第三章-3-水蒸氣

第三節(jié)

蒸氣的熱力性質(zhì)和熱力過程基本知識(shí)點(diǎn)水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程、五種聚集狀態(tài)；水蒸氣狀態(tài)參數(shù)的確定；水蒸氣熱力性質(zhì)圖表的應(yīng)用；水蒸氣熱力過程中功量和熱量的計(jì)算。水蒸氣是實(shí)際氣體!水蒸氣在空氣、燃?xì)庵泻繕O小，可當(dāng)作理想氣體處理；

一般情況下距液態(tài)較近，為實(shí)際氣體。

18世紀(jì)，蒸氣機(jī)的發(fā)明，是唯一工質(zhì)；內(nèi)燃機(jī)發(fā)明，才有燃?xì)夤べ|(zhì)；

目前水蒸氣仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的主要工質(zhì)。優(yōu)點(diǎn):便宜，易得，無毒，膨脹性能好，傳熱性能好。在熱力過程中，經(jīng)常發(fā)生相變，具有五種聚集狀態(tài)，其狀態(tài)變化關(guān)系比理想氣體復(fù)雜得多；需要使用專門的水蒸氣熱力性質(zhì)圖表，確定其狀態(tài)參數(shù)以及進(jìn)行熱力計(jì)算。汽相和液相鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器固相不流動(dòng)，更關(guān)心汽液兩相基本概念沸騰：表面和液體內(nèi)部同時(shí)發(fā)生的汽化汽化：由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過程。

(不涉及化學(xué)變化)蒸發(fā)：汽液表面上的汽化

液化：由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程，又稱凝結(jié)。1、汽化和液化液化速度取決于空間蒸氣的壓力。壓力越大，液化越快。汽化速度取決于液體的溫度。溫度越高，汽化越快。二者同時(shí)進(jìn)行。°°°°°°°°°°°°°°°°2、飽和狀態(tài)——液體和蒸氣處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。汽化液化

汽化速度=液化速度時(shí)，汽化和凝結(jié)仍在不斷進(jìn)行，但總效果使?fàn)顟B(tài)不再變化。干飽和蒸氣（飽和蒸氣）飽和液體（1）飽和溫度ts和飽和壓力ps

在飽和狀態(tài)下，氣液溫度相同，稱為飽和溫度；

此時(shí)蒸氣的壓力也確定不變，稱為飽和壓力。

psts飽和溫度ts飽和壓力psps=f(ts)一一對(duì)應(yīng)放掉一些水，ts不變，ps？tsps不變ts不變，ps不變。tspsps=1.01325barts=100℃青藏ps=0.6barts=85.95℃高壓鍋ps=1.6barts=113.32℃飽和狀態(tài)psts（2）臨界點(diǎn)當(dāng)溫度超過一定值tC時(shí)，無論壓力p多高也不能使氣體液化，此時(shí)液相不可能存在，只可能是氣相。這個(gè)溫度tC稱為臨界溫度。與臨界溫度相對(duì)應(yīng)的飽和壓力pC稱為臨界壓力。(tC，pC)是液相和氣相能夠平衡共存時(shí)的最高值。永久氣體——溫度t>tC的氣體。臨界參數(shù)是物質(zhì)的固有參數(shù)，不同物質(zhì)其值不同。（3）三相點(diǎn)當(dāng)壓力低于某一個(gè)值pTP時(shí)，液相也不可能存在，而只可能是氣相或固相。這個(gè)壓力pTP稱為三相點(diǎn)壓力。與三相點(diǎn)壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度tTP稱為三相點(diǎn)溫度。(tTP，pTP)是最低的飽和溫度和飽和壓力。不同物質(zhì)的三相點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)不同。各種物質(zhì)在三相點(diǎn)的溫度和壓力為定值，比體積則隨三者的混合比例不同而異。

水的飽和線、三相線和臨界點(diǎn)pv四條線：三條飽和線、一條三相線飽和氣線三相線飽和液線飽和固線T臨界點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)：臨界點(diǎn)氣-固氣-液固-液純物質(zhì)的p-T相圖ppTT液液氣氣固固水一般物質(zhì)三相點(diǎn)三相點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)汽化線汽化線(TC，pC)(TC，pC)（pTP，tTP)（pTP，tTP)

思考題沒有(t>tC)有2.有沒有500oC的液態(tài)水？1.北方冬天晾在外邊的衣服，是否經(jīng)過液相？3.有沒有-3℃

的蒸氣？4.有沒有500kPa的液態(tài)水？沒有(p<pTP)一、定壓下水蒸氣的發(fā)生過程pt<ts

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v未飽和水a(chǎn)飽和水b濕飽和蒸汽c干飽和蒸汽d過熱蒸汽e預(yù)熱階段汽化階段過熱階段h0h’h”h水蒸氣定壓發(fā)生過程說明(1)(2)加熱時(shí)只有熵永遠(yuǎn)增加(3)理想氣體實(shí)際氣體汽化時(shí)，t＝ts不變，但h值增加。(4)未飽和水過冷度過冷水過熱蒸汽過熱度pt<ts

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v濕飽和蒸汽的干度xmg、mf分別為濕飽和蒸汽中干飽和蒸汽與飽和水的質(zhì)量。

未飽和水a(chǎn)飽和水b濕飽和蒸汽c干飽和蒸汽d過熱蒸汽ex=0x=10<x<1？mgmfpt<ts

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v未飽和水a(chǎn)飽和水b濕飽和蒸汽c干飽和蒸汽d過熱蒸汽ex=0x=10<x<1v<v’v=v’v’<v<v’’v=v’’v>v’’h<h’h=h’h’<h<h’’h=h’’h>h’’s<s’s=s’s’<s<s’’s=s’’s>s’’t<tst=tst=tst=tst>tsp=f(ts)=定值H2O的聚集狀態(tài)及其判別依據(jù)水的定壓加熱過程在p-v圖和T-s圖上的表示q1rqsus水蒸氣定壓加熱過程的p-v圖和T-s圖一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài)一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài)一點(diǎn)：臨界狀態(tài)點(diǎn)二線：飽和水線（下界線x=0）飽和蒸汽線（上界線x=1）三區(qū)：未飽和區(qū)（下界線左側(cè)）濕蒸汽區(qū)（兩相區(qū)、飽和區(qū)，上下界線之間）過熱蒸汽區(qū)（上界線右側(cè)）五態(tài)：未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽飽和線s一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài)T<TC未飽和水區(qū)未飽和水區(qū)兩相區(qū)兩相區(qū)過熱蒸汽區(qū)x=0x=1x=0x=1過熱蒸汽區(qū)水蒸氣定壓加熱過程的p-v圖和T-s圖等壓線上飽和態(tài)參數(shù)ptsv’(m3/kg)v’’s’s’’kJ/(kg.K)0.0061120.010.00100022206.1750.09.15621.099.630.00104341.69461.30277.36085.0151.850.00109280.374811.86046.821550.0263.920.00128580.039412.92095.9712221.29374.150.003260.003264.4294.429(bar)(℃)確定水蒸氣狀態(tài)參數(shù)的原則1、未飽和水及過熱蒸汽均為單相物質(zhì)，需任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，如p、T等2、飽和水和干飽和蒸汽飽和壓力和飽和溫度是一一對(duì)應(yīng)的，為1個(gè)獨(dú)立變量，一般可取p或T。3、濕飽和蒸汽處于兩相區(qū)，獨(dú)立變量為2，一般?。╬，x）或(T，x）

，其它參數(shù)與干度x有關(guān)。濕飽和蒸汽狀態(tài)參數(shù)的確定

如果有1kg濕蒸汽，干度為x,則有xkg干飽和蒸汽與(1-x)kg飽和水。已知p或T(h’,v’,s’,h’’,v’’,s’’)和干度xh,v,s當(dāng)已知p（或T）和某一參數(shù)y時(shí)，應(yīng)先求出干度x，再求其他參數(shù)。二、蒸氣熱力性質(zhì)圖表熱力工程計(jì)算的重要依據(jù)。在國際上是統(tǒng)一的、通用的。表（附錄A-6~附錄A-7）和圖（附錄B-5）表的出處：以三相點(diǎn)的液相水作為基準(zhǔn)點(diǎn)：規(guī)定三相點(diǎn)飽和水的熱力學(xué)能和熵的值為零。但原則上不為0，對(duì)水：

依據(jù)1985年國際水蒸氣骨架表編制。盡管有分段擬合的水和水蒸氣熱力性質(zhì)公式，但工程上主要依靠圖表。基準(zhǔn)點(diǎn)的規(guī)定：水的三相點(diǎn)1、水和水蒸氣熱力性質(zhì)表兩類：2）未飽和水和過熱蒸汽表附錄A-71）飽和水和干飽和蒸汽表按飽和溫度t排列的表(附錄A-6a)

按飽和壓力p排列的表(附錄A-6b)飽和水和飽和水蒸氣表（按溫度排列）飽和水和飽和水蒸氣表（按壓力排列）飽和參數(shù)未飽和水和過熱蒸汽表（節(jié)錄）使用水和水蒸氣熱力性質(zhì)表時(shí)注意：先根據(jù)已知參數(shù)確定狀態(tài)，以決定要使用的表。查表時(shí)仍要用到線性插值法?！安楸怼睍r(shí)工質(zhì)狀態(tài)的判斷方法1．若已知（p，t）查飽和表得已知壓力的飽和溫度ts(p)，比較t與ts(p)的大?。?/p>

t<ts(p)未飽和水狀態(tài)，查“未飽和水和過熱蒸汽表”；

t＝ts(p)飽和狀態(tài)，查“飽和水和干飽和蒸汽表”；

t>ts(p)過熱蒸汽狀態(tài)，查“未飽和水和過熱蒸汽表”。查飽和表得已知溫度的飽和壓力ps(t)，比較p與ps(t)的大?。?/p>

p>ps(t)未飽和水狀態(tài)，查“未飽和水和過熱蒸汽表”；

p＝ps(t)飽和狀態(tài)，查“飽和水和干飽和蒸汽表”；

p<ps(t)過熱蒸氣狀態(tài)，查“未飽和水和過熱蒸汽表”。2．若已知p（或t）和某一個(gè)參數(shù)y

查飽和蒸氣表得y、y，比較y的大小，則

y<y

處于未飽和水狀態(tài)；

y<y<y

處于濕飽和蒸氣狀態(tài)；

y>y

處于過熱蒸氣狀態(tài)。3．若已知p（或t）及干度x，濕飽和蒸氣狀態(tài)。2、水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖壓容圖p-v圖

（定性分析）

溫熵圖T-s圖（定性分析）

焓熵圖h-s圖（定量分析）

sp-v圖和T-s圖一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài)T<TC未飽和水區(qū)未飽和水區(qū)兩相區(qū)兩相區(qū)過熱蒸汽區(qū)x=0x=1x=0x=1過熱蒸汽區(qū)如何在圖上表示功和熱?p-v圖（示功圖）：面積代表功能否用線段表示熱和功？T-s圖（示熱圖）：面積代表熱p-v圖和T-s圖便于定性分析過程和循環(huán)，不便于計(jì)算：

p-v圖示功和T-s圖示熱都用面積，圖上求面積不方便。

對(duì)于H2O來講，在鍋爐、冷凝器、回?zé)崞鞯仍O(shè)備中的熱交換量：

q=h出口

-h進(jìn)口在汽輪機(jī)中的絕熱膨脹作功：wsh=h進(jìn)口-h出口有了h-s圖便可用直線段表示功量和熱量。在h-s圖中還可獲得所需的所有數(shù)據(jù)。采用h-s圖的原因h-s圖的構(gòu)成一條界限曲線：x=0和x=1；h-s圖的畫法-11、零點(diǎn)：h=0，s=0；2、飽和汽線（上界線）、飽和液線（下界線）3、等壓線群：p兩相區(qū)pT=Const斜直線單相區(qū)sT向上翹的發(fā)散的形線C點(diǎn)為分界點(diǎn)，不在極值點(diǎn)上h-s

圖hsCpx=1x=0pCh-s圖的畫法-2氣相區(qū)：離飽和態(tài)越遠(yuǎn)，越接近于理想氣體兩相區(qū)：T、p一一對(duì)應(yīng)，T線即p線在x=0,x=1之間，從C點(diǎn)出發(fā)的等分線同理想氣體一樣，v

線比p

線陡4、定溫線T5、等容線v6、等干度線xh-s圖(定量分析)hsx=1tpxx=0vh-s

圖hsCx=1x=0pvTx三、水蒸氣的熱力過程任務(wù)：

確定初終態(tài)參數(shù)，計(jì)算過程中的功量和熱量，在p-v、T-s、h-s圖上表示。熱力過程：

ps

T

v

依據(jù)：(1)熱力學(xué)第一定律的基本方程

(2)蒸氣熱力性質(zhì)圖表理想氣體特有的性質(zhì)和表達(dá)式不能用！×1、定壓過程q=hwt=0342pv1=h2-h1鍋爐、換熱器等定壓過程：T-s圖、h-s圖4MPa的水從30℃定壓加熱到450

℃

q=h2-h12Tshs2h1=129.3kJ/kgh2=3330.7kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kgts(4MPa)=250.33℃2、絕熱過程p12’pvp2不可逆過程：

汽輪機(jī)、水泵12可逆過程：

s12

1

2’q=0絕熱過程：T-s圖q=02’12Ts不可逆過程：

可逆過程：

sp1p2絕熱過程：h-s圖q=0hs不可逆過程：

可逆過程：

sp1p221h1h2h2’2’透平內(nèi)效率

3、定溫過程pv實(shí)際設(shè)備中很少見。TCTcT遠(yuǎn)離飽和線，接近于理想氣體定溫過程：T-s圖、h-s圖12Tshs122’理想氣體

測量干度原理

絕熱節(jié)流可逆過程：12’4、定容過程實(shí)際設(shè)備中不常見。12pv定容過程：T-s圖、h-s圖1TshspT212vpv

了解定壓下的蒸氣產(chǎn)生過程，掌握蒸氣的熱力性質(zhì)特點(diǎn)和各種術(shù)語；熟練掌握利用水蒸氣熱力性質(zhì)圖表計(jì)算蒸氣熱力性質(zhì)的方法；掌握應(yīng)用蒸氣熱力性質(zhì)圖表分析計(jì)算水蒸氣各種熱力過程。本節(jié)要求例3-7、例3-8作業(yè)：思考題習(xí)題3-31、3-33、3-35習(xí)題3-33：開水房燒開水用p=0.1MPa、x=0.86的蒸汽與t=20℃同壓下的水混合，設(shè)問欲得5t的開水，需要多少蒸汽和水？4、150℃的液態(tài)水放在一密封容器內(nèi)，試問水可能處于什么壓力？解：查飽和蒸汽表：

t1=150℃時(shí)，ps=0.47571MPa

若p<0.47511MPa，則150℃的水必定要變成過熱蒸汽。因此，水的壓力p0.47571MPa。

5.冷凝器中，蒸汽壓力為4kPa，x=0.95，試求：（1）vx，hx，sx的值；（2）若在此壓力下蒸汽凝結(jié)為水，求其容積變化。

解：（1）查飽和蒸汽表p=0.004MPa（2）相對(duì)容積變化率

6.汽缸－活塞系統(tǒng)內(nèi)有0.5kg，0.5MPa、260℃的水蒸氣，試確定缸內(nèi)蒸汽經(jīng)可逆等溫膨脹到0.20MPa作的功與熱量。解：查未飽和水和過熱蒸汽表

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