热工基础与应用课件(水蒸气的热力性质和热力过程)

1、水蒸气的热力性质和热力过程水蒸气的热力性质和热力过程水蒸气是实际气体的代表水蒸气是实际气体的代表18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质世纪，蒸气机的发明，是唯一工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质RTbvvap)(2范德瓦尔方程范德瓦尔方程实际气体的热力学能和焓不仅是温度的函数，且与体积有关，所以比热容也是温度和体积的函数。Rccvp水蒸汽的热力学能、焓和熵通过查图和表求得。水蒸气的主要内容水蒸气的主要内容F水蒸汽饱和状态F水蒸汽的定压产生过程F水蒸气热力性质图表F水蒸汽的基本热力过程第一节第一节 饱和状态、饱和温度和饱和压力饱和状态、饱和温度和饱和

2、压力一、汽化和液化一、汽化和液化汽化：汽化：由液态到气态的过程。由液态到气态的过程。蒸发蒸发：在液体表面进行的汽化过程在液体表面进行的汽化过程液化液化：由气相到液相的过程。由气相到液相的过程。沸腾沸腾：在液体表面及内部进行在液体表面及内部进行 的强烈汽化过程。的强烈汽化过程。汽化速度汽化速度液体的温度液体的温度液化速度液化速度蒸气的压力蒸气的压力冷水塔中水的蒸发冷水塔中水的蒸发凝汽器中蒸汽的凝结凝汽器中蒸汽的凝结液体分子脱离其表面液体分子脱离其表面的汽化速度的汽化速度汽体分子回到液体中汽体分子回到液体中的液化速度的液化速度这时液体与蒸汽处于这时液体与蒸汽处于动态平衡状态，称为动态平衡状态，称为

3、饱和状态饱和状态二、饱和状态二、饱和状态饱和状态：饱和状态：在一定温度下，水蒸气压力稳定在某一值，水在一定温度下，水蒸气压力稳定在某一值，水蒸气和水处于动态平衡状态，即饱和状态。蒸气和水处于动态平衡状态，即饱和状态。3、饱和压力与饱和温度、饱和压力与饱和温度饱和压力饱和压力：在饱和状态下的水和水蒸汽的压力PS饱和温度饱和温度：在饱和状态下的水和水蒸汽的温度tS结论：结论：一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。)(sstfpp ps st ts sTsps青藏青藏 ps=0.6barts=85.95 高压锅高压锅 ps=1.6barts=113.32 饱和压力饱和

4、压力饱和温度饱和温度一一对应一一对应饱和压力饱和压力ps (MPa)饱和温度饱和温度ts ()0.00532.881179.9210311.0420365.7922.064374由于饱和压力和饱和温度一一对应的关系，因此，使水变成水蒸气可以有以下两种方法：4 4、水和水蒸气相变的方法、水和水蒸气相变的方法在压力不变的情况下，提高水的温度至饱和温度或以上。在温度不变的情况下，降低压力至饱和压力或以下。同理，使蒸气变为水的方法也有以下两种：在压力不变的情况下，降低水的温度至饱和温度或以下。在温度不变的情况下，提高压力至饱和压力或以上。实例分析：电厂中给水泵、凝结水泵的气蚀现象；实例分析：电厂中给水

5、泵、凝结水泵的气蚀现象； 锅炉运行时，汽包虚假水位的出现。锅炉运行时，汽包虚假水位的出现。5 5、三相点和临界点、三相点和临界点pT液液气气固固水水三相点三相点临界点临界点流体流体99.373/14.647KTcMPapc064.22kgmvc/003106. 03水的临界点：水的临界点： 在ppc下，定压加热过程不存在汽化段，水由未饱和态直接变化为过热态。 当ttc时，无论压力多高都不可能使气体液化。 在临界状态下，可能存在超流动特性。 在临界状态附近，水及水蒸气有大比热容特性。1.临界点是最高的饱和温度和饱和压力。水的水的三相三相点：点： 当压力低于某值时液相不存在，只有气当压力低于某值时

6、液相不存在，只有气+固固相，该点压力为三相点压力，相，该点压力为三相点压力，pA，与此对应的饱，与此对应的饱和温度为三相温度和温度为三相温度TA。01. 0/16.273KTA0.000611659ApMPa1、三相点为实现气相和液相转变的最低点。2、三相点是出现固相物质直接转变为气相物质的升华现象的起始点。3、三相点是最低的饱和压力和最低的饱和温度。 思考题没有。没有。t373.99 有有1. 有没有有没有500C的水的水？2. 有没有有没有-3 纯物质的纯物质的p-T相图相图 的蒸汽的蒸汽？第二节水蒸气的产生过程第二节水蒸气的产生过程过热阶段过热阶段水蒸汽的定压产生过程水蒸汽的定压产生过程

7、汽化阶段汽化阶段预热阶段预热阶段 v p p v p vttst=tst=ts v0 pt=ts p vx五个状态五个状态: : 1 1、未饱和水、未饱和水a a 2、饱和水饱和水b 3b 3、湿饱和水蒸汽、湿饱和水蒸汽m m4 4、干饱和水蒸汽、干饱和水蒸汽d 5d 5、过热水蒸汽、过热水蒸汽e e三个阶段三个阶段 ： 1 1、预热阶段、预热阶段a-ba-b：t t0 0未饱和水未饱和水t ts s饱和水。饱和水。 t t，v v。2 2、汽化阶段、汽化阶段b-db-d：t ts s饱和水饱和水 t ts s干饱和水蒸汽。干饱和水蒸汽。 v v， t t和和p p均不变。其间为汽液混合的湿饱

8、和蒸汽。均不变。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。3 3、过热阶段、过热阶段d-ed-e：t ts s干饱和水蒸汽干饱和水蒸汽 t t过热水蒸汽。过热水蒸汽。t t，v v。0000hsvtp定值hsvtps 定值hhssvvtts0000注意比较注意比较v v0 0和和vv的大小！的大小！这个阶段所需的热量称为液体热 ql0hhql1 1、预热阶段、预热阶段过冷度过冷度t t= =t t- -t ts shsvttps 定值hsvtps 定值注意比较注意比较vv和和vv的大小！的大小！hhhsssvvvttpxxxs 定值这个阶段所需的热量称为汽化潜热:r=h-h2、汽化阶段、汽化阶段l干度干度x

9、：湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。WVVmmmx湿蒸汽总质量湿蒸汽中干蒸汽的质量F显然： x+y=1 饱和水的饱和水的x=0;x=0;干蒸汽的干蒸汽的x=1x=1；湿蒸气；湿蒸气00 x1;1;汽轮机的排气干度一般为汽轮机的排气干度一般为0.86-0.88.0.86-0.88.WVWmmmy湿蒸汽总质量湿蒸汽中饱和水的质量l湿度湿度y湿蒸汽中饱和水所占的质量百分比。湿蒸汽中饱和水所占的质量百分比。m mv vm mW Whsvttps 定值hsvtp定值hhssvvtts D = t - ts这个阶段所需的热量称为过热热: qs=h-h过热度：D=t-ts3

10、、过热阶段、过热阶段水蒸汽的定压产生过程参数变化特点t tsv 0 vv = vv = vv vx v未饱和水未饱和水饱和水饱和水湿蒸汽湿蒸汽干蒸汽干蒸汽过热蒸汽过热蒸汽h0 hh = hh = hh hx hs0 ss = ss = ss s x s水预热水预热汽化汽化过热过热 v hs水的定压预热阶段：水的定压预热阶段：a aT Ts s液体热液体热lq饱和水的定压汽化过程：饱和水的定压汽化过程：汽化潜热汽化潜热kJ/kgrhhr干蒸汽的定压过热过程：干蒸汽的定压过热过程：sT过热热过热热 qs=h-h0kJ/kglqhhsuqkJ/kgsrTsss sb bc cd de e整个水蒸汽产

11、生过程吸热量(1kg水)：0hhqrqqsul4、水蒸汽定压产生过程总吸热量、水蒸汽定压产生过程总吸热量一点一点临界点临界点crcr3cr22.064MPa373.99 C0.003106m /kgptv两线两线上界上界 限线限线下界限线下界限线三区三区液液汽液共存汽液共存汽汽五态五态未饱和水未饱和水饱和水饱和水湿蒸汽湿蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽cpcTcTABCACBcTTcTT cppcpp3a3b3d3e3c3a3b3d3e3c2c2a2b2d2e2c2a2b2d2e1c1a1b1d1e1c1a1b1d1eTspvcp 压力P升高对汽化过程的影响？二、水定压加热汽化过程的二

12、、水定压加热汽化过程的p- -v图及图及T- -s图图三、水蒸气热力状态参数对热力设备的影响三、水蒸气热力状态参数对热力设备的影响 对受热面布置的影响； 对锅炉循环方式的影响； 对设备材料的影响； 对机组分类的影响； 第三节第三节 水蒸气热力性质图表水蒸气热力性质图表 水蒸气不同于理想气体，其参数通过实验和分析的方法求得，水蒸气不同于理想气体，其参数通过实验和分析的方法求得，列成数据表或绘成线算图，以供工程计算查用。列成数据表或绘成线算图，以供工程计算查用。工程上将水基准点的工程上将水基准点的焓视为零已足够精确焓视为零已足够精确一、零点的规定一、零点的规定国际水蒸汽会议规定国际水蒸汽会议规定:

13、 : 水蒸气图表选定水蒸气图表选定水的三相点水的三相点（即（即273.16K的液相水）作为基准点，规定在该点的液相的液相水）作为基准点，规定在该点的液相水的水的u、s值为零值为零,此时有此时有 t00.01 C，p0611.659Pa，v 00.001000213k， u 0=0kJ/kg；s 0=0kJ/（kg K） 0 u 0 p0 v 0 0.611Jkg0 kJkg 饱和水与饱和蒸汽表饱和水与饱和蒸汽表按温度排列按温度排列按压力排列按压力排列参数右上角加参数右上角加“ ”表示表示饱和液体饱和液体参数，加参数，加“ ”表示表示饱和蒸汽饱和蒸汽参参数数二、水蒸气热力性质表二、水蒸气热力性质

14、表饱和水与饱和蒸汽表分别列出：饱和水与饱和蒸汽表分别列出：uhpv注意事项：注意事项： 1、热力学能在工程中应用较少，其值在各表中一般、热力学能在工程中应用较少，其值在各表中一般不列出，如果需要，可用下式计算：不列出，如果需要，可用下式计算：2、表中未列出的中间温度和压力下的数值，通过线性、表中未列出的中间温度和压力下的数值，通过线性内插法确定。内插法确定。内插法介绍内插法介绍xy2y2x1y1x1 12 2已知已知1122,ax y xyx求求?ay axay2y1yay1ayyhh由图可看出由图可看出两三角形相似，对应边成比例两三角形相似，对应边成比例。21211ayyhxxxx12121

15、axxhyyxx112121aaxxyyyyxx整理得整理得所以所以有有3、湿饱和蒸汽区状态参数的确定、湿饱和蒸汽区状态参数的确定 如果有如果有1kg湿蒸气，干度为湿蒸气，干度为x, 即有即有xkg饱和饱和蒸汽，蒸汽，(1-x)kg饱和水。饱和水。)1 (yxxyy)1 ()1 ()1 (sxxssvxxvvhxxhhyyxyy已知已知p或或T(h,v,s,h,v,s)+干度干度xh ,v ,s三、水蒸气状态的确定三、水蒸气状态的确定 已知（已知（p,tp,t）, ,判断水或蒸汽所处的状态判断水或蒸汽所处的状态 查饱和表得已知压力（或温度）下的饱和温度查饱和表得已知压力（或温度）下的饱和温度t

16、sts（或饱（或饱和压力和压力psps）：）：过热蒸气）出干度饱和状态或湿蒸气（给未饱和水)()()(pttxpttpttsss 在湿蒸汽区，在湿蒸汽区，p p、t t不是两个独立的变量，因此不能不是两个独立的变量，因此不能由由p p、t t确定状态点，还需给定干度才能确定状态。确定状态点，还需给定干度才能确定状态。n 已知已知p p（或（或t t）及某一比参数）及某一比参数y y（v v或或s s或或h h）, ,判断水或蒸判断水或蒸汽所处的状态汽所处的状态 查饱和表得已知压力（或温度）下的查饱和表得已知压力（或温度）下的yy、y”y”： 过热蒸气）湿蒸气（算出干度未饱和水yyxyyyyyy

17、yyyx 在湿蒸汽区干度及其它参数的的计算：在湿蒸汽区干度及其它参数的的计算：)()()(hhxhhssxssvvxvv 例题 试判断下列情况下水处于什么状态，并确定其它各参数的值。（1）p0.1MPa，t50；（2）p0.5MPa，t200；（3）p0.8MPa，v=0.22m3/kg；（4）p1MPa，t179.916。 解：（解：（1 1）查附表）查附表5 5，p p 0.1MPa0.1MPa，t ts s 99.63499.634。而。而t tt ts s，故第一种情况为未饱和水状态。查附表故第一种情况为未饱和水状态。查附表6 6，当，当p p 0.1MPa0.1MPa，t t 505

18、0时用线性插值法求得未饱和水的其它参数为时用线性插值法求得未饱和水的其它参数为v v 0.00101245m3/kg0.00101245m3/kg，h h 209.405kJ/kg209.405kJ/kg，s s 0.701750.70175kJ/kJ/（kgkg K K），），u u h h pvpv 209.405209.405 0.10.1 103103 0.001012450.00101245 209.304209.304（kJ/kgkJ/kg） （2 2）查附表）查附表5 5，p p 0.5MPa0.5MPa，tsts 151.867151.867，而，而t ttsts，故第二种情况

19、为过，故第二种情况为过热水蒸气状态。查附表热水蒸气状态。查附表6 6，当，当p p 0.5MPa0.5MPa，t t 200200时，过热水蒸气的其它参时，过热水蒸气的其它参数为数为v v 0.424870.42487m3/kgm3/kg，h h 2854.9kJ/kg2854.9kJ/kg，s s 7.05857.0585kJ/kJ/（kgkg K K），），u u h h pvpv 2854.92854.9 0.50.5 103103 0.424870.42487 2642.4652642.465（kJ/kgkJ/kg） （3 3）查附表）查附表5 5，当，当p p 0.8MPa0.8MP

20、a时，时，v v 0.00111480.0011148m3/kgm3/kg，v v0.240370.24037m3/kgm3/kg；h h 721.2kJ/kg721.2kJ/kg，h h2768.86kJ/kg2768.86kJ/kg；s s 2.04642.0464kJ/kJ/（kgkg K K），），s s6.66256.6625kJ/kJ/（kgkg K K）因为因为v v 0.22m3/kg0.22m3/kg，介于饱和水与干饱和水蒸气之间，即，介于饱和水与干饱和水蒸气之间，即 v v v vv v ， 故第三种情况为湿蒸汽状态。故第三种情况为湿蒸汽状态。 由式由式 可得干度可得干度该

21、状态下的其它参数为该状态下的其它参数为 txtx t ts s 170.444170.444 hx hx h h + +x x（h hh h ） 721.2721.2+ +0.9150.915 （2768.682768.68 721.2721.2） 2594.642594.64（kJ/kgkJ/kg） sxsx s s + +x x（s ss s ） 2.04642.0464+ +0.9150.915 （6.66256.6625 2.04642.0464） 6.27016.2701kJ/kJ/（kgkg K K） ux ux hxhx pvxpvx 2594.642594.64 0.80.8

22、103103 0.220.22 2418.642418.64（kJ/kgkJ/kg）（4 4）查附表）查附表5 5，p p 1MPa1MPa，t ts s 179.916179.916，t t t ts s。故第四。故第四 种情况是饱和状态，但无法确定是饱和水，干饱和水蒸种情况是饱和状态，但无法确定是饱和水，干饱和水蒸 气还是湿蒸汽，其余参数也无法确定。气还是湿蒸汽，其余参数也无法确定。 915. 00011148. 024037. 00011148. 022. 0 vvvvxx)(vvxvvx 欲获得水蒸汽的状态参数欲获得水蒸汽的状态参数,可查可查水蒸气表水蒸气表水蒸气的焓熵图水蒸气的焓熵图

23、(莫里尔图莫里尔图)方便、直观方便、直观,但不够精确但不够精确精确度高精确度高,但往往不但往往不太方便、且不直观太方便、且不直观四、水蒸汽的焓熵图四、水蒸汽的焓熵图xpvThsxc水蒸汽的水蒸汽的h - s图图工程上常用蒸汽为工程上常用蒸汽为图中方框部分图中方框部分(附图附图1)定焓线定焓线h定熵线定熵线s 例题 利用焓熵图确定P=1MPa时水蒸气的饱和温度，并查出x=0.95时湿蒸气的焓。 ts=179.88 x=0.95, h=2682kJ/kg一一. . 水蒸汽基本过程水蒸汽基本过程二二. . 水蒸汽基本公式水蒸汽基本公式tvptquwqhwquqhwpdvwvdpqTds 后三式只用于

24、可逆过程。定容、定压、定温及定熵四种定容、定压、定温及定熵四种第四节第四节 水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程 （1） 过程初态与终态的参数 （2） 过程中的热量、功量和内能的变化量。三三. .计算水蒸气热力过程的任务：计算水蒸气热力过程的任务：342pv1工程中的设备工程中的设备: :锅炉、换热器锅炉、换热器过程特点过程特点:p=:p=定值定值过程在图中表示过程在图中表示一、水蒸汽的定压过程一、水蒸汽的定压过程2Tshs2h2h1134143T-s 图和图和h-s图中的表示图中的表示s1s2能量转换计算能量转换计算wt= 0 q = h 举例：举例：锅炉中，水从锅炉中，水从30、4MPa, 定

25、压加热到定压加热到450。 ts(4MPa)=250.33q = h2-h1vdphq例：例：水从水从30 ，4MPa, 定压加热到定压加热到450 q = h2-h12Tshs2h1 = 129.3 kJ/kg h2 = 3330.7 kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kgp12pvp2工程中的设备：汽轮机、水泵工程中的设备：汽轮机、水泵12过程特点过程特点:q=0:q=0过程在图中表示过程在图中表示二、二、 水蒸汽的绝热过程水蒸汽的绝热过程212Tsp1p2hsp1p221h1h2h22T-s T-s 图和图和h-sh-s图中的表示图中的表示能量转换计算能量转换计算q q

26、= = 0 0t12w h h 212Ts不可逆过程：不可逆过程： 可逆过程：可逆过程： t12whhp1p2hsp1p221h1h2h22汽轮机内效率汽轮机内效率 12oi12hhhh水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h22例：汽轮机例：汽轮机 14MPap o1450 Ct 20.005MPap 0.9oi求：求：tw2h2x13330.7kJ/kgh 16.9379kJ/kg.Ks 解：由解：由 t1、p1查表查表 21ss水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h224MPao450 C0.005MPa求：求：tw2h2x216.9379kJ/kg.Kss由由 p2查表查表2137.77kJ/kgh 22561.2kJ/kgh 20.4762kJ/kg.Ks 28.3