Что собой представляет и как используется сухой насыщенный пар?

Что это такое?

Сухой насыщенный пар – это прозрачный газ, образующийся из кипящей воды более высокой температуры. Сухим он назван из-за минимального содержания влаги, молекулы его находятся в газообразном состоянии, что создает динамическое равновесие с жидкостью.

Вода при нагревании поглощает тепло от источника, движение ее молекул ускоряется, она закипает. При дальнейшем нагревании вода «парит», образовавшийся газ имеет высокую температуру и давление.

Состояние вещества неустойчиво. В процессе парообразования в емкость постоянно попадают капли воды. При незначительном охлаждении он начинает образовывать мельчайшие частички воды (конденсат). Так сухой пар переходит во влажный.

Если же емкость с сухим насыщенным паром дополнительно нагреть отдельно от воды, то его температура и объем продолжат увеличиваться. Температура полученного газа намного выше температуры кипения воды при одинаковом давлении, такой вид называется перегретым паром. При современных технологиях шкала перегретого пара доходит до 600°C.

Отличительные особенности

Сухой насыщенный пар отличается от остальных видов. Основные отличия заключаются в том, что:

• его молекулы находятся в газообразном состоянии — это прозрачный газ;
• он без конденсата и капель;
• для его образования требуются постоянные температура и давление;
• неустойчив — при любых изменениях переходит во влажный или перегретый;
• является основой для влажного и перегретого.

Основные параметры

Состав формируется из соотношения частиц пара и воды. Весовая часть сухого пара в 1 кг влажного называется степенью сухости и обозначается «x».

Рассмотрим основные параметры пара:

1. Энтальпия (теплосодержание) – это количество энергии, необходимое для получения 1 кг пара из 1 кг воды при неизменном давлении. Для того, чтобы нагреть воду до температуры кипения 100°C, нужно затратить 100 ккал тепла.

   При переходе 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар требуется дополнительная энергия, которая поможет преодолеть сцепление между молекулами воды. Причем объем полученного газа превышает прежний объем воды.

2. Плотность – физическая величина, которая определяется соотношением массы к объему. Плотность не зависит от объема при постоянной температуре, что связано с динамическим равновесием между веществами.

   При повышении температуры плотность пара растет, с понижением падает. Происходит это из-за того, что при нагревании испаряется больше жидкости и нарушается динамическое равновесие, при этом плотность газа увеличивается до тех пор, пока равновесие не будет достигнуто.

3. Температура напрямую зависит от давления системы. При нагревании испаряется большее число молекул, которые сталкиваются друг с другом все чаще. С неизменной массой объем вещества увеличивается – отсюда понятно, что увеличивается давление. С понижением температуры образуется конденсат, часть которого оседает обратно в воду, давление системы падает.

Так выглядит нагрев сухого насыщенного пара на графике:

Температура и давление насыщенного пара зависят друг от друга. Для определения этой зависимости используются специальные таблицы. Такие таблицы включают значения температуры (t), давления (p), удельную энтальпию (h), удельный объем (v).

В таблицах содержится данные о точке насыщения – точке кипения, внутри которой жидкость и газ сосуществуют при постоянных температуре и давлении.

Примерная таблица изменения температуры насыщенного пара в зависимости от давления:

Где:

• p – давление;
• t – точка кипения (насыщения);
• vf – удельный объем насыщенной жидкости;
• vg – удельный объем насыщенного сухого пара;
• hf – удельная энтальпия насыщенной воды (энергия, затраченная на подогрев воды от 0°C до точки кипения);
• hfg – скрытое тепло испарения (энергия, израсходованная на преобразование жидкости в насыщенный пар);
• hg – удельная энтальпия насыщенного сухого пара (расход энергии для получения пара из воды температуры 0°C).

Энтропия

Энтропия (превращение) — функция состояния термодинамической системы. При помощи энтропии описываются свойства системы. Причем для описания этих характеристик необходимы данные энтропии и температуры, которые сопряжены друг с другом.

Формула определения энтропии сухого насыщенного пара S» = S’ + r/Tн, где:

• S’ – теплоемкость (энтальпия) воды;
• Тн – температура кипения жидкости;
• r – теплота парообразования.

Как определяется степень сухости?

Степень сухости высчитывается процентом содержания сухого насыщенного пара во влажном. При нагреве воды в замкнутых сосудах капельки жидкости испаряются, и пар становится влажным.

Для техники, работающей на его основе, увеличение влажности приводит к дополнительным затратам из-за коррозии и порчи оборудования. Чтобы избежать материальных потерь, следует использовать сухой насыщенный водяной пар.

Сухость пара влияет на количество отдаваемой энергии (скрытой теплоты), от которой напрямую зависит качество нагрева.

Степень сухости определяется его коэффициентом, который показывает долю воды в паре. Для этого отбирается проба пара, измеряется его температура, затем проба нагревается. Измеряется давление до нагрева пробы и после, по результатам полученных данных вычисляется сухость.

Сухость пара (x) определяется по формуле:

Где:

• mc – масса сухого пара;
• mk – масса капельной влаги в том же объеме пара.

Использование знаний в быту

С изобретением парового двигателя сухой пар плотно вошел в жизнь человека. Преобразование энергии пара в механическую явилось основой для создания паровых машин – двигателей внутреннего сгорания.

Он широко применяется в различных отраслях, таких как:

1. Электроэнергетика и судоходство – пар приводит в действие турбины, паровые двигатели.
2. Нефтегазовая отрасль – для удаления нефти с поверхностей буровых, трубопроводов, обогреву промыслов.
3. Химическая промышленность – способствует проведению химических процессов.
4. Деревообрабатывающая промышленность – с помощью пара получают целлюлозу, обрабатывают древесину.

Помимо использования в промышленности пар необходим для нашей повседневной жизни. Сухой пар активно используется в:

1. Саунах — при низкой влажности дает возможность повышения температуры до 150°C, которую благодаря сухому пару организм легко переносит.
2. Гладильных утюгах и отпаривателях – отлично разглаживает ткань, не оставляя следов, имеет высокую мощность подачи и сильный паровой удар.
3. Для отопления и увлажнения помещений.
4. Кулинарии — для приготовления полезной еды (пароварки).
5. Ппаровых очистителях, пылесосах — для дезинфекции поверхностей.

Заключение

Сферы применения пара разнообразны. Несмотря на опасность получить ожог от высокой температуры сухой пар все больше и больше внедряется в жизнь человека. Он является прекрасным очистителем, не содержит вредных веществ, экологичен.