vodena para kompletan rad seminarski

Visoka škola za primijenjene i pravne nauke Prometej

Banja Luka, Knjaza Miloša 10a

- S E M I N A R S K I R A D –

IZ PREDMETA: TEHNIČKA TERMODINAMIKA

TEMA: VODENA PARA

Student: Mentor:

Dejan Radić TI-222 Prof. Simo Vidović

Banja Luka, decembar 2015.

Vodena para TEHNIČKA TERMODINAMIKA

SADRŽAJ

SADRŽAJ.............................................................................................................................................

1. UVOD...............................................................................................................................................

1. VODENA PARA..............................................................................................................................

1.1. Određivanje veličina stanja ključale vode i suvozasićene vodene pare............................6

1.2. Određivanje veličine stanja vode i pregrejane vodene pare.............................................7

1.3. Određivanje veličina stanja vlažne vodene pare...............................................................9

ZAKLJUČAK.....................................................................................................................................

Literatura.............................................................................................................................................

2 Dejan Radić


1. UVOD

Voda je jedina materija koja na uslovima (p, T) koji vladaju na Zemlji postoji u sva tri agregatna stanja: kao led, kao tečnost i kao vodena para u vazduhu. Preko 70% površine Zemlje pokriveno je vodom/ledom, a više od 60% zapremine živih organizama i biljaka čini voda. Bez vode ne bi bilo života na Zemlji. Svega oko 3% je pitka voda, koja je bez ukusa, boje i mirisa.

U tehničkoj praksi posebno su važni procesi u kojima se voda, odnosno vodena para koristi kao radni fluid. Industrijska revolucija započela je primenom parnih mašina, a sve veća potreba za električnom energijom povezana je sa izgradnjom parnih postrojenja (toplana). Voda se koristi kao rashladni fluid ili fluid za prenos toplote. Takođe, voda igra važnu ulogu u kondicioniraju vazduha.

Mnoge hemijske reakcije odvijaju se u vodenim rastvorima. Model idealnog gasa se ne koristi za procese u kojima je radni fluid čista voda. Zbog osobina vode ne postoji jedinstvena jednačina stanja koja bi dobro opisivala stanja vode u svim oblastima pritisaka i temperatura.

Termodinamička, transportna i druga svojstva vode posebno je potrebno znati pri projektiranju parnih postrojenja (kotlova, turbina, kondenzatora i dr.). Standard za termodinamička svojstva vode za široko područje temperatura i pritisaka postavljen je 60-tih godina (IFC-67). The International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) usvojio je 1997. Novu formulaciju termodinamičkih svojstava vode i vodene pare za industrijske potrebe. Taj novi industrijski standard naziva se "IAPWS Industrial Formulation for the Thermodynamic Properties of Water and Steam" (IAPWS-IF97).1

1 http://www.iapws.org/newform.html

3 Dejan Radić

http://www.iapws.org/newform.html


1. VODENA PARA

Sastav vode podložan je promenama pa je bilo važno imati na raspolaganju "standardnu" vodu koja se može lako reprodukovati i služiti za poređenje sa ostalim vodama. Kako je izotopni sastav dubinske okeanske vode na Zemlji praktično jednolik to je on usvojen kao standard pod nazivom Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW). Naravno, svojstva stvarno korišćene vode su ponešto različita od standarda pa o tome treba voditi računa pri naučnim istraživanjima (npr. molarna masa "standardne" vode je M = 18.015268 kg/kmol, a obične vode M = 18.015257 kg/kmol).

Gasna konstanta vode je R = 0.461526 kJ/kg K (Ru = 8.31451 kJ/kmol K, M = 18.015257 kg/kmol). Svako stanje vode, odnosno vodene pare, određeno je sledećim veličinama stanja:

p - pritisak,t (T) - temperatura,v - specifična zapremina,h - specifična entalpija,s - specifična entropija,u - specifična unutrašnja energija.U oblasti vlažne vodene pare treba definisati i stepen suvoće x.Veličine stanja vode, odnosno vodene pare, u karakterističnim tačkama (trojna tačka -

T, ključanje i isparavanje na atmosferskom pritisku - s, kritična tačka - K) date su u tabeli (prema podacima ITS-90 - The International Temperature Scale of 1990):

Tabela 1. Veličina stanja vode u karakterističnim tačkama

4 Dejan Radić


Vodena para se nalazi u prirodi kao sastavni deo vazduha i u vidu oblaka i magle. U prirodi se iznad tečne vode nalazi atmosferski vazduh, u kome uvek ima bar malo vlage u obliku vodene pare.

U odnosu na masu drugih komponenata u vazduhu (pretežno kiseonika O2 i azota N2) masa vodene pare je zanemarljivo mala, na primer reda veličine 7 grama po jednom kilogramu vazduha. U tom slučaju je molski udeo vodene pare 0.011248, pa je pri atmosferskom pritisku od 0.101325bar parcijalni pritisak vodene pare jednak 0.0011397bar. Temperatura zasićenja koja odgovara parcijalnom pritisku vodene pare u vazduhu je ts = 8.76ºC pa će pri većim temperaturama vlaga u vazduhu biti u obliku vodene pare. Suprotno tome, hlađenjem vazduha na niže temperature, ispod 8.67ºC, doći će do rošenja, tj. kondenzacije dela vodene pare. I ovde je za proces promene agregatnog stanja karakteristična jednoznačna povezanost temperature i pritiska na kome se ta promena odvija.

Tehnološka pregrejana vodena para dobiva se isparavanjem vode, na određenom pritisku, u sudovima koji se nazivaju parni kotlovi. U tehnici se uglavnom koristi pregrejana vodena para.

Neka je, na primer, potrebno proizvesti u parnom kotlu (slika 1), na pritisku parnog kotla p = ps, pregrejanu vodenu paru stanja 2(p, T2) iz napojne vode stanja 1 (p, T1).

Proces je prikazan u (p, v) dijagramu.

Slika 1. Proces u parnom kotlu u pV dijagramu

U oblasti vode je T 1<T s , pri čemu je T s temperatura zasićenja koja odgovara pritisku zasićenja ps.

Voda početnog stanja 1, najpre se u parnom kotlu zagreva (1 1’), dovođenjem toplote pri stalnom pritisku p = const, i temperatura joj raste sve dok se ne dostigne temperatura ključanja, odnosno temperatura zasićenja (T 1'=T s>T 1). Stanje 1’ leži na donjoj

5 Dejan Radić


graničnoj krivi. Daljim dovođenjem toplote tečnost se prevodi (1’ 1”) u suvozasićenu paru, odnosno vrši se isparavanje tečnosti, pri čemu je: T 1'=T 1 '>T s.

Stanje 1” leži na gornjoj graničnoj krivi. Proces isparavanja je dakle izobaro-izotermski proces. Količina toplote potrebna za isparavanje naziva se latentnom toplotom isparavanja. Konačno, daljim dovođenjem toplote vrši se pregrevanje suve pare do stanja pregrejane vodene pare (stanje 2). U oblasti pregrejane vodene pare je T 2>T s.

1.1. Određivanje veličina stanja ključale vode i suvozasićene vodene pare

Stanje ključale vode 1’ nalazi se na donjoj graničnoj krivi (x = 0), a stanje suvozasićene vodene pare 1” na gornjoj graničnoj krivi (x = 1) (slika 2).

Slika 2. Ključala voda i suvozasićena vodena para

Za određivanje veličina stanja ključale vode, odnosno odgovarajućeg stanja suvozasićene vodene pare, treba znati jednu veličinu stanja (jedan podatak), na primer temperaturu ključanja (zasićenja, isparavanja, kondenzacije) Ts. Samim tim, poznat je pritisak zasićenja ps. Ostale veličine stanja očitavaju se iz termodinamičkih tablica (Tabele 2 i 3).

6 Dejan Radić


Tabela 2. Veličine stanja ključale vode i suve vodene pare u zavisnosti od temperature

Tabela 3. Veličine stanja ključale vode i suve vodene pare u zavisnosti od pritiska

1.2. Određivanje veličine stanja vode i pregrejane vodene pare

Za određivanje veličine stanja vode, odnosno pregrejane vodene pare, treba znati dve veličine stanja (dva podatka), na primer pritisak i temperaturu (slika 3). Ostale veličine stanja očitavaju se iz termodinamičkih tablica (tabela 4). Stanje vode 1 definisano je pritiskom p1 i temperaturom t1, a stanje pregrejane vodene pare 2 pritiskom p2 i temperaturom t2.

Veličine stanja vode, odnosno pregrejane vodene pare određuju se na sledeći način: najpre se u tabeli 4 nalazi odgovarajući pritisak p (prva vrsta), zatim temperatura t (prva kolona) i na kraju se očitavaju specifična zapremina, specifična entalpija i specifična entropija. Za dati pritisak oblast vode se nalazi iznad crte u tabeli 4, a oblast pregrejane vodene pare ispod crte.

7 Dejan Radić


Slika 3. Voda i pregrejana vodena para

Tabela 4. Veličine stanja vode i pregrejane vodene pare

8 Dejan Radić


1.3. Određivanje veličina stanja vlažne vodene pare

Vlažna vodena para (stanje 1) predstavlja mešavinu ključale vode i suvozasićene vodene pare koje se nalaze u stanju ravnoteže, na pritisku zasićenja ps i temperaturi zasićenja Ts (slika 4). Odgovarajuća stanja ključale vode i suvozasićene vodene pare označena su sa 1’ i 1’’. U (p,v) dijagramu prikazana je linija konstantnog stepena suvoće koja odgovara stanju 1.

Posmatra se jedan sud (slika 5) u kome se nalazi vlažna vodena para, pri čemu deo zapremine zauzima ključala voda, a preostalu zapreminu suvozasićena vodena para.

Slika 4. Vlažna vodena para

Slika 5. Sud sa vlažnom vodenom parom

9 Dejan Radić


Dakle, za određivanje stanja vlažne vodene pare, treba najpre odrediti veličine stanja ključale vode i suvozasićene vodene pare na odgovarajućem pritisku, odnosno temperaturi zasićenja.

Na slici 6 prikazan je radni (p,v) dijagram za vodenu paru u pravoj razmeri, koji grafički prikazuje kako izgledaju pravi odnosi među veličinama stanja, a može da posluži i za direktno očitavanje vrednosti pojedinih veličina stanja. Ipak, radni (p,v) dijagram se ređe primenjuje u praksi u odnosu na toplotni (T, s) dijagram, a pogotovu u odnosu na Molierov (Mollier) (h, s) dijagram za vodenu paru.

U mnogim slučajevima toplotni (T, s) dijagram je pogodniji za analizu procesa sa realnim supstancijama, na primer pri izučavanju nepovratnosti procesa ili za grafičko prikazivanje razmenjene količine toplote. Na slici 7 prikazan je (T, s) dijagram za amonijak, a na slici 8 za vodenu paru u pravoj razmeri.

Slika 6. Radni (p, v) dijagram za vodenu paru

10 Dejan Radić


Slika 7. Toplotni (T, s) dijagram za amonijak

11 Dejan Radić


Slika 8. Toplotni (T, s) dijagram za vodenu paru

12 Dejan Radić


ZAKLJUČAK

Pri proračunima koji su povezani sa promenama stanja vodene pare pojavljuju se slični problemi i zadaci kao i pri promenama stanja gasova, to jest određivanje početnog i krajnjeg stanja pare, promene njene unutrašnje energije i entalpije, razmenjene toplote i razmenjenih radova.

Međutim, pri promenama stanja vodene pare postoji jedna važna osobenost koja ne postoji pri promenama stanja gasova. Ona se sastoji u tome da, kada para prelazi iz jednog stanja u drugo, na primer iz oblasti vlažne u oblast pregrejane pare, postoji i kvalitativna razlika u načinu odvijanja procesa u pojedinim od ovih oblasti. Zbog toga je veoma značajno da se utvrdi u kakvom je stanju para na početku i na kraju procesa.

Pojedine veličine stanja i karakteristike procesa mogu da se odrede pomoću tabela za vodenu paru i odgovarajućih izraza koji slede na osnovu prvog i drugog zakona termodinamike. Kao praktičniji i brži, primenjuju se grafički postupci, naročito korišćenjem (h, s) dijagrama za vodenu paru. Pri opisivanju ovog dijagrama već su detaljno navedene prednosti njegove upotrebe. Često se pri proračunima primena tabela i grafički postupci kombinuju. Prema zadatim početnim veličinama stanja i uslovima odvijanja procesa, na primer, na (h, s) dijagramu, nalaze se tačke po kojima se određuju nepoznate veličine stanja na početku i na kraju procesa (na primer v, h, s).

13 Dejan Radić


Literatura

[1] http://www.iapws.org/newform.html

[2] https://www.scribd.com/doc/282287382/Primenjena-termodinamika-predavanja

[3] https://www.scribd.com/doc/251614940/VODENA-PARA-CIKLUSI-DOC

[4] https://www.scribd.com/doc/250825477/Tehnicka-Termodinamika

14 Dejan Radić

https://www.scribd.com/doc/250825477/Tehnicka-Termodinamika

https://www.scribd.com/doc/251614940/VODENA-PARA-CIKLUSI-DOC

https://www.scribd.com/doc/282287382/Primenjena-termodinamika-predavanja

http://www.iapws.org/newform.html

vodena para kompletan rad seminarski

Documents