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1、第五章 水蒸气的性质与热力过程,基本知识点 水蒸气的产生过程、水蒸气状态参数的确定、水蒸气图表的结构和应用、水蒸气在热力过程中功量和热量的计算。,本章重点：工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水蒸气热力学性质的图表，并能熟练的运用于各种热力过程的计算。,山西农业大学工程技术学院,水蒸气是实际气体!,水蒸气,在空气中含量极小，当作理想气体,一般情况下，为实际气体，使用图表,18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质,直到内燃机发明，才有燃气工质,目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质,优点:便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好,山西农业大学工程技术学院,沸腾：表面和液体内部同时发生的剧烈汽化现象,
2、(气体和液体均处在饱和状态下),一、汽化:由液态变成气态的物理过程(不涉及化学变化),蒸发：汽液表面上的汽化,5-1 水蒸气的饱和状态,山西农业大学工程技术学院,二者的异同：不同：蒸发在任何温度下都能进行，而沸腾必须在一定的沸点才能发生；蒸发速度慢，沸腾汽化快。相同：从微观角度讲，二者都是动能较大的液体分子克服了表面张力的作用飞入上面汽相空间的过程。,山西农业大学工程技术学院,二、液化（凝结）物质又气态转变为液态的过程。特点：1.凝结是气相空间的蒸汽分子相互碰撞或碰撞回到液面凝结成液体的过程。2.凝结速度与气相空间的蒸汽压力有关。压力越大，汽体分子密度越大，碰撞几率越高，凝结速度越快。,山西农
3、业大学工程技术学院,三、饱和状态,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡,饱和温度Ts,饱和压力ps,一一对应,放掉一些水，Ts不变，ps？,Ts,ps,ps=1.01325bar,Ts=100,青藏ps=0.6bar,Ts=85.95,高压锅ps=1.6bar,Ts=113.32,山西农业大学工程技术学院,5-1 水蒸气的定压发生过程,t ts,t=ts,t=ts,t=ts,t ts,v v,v=v,v=v,v v v,v v,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽,过热蒸汽,h h,h=h,h=h,h h h,h h,s s,s=s,s=s,s s s,s s,山西农业大学工程技术学院,一、水蒸
4、气的定压发生过程,0.01,ts,ts,ts,tts,a-b0.01未饱和水ts饱和水。t，v。b-dts饱和水 ts干饱和水蒸汽。v，t和p均不变。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。d-ets干饱和水蒸汽 t过热水蒸汽。t，v。过热度D=t-ts,山西农业大学工程技术学院,水蒸气定压发生过程说明,(1),(2),只有熵加热时永远增加,(3)理想气体,实际气体汽化时，TTs不变，但h增加,汽化潜热,(4)未饱和水,过冷度,过冷水,过热蒸汽,过热度,山西农业大学工程技术学院,二、水蒸气发生过程中的能量关系,水蒸气定压发生过程的三个阶段：水的预热过程未饱和水(0.01)饱和水(ts)；水的汽化过程饱和水
5、(ts)干饱和水蒸气(ts)；水蒸气的过热过程饱和水蒸气（ts）过热水蒸气(t)。,pts，q,定压预热过程的能量转换关系为,因vv0.01，所以,热工计算仅需计算h及u，故可任取某个状态作为计算的零点。国际水蒸气性质会议规定，水的三相点状态下u0。一般情况下，对温度为0.01时不同压力的水，取u0.010。压力不高时，对0.01时水，也可取h0.010。,山西农业大学工程技术学院,水的定压汽化过程中，1kg饱和水汽化成为干饱和水蒸气所需的热量称为汽化潜热L。汽化过程的压力越高，汽化潜热的数值越小。在临界压力下，汽化潜热为零。,定压汽化过程中的热量转换关系为,定义：内汽化潜热 汽化潜热中转变为
6、热力学能的部分；外汽化潜热 用于对外作功的部分。则有,定压过热过程中所需的热量称为过热热量q。按能量转换关系，有,显然，将0.01的水加热变为过热水蒸气所需的热量，等于液体热、汽化潜热与过热热量三者之和。而且整个水蒸气定压发生过程及各个阶段中的加热量，均可用水和水蒸气的焓值变化来计算。,山西农业大学工程技术学院,ts,tts,三、水蒸气的p-v图和T-s图,山西农业大学工程技术学院,s,一点，二线，三区，五态,山西农业大学工程技术学院,一点：临界点 二线：上界线、下界线 三区：过冷水区、湿蒸汽区、过热蒸气区五态：未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态,山西农业大
7、学工程技术学院,5-2 水蒸气状态参数,水蒸气的热力性质比较复杂，用水蒸气状态方程式计算比较困难。水蒸气的热力性质表和相应的图线，提供了计算所需的各种状态下水蒸气参数的详尽数据。,山西农业大学工程技术学院,一、水蒸气状态参数确定的原则,1、未饱和水及过热蒸汽,确定任意两个独立参数，如：p、T,2、饱和水和干饱和蒸汽,确定p或T,3、湿饱和蒸汽,除p或T外，其它参数与两相比例有关,山西农业大学工程技术学院,饱和状态饱和区内，饱和水和饱和水蒸气共存的平衡状态。在饱和状态下，饱和水与饱和水蒸气的平衡是动态的平衡。饱和温度与饱和压力之间有确定的对应关系。压力越高，饱和温度也越高。如，p0.0108kP
8、a时，ts0；当p101.325 kPa 时，ts100。ts和ps之间的关系，由实验或经验公式确定。由于饱和区内的湿饱和蒸汽的温度ts与压力ps具有一定的函数关系，所以两者只能作为一个独立参数。要确定湿饱和蒸汽的状态，还须另一个独立参数，一般采用“干度”作为参数，但也可以是其它的状态参数，如焓、熵、比体积中的任何一个。干度x湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即,山西农业大学工程技术学院,两相比例由干度x确定,定义,干饱和蒸汽,饱和水,对干度x的说明：,0 x 1,在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义,山西农业大学工程技术学院,由于湿饱和蒸汽实质上是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，因此其热力学能、焓、
9、熵及容积可表示为,引入干度的关系式，可得,即，如已知湿饱和蒸汽干度x，即可利用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿饱和蒸汽的相应状态参数的数值。,山西农业大学工程技术学院,湿饱和蒸汽区状态参数的确定,如果有1kg湿蒸气，干度为x,即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。,已知p或T(h,v,s,h,v,s)+干度x,h,v,s,山西农业大学工程技术学院,二、水蒸气表,两类,2、未饱和水和过热蒸汽表,1、饱和水和干饱和蒸汽表,山西农业大学工程技术学院,工程中只需计算水蒸气u、h、s的变化量，因此可任选一个基准点。国际会议规定，水蒸气热力性质表和图以三相点状态的液相水为基准点编制。水的三相点的参
10、数为p0.611 2 kPa，v0.001 000 22 m3/kgT273.16K,此状态下液相水的热力学能和熵被规定为零，即u0.010 kJ/kg，s0.010 kJ/(kg K)而其焓值为 h0.01u0.01+pv 0 kJ/kg+0.611 2 kPa0.001 000 22 m3/kg 0.000 611 kJ/kg0 kJ/kg工程上视其为零。,山西农业大学工程技术学院,饱和水及干饱和蒸汽表,山西农业大学工程技术学院,未饱和水及过热蒸汽表,山西农业大学工程技术学院,三、水蒸气h s 图,由于水蒸汽表给出的数据是不连续的，在求间隔中的状态参数时，需要用线性插值法。在实际运用中，根
11、据水蒸汽各参数间的关系及实验数据制成图线，使用起来更加明了、简便。这就是水蒸汽的焓-熵图。,山西农业大学工程技术学院,h-s图上可直接读出焓值，便于求取焓变。h-s图的结构：C临界点，x0线，x1线；定压线、定温线和定容线，在饱和区内还有定干度线。定压线在h-s图上呈发散分布。由Tdsdh-vdp可知，定压线在h-s图上的斜率为,饱和区内，pconst const，所以定压线为一簇斜率不同的直线。在过热区，随着温度的增高，定压线趋于陡峭。定温线饱和区内与定压线重合；在过热区与定压线自上界线处分开后逐渐趋于平坦。即p蒸汽性质趋近理想气体。定容线走向与定压线相同，但比定压线稍陡(图中虚线)。定干度
12、线一组干度等于常数的曲线。x0.5的区域图线过密，工程中也不经常使用这部分数据，所以通常所用的h-s图线中不包括这一区域。,山西农业大学工程技术学院,5-2 水蒸气的热力过程,任务：确定初终态参数，计算过程中的功和热 在p-v、T-s、h-s图上表示,山西农业大学工程技术学院,注意理想气体过程的区别,第一定律与第二定律表达式均成立,理想气体特有的性质和表达式不能用,可逆,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的定压过程,q=h wt=0,3,4,2,1,例：锅炉中，水从30，4MPa,定压加热到450,q=h2-h1,ts(4MPa)=250.33,锅炉、换热器,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的定
13、压过程,例：水从30，4MPa,定压加热到450,q=h2-h1,2,T,s,h,s,2,h1=129.3 kJ/kg h2=3330.7 kJ/kg,h2,h1,1,3,4,1,4,3,=3201.4kJ/kg,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的绝热过程,p1,2,p2,不可逆过程：,汽轮机、水泵,1,2,q=0,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的绝热过程,汽轮机、水泵,q=0,2,1,2,不可逆过程：,p1,p2,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的绝热过程,汽轮机、水泵,q=0,不可逆过程,p1,p2,2,1,h1,h2,h2,2,透平内效率,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的定温过程,实际设备中很少见,C,远离饱和线，接近于理想气体,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的定温过程,1,2,T,s,h,s,1,2,2,理想气体,测量干度原理 绝热节流,可逆过程：,12,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的定容过程,实际设备中不常见,1,2,p,v,山西农业大学工程技术学院,水蒸气的定容过程,1,T,s,h,s,p,T,2,1,2,v,p,v,
