1

Veeauru omadused, diagrammid, tabelid.Põhiprotsessid veeauruga, H-s, T-s, p-v diagrammid

Andres Siirde

2

Sissejuhatus

Vett leidub 70% maapinnast..... On neutraalne Kerge transportida Omab suurt soojusmahtuvust Soojusülekandel töötava kehana omab suuri

soojusülekandetegureid, eriti kondenseerumisel Aurustub ja kondenseerub konstantsel

temperatuuril

3

Reaalsete gaaside põhiomadused Ideaalse gaasi eeldus oli, et gaasimolekulide vahel

puuduvad vastastikused jõud ning molekulide maht võrreldes gaasi enese mahuga on tühiselt väike

Reaalsete gaaside üheks põhiomaduseks on asjaolu, et neid on alati võimalik teatud tingimustel kondenseerida (veeldada)

Kõik looduses esinevad ained võivad olla erinevates faasides, mis kujutavad endast erinevaid agregaatolekuid (tahke, vedel, gaasiline) või kristallilise oleku alavorme.

4

Aine faasidevaheline termodünaamiline tasakaal Süsteemi iga faas moodustab omaette ühesuguste füüsikaliste

omadustega homogeense süsteemi (alasüsteemi). Mitmefaasilises süsteemis on kõik faasid omavahelises kontaktis

Aine üleminekut ühest faasist teise nimetatakse aine faasimuutuseks. Seejuures on võimalikud järgmised faasimuutused:

1. vedelik-gaas (aurustumine kondenseerumine),2. tahke-gaas (sublimeerimine -desublimeerimine)3. tahke-vedelik (sulamine, hangumine) 4. tahke-tahke (rekristalliseerumine).

5

Aine faasimuutus on alati seotud soojusefektiga, s. t. aine faasimuutusel esineb kas soojuse absorbeerimine või soojuse eraldumine

Mitmefaasilise süsteemi termodünaamilise tasakaalu vajalikuks tingimuseks, nagu homogeense süsteemi korralgi, on mehaanilise ja soojusliku tasakaalu tingimus: näiteks kahefaasilise süsteemi korral p1=p2 Ja T1=T2, s. t. mõlemate faaside rõhud ja temperatuurid on samad

Aine agregaatolek on määratud tema olekuparameetritega. Igale kindlale rõhule ja temperatuurile vastab kindel aine agregaatolek. Aine agregaatoleku väljendamiseks kasutatakse kõige sagedamini pT-diagrammi (rõhu ja temperatuuri):

6

Diagrammile kantakse jooned, mis jaotavad pt tasapinna "kolmeks osaks. Iga tasapinna osa vastab aine kindlale agregaatolekule. Joon Kp-K määrab piiri aine gaasilise (auru) ja vedela oleku vahel, joon Kp-a piiri vedela ja lahke ning joon Kp-b piiri tahke ja gaasilise (auru) oleku vahel. Punkti Kp, kus aine on üheaegselt kolmes agregaatolekus, nimetatakse aine kolmikpunktiks.

7

Aine Kriitiline temperatuur

0C rõhk MPa

erimaht m3/kg

Vesi 374,15 22,129 3,26 Heelium -267,9 0,229 14,43 N2 -147,1 3,394 3,21 O2 -118,8 5,036 2,44

8

temperatuur

rõhk

Gaasiline faas

9

Kasutatakse ka pv ja

10

TS diagramme:

11

Erinevus reaalse ja ideaalse gaasi vahel

pV=konstT=konst.Ideaalne gaas

Reaalne gaas Diagrammil komprimeerime gaasi

püsitemperatuuridel, kus T1<T2<….Tk 1"-1' ……3"-3' vahel on nii gaasiline kui

vedel olek- niiske aur 1" -st paremal on aine gaasilises faasis 1' -st vasakul esineb aine ainult vedelas

olekus b……kuni punktini K- ülemine piirkõver a kuni punktini K alumine piirkõver punkt K- aine kriitiline punkt, seda läbib

kriitiline isoterm

12

Faasidevahelise tasakaaluoleku ala igas punktis oleva aine erifaasiliste ainehulkadevahekorda väljendab suhe

kus M1 ja M2 – vastavalt ühe ja teise faasi mass termodünaamilises tasakaalus olevas kahefaasilises süsteemis. Näiteks, kui tasakaalus olev süsteem on niiske aur ning M1 tähistagu auru massi ja M2 vedeliku massi selles, siis nende kaudu avaldatud suhet x nimetatakse auru kuivusastmeks. Seega alumisel piirkõveral x = 0 ja ülemisel piirkõveral x = 1.

13

Vee-auru kuumutamine

14

Veeauru tabelid ja diagrammid Veeauru omadused on auru keeruka struktuuri tõttu

väljendatavad väga keerukate analüütiliste võrranditega. Seepärast on nende võrrandite kasutamine praktiliste ülesannete lahendamisel seotud mahukate arvutustega.

Mitmesuguste veeauruga seotud arvutuste lihtsustamiseks kasutatakse veeauru tabeleid ja diagramme.

Tuntakse küllastunud vee ja veeauru tabelid,auru ning vee- ja ülekuumendatud auru tabeleid.

15

Küllastanud vee ja veeauru omadused alumisel ja ülemisel piirkõveral (1)

Küllastunud vee ja veeauru tabelites antakse vee ja veeauru omadused alumisel ja ülemisel piirkõveral, hõlmates vahemiku vee kolmikpunktist kuni kriitilisepunktini. Andmed nendes tabelites võivad olla esitatud kas rõhu või temperatuuri järgi, vastavalt sellele, milline nendest kahest parameetrist on esimeses veerus. Järgnevates veergudes tuuakse tavaliselt küllastanud vee ja veeauru kohta erimaht, entalpia, entroopia, mõnikord veel täiendavalt vee ja veeauru tihedus, aurustumissoojus.

16

Küllastanud vee ja veeauru omadused alumisel ja ülemisel piirkõveral (2) , tabeli näide

17

Vee ja ülekuumendatud auru tabelid (1)

Vee ja ülekuumendatud veeauru tabelisse koondatakse andmed vee ja veeauru,entalpia, entroopia ja erisoojuse kohta sõltuvuses temperatuurist ja rõhust, alates vee kolmikpunkti parameetritest. Vesi ja veeaur kui ühefaasilised ained, vajavad oleku määramiseks kahte sõltumatut parameetrit.

18

Ülekuumendatud auru tabel, näide:

19

Niiske aur

Niiske auru jaoks omaette tabeleid koostada ei ole vaja, vajalikud parameetridsaab leida valemitega:

mis sisaldavad auru kuivusastme x ningandmed alumisel ja ülemisel piirkõveral ülalesitatud tabelitest.

20

Vee-auru parameetrid internetis

http://deepzone2.ttu.ee/soojus/sisukord/termodyn.htmhttp://www.spiraxsarco.com/http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-tables.asp

21

Veeauru TS diagramm:Diagrammi koostamise on valitud üheks lähtepunktiks vee kolmikpunkt (tähistatud ao-ga), mille juures entroopia väärtus loetakse tinglikult nulliks. Kuna soojustehnilistes arvutustes esineb alati entroopia muutus, siis entroopia teadmine ei oma praktilist tähtsust.

Kandes küllastunud veeauru tabelist Ts-diagrammi s' ja s" väärtused mitmesugustel temperatuuridel, saame vastavalt alumise (x=0) ja ülemise piirkõvera (x=1) kontuurid.

22

23

h-s diagrammid

Paljud termodünaamilised protsessid on hea käsitleda h-s diagrammil, mida kutsutakse ka Mollier diagrammiks. Näide h-s diagrammist koos T-s diagrammiga on :

24

hs-diagramm on leidnud laialdast rakendust soojusjõuseadmetes toimuvate protsessidekäsitlemisel eelkõige seetõttu, et mainitud tasandil on ülevaatlikult kujutatav soojusjõumasinas tehtav adiabaatne töö.

Kui Ts-diagrammil avalduvad soojushulgad pindaladena, siis hs-diagrammilt on isobaarsest protsessist osavõttev soojushulk leitav sirglõigu pikkusena.

hs-diagramm on hea kasutada ka auru voolamis- ja drosseldusprotsessi uurimisel.

25

26

Veeauru pv diagramm:

27

Vee kuumutamine Vee täielik kuumutamine ehk lihtsalt vee kuumutamine seisneb vee

temperatuuri tõstmises teatud lähteolekust kuni antud rõhule vastava küllastustemperatuurini. Selline protsess on võimalik ainult rõhul, mis on madalam kriitilisest. Kui vee rõhk on kriitilisest väärtusest kõrgem, mõistetakse sageli vee täieliku kuumutamise all vee temperatuuri tõstmist algolekust kuni kriitilise temperatuurini. Vee osalisel kuumutmisel jääb vee temperatuur rõhule vastavast küllastustemperatuurist või ülekriitilise rõhu korral madalamaks kriitilisest temperatuurist. Vaatleme vee kuumutuse käiku kriitilisest rõhust madalamal rõhul, lugedes vee algolekuks kolmikpunkti parameetrid (punkt a olekudiagrammidel). Vett võib kuumutada mitmeti, erinevate termodünaamiliste protsesside vahendusel.

Kõige sagedasem on vee kuumutamine soovitud temperatuurini isobaarselt, millele on eelnenud vee rõhu tõstmine pumba abil. Käsitletav juhtum on kujutatud

pv- ja Ts-diagrammil

28

a-1 vastab vee isoentroopsele komprimeerimisele pumbas. Komprimeerimisele järgnevat vee isobaarset kuumutamist kujutab diagrammil lõik 1-2. Soojushulk vee isobaarseks kuumutamiseks on:q= h’- h1, kus h’ on vee entalpia küllastustemperatuuril

29

Veeauru ülekuumendamine

30

Vee aurustumine

Vee aurustumissoojus:

31

Ülekriitilised parameetrid

32

33

Põhiprotsessid veeauruga Isohoorne protsess

Olgu auru algolek antud rõhuga p1 ja temperatuuriga t1, mis määravad auru algolekut tähistava punkti olekudiagrammil kui isobaarjoone p1 ja isotermjoone t1 lõikepunkti Auru erimahu saab leida samalt diagrammilt või p1 ja t1 kaudu ülekuumendatud veeauru tabelist. Kui on teada protsessi lõpprõhk p2, siis punkti 1 läbiva isohoorjoone lõikumine isobaarjoonega p2 sedastab protsessi lõpppunkti 2. Auru lõpptemperatuuri punktis 2 saab leida rõhu p2 järgi küllastunud veeauru tabelist või olekudiagrammilt

34

Isobaarne protsess

Iseloomustagu aurualgolekut rõhk p ja erimaht v1. Lõppolek olgu määratud temperatuuriga t2

35

Isoentroopne paisumine, auru paisumisprotsesside kujutamine hs-diagrammil

h

s

p1

p2

t1 1

2

2*

5

x=1

x2*

x2

ha=

h 1-h

2

hi=

h 1-h

2*

Tehniline töö:

Reaalsed protsessid mitteisoentroopsed (hõõrdekadude tõttu) ja seetõttu entroopia suureneb paisumine entalpia väärtuseni h*

36

Soojusjõuseadmed

Seadmeid, kus toimub soojuse muundamine mehaaniliseks tööks, me nimetame soojusjõuseadmeteks. Soojusjõuseadeteks on:

Sisepõlemismootorid Gaasturbiinid Auruturbiinid

Maailmas toodetud elektrienergia enamus on toodetud just soojusjõuseadmetega ja vaatamata näiteks tuule-, hüdro-, päikese jt. energiatootmisseadmete arengule, jääb soojusjõuseadmete osatähtsus elektrienergia tootmisel väga suureks

37

Lihtsustatud aurujõuseadme skeem

38

Carnot' ringprotsessCarnot' ringprotsessil on kõigist võimalikest ringprotsessidest soojusallika ja jahutaja antud temperatuurivahemikus kõrgeim termiline kasutegur. Carnot´ ringprotsess avastati 1824. a. prantsuse inseneri ja õpetlase S.Carnot' poolt. Carnot' ringprotsessi koostisosadeks on kaks isotermilist ja kaks isoentroopilist protsessi.

1

2

1

2

111 T

Tqq

qlt

39

AURUJÕUSEADME RINGPROTSESSID

1

2

3 4

5

6 7

Aurujõuseadme skeem: 1-aurugeneraator, 2-auru ülekuumendi, 3-aurujõumasin, 4-elektrigeneraator (kompressor, sõukruvi),

5- kondensaator, 6-toitepump, 7-tsirkulatsioonipump

1

2

4

3*

3`

3

T1

T2

T

s

P1 P2

x =1

K

x2 x3

x =0

Carnot` ja Rankine´i ringprotsesside kujutamine Ts-diagrammil niiske auru piirkonnas.

40

T

s

P1

P2

K x=0

4

1

2 3

2* 3`

5 3*

x=1

x2 x2*

Rankine´i ringprotsessi kujutamine Ts-diagrammil

41

Gaasi- ja auruturbiinjõuseadme liitringprotsess

42

Kasutegurid:Rankine`i ringprotsessi termiline kasutegur

)()(

2131

2121

ppvhhppvhh

t

. (9.6)

Aurujõuseadme sisemine suhteline kasutegur

2121

2121

)()(

ppvhh

ppvhh p

i

Toi

oi

. (9.7)

ning jõuseadme sisemine kasutegur toii . (9.8) Aurujõuseadme elektriline kasutegur Gmoitakel , (9.9) kus k - aurukatla kasutegur, a - aurutorustiku kasutegur, m - aurujõumasina mehaaniline kasutegur, G – elektrigeneraatori kasutegur

43

Näiteülesanded.

Acrobat Document