第三章-3-水蒸气

第三节

蒸气的热力性质和热力过程基本知识点水蒸气的定压产生过程、五种聚集状态；水蒸气状态参数的确定；水蒸气热力性质图表的应用；水蒸气热力过程中功量和热量的计算。水蒸气是实际气体!水蒸气在空气、燃气中含量极小，可当作理想气体处理；

一般情况下距液态较近，为实际气体。

18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质；内燃机发明，才有燃气工质；

目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖、化工的主要工质。优点:便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好。在热力过程中，经常发生相变，具有五种聚集状态，其状态变化关系比理想气体复杂得多；需要使用专门的水蒸气热力性质图表，确定其状态参数以及进行热力计算。汽相和液相锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器固相不流动，更关心汽液两相基本概念沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化汽化：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

液化：由气态转变为液态的过程，又称凝结。1、汽化和液化液化速度取决于空间蒸气的压力。压力越大，液化越快。汽化速度取决于液体的温度。温度越高，汽化越快。二者同时进行。°°°°°°°°°°°°°°°°2、饱和状态——液体和蒸气处于动态平衡的状态。汽化液化

汽化速度=液化速度时，汽化和凝结仍在不断进行，但总效果使状态不再变化。干饱和蒸气（饱和蒸气）饱和液体（1）饱和温度ts和饱和压力ps

在饱和状态下，气液温度相同，称为饱和温度；

此时蒸气的压力也确定不变，称为饱和压力。

psts饱和温度ts饱和压力psps=f(ts)一一对应放掉一些水，ts不变，ps？tsps不变ts不变，ps不变。tspsps=1.01325barts=100℃青藏ps=0.6barts=85.95℃高压锅ps=1.6barts=113.32℃饱和状态psts（2）临界点当温度超过一定值tC时，无论压力p多高也不能使气体液化，此时液相不可能存在，只可能是气相。这个温度tC称为临界温度。与临界温度相对应的饱和压力pC称为临界压力。(tC，pC)是液相和气相能够平衡共存时的最高值。永久气体——温度t>tC的气体。临界参数是物质的固有参数，不同物质其值不同。（3）三相点当压力低于某一个值pTP时，液相也不可能存在，而只可能是气相或固相。这个压力pTP称为三相点压力。与三相点压力相对应的饱和温度tTP称为三相点温度。(tTP，pTP)是最低的饱和温度和饱和压力。不同物质的三相点所对应的参数不同。各种物质在三相点的温度和压力为定值，比体积则随三者的混合比例不同而异。

水的饱和线、三相线和临界点pv四条线：三条饱和线、一条三相线饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点一个点：临界点气-固气-液固-液纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水一般物质三相点三相点临界点临界点汽化线汽化线(TC，pC)(TC，pC)（pTP，tTP)（pTP，tTP)

思考题没有(t>tC)有2.有没有500ºC的液态水？1.北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相？3.有没有-3℃

的蒸气？4.有没有500kPa的液态水？没有(p<pTP)一、定压下水蒸气的发生过程pt<ts

v0pts

v'pts

vxpts

v''pt>ts

v未饱和水a饱和水b湿饱和蒸汽c干饱和蒸汽d过热蒸汽e预热阶段汽化阶段过热阶段h0h’h”h水蒸气定压发生过程说明(1)(2)加热时只有熵永远增加(3)理想气体实际气体汽化时，t＝ts不变，但h值增加。(4)未饱和水过冷度过冷水过热蒸汽过热度pt<ts

v0pts

v'pts

vxpts

v''pt>ts

v湿饱和蒸汽的干度xmg、mf分别为湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽与饱和水的质量。

未饱和水a饱和水b湿饱和蒸汽c干饱和蒸汽d过热蒸汽ex=0x=10<x<1？mgmfpt<ts

v0pts

v'pts

vxpts

v''pt>ts

v未饱和水a饱和水b湿饱和蒸汽c干饱和蒸汽d过热蒸汽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的聚集状态及其判别依据水的定压加热过程在p-v图和T-s图上的表示q1rqsus水蒸气定压加热过程的p-v图和T-s图一点，二线，三区，五态一点，二线，三区，五态一点：临界状态点二线：饱和水线（下界线x=0）饱和蒸汽线（上界线x=1）三区：未饱和区（下界线左侧）湿蒸汽区（两相区、饱和区，上下界线之间）过热蒸汽区（上界线右侧）五态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽饱和线s一点，二线，三区，五态T<TC未饱和水区未饱和水区两相区两相区过热蒸汽区x=0x=1x=0x=1过热蒸汽区水蒸气定压加热过程的p-v图和T-s图等压线上饱和态参数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)(℃)确定水蒸气状态参数的原则1、未饱和水及过热蒸汽均为单相物质，需任意两个独立参数，如p、T等2、饱和水和干饱和蒸汽饱和压力和饱和温度是一一对应的，为1个独立变量，一般可取p或T。3、湿饱和蒸汽处于两相区，独立变量为2，一般取（p，x）或(T，x）

，其它参数与干度x有关。湿饱和蒸汽状态参数的确定

如果有1kg湿蒸汽，干度为x,则有xkg干饱和蒸汽与(1-x)kg饱和水。已知p或T(h’,v’,s’,h’’,v’’,s’’)和干度xh,v,s当已知p（或T）和某一参数y时，应先求出干度x，再求其他参数。二、蒸气热力性质图表热力工程计算的重要依据。在国际上是统一的、通用的。表（附录A-6~附录A-7）和图（附录B-5）表的出处：以三相点的液相水作为基准点：规定三相点饱和水的热力学能和熵的值为零。但原则上不为0，对水：

依据1985年国际水蒸气骨架表编制。尽管有分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上主要依靠图表。基准点的规定：水的三相点1、水和水蒸气热力性质表两类：2）未饱和水和过热蒸汽表附录A-71）饱和水和干饱和蒸汽表按饱和温度t排列的表(附录A-6a)

按饱和压力p排列的表(附录A-6b)饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）饱和水和饱和水蒸气表（按压力排列）饱和参数未饱和水和过热蒸汽表（节录）使用水和水蒸气热力性质表时注意：先根据已知参数确定状态，以决定要使用的表。查表时仍要用到线性插值法。“查表”时工质状态的判断方法1．若已知（p，t）查饱和表得已知压力的饱和温度ts(p)，比较t与ts(p)的大小：

t<ts(p)未饱和水状态，查“未饱和水和过热蒸汽表”；

t＝ts(p)饱和状态，查“饱和水和干饱和蒸汽表”；

t>ts(p)过热蒸汽状态，查“未饱和水和过热蒸汽表”。查饱和表得已知温度的饱和压力ps(t)，比较p与ps(t)的大小：

p>ps(t)未饱和水状态，查“未饱和水和过热蒸汽表”；

p＝ps(t)饱和状态，查“饱和水和干饱和蒸汽表”；

p<ps(t)过热蒸气状态，查“未饱和水和过热蒸汽表”。2．若已知p（或t）和某一个参数y

查饱和蒸气表得y、y，比较y的大小，则

y<y

处于未饱和水状态；

y<y<y

处于湿饱和蒸气状态；

y>y

处于过热蒸气状态。3．若已知p（或t）及干度x，湿饱和蒸气状态。2、水和水蒸气热力性质图压容图p-v图

（定性分析）

温熵图T-s图（定性分析）

焓熵图h-s图（定量分析）

sp-v图和T-s图一点，二线，三区，五态T<TC未饱和水区未饱和水区两相区两相区过热蒸汽区x=0x=1x=0x=1过热蒸汽区如何在图上表示功和热?p-v图（示功图）：面积代表功能否用线段表示热和功？T-s图（示热图）：面积代表热p-v图和T-s图便于定性分析过程和循环，不便于计算：

p-v图示功和T-s图示热都用面积，图上求面积不方便。

对于H2O来讲，在锅炉、冷凝器、回热器等设备中的热交换量：

q=h出口

-h进口在汽轮机中的绝热膨胀作功：wsh=h进口-h出口有了h-s图便可用直线段表示功量和热量。在h-s图中还可获得所需的所有数据。采用h-s图的原因h-s图的构成一条界限曲线：x=0和x=1；h-s图的画法-11、零点：h=0，s=0；2、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线）3、等压线群：p两相区pT=Const斜直线单相区sT向上翘的发散的形线C点为分界点，不在极值点上h-s

图hsCpx=1x=0pCh-s图的画法-2气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体两相区：T、p一一对应，T线即p线在x=0,x=1之间，从C点出发的等分线同理想气体一样，v

线比p

线陡4、定温线T5、等容线v6、等干度线xh-s图(定量分析)hsx=1tpxx=0vh-s

图hsCx=1x=0pvTx三、水蒸气的热力过程任务：

确定初终态参数，计算过程中的功量和热量，在p-v、T-s、h-s图上表示。热力过程：

ps

T

v

依据：(1)热力学第一定律的基本方程

(2)蒸气热力性质图表理想气体特有的性质和表达式不能用！×1、定压过程q=hwt=0342pv1=h2-h1锅炉、换热器等定压过程：T-s图、h-s图4MPa的水从30℃定压加热到450

℃

q=h2-h12Tshs2h1=129.3kJ/kgh2=3330.7kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kgts(4MPa)=250.33℃2、绝热过程p12’pvp2不可逆过程：

汽轮机、水泵12可逆过程：

s12

1

2’q=0绝热过程：T-s图q=02’12Ts不可逆过程：

可逆过程：

sp1p2绝热过程：h-s图q=0hs不可逆过程：

可逆过程：

sp1p221h1h2h2’2’透平内效率

3、定温过程pv实际设备中很少见。TCTcT远离饱和线，接近于理想气体定温过程：T-s图、h-s图12Tshs122’理想气体

测量干度原理

绝热节流可逆过程：12’4、定容过程实际设备中不常见。12pv定容过程：T-s图、h-s图1TshspT212vpv

了解定压下的蒸气产生过程，掌握蒸气的热力性质特点和各种术语；熟练掌握利用水蒸气热力性质图表计算蒸气热力性质的方法；掌握应用蒸气热力性质图表分析计算水蒸气各种热力过程。本节要求例3-7、例3-8作业：思考题习题3-31、3-33、3-35习题3-33：开水房烧开水用p=0.1MPa、x=0.86的蒸汽与t=20℃同压下的水混合，设问欲得5t的开水，需要多少蒸汽和水？4、150℃的液态水放在一密封容器内，试问水可能处于什么压力？解：查饱和蒸汽表：

t1=150℃时，ps=0.47571MPa

若p<0.47511MPa，则150℃的水必定要变成过热蒸汽。因此，水的压力p0.47571MPa。

5.冷凝器中，蒸汽压力为4kPa，x=0.95，试求：（1）vx，hx，sx的值；（2）若在此压力下蒸汽凝结为水，求其容积变化。

解：（1）查饱和蒸汽表p=0.004MPa（2）相对容积变化率

6.汽缸－活塞系统内有0.5kg，0.5MPa、260℃的水蒸气，试确定缸内蒸汽经可逆等温膨胀到0.20MPa作的功与热量。解：查未饱和水和过热蒸汽表

p1