第七章.工程熱力學

第七章水蒸氣7-1

水的相變及相圖7-2水蒸氣的定壓發(fā)生過程7-3水蒸氣表和焓-熵圖7-4水蒸氣的基本熱力過程1水蒸氣的特點：易于獲得（制造成本低、來源豐富）；無污染（無毒、無味）；熱力性質適宜：熱容大、傳熱好、有良好的膨脹性能；應用廣泛：蒸汽動力裝置、熱水采暖、空調加熱加濕等；具有代表性：性質與制冷劑蒸氣、天然氣類似。2一.水的相圖7-1水的相變及相圖三相點：固、液、氣三相平衡共存的狀態(tài)點。

p=611.659Pa，t=0.01℃融解曲線汽化曲線升華曲線相平衡曲線相平衡是動態(tài)平衡！37-1水的相變及相圖1.汽化：水由液態(tài)氣態(tài)的過程，分為蒸發(fā)和沸騰。2.凝結：水由氣態(tài)液態(tài)的過程。

3.蒸發(fā)：液體表面進行的汽化過程。

1)密閉容器內的蒸發(fā)飽和狀態(tài)：當汽化速度=液化速度時，系統(tǒng)處于動態(tài)平衡。飽和水與飽和蒸汽飽和溫度ts與飽和壓力ps一一對應二.汽化和凝結4

4.沸騰：在給定壓力對應的溫度下發(fā)生，在液體內部和表面同時進行且伴隨大量汽泡產生的汽化現象。2)自由空間內的蒸發(fā)促進蒸發(fā)的措施：提高液體溫度、增加液面面積、加速液面通風7-1水的相變及相圖思考：如果水處于自由空間內，則水最終將全部蒸發(fā)？

沸騰的兩種途徑：定壓加熱、減壓5預熱過程吸收液體熱ql汽化過程吸收汽化潛熱r過熱過程吸收過熱熱qsup不飽和水t<ts飽和水t=ts參數為vhs濕(飽和)蒸汽t=ts干(飽和)蒸汽t=ts參數為vhs過熱蒸汽t>ts一、水蒸氣的定壓發(fā)生過程7-2水蒸氣的定壓發(fā)生過程6二、定壓發(fā)生過程的p-v圖及T-s圖1.溫度0.01C、壓力為611.659Pa的飽和水的定壓汽化過程2.溫度0.01C、壓力p1、p2的水的定壓汽化過程7-2水蒸氣的定壓發(fā)生過程73.圖的理解1)初始時刻v幾乎相同：水的壓縮性極??；2)下界限線趨勢：水的比體積受t升高的影響比受p升高的影響大；3)上界限線趨勢：蒸汽比體積受t升高的影響明顯小于受p升高的影響；4)臨界點C：上下界限線的趨勢說明隨著壓力和飽和溫度的提高，預熱過程變長，汽化過程縮短，最終使汽化過程變?yōu)橐稽c。7-2水蒸氣的定壓發(fā)生過程8三區(qū)液區(qū)汽液共存區(qū)汽區(qū)五態(tài)不飽和水飽和水濕飽和蒸汽干飽和蒸汽過熱蒸汽兩線上界限線下界限線4.圖的構成一點(臨界點)注意：超過tc的H2O一般以水蒸氣形式存在;

其他物質也有類似的性質；7-2水蒸氣的定壓發(fā)生過程97-3水蒸氣表和焓熵圖在動力循環(huán)中，水蒸氣不宜利用理想氣體性質計算。水和水蒸氣的狀態(tài)參數可由給出的獨立狀態(tài)參數通過實際氣體狀態(tài)方程及其他一般關系式計算（通常由計算機計算）或查圖表確定。1.零點的規(guī)定以三相點的飽和水為基準點：t0=0.01℃，p0=611.659Pa，v0

=0.00100021m3/kg。規(guī)定：u0=0kJ/kg，s0=0kJ/(kgK)，

h0=u0+p0v0=0.6117kJ/kg0一.水蒸氣參數102.溫度0.01C、壓力為p的不飽和水

忽略水的壓縮性，認為v00.00100021m3/kg；則：u0=u0=0、s0=s0=0，h0=u0+pv0

0（壓力不高時）3.壓力為p、溫度為ts的飽和水說明：1)當壓力和溫度較高時，cp不宜看作為定值，h0也不能認為是0。

2)h、s隨溫度(壓力)的增加而增加，最大值出現在臨界點。7-3水蒸氣表和焓熵圖114.壓力為p的干飽和蒸汽說明：1)r隨壓力(溫度)的增加而減?。ㄓ?501kJ/kg減小至0），

h在2.8~3.3MPa時達到最大。

2)s隨壓力(溫度)的增加而減小，在臨界點時最小。5.壓力為p的濕飽和蒸汽濕蒸汽的參數介于飽和水與飽和蒸汽的相應參數之間7-3水蒸氣表和焓熵圖126.壓力為p的過熱蒸汽說明：過熱蒸汽的u、h、s、v均大于同壓力下飽和蒸汽的相應參數；過熱蒸汽的cp是p、t的復雜函數，因此上式不宜用于工程計算。

7-3水蒸氣表和焓熵圖132.未飽和水和過熱蒸氣表需要p和t兩個獨立參數才能確定其狀態(tài)。注意：1)查表前首先要判斷狀態(tài)點位于哪個區(qū)；

2)未飽和水和過熱蒸汽表中粗黑線附近不能線性插值；

3)濕飽和蒸汽參數不能直接查表得到，需根據干度進行計算。7-3水蒸氣表和焓熵圖二.水蒸氣表1.飽和水和飽和蒸氣表按溫度排列按壓力排列14構成：定壓線、定容線、定溫線和定干度線1)定壓線：濕區(qū)定壓線為直線；過熱區(qū)定壓線斜率隨溫度升高而增加2)定容線：因此，定容線斜率大于定壓線斜率?？捎镁€段長度表示熱量和功量7-3水蒸氣表和焓熵圖三.水蒸氣的焓-熵圖153)定溫線：濕區(qū)：過熱區(qū)定溫線斜率小于定壓線斜率，且隨著過熱度的增加，定溫線斜率趨于0，過熱蒸汽越來越接近理想氣體。

4)定干度線：匯合于臨界點過熱區(qū)：表：數據精確但不連續(xù)，不夠方便圖：使用方便，但讀數不夠精確7-3水蒸氣表和焓熵圖16例7-1：已知水蒸氣壓力p=0.5MPa，比體積v=0.35m3/kg問它是過熱蒸汽、干飽和蒸汽還是濕飽和蒸汽？用水蒸氣表求出其他參數。解：由水蒸氣表，p=0.5MPa時：因此：所以該水蒸氣是濕飽和蒸汽。由水蒸氣表查得：17187-4水蒸氣的基本熱力過程基本熱力過程：定容、定壓、定溫和定熵

研究目的：確定初、終態(tài)參數；計算過程熱量和功量。

研究步驟：

1)根據初態(tài)的兩個已知參數查表(圖)確定其他參數；

2)根據過程特性及另一個終態(tài)參數確定終態(tài)點，進而查得其他參數；

3)根據查得的初、終態(tài)參數計算過程的功量和熱量。

研究工具：表(圖)、熱力學基本定律(主要是第一定律)一.研究概述19二.定容過程思考：定容加壓時濕蒸氣干度如何變化？v<vc時，定容加壓x下降

v>vc時，定容加壓x上升

7-4水蒸氣的基本熱力過程20三.定壓過程如：水蒸氣定壓發(fā)生過程水蒸氣在換熱器中的換熱過程四.定溫過程7-4水蒸氣的基本熱力過程21五.定熵過程如：水蒸氣在汽輪機中的膨脹作功過程水在水泵中壓縮耗功的過程。7-4水蒸氣的基本熱力過程22例題7-2：1kg壓力p1=3MPa、溫度t1=450℃的蒸汽，可逆絕熱膨脹到p2=0.005MPa，試根據水和水蒸氣表求終態(tài)參數t2、v2、h2、s2，并求膨脹功和技術功。解：由于t1=450℃>233.84℃，為過熱蒸汽。查表得初態(tài)參數：

v1=0.107715m3/kg，h1=3344kJ/kg，s1=7.0788kJ/(kgK)

計算得到：u1=h1p1v1=3020.855kJ/kg

終態(tài)時：p2=0.005MPa，s2=s1=7.0788kJ/(kgK)

查飽和蒸汽表，得0.005MPa時飽和水和飽和蒸汽的參數：

v=0.0010052m3/kg，h=137.77kJ/kg，s=0.4763kJ/(kgK)v=28.196m3/kg，h=2561.2kJ/kg，s=8.3952kJ/(kgK)r=2423.4kJ/kg23由于s<s2<s，則終態(tài)時水蒸氣為濕飽和蒸汽。干度為：則終態(tài)參數為：v2=(1x)v+xv=23.516m3/kg

h2=h+x=2158.89kJ/kg

u2=h2

p2v2=2041.31kJ/kg

w=

u=u1u2=979.545kJ，

wt=

h=h1

h2=1185.115kJ

24例題7-3：某3m3的剛性容器，內儲壓力為3.5MPa的飽和水和飽和蒸汽，蒸汽與水的質量比為1:9，現將飽和水通過閥門排出容器，使容器內蒸汽和水的總質量降低一半。如果要保持容器內溫度和壓力不變，需從外界傳入多少熱量。解：3.5MPa的飽和水和飽和蒸汽的參數分別為：

v=0.0012345m3/kg，h=1049.8kJ/kg，

s=2.7253kJ/(kgK)，u=1045.48kJ/kgv=0.05702m3/kg，

h=2801.3kJ/kgs=6.1218kJ/(kgK)，u=2601.73kJ/kg

初態(tài)時干度為：x1

=0.1，則vx1=0.006813m3/kg，m=440.33kg，ux1=(1x)u+xu=1201.105kJ/kg

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終態(tài)時容器內仍然是飽和水和飽和蒸汽的混合物，且溫度和壓力不變，則：vx2=