Перегретый пар, пар, имеющий температуру выше температуры насыщения при том же давлении. Водяной перегретый пар, служащий рабочим телом паровых двигателей, получают в пароперегревателях котлоагрегата. Чем выше температура водяного перегретого пара, тем выше термический кпд этих двигателей. Конструкционные материалы - стали, обычно используемые в котло- и турбостроении,— допускают перегрев пара до температуры 570 °С при давлении до 25 Мн/м² (250 кгс/см²), а отдельные установки работают при температуре перегретого пара 650 °С и давлении 30 Мн/м².

Жидкость и пар, находящиеся в состоянии динамического равновесия (когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара), образуют двухфазную систему. Пар, у которого скорости процессов испарения и конденсации одинаковы, называют насыщенным паром. Насыщенный пар является однофазной средой, хотя может содержать фракцию жидкости во взвешенном и/или капельном состоянии. Тогда насыщенный пар является влажным. В трубопроводе пар охлаждается и при определенных условиях может выпадать конденсат. В этом случае транспортируется, вообще говоря, двухфазная среда – газообразная (пар) и жидкая фазы.

Равновесное состояние пара и жидкости определяется температурой, однозначно связанной с значением давления, и не зависит от объема. К насыщенному пару можно применять законы идеального газа при условии, что давление насыщения определяется кривой равновесия Р_о(Т). При повышении температуры равновесие устанавливается за счет повышения концентрации молекул в паре и, соответственно, повышения давления насыщения и плотности пара.

Изотермы реальных газов на плоскости (р,V) имеют горизонтальные участки, соответствующие состоянию равновесия или насыщения. Данные участки описываются уравнениями, однозначно связывающими температуру и абсолютное давление насыщения пара при отсутствии влажной фазы в паре. Числовые значения «уравнения насыщения» для водяного пара приводятся в таблицах свойств насыщенного водяного пара.

При других условиях пар является ненасыщенным и более близок к состоянию идеального газа. В идеальных газах повышение температуры не изменяет концентрацию молекул газа в отличие от насыщенного состояния, поэтому повышение давления насыщенного пара с ростом температуры идет значительно быстрее. Если изотермически сжимать ненасыщенный пар (уменьшать объем) при Т<Т_кр, то его давление будет возрастать до давления насыщенного пара. Далее, в состоянии равновесия, давление насыщенного пара сохраняется постоянным, пока он весь не сконденсируется. Затем давление жидкости при уменьшении объема резко возрастает из-за ее несжимаемости.
Ненасыщенный пар называют перегретым по отношению к температуре насыщенного пара при том же давлении. Перегретый пар получается дополнительным нагревом насыщенного пара. Любое количество воды или жидкой фракции в паре препятствует перегреву пара, так как прежде всего теплота будет использоваться для нагрева и испарения жидкости.

Перегретый пар не может быть влажным. Чем выше температура пара по отношению к температуре кипения, тем ближе состояние пара к состоянию газа. Если в насыщенном паре температура и давление находятся в взаимнооднозначном соответствии, то в перегретом паре при постоянном давлении пар может иметь различные значения температуры и, соответственно, различные значения теплоемкости.

Удельное теплосодержание перегретого пара С_р[кДж/кг*K] может быть определено как изменение теплосодержания на некотором перепаде температур при заданном давлении. Оно не является постоянной величиной. Прежде чем отдавать скрытую теплоту при передаче тепла, перегретый пар должен охладиться до температуры насыщения. При этом удельное теплосодержание перегретого пара зависит от значений температуры и давления, при которых начался процесс нагрева.
Изменение количества теплоты dQ, подводимое к системе, к термодинамической температуре T (Кельвина) определяет изменение энтропии dS системы. Энтропия S, абсолютное давление, температура и влажность пара характеризуются взаимным соответствием, отображающим текущее состояние термодинамической системы.

Энтропия перегретого пара равна

где
Т₁ – температура кипения;
С_р – удельное теплосодержание пара при постоянном давлении на интервале температур T_s – Т₁;
L₁ – скрытая теплота парообразования;
T_s – температура перегретого пара.

Чем отличается насыщенный пар от перегретого?

Насыщенный пар высвобождает скрытую теплоту при постоянной температуре, что является удивительным природным явлением, обеспечившим человеку возможность создания огромного количества технологий. Постоянная температура на всей площади, разделяющей источник теплоты и нагреваемую среду, сохраняется на всем периоде конденсации (фазового перехода), если конденсат устойчиво отводится, не допуская обводнения парового пространства.
Перегретый пар при передаче теплоты может охлаждаться по «разной траектории» в пространстве «температура-давление» и не позволяет иметь стабильные условия теплопередачи до тех пор, пока не остынет до состояния насыщенного пара. Начиная охлаждаться в одной точке поверхности теплообмена, перегретый пар не может сохранить температуру и давление по всей поверхности. Поэтому коэффициент теплопередачи G, имеющий размерность [Вт/м²*К], где W – тепловая мощность, для фиксированной площади не может быть единым при перегретом паре и является некоторой осредненной величиной по площади и температуре. Количество теплоты, передаваемой перегретым паром при охлаждении, существенно ниже количества теплоты (как правило, на порядок), передаваемой паром при том же давлении в состоянии насыщения.
Как всякий газ, перегретый пар формирует воздушную пленку на поверхности теплообмена. При транспортировке пара это явление способствует снижению теплопотерь. В теплообменных аппаратах этот пограничный слой, наоборот, снизит теплопередачу. У насыщенного пара граница фазового перехода формируется на поверхности теплообмена. В то же время эффективность теплопередачи будет сохраняться постоянной при условии оперативного отвода конденсата.

Таким образом, хотя температура перегретого пара всегда выше температуры насыщенного пара при одинаковом давлении, эффективность теплопередачи перегретого пара не может сравниться с эффективностью теплопередачи насыщенного пара и всегда хуже. Важнейший фактор энергоэффективности – стабильность условий теплопередачи в пространстве параметров «температура-давление» и времени. Так как отдаваемая теплота перегретым паром ниже, чем у насыщенного пара при том же давлении, то при использовании перегретого пара поверхность теплообмена должна быть больше. На поверхностях теплообмена интенсивнее образуется при высоких температурах накипь (прикипают солевые включения в паре), а гидросопротивления подвергаются более интенсивным процессам эрозии.

Отсутствие капельной влаги в перегретом паре является одним из главных достоинств этого состояния пара. Перегретый пар, подаваемый на паровую турбину, обеспечивает длительные условия эксплуатации лопаток турбины (главный аспект применения перегретого пара с точки зрения эффективности паровой турбины – это ее КПД. Чем выше температура пара на входе, тем выше КПД цикла Карно). Транспортировка перегретого пара по протяженным магистральным паропроводам обеспечивает минимум образования конденсата и потерь пара. Оптимальным является режим транспортировки, при котором перегретый пар доходит до потребителя в состоянии, близком к насыщенному (не более 10 ^оС от температуры кипения), не требуя установки дополнительных охладительных установок.

Транспортируя перегретый пар при повышенном давлении, используются паропроводы меньших сечений и веса, что снижает капитальные затраты. На технологических процессах при использовании пара следует помнить, что скрытая теплота парообразования выше у насыщенного пара при более низком давлении. Поэтому теплообменные аппараты должны иметь запас поверхности теплообмена для охлаждения пара до насыщенного состояния в зависимости от условий снижения давления пара.
Редукция насыщенного пара не является однозначным процессом. Пар на выходе может быть насыщенным влажным или более сухим, чем на входе, а также перегретым на температуру, зависящую от давления на входе и выходе. Переход в то или другое состояние зависит от давления пара на входе клапана, требуемого падения давления и влажности пара. При давлении сухого насыщенного пара на входе ниже 30 атм, на выходе всегда будет перегретый пар.
При редукции (снижении давления) насыщенного пара всегда пар переходит в состояние перегретого пара. Перегретый пар можно привести к состоянию насыщения за счет увеличения концентрации молекул пара либо путем испарения дополнительного объема жидкости (без изменения давления) и соответствующего уменьшения температуры пара, либо за счет адиабатического расширения и охлаждения пара до температуры насыщения.
Поскольку на практике сухого пара не бывает, пар более низкого давления («мятый» пар) может быть после редукции либо перегретым, либо влажным насыщенным, но с меньшим содержанием влаги («подсушенным») по отношению к влажности пара на входе. При большом количестве капельной влаги в паре перед редукционной станцией пар на выходе может быть влажным насыщенным. Однако наличие конденсата на входе клапана может привести к интенсивной конденсации влажной фракции и преждевременному выходу его из строя. Поэтому желательно удалить конденсат перед клапаном и работать на слегка перегретом паре, который охладится либо в теплообменном аппарате, либо в подводящих паропроводах.

Перегретый пар служит рабочим телом в тепловых двигателях, турбинах и т.д.

В теплообменных агрегатах состояние перегретого пара, как правило, ведет к отрицательным последствиям. Прежде всего теряется уникальное свойство насыщенного пара – сохранять постоянную температуру на всем временном диапазоне передачи скрытой в нем теплоты. Это ведет к нестабильности технологического процесса, если технология регулирования ориентирована на использование насыщенного пара, что имеет место в подавляющем числе приложений, и, соответственно, к значительным потерям. Состояние "перегретости" в паре возникает теоретически всегда за редукционным клапаном, а также при росте тепловой нагрузки.

Однако снижать температуру пара путем внешних воздействий – пульверизации воды в пар – выполнять не всегда целесообразно. Часто это превышение рабочей температуры пара температуры насыщения незначительно и/или падает до желаемого уровня за счет естественного охлаждения пара в паропроводе до подачи в рабочую область агрегатов. Это следует оценить прежде, чем устанавливать охлаждающие установки, стоимость и эксплуатация которых достаточно высоки. В то же время рассчитывать на условия насыщения при установке узлов учета тепловой энергии в паре даже при сравнительно стабильных нагрузках нельзя. Некоторое снижение цены узла учета за счет исключения датчика давления или датчика температуры из состава узла ведет к значительным погрешностям накопленных измерений за счет небольших колебаний нагрузки, периодически приводящих пар к "перегретому" состоянию, т.е. к газообразному состоянию, в котором коррекция показаний сжимаемой среды является обязательной. Не следует забывать о конденсате, который образуется даже в перегретом паре. Его присутствие ведет к повышенной коррозии и поломке элементов оборудования (лопаток турбин, например). Отвод конденсата из перегретого пара конденсатоотводиками стандартных конструкций невозможен. Только специальные конструкцииконденсатоотводчиков с перевернутым стаканом с промежуточной аккумуляционной камерой конденсата работают в этих условиях.

 

 

Одним из распространенным рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках является водяной пар. Пар – газообразное тело в состоянии, близкое к кипящей жидкости. Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное. Испарение – парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости. При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением. Обратный процесс парообразования называется конденсацией. Она также протекает при постоянной температуре. Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называется сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называется десублимацией. При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление – конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называется насыщенным паром. Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым. Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева. Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным паром. В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуется сухой насыщенный пар. Состояние такого пара определяется одним параметром – давлением. Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называется влажным паром. Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости – χ = m_сп / m_вп , m_сп – масса сухого пара во влажном; m_вп – масса влажного пара. Массовая доля жидкости во влажном паре нызвается степенью влажности – η = 1 – ν . Для кипящей жидкости при температуре насыщения ν = 0, для сухого пара – ν = 1.

Пароперегреватель – аппарат в котельном агрегате, предназначенный для подсушки и перегрева пара. Пароперегреватель представляет cобой систему трубчатых змеевиков, включённых параллельно друг другу в два паросборника (коллектора). Перегрев пара начинается только после подсушки, то есть испарения жидкости (влаги), находящейся в насыщенном паре. При этом на стенках пароперегревателя отлагается накипь. Тепловое сопротивление трубок, покрытых накипью, повышается, а с ним вместе растёт и температура; это может повести к перегоранию трубок. Поэтому влажность пара снижают в паросепарационных устройствах, установленных в барабанах котла, и с помощью «ступенчатого» испарения. У современных крупных стационарных паровых котлов влажность пара должна быть близкой к нулю и только у некоторых специальных котлов (например, паровозных) в отдельных случаях она достигает 2% и выше. В котлах малой паропроизводительности периодическую механическую чистку трубок пароперегревателя производят шарошками на гибком валу. У котлов средней и большой паропроизводительности змеевики пароперегревателя промываются конденсатом и раствором кислоты или фосфата. Различают пароперегреватели радиационные, конвективные и комбинированные. В современных котлоагрегатах среднего давления преобладающим типом пароперегревателя является конвективный. У некоторых специальных котлов пароперегреватели устанавливаются в жаровых трубах (паровозные котлы) или в дымовой коробке (локомобильные котлы). Конвективные пароперегреватели разделяются на прямоточные, противоточные и комбинированные.
Пароперегреватели: а – прямоточный; б – противоточный; в – двухструйный противоточный; г – комбинированный прямоточный и противоточный.

Первые создают максимальные разности температур между паром и газом, но подвергаются пережогу. Прямоточные пароперегреватели отличаются наиболее интенсивным охлаждением витков, работающих в зоне высоких температур, однако при отложениях накипи в этих витках возможно перегорание. Комбинированные пароперегреватели с противотоком в области низких температур газов и прямотоком в области высоких обеспечивают сочетание положительных качеств прямо- и противоточных. Для получения постоянной температуры перегрева пара, как того требуют современные паровые двигатели, пароперегреватели обычно оборудуются регуляторами перегрева, которые работают по одному из следующих принципов:

• увеличение влажности пара до поступления его в змеевики пароперегревателя путём впрыска конденсата;
• охлаждение всего или части пара в пароохладителях;
• изменение количества газов, проходящих через пароперегреватель;
• поворот горелок и др. Наиболее распространен второй способ.

Наряду с этими, «первичными» пароперегревателями, предназначенными для перегрева пара, поступающего из котла, у котлов высокого и сверхвысокого давления применяются пароперегреватели «вторичные», или промежуточные. В них получает вторичный перегрев пар, совершивший уже работу в первых ступенях турбины. Вторичный перегрев имеет целью устранить увеличение влажности пара в последних ступенях двигателя и повысить термический КПД установки. По своему устройству вторичные ароперегреватели ничем не отличаются от первичных.