1.2. Физические свойства воды

Вода и водяной пар являются рабочим телом ядерных реакторов, парогенераторов, паровых турбин, конденсаторов, регенеративных и сетевых подогревателей и многих других теплоэнергетических элементов ТЭС, ТЭЦ и АЭС. Их свойства в значительной степени определяют конструкции этих элементов. Вода практически несжимаемая жидкость: при изменении давления в широких пределах её плотность изменяется очень мало. Если воду нагреть в открытом сосуде (рис. 1.1), то при определённой температуре начинается её кипение и образование над её поверхностью пара. Температура кипящей воды и образующегося при кипении пара одинаковы и неизменны до полного выкипания жидкости. Если описанный выше опыт поставить при атмосферном давлении (760 мм рт. ст.), то кипение и испарение будут происходить при 100 °С.

Эту температуру называют температурой кипения, или температурой насыщения и обозначают tн. Последнее название связано с тем, что при спокойном кипении над поверхностью воды образуется сухой насыщенный пар — пар, в котором отсутствуют капельки воды. Если температуру сухого насыщенного пара снизить (а это можно сделать только путём одновременного снижения давления), то часть пара сконденсируется, и в нём появятся капельки воды. Такой пар называется влажным. Если, наоборот, сухой насыщенный пар нагреть, то он окажется перегретым по отношению к состоянию насыщения.
Если снизить давление в сосуде, то кипение и испарение будут происходить при меньшей температуре. Это используется в так называемых вакуумных деаэраторах, установленных в системах подпитки теплосети: достаточно в сосуде (деаэраторе) создать давление в 0,5 кгс/см2 ≈ 50 кПа, и она закипит всего при температуре 81 °С.
Наоборот, если повысить давление в сосуде, то она закипает и начинает испаряться при более высокой температуре. Это свойство широко используют в для стерилизации мединструментов при повышенной температуре в автоклавах, для быстрого приготовления пищи и т.д. Оно очень широко ис-пользуется в различном оборудовании ТЭС. Например, в стандартном деаэраторе поддерживается давление 6 кгс/см2 ≈ 0,6 МПа, и вода в нем закипает при нагреве до 159 °С.
В барабане барабанных котлов поддерживается давление 140 кгс/см2 = 13,7 МПа, и поэтому в нём генерируется насыщенный пар с температурой примерно 335 °С. В парогенераторах двухконтурных АЭС нагрев и испарение воды происходит при давлении 6 МПа, и поэтому температура образующегося насыщенного пара составляет 275,6 °С. Необходимо отметить, что температура насыщения однозначно определяется давлением над её поверхностью. Эта связь показана на рис. 1.2.

Тепловая энергия, расходуемая на поддержание кипения в сосуде, затрачивается на разрыв связей между молекулами воды, т.е. на её испарение. Молекулы испарившейся жидкости обладают энергией большей на величину удельной теплоты парообразования r, представляющей собой количество тепловой энергии, необходимой для испарения 1 кг кипящей жидкости. Измеряется величина r в кДж/кг или ккал/кг.
Плотность сухого насыщенного пара, естественно, меньше, чем воды, и так же, как температура насыщения, она однозначно определяется давлением. Чем выше давление, тем больше плотность. При давлении pкр = 22,115 МПа плотность воды и сухого насыщенного пара совпадают, температура насыщения t_н = t_кр = 374,12 °С, а теплота парообразования r = 0. Столь своеобразное состояние, характеризуемое отмеченными параметрами, называется критическим, а они сами — критическими. В критическом состоянии плотность воды и пара совпадают и они по существу неразличимы.
История развития энергетики это постоянное повышение параметров пара. С начала 60 годов 20 века в нашей стране (впервые в мировой энергетике) начался переход от докритических параметров (130 ат, 540О С) к сверхкритическим (СКД 240 ат, 540О С). В настоящее время мировая энергетика начала использовать супер - сверхкритические (ССКД) параметры пара: 300 ат, 600О С; затем 350 ат, 650О С; и уже имеются блоки, использующие пар с температурой до 700О С. Повышение параметров пара это один из наиболее эффективных способов повышения КПД ТЭС.
В турбины ТЭС и ТЭЦ, построенные на докритические параметры, поступает перегретый пар, температура которого больше температуры насыще-ния (при этом же давлении) на значение Δt_п.
Поступивший в турбину пар расширяется в ней и в определённой точке турбины проходит через состояние насыщения, а затем становится влажным — смесью сухого насыщенного пара и капель воды. Содержание влаги на выходе из турбины (точнее - за её последними вращающимися лопатками) для её надёжной работы не должно превышать 10 - 13 %. Влажный пар из турбины поступает в конденсатор, где превращается в воду, которая имеет температуру насыщения.