RP Energy Lexicon - водяна пара, температура кипіння, випаровування, критична точка, вологість
Визначення: вода в газоподібному стані або (розмовно) видимі шлейфи конденсуючої водяної пари в повітрі
Більш конкретні терміни: насичена пара, перегріта пара, волога пара, суха пара, жива пара, технологічна пара
Оригінальне творіння: 22 грудня 2014 р .; остання зміна: 14.03.2020
У науці і техніці водяна пара - це речовина вода (H2O) у газоподібному стані. Більша частина цієї статті також посилається на це визначення. Проте в розмові водяна пара часто відноситься до видимих хмар пари, що виникають, коли в повітрі утворюються дрібні крапельки води через конденсацію міститься водяної пари. Наприклад, хмари містять велику кількість таких маленьких крапель води і тому їх видно лише тому, що світло розсіюється на краплях. До речі, на відміну від великих дощових крапель, дуже дрібні крапельки води можуть довго затримуватися в повітрі, оскільки їх швидкість падіння дуже повільна.
Часто про пару говорять лише тоді, коли з контексту ясно, що мається на увазі водяна пара - навіть якщо, звичайно, є пари від багатьох інших речовин.
Водяна пара дуже важлива в енергетичних технологіях:
- Значна частина електричної енергії отримується на теплових електростанціях за допомогою парових турбін, які працюють приблизно за так званим циклом Клаузіуса-Ранкіна.
- Однак пара також може служити носієм енергії, і вона так чи інакше використовується в багатьох промислових процесах. Тому найбільш енергоефективне виробництво пари (переважно в парових котлах) має велике значення. Іноді водяна пара також використовується як холодоагент.
- В інших випадках водяна пара виникає при хімічному перетворенні, наприклад, в процесі горіння як продукт у відпрацьованих газах або при паровому риформінгу як освіта.
Так званий технологічний пар також часто потрібен поза енергетичними технологіями, тобто H. Водяна пара, яка використовується в процесі. Часто його найважливішою функцією є подача тепла; у деяких випадках водяна пара також бере участь у хімічній реакції (наприклад, на нафтопереробних заводах та газифікації вугілля).
Раніше деякі будівлі мали парове опалення, при якому водяна пара транспортувала тепло від котла (парового котла) до радіаторів. Однак такі системи вже рідко використовуються, оскільки вони мають ряд недоліків порівняно з сучасними системами центрального опалення (з рідкою водою). Сюди входить нижча енергоефективність в результаті великих втрат в лінії при високих температурах, а також недоліки, пов'язані з безпекою.
Водна пара також відіграє надзвичайно важливу роль в земній атмосфері. Наприклад, повітря, завантажене великою кількістю водяної пари, транспортує велику кількість прихованого тепла, яке згодом може виділятися при конденсації. (Це причина, чому повітря стає теплішим після перетину гірського хребта, де хмари будуть випадати, коли хмари піднімуться; це явище відоме як фен.) Крім того, водяна пара (а не вуглекислий газ, наприклад) найбільше сприяє так званому парниковому ефекту в земній атмосфері: хмари ведуть, з одного боку, до часткового відбиття сонячного світла назад у космос, але з іншого боку також до відбиття теплового випромінювання від землі, останній ефект переважає в середньому. Ефект діоксиду вуглецю (СО2) опосередковано значно посилюється (зворотний зв’язок водяної пари): Посилення парникового ефекту за рахунок СО2 призводить до вищого вмісту водяної пари в атмосфері і, отже, до подальшого посилення парникового ефекту. H. до значно посиленого глобального потепління; див. також статтю про кліматичні небезпеки.
Оскільки багато видів палива містять значну кількість водню (у хімічно зв’язаному вигляді), при спалюванні утворюється водяна пара. Це стосується, зокрема, природного газу та нафтопродуктів. Одним із наслідків цього може бути забруднення димоходів, якщо температура вихлопних газів вибрана досить низькою, а використовувані матеріали не є вологостійкими. З іншого боку, додаткове тепло можна отримати в конденсаційному котлі шляхом конденсації водяної пари і зливу конденсованої води.
Фізичні основи
За поширеною думкою, вода є рідкою при температурі від 0 ° C до 100 ° C і газоподібною вище 100 ° C. Однак реальність набагато складніша. Перш за все, згадані температурні межі між агрегатними станами застосовуються лише до нормального тиску (1013 мбар), який приблизно відповідає атмосферному тиску, який зазвичай виникає в місцях, які не надто високі. Температура кипіння, тобто межа між рідким та газоподібним агрегатним станом, зростає із збільшенням тиску (див. Рисунок 1). Крім того, вода може випаровуватися нижче температури кипіння, поки отриманий тиск (парціальний тиск) водяної пари не досягне так званого тиску пари, який, у свою чергу, залежить від температури.
Кипіння відбувається, коли рідка вода досягає температури кипіння при заданому тиску і подається подальше тепло. Утворюються парові бульбашки, які піднімаються у воді. Тиск пари в точці кипіння відповідає зовнішньому тиску. Отже, на малюнку 1 температуру кипіння для певного тиску можна визначити як температуру, для якої тиск досягає відповідного значення.
На малюнку 2 також показана крива кипіння, але в більш високому діапазоні температур, де відповідно досягаються більш високі тиски. Крива закінчується в так званій критичній точці приблизно при 374 ° C і 221 бар; Вище цього рідку та газоподібну воду вже неможливо відрізнити одна від одної. Ця різниця стає невеликою трохи нижче критичної точки; H. об’єм майже не збільшується, коли він закипає, а теплота випаровування значно нижча, ніж при нормальному тиску.
Незважаючи на подачу тепла, температура води під час кипіння не підвищується; подане тепло використовується виключно для випаровування (→ приховане тепло, див. малюнок 3). Величина питомої теплоти випаровування (ентальпія випаровування) особливо висока у воді; При нормальному тиску він становить приблизно 2257 кДж/кг, порівняно з лише 420 кДж/кг для підігріву води від 0 ° C до 100 ° C.
При дуже низькому тиску (нижче приблизно 6 мбар, що відповідає потрійній точці води) більше не буває рідкої води, а лише тверда речовина (лід) та водяна пара. Потім лід сублімується безпосередньо до водяної пари при нагріванні без попереднього розплавлення. Сублімація може також відбуватися при нормальному тиску, подібному до випаровування.
Водяна пара може не тільки переносити тепло, вона також містить ексергію. Це використовується при роботі парових турбін і парових двигунів.
Вологий пар, насичений пар і перегрітий пар
При кип’ятінні спочатку створюється так званий насичений пар, який знаходиться точно на кривій кипіння за температурою та тиском (якщо ви знаходитесь нижче критичної точки). Якщо ця пара втрачає частину тепла, наприклад, через контакт з більш холодним повітрям, частина водяної пари конденсується у дрібні крапельки води, завдяки чому створюються видимі хмари пари. Це називається вологою парою. Частка фактичної пари (газоподібної води) часто визначається її масовою часткою х (від 0 до 1).
Якщо, з іншого боку, пара додатково нагрівається після закипання, так що її комбінація тиску і температури знаходиться праворуч від кривої кипіння на діаграмі вище, ми говоримо про перегріту пару. У ньому більше немає рідинних крапель води, оскільки конденсація може відбуватися лише тоді, коли крива кипіння знову досягається охолодженням або збільшенням тиску.
Термін сухий пар можна легко неправильно зрозуміти, оскільки він зазвичай означає більш сухий насичений пар, синонім насиченого пара, а не перегрітого пара. Суха пара в цьому сенсі не містить крапель води, але на відміну від перегрітої пари, вона утворюється негайно, навіть якщо відбувається лише мінімальне охолодження.
Вище критичної точки говориться про надкритичну пару, яка є хімічно та фізично відносно агресивною, наприклад сильно знежирює.
Парові стану на паротурбінній електростанції
Деякі парові турбіни повинні експлуатуватися таким чином, щоб водяна пара в них залишалася в межах перегрітої пари в усіх точках, тобто. H. що не з’являються крапельки води. Це може призвести до пошкодження турбіни в довгостроковій перспективі. Але є також конденсаційні турбіни, які можуть переносити конденсацію значної частини водяної пари. В електростанції парової турбіни зазвичай використовують кілька ступенів турбіни, перша працює з сильно перегрітою парою (перегріта пара), а остання - конденсаційною турбіною. Між ступенями турбіни часто використовується так званий підігрівач, який повертає пар далі в область перегрітої пари. Це не тільки захищає турбіни, але і дозволяє електростанції бути більш ефективною.
Перша ступінь турбіни на сучасних паротурбінних електростанціях добре працює в надкритичному діапазоні, наприклад при 600 ° C і 285 бар. Ще більші значення 700 ° C та 350 бар призначені для майбутніх електростанцій, щоб ще більше підвищити ефективність. Межі по суті встановлюються стійкістю доступних матеріалів.
Вироблення пари
Пара часто виробляється в парових котлах як частина парогенераторів. Основним компонентом парового котла є теплообмінник, в якому рідка вода подається з теплом (наприклад, в процесі згоряння або з ядерного реактора), так що вона закипає. При цьому створюється насичена пара, температура якої визначається тиском, що переважає.
Для деяких застосувань (особливо для парових турбін) також використовується так званий перегрівач; H. другий теплообмінник, з яким температура пари додатково підвищується, тоді як тиск залишається приблизно однаковим для отримання перегрітої пари.
У деяких ядерних реакторах, відомих як реактори з окропом, водяна пара може генеруватися безпосередньо. З іншого боку, у водяних реакторах під тиском випаровуванню запобігає високий робочий тиск і використовується окремий парогенератор. Перегріти пару навряд чи можливо, оскільки для цього потрібно джерело тепла з більш високою температурою. Це є важливою причиною, як правило, меншої ефективності роботи атомних електростанцій.
У разі використання газів, що згоряють, їх температура залишається вище температури пари (перед пароперегрівачем), так що, якби викиди газів безпосередньо марно викидались як відпрацьований газ, це призвело б до великих втрат відпрацьованих газів. З цієї причини часто використовується так званий економайзер, який витягує додаткове тепло з вихлопних газів, який здебільшого служить для попереднього нагрівання подаючої води (тобто рідкої води, що подається в паровий котел). Інша можливість рекуперації тепла - це попереднє нагрівання повітря для згоряння.
У деяких випадках електростанція не лише постачає електричну енергію, але й пар, як технологічну пару для сусідніх промислових заводів. Якщо ця пара відводиться як проміжна пара, оскільки температура пари не потрібна занадто висока, це є більш енергоефективним, ніж використання окремого парового котла для промислових операцій. Зрештою, частина ексергії спочатку генерованої гарячої пари використовується для виробництва електроенергії.
Водяна пара в повітрі
Як пояснювалося вище, вода випаровується навіть при низьких температурах, поки не буде досягнуто так званий тиск пари (змінна, яка залежить лише від температури, можна прочитати на малюнку 1). Отже, якщо рідка вода контактує з повітрям, вміст водяної пари в повітрі зростає під час випаровування, доки парціальний тиск водяної пари (а не загальний тиск повітря) не відповідає згаданому вище тиску пари. Коли ця точка досягнута, вода може продовжувати випаровуватися з мікроскопічної точки зору, але однакова кількість конденсується одночасно, так що вміст водяної пари в повітрі більше не може збільшуватися.
Вологість - це показник вмісту водяної пари в повітрі, який використовується у двох варіантах. Абсолютна вологість повітря подана, наприклад, в г/м 3 (грами на кубічний метр), тоді як відносна вологість повітря показує, яка частка тиску пари води або яка частка максимального вмісту водяної пари в повітрі. Вологість у будівлях відіграє важливу роль у добробуті людини. Занадто висока вологість може призвести до зростання цвілі.
Часто кажуть, що повітря може поглинати лише певну кількість водяної пари при певній температурі. Це вводить в оману, оскільки цей максимальний вміст визначається не молекулами повітря (тобто їх “толерантністю” до води), а скоріше властивістю самої води. Використання газу, відмінного від повітря (наприклад, аргону, із зовсім іншими хімічними та фізичними властивостями, ніж повітря), не призведе до будь-якого іншого максимального вмісту водяної пари.
Водяна пара як парниковий газ
Водяна пара поглинає інфрачервоне світло (теплове випромінювання) в певних спектральних діапазонах і, отже, діє як парниковий газ в атмосфері. Через високий вміст водяної пари в атмосфері цей ефект навіть набагато сильніший, ніж діоксид вуглецю (CO2). Звідси не випливає, що (як стверджують зокрема багато «кліматичні скептики») викиди СО2 насправді незначні. Справа в тому, що вміст СО2 в атмосфері, який зараз значно збільшився завдяки підвищенню температури, також спричинює підвищений вміст водяної пари в повітрі, що потім ще більше підвищує температуру. Цей ефект не призводить до постійного підвищення температури навіть без подальших викидів СО2, але збільшує ефективний парниковий ефект СО2 значно більше, ніж це могло б спричинити сам СО2. Отже, з одного боку, це правда, що більша частина парникового ефекту походить від водяної пари; з іншого боку, однак, саме цей ефект значно посилюється завдяки викидам СО2. Ось чому це насправді залежить від викидів CO2.
З іншого боку, викиди водяної пари, спричинені людиною, - наприклад, через градирні великих електростанцій - напрочуд не призводять до глобального забруднення клімату, а лише до місцевих наслідків через утворення хмар. Це тому, що такі викиди компенсуються збільшенням кількості опадів. Зрештою, вміст водяної пари в атмосфері обмежується її температурою.
Водяна пара, яка виділяється літаками на великій висоті і утворює протилежні елементи, має ще сильніший парниковий ефект. Цей ефект має лише короткочасний ефект, але він відносно сильний і тому є важливою складовою парникового ефекту, який в даний час створюється повітряним рухом. Серйозні постачальники 2 викидів за допомогою інших заходів "> компенсація CO2 враховують це, компенсуючи відповідно вищі викиди CO2.
Запитання та коментарі читачів
Тут ви можете запропонувати запитання та коментарі для публікації та відповіді. Автор RP-Energie-Lexikon прийме рішення про прийняття за певними критеріями. По суті, справа в тому, що справа представляє широкий інтерес.
Якщо ви отримаєте тут допомогу, ви можете повернути послугу пожертвою, за допомогою якої ви підтримаєте подальший розвиток енергетичного словника.
Захист даних: Будь ласка, не вводьте тут жодних особистих даних. Ми все одно не публікували б їх і незабаром видалили б. Дивіться також нашу політику конфіденційності.
Якщо ви хочете отримати особистий відгук або пораду від автора, напишіть йому електронною поштою.
Подаючи заявку, ви даєте згоду на публікацію своїх записів тут відповідно до наших правил.
Якщо вам подобається цей веб-сайт, повідомте про це своїм друзям та колегам - e. Б. через соціальні мережі, натиснувши тут:
Ці кнопки спільного доступу налаштовані на захист даних!
Код для посилань на інших веб-сайтах
Якщо ви хочете розмістити посилання на цю статтю в іншому місці (наприклад, на вашому веб-сайті, у соціальних мережах, на дискусійних форумах або у Вікіпедії), ви можете знайти код тут. Такі посилання можуть, наприклад, В. бути дуже корисним для пояснень слів.
HTML посилання на цю статтю:
З попереднім переглядом зображення (див. Вікно безпосередньо над цим):
Якщо ви вважаєте за доцільне розмістити посилання у Вікіпедії, напр. B. у розділі "== Веб-посилання ==":
Зміцніть свою психічну імунну систему!
У часи фальшивих новин та пропаганди як масових явищ надзвичайно важливо якомога надійніше розкрити маніпуляції та невинні помилки мислення.
Щоб допомогти в цьому, на цьому веб-сайті пропонується вичерпний та детальний посібник:
До речі, у нас також є сторінки, присвячені усуненню помилок та пропаганді в енергетичному та екологічному секторах.