math]\displaystyle{ x = {{i-i'}\over{i''-i'}} }[/math].

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 [math]\displaystyle{ w_0 }[/math]

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

[math]\displaystyle{ w_0=G_{f+s}/(\rho'f\,) }[/math]

Приведённая скорость воды [math]\displaystyle{ w_0^{\prime} }[/math], пара [math]\displaystyle{ w_0^{\prime\prime} }[/math]

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

[math]\displaystyle{ w_0^{\prime,\prime\prime}=G_{f,s}/(\rho^{\prime,\prime\prime}f) }[/math]

Истинные (среднерасходные) скорости пара и воды

[math]\displaystyle{ w''=G_s/(\rho^{\prime\prime}f_s) }[/math], [math]\displaystyle{ w'=G_f/(\rho^{\prime}(f-f_s)) }[/math],

где [math]\displaystyle{ f_s }[/math], м² — площадь сечения, занятая паром.

Относительная скорость пара [math]\displaystyle{ w_r }[/math]

разность истинных скоростей пара и воды ([math]\displaystyle{ w''=G_s/(\rho^{\prime\prime}f_s) }[/math], [math]\displaystyle{ w'=G_f/(\rho^{\prime}(f-f_s)) }[/math])

[math]\displaystyle{ w_r=w''-w' }[/math]

Скорость пароводяной смеси [math]\displaystyle{ w_{f+s} }[/math]

отношение объёмного расхода, м³/с, смеси в трубе [math]\displaystyle{ V_{f+s}=G_f/\rho'+G_s/\rho'' }[/math] к её сечению

[math]\displaystyle{ w_{f+s}=V_{f+s}/f }[/math]

Массовое паросодержание [math]\displaystyle{ x }[/math]

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

Объёмное расходное паросодержание [math]\displaystyle{ \beta }[/math]

объёмная доля расхода пара в потоке при [math]\displaystyle{ w'=w'' }[/math]. При любом соотношении скоростей

[math]\displaystyle{ \beta={V_s \over V_{f+s}}={1 \over 1+{{{1-x}\over x}{\rho''\over \rho'}}} }[/math]

Истинное (напорное) паросодержание [math]\displaystyle{ \varphi }[/math]

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

[math]\displaystyle{ \Delta p_a=gh\langle\varphi\rangle_h(\rho'-\rho'') }[/math],

где [math]\displaystyle{ g\approx9,807 }[/math] м/с² — ускорение свободного падения. Поскольку движение в обогреваемой трубе подъёмное, [math]\displaystyle{ \varphi\lt \beta }[/math], и напор естественной циркуляции меньше, чем можно было бы предположить, исходя из значения кратности циркуляции.

Источники

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