工程熱力學(xué)水蒸氣教案

1、1)第七章水蒸汽)水蒸氣是工程上應(yīng)用較廣泛的一種工質(zhì)，例如蒸汽動(dòng)力裝置、壓氣式制冷裝置都是以水蒸氣作為工質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能一；機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的。這些動(dòng)力裝置也可用燃?xì)?或其他工質(zhì)代替，那為什么要用水蒸汽呢？原因如下)1 1、水蒸氣容易獲得，只要通過(guò)水的定性加熱即可獲得。)2 2、有事宜的熱力狀態(tài)參數(shù)，靠卡諾循環(huán)、朗肯循環(huán))3 3、不會(huì)污染環(huán)境)由于水蒸汽處于離液態(tài)較近的狀態(tài)，常有集態(tài)現(xiàn)象而且，物理性質(zhì)也很復(fù)雜，所以不能把它看作是理想氣體，理想氣體的狀態(tài)方程式以及由它推導(dǎo)的其他計(jì)算公 式一般都不能用來(lái)分析和計(jì)算水蒸汽。所以必須對(duì)水蒸汽的性質(zhì)另行研究。)這章重點(diǎn)研究：1 1、水蒸汽產(chǎn)生的一般原理)2 2

2、、水蒸汽狀態(tài)參數(shù)確立)3 3、水蒸汽圖表的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用)4 4、計(jì)算水蒸汽熱力過(guò)程中的q,w)7 71 1 基本概念和術(shù)語(yǔ))1 1、汽化：物質(zhì)有液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過(guò)程。)/蒸發(fā)：在液態(tài)表面上進(jìn)行的汽化過(guò)程，在任何溫度下進(jìn)行) 汽化的形式沸騰：在液體內(nèi)部和表面同時(shí)進(jìn)行劇烈的汽化現(xiàn)象。沸騰時(shí)溫度.保持不變解釋?zhuān)赫舭l(fā)在任何溫度下都可進(jìn)行，它是由于液體表面總有一些能量較高的分子，克服臨近分子的引力而脫離葉面，逸入液體外的空間，t t 越高，能量較大的分子越多，蒸發(fā)愈激烈，汽化速度取決于溫度。沸騰時(shí)，實(shí)在液體內(nèi)部產(chǎn)生大量的汽泡。汽泡上升到液面，破裂而放出大量的蒸汽， 工業(yè)上用的蒸汽都是通過(guò)沸騰的方式獲得，液

3、體在沸騰時(shí)溫度不變，雖加熱也保持不變，且液體和氣體的溫度相同。沸騰時(shí)的溫度叫沸點(diǎn)。ts二f (p)2 2、 液化：蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的現(xiàn)象，液化和汽化時(shí)相反的過(guò)程，他取決于(p)(p)3 3、 飽和狀態(tài)：當(dāng)液體和蒸汽處于動(dòng)平衡的狀態(tài)解釋?zhuān)寒?dāng)液體在有限的密閉空間里汽化時(shí)，不僅液體表面的液體分子蒸發(fā)到空間去，而空間的蒸汽分子也會(huì)因分子密度大，壓力增大，撞擊到液體表面回到液體中，當(dāng)液面上空的蒸汽分子密度達(dá)到一定程度時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)逸出液面和回到液面的分 子數(shù)相等時(shí)，蒸汽和液體的無(wú)量保持不變，汽、液兩相處于動(dòng)平衡狀態(tài)。4 4、 飽和溫度：當(dāng)汽體和液體處于飽和狀態(tài)時(shí)，液體和汽體溫度稱(chēng)飽和溫度5 5、 飽和壓

4、力：tS二f ( Ps)6 6、 飽和蒸汽：處于飽和狀態(tài)的蒸汽7 7、 飽和液體：處于飽和狀態(tài)的液體8 8、 溫飽和蒸汽：飽和液和飽和蒸汽的混合物，稱(chēng)溫飽和蒸汽9 9、 干飽和蒸汽：不含飽和液的飽和蒸汽1010、過(guò)熱蒸汽：如果蒸汽的溫度超過(guò)其壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度1111、為飽和液體：液體溫度低與其壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度72 水蒸汽的定壓發(fā)生過(guò)程工程上所用的水蒸汽通常是通過(guò)水在氣鍋內(nèi)定壓沸騰汽化而產(chǎn)生的。設(shè) 1kg1kg 工質(zhì)（0.010.01 C 的純水）在1kg/ cm2下定壓加熱經(jīng)歷三個(gè)階段水蒸汽的獲得預(yù)熱階段：由未飽和水 t 飽和水汽化階段：飽和水 t 干飽和蒸汽 V幾乎不變，且壓縮后溫度升高

5、極小。0123向右傾斜，因水受熱膨脹的影響大于壓縮影響。長(zhǎng)較Ts快：Ps故Ps八汽化中吸取的熱量故在T-S圖上，定t, p v,s123向左傾斜，因蒸汽受熱膨脹的影響小于壓縮的影響，Ps增壓線(xiàn)與 MCMC 是沸點(diǎn)Ts(s -s八 當(dāng)P = 221.2bar ts =34.15Cv=v =0.00317C,水蒸汽與飽和水不再有分別。74水和水蒸汽的參數(shù)水蒸汽和水的參數(shù)P,t,v,h,sP,t,v,h,s 均能從表中查得，也能從圖中查得。故在實(shí)際計(jì)算中完全根據(jù)表，圖決定水和水蒸汽得參數(shù)，這議長(zhǎng)我們主要介紹這些參數(shù)之間的關(guān) 系和根據(jù)圖表查得的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助性計(jì)算。一、零點(diǎn)得規(guī)定：國(guó)際水蒸汽會(huì)議規(guī)定，水

6、的三相點(diǎn)的液相水作基準(zhǔn)，規(guī)定次狀態(tài)下的u0= 0s0=0此時(shí)t0=tTp= 0.01CP0= Pp=0.009112barv0= 0.00100022 kg/m3故h0=u0pv0=0.000614：0二、溫度為 0.010.01 c壓力為 P P 的過(guò)冷水t : ts = f (Ps)因?yàn)樗牟豢蓧嚎s性，則dv=0故：w w 過(guò)=ipdv = 0又有 t t 不變，則u0= u0=0q二u亠i pdv二0所以有b =upv:0.000611KJ /Kg:0三、t =ts壓力為 P P 的飽和水Ts273.16CPdT當(dāng)t : 0.01c , ,Cp可看作是定值。即ql= 4.18(Ts273

7、.16) =4.18ts P不變，則qi=qp=hIh二hqph當(dāng)t 0.01C , ,Cp變化很大，qh不能按上式計(jì)算，必須查圖表，根據(jù)P,P, t tTs273.16Cp二4.18lnTs273.16查得h, s,v u = h- pvr二Ts(s“_s)二h“_h =(u“_u) p(v“_v)h” = h ru”=h”_ pvs、sTsh,un,s,r均可從表中查得。壓力為 P P 的溫飽和蒸汽由于溫蒸汽是由壓力，溫度相同的飽和水和飽和蒸汽所組成的溫飽和物，因此要確定溫蒸汽的參數(shù)除了說(shuō)明p p，t t 外還要說(shuō)明干度 x x，因?yàn)?1kg1kg 濕蒸汽由 xkgxkg飽和蒸汽和 1 1

8、 xkgxkg 得飽和水組成。miapx =m,atm,apVx二XV” (1 -x)vhx=xh”(1-x)hor: hx=h xrSx=xs”(1x)s sx=s xrTs匕二hx- pvx因?yàn)閔.h.s.s.v.v從表中可以查出得，若已知 x x,則可計(jì)算hx, sx,vx, ux另外hx, sx, vx, ux也可以從圖中查得，濕蒸汽的 p,p, t t 均為飽和值，hx,sx, vx,ux點(diǎn)界于h與h，s與s，u與u之間，如果某一值大于（ oror 小于（則斷定是濕蒸汽。六、壓力為 P P 的過(guò)熱蒸汽四、t =ts壓力為 P P 的干飽和蒸汽五、)因?yàn)?C C 隨 T T 的變化很大

9、，應(yīng)不適于計(jì)算，所以過(guò)熱蒸汽的參數(shù)只能查表oror 圖。75水蒸汽表和圖一、表水蒸汽濕一種不同于理想氣體的實(shí)際氣體，它的參數(shù) P P V V T T 之間不符合PV二RT通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到得水蒸汽狀態(tài)方程式也非常復(fù)雜，而且，由于理論分 析方法、測(cè)試技術(shù)的差異得到的結(jié)果也有所不同，所以，國(guó)際會(huì)議研究室將實(shí)驗(yàn) 和分析計(jì)算得到的數(shù)據(jù)列成表一一水蒸汽表以 t t 為序的飽和水和飽和蒸汽表以 p p 為序的飽和水和飽和蒸汽表按壓力溫度，過(guò)熱蒸汽與過(guò)冷水注意：表中的“”表示飽和水參數(shù)表中的“ ”表示飽和蒸汽參數(shù)過(guò)冷水與過(guò)熱蒸汽用“一一”隔開(kāi)但計(jì)算時(shí)要區(qū)分開(kāi)，過(guò)冷水用“0 0”表示，（下角標(biāo)）過(guò)熱蒸汽參數(shù)沒(méi)有修編

10、。表中編制以 0.010.01 C 時(shí)的液相水為基準(zhǔn)。u0=0,h0=0,s0=0二、圖利用水蒸汽表確定水 oror 水蒸汽狀態(tài)參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度很高，但不可能將所 有的狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值-列出，有時(shí)需用內(nèi)插法確定，此外水蒸汽表不能直接查出濕蒸汽的參數(shù)值，需要通過(guò)濕蒸汽與飽和水，飽和汽的參數(shù)關(guān)系計(jì)算得到。如 圖，將表中的數(shù)據(jù)繪成圖，由圖查得就會(huì)方便的多。T TS S 圖，分析循環(huán)有特殊的作用，優(yōu)點(diǎn)，但計(jì)算q q w,w,較繁。二種“H H S S 圖，普遍適用h hs s 圖L1 1、結(jié)構(gòu)h(kJW%怙1.0,11qsuh = h qsuTsdT r Cp TTsx = 0飽和水x = 1飽和汽0

11、：x 1濕蒸汽x 1 x 0都沒(méi)有意義S =-273.16f CpdTTsTA11鞏 kJ/kgkJ/kg - - K)K)圖中的 C C 電位臨界點(diǎn)，曲線(xiàn) ACAC 為飽和水線(xiàn)，CBCB 為飽和汽線(xiàn)，ACBACB 下面是 濕蒸汽區(qū)，曲線(xiàn) C CB B上方是過(guò)熱蒸汽區(qū)，在濕蒸汽區(qū)有定壓線(xiàn)（定溫線(xiàn)）斜直線(xiàn)， 干度線(xiàn)在過(guò)熱區(qū)，有定壓線(xiàn)，斜率增加向上傾斜，定溫線(xiàn)由左r 右延伸，定容線(xiàn)與定壓線(xiàn)去向相同，只是斜率達(dá)一些，由于工程上用的水蒸汽都是過(guò)熱蒸汽x 50%的水蒸汽，對(duì)于x 50%的濕蒸汽圖中未載，但仍由表中計(jì)算。1 1、作用（1 1 ）可以根據(jù)（p,t）.（p,x）.（t,x）查得狀態(tài)點(diǎn)在圖中的位

12、置。便可知其他參數(shù)。（2 2）也可根據(jù)初態(tài)參數(shù)，通過(guò)熱力過(guò)程，查得終態(tài)參數(shù)，即而計(jì)算過(guò)程中的q q ,w w 。76 水蒸汽的基本熱力過(guò)程分析水蒸氣熱力過(guò)程的目的一確定過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系, 因此，需確定狀態(tài)參數(shù)的變化。干度線(xiàn)只在濕蒸汽 區(qū)有概念，工程上 x0.7x0.7。過(guò)熱區(qū)， 定 溫線(xiàn)較平坦，越往 右越接近水平線(xiàn)理想氣體。h二f（t）理：hr T表的優(yōu)點(diǎn)：液體熱、 汽化潛熱和過(guò)熱量 及功量計(jì)算，直接 用圖上的線(xiàn)算表示 方便。/定壓線(xiàn)下的q = h2- g絕熱膨脹的ch-i=亠=（%一血） 一叫 （內(nèi)_Pi）定溫q = T（勺一q）oror包括 w w、q q 以及 u u 和 h h 等。

13、一、定容過(guò)程v v 1=V2,1=V2,于是可得：確定過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的依據(jù)為熱力學(xué)第一、二定律:可用水蒸氣表及圖，依照過(guò)程的特點(diǎn)來(lái)確定各狀態(tài)的參數(shù)。1-2=Pl（V2叫）弘2二（心-九）三、定溫過(guò)程T T 1=1=丁 2,2,于是可得:Wl-2 = ?1-2 - %=T（S2-）-（他（P尹 P） =幾（旳一眄）四、定熵過(guò)程s s i=S2,i=S2,于是可得:p p i=P2,i=P2,于是可得:1-2 = 1“2=（億- Avi）91-2 =0總結(jié)：1 1、 水蒸汽發(fā)生原 理2 2、表、圖結(jié)構(gòu)。3 3、熱力過(guò)程注意: 1 1、過(guò)程可逆2、用PVK=C計(jì)算時(shí)，K K 純經(jīng)驗(yàn)數(shù)，即絕熱過(guò)程

14、不能用此式計(jì)算2w pdVr用 (V方便2q = ( TdsT用V V方便例題：0.1kg0.1kg 水盛于一絕熱的剛性容器中，工質(zhì)的壓力的0.3Mpa0.3Mpa，干度為 0.7630.763。一攪拌輪置于容器中，由外面馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，直到水全變?yōu)轱柡驼羝?。求?1 1 )完成此過(guò)程所需的功；(2 2)水蒸汽最終的壓力和溫度。解：取容器內(nèi)的工質(zhì)為系統(tǒng)，攪拌輪攪拌工質(zhì)的功變?yōu)闊?，是不可逆過(guò)程。(1 1)系統(tǒng)絕熱，q=0=0。系統(tǒng)的邊界為剛性，因而沒(méi)有容積變化功，可是由于攪拌輪攪拌，外界對(duì)系統(tǒng)作了功。由熱力學(xué)第一定律W -：U = mg - u2)即外界消耗的功變了熱，工質(zhì)吸收熱內(nèi)能增加，因而只要計(jì)算初終態(tài)的內(nèi)能變化就可求得耗功量。對(duì)于初態(tài)，已知p1=0.3Mpa=0.3Mpa,x=0.763=0.763，于是V1= (1 _ x)v1XV13= (1 -0.763)0.0010740.763 0.6058 = 0.4643m /kgh1= (1 - x)h1h1= (1 -0.763)561.4 0.763 2725.5 = 2212.6kJ/kgU1= m -PM6-3= 2212.6 -0.3 100.4643 102074 kJ/kg因?yàn)槿萜魇莿傂缘模K態(tài)和初態(tài)比容相等，因而終態(tài)是V2=0.4643m=0.4643m3/kg/kg 的干飽和蒸汽。由飽