水蒸气热力过程（工程热力学课件）

水蒸气

水蒸气的饱和状态实际气体-----水蒸汽水蒸汽在空气中含量极小，当作理想气体.一般情况下，为实际气体，使用图表.18世纪，蒸汽机的发明，是唯一工质;直到内燃机发明，才有燃气工质;目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质优点:便宜，易得，无毒，热力性能稳定,膨胀性能好，传热性能好，流动性好。是其它实际气体的代表。5-1水蒸汽饱和状态一、汽化：物质从液态转变成汽态的过程，称为汽化。在火电厂中，给水进入锅炉后变成饱和或过热蒸汽的过程就是汽化过程。(动画)汽化方式有两种：1）蒸发；2）沸腾。使水汽化的方法：1）加热升温；2）降压扩容。

1、蒸发——在液体表面进行的汽化现象。特点：它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于液体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。如电厂冷却塔中冷却水的蒸发。如：给水泵入口汽蚀问题？排污扩容器的扩容蒸汽产生？2、沸腾沸腾——在液体内部进行的汽化现象。工业上大都用此方法获得蒸汽。特点：有汽泡产生；在一定的压力下，液体沸腾时的温度（沸点）是一定的。如：在1标准大气压下，水的沸点是l00℃，酒精的沸点为78℃；而在1MPa时水的沸点为179.88℃,在20MPa时水的沸点为365.71℃。二、凝结（液化）概念：物质从汽态转变成液态的过程，称为液化.特点：在一定压力下，蒸汽的温度（低）等于沸点时，才可能出现凝结。凝结方式：1）膜状凝结，2）珠状凝结使凝结的方法：1）定压降温冷却；2）升压如电厂中：凝汽中的排汽凝结成水；滑压运行除氧器在机组负荷骤增时，为何出现返氧现象？

液化和汽化是物质相态变化的两种相反过程，实际上，在密闭容器内进行的汽化过程，总是伴随液化过程同时进行。三、饱和状态液体分子脱离其表面的汽化速度汽体分子回到液体中的凝结速度＝这时液体与蒸汽处于动态平衡状态，称为饱和状态饱和水饱和蒸汽t

sp

s饱和水饱和蒸汽1、饱和状态：汽、液两相达到动态平衡的状态。2、饱和状态的特点：1）汽水共存，2）汽水同温，3）饱和压力ps和饱和温度ts成一一对应关系。3、饱和压力与饱和温度饱和压力：在饱和状态下的水和水蒸汽的压力PS饱和温度：在饱和状态下的水和水蒸汽的温度tS

ts上升，ps上升；

ps上升，ts上升。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。psts3、饱和压力与饱和温度青藏ps=0.6barts=85.95℃高压锅ps=1.6barts=113.32℃饱和压力饱和温度一一对应饱和压力ps

(MPa)饱和温度ts

(℃)0.00532.881179.9210311.0420365.7922.064374水蒸气过热度干饱和蒸汽过热蒸汽过热度：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、过热阶段水的定压预热阶段：aTs液体热饱和水的定压汽化过程：汽化潜热干蒸汽的定压过热过程：过热热qs=h-h"bcde整个水蒸汽产生过程吸热量(1kg水)：4、水蒸汽定压产生过程总吸热量二、水蒸汽的p-v与T-s图压力P升高对汽化过程的影响？ts升高，v’增大（膨胀性大于压缩性）；v’’减小（压缩性大于膨胀性）；所以：b点向右移动，d点向左移动，汽化过程缩短，预热过程增长，过热过程增加。二、水蒸汽的p-v与T-s图二线（均为饱和曲线）下界线（饱和水线）CM上界线（干饱和蒸汽线）CN三个区域:液态区(下界线左侧)、湿蒸汽区(饱和曲线内)、汽态区(上界线右侧)。一点:临界点c:上、下界线的交点.将各种压力下水蒸气的定压产生过程线集中表示在p-v图和T-s图上而得到。T水、汽差别消失，汽化在瞬间完成，汽化热为零；在临界温度以上，单纯增压不能使其液化（即tc是最高的饱和温度）；在临界压力及以上加热时，当达到临界温度时汽化在瞬间完成（即水的定压加热过程只有两个阶段）。水蒸气的临界参数为：临界点的各状态参数临界点C的特点临界压力临界温度临界比容小结水蒸气的定压产生过程在p-v图和T-s图上所表现出的相变规律可归纳为:

一点(临界点)、

二线(饱和水线、干饱和蒸汽线)、

三区(未饱和水区、湿蒸汽区、过热蒸汽区)

五态(未饱和水状态、饱和水状态、湿蒸汽状态、干蒸汽状态、过热蒸汽状态)思考题1.

有没有400℃的水？2.有没有0℃的水蒸汽？3.有没有1℃的冰？4.会有600Pa的液态水存在吗?答案：1.没有；2.有；3.没有；4.没有.三、水蒸汽参数对电厂热力设备的影响1、高参数水蒸汽的基本性质1）过热蒸汽的比热容当温度不变时，比热容随压力升高而升高；当压力不变时，比热容随温度升高先下降后升高。2）过热蒸汽的比容当温度不变下，过热蒸汽的比容随压力升高而大大下降；在一定压力下，过热蒸汽的比容随温度升高而增大。3）过热蒸汽的焓在一定温度下，过热蒸汽的焓随压力升高而减小;在一定压力下，过热蒸汽的焓随温度升高而增大.图图2、高参数水蒸汽对锅炉设备的影响1）温度提高的影响--过热器的受热面积增大，对材料耐热性能要求高;2）压力提高的影响--液体热和过热热的比例增大，汽化热的比例缩小；要求：省煤器和过热器受热面增大，而水冷壁受热面减小。随压力的升高，汽水密度差将减小，炉内自然循环将变得困难，并对汽水分离装置的要求也高；故当压力在19MPa以上时，必须采用强迫循环锅炉和高质量的汽水分离设备，或者采用直流锅炉。而不能采用自然循环锅炉。图图水蒸气

水蒸气的定压产生过程过热阶段水蒸汽的定压产生过程汽化阶段预热阶段未饱和水饱和水湿饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽一、水蒸汽的定压产生过程

v'

p

p

v''

p

vt<tst>tst=tst=ts

v0

pt=ts

p

vx5-2水蒸汽的定压产生过程水蒸汽的定压产生过程参数变化特点t<tst=tst=tst=tst>tsv0<v’v=v’v=v’’v’<vx<v’’v>v’’未饱和水饱和水湿蒸汽干蒸汽过热蒸汽h0<h’h=h’h=h’’h’<hx<h’’h>h’’s0<s’s=s’s=s’’s’<sx<s’’s>s’’水预热汽化过热v↑h↑s↑5-2水蒸汽的定压产生过程5-2水蒸汽的定压产生过程五个状态:未饱和水a饱和水b湿饱和水蒸汽m干饱和水蒸汽d过热水蒸汽e。三个阶段：

预热阶段a-b：t0未饱和水→ts饱和水。t↑，v↑。汽化阶段b-d：ts饱和水→ts干饱和水蒸汽。v↑，t和p均不变。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。过热阶段d-e：ts干饱和水蒸汽→t过热水蒸汽。t↑，v↑。未饱和水（过冷水）饱和水注意比较v0和v′的大小！这个阶段所需的热量称为液体热ql1、预热阶段过冷度Δt=t-ts水蒸气H-S图二、焓熵图（h-s图）

1、h-s图的结构：C—临界点，x＝0线，x＝1线；定压线、定温线和定容线，在饱和区内还有定干度线。定压线群——在h-s图上呈发散分布。湿蒸汽区内，定压线为一簇斜率不同的直线；在过热蒸汽区，定压线趋于陡峭。（用黑色表示）定温线群——湿蒸汽区内，与定压线重合；在过热蒸汽区，与定压线自干蒸汽线处分开后逐渐趋于平坦。（用红色表示）定容线群——走向与定压线相似，但比定压线稍陡。（用绿色表示）定干度线群——一组干度等于常数的曲线。（用粗红色表示）注意：x<0.6的区域图线过密，工程中也不经常使用这部分数据，所以实用h-s图上不包括这一区域。图焓熵图hsCx=1x=0pvTxh轴——1小格代表5kJ/kg；s轴——1小格代表0.01kJ/(kg.K).（1）查取状态参数：

①查干蒸汽参数：如p与x=1相交；②查湿蒸汽参数：如p与x相交；③查过热蒸汽参数：如p与t相交。（2）分析并计算水蒸气的热力过程（见5-4节）2、h-s图使用例题分析例5-5：应用h-s图确定下列水蒸气的h、s、v：（1）p1=1MPa，x1=0.95；

（2）t2=250℃的干蒸汽；（3）p3=13MPa，t3=535℃.解:查h-s图，得（1）h1=2675kJ/kg，s1=6.36kJ/(kg.K)，v1=0.185m3/kg；（2）h2=2800kJ/kg，s2=6.07kJ/(kg.K)，v2=0.05m3/kg；（3）h3=3435kJ/kg，s3=6.56kJ/(kg.K)，v3=0.026m3/kg.5-4水蒸汽的基本热力过程分析目的：确定初态和终态参数确定过程的能量转换关系，包括w、q以及Δu和Δh等。分析步骤：由初态参数查图表得初态的其它参数；由过程特点和初态参数在图表中查终态参数；由初终参数和热力学定律计算w、q等。注意理想气体过程的区别第一定律与第二定律表达式均成立理想气体特有的性质和表达式不能用可逆水蒸气水蒸气热力性质表5-3水蒸气的热力性质图表

工程中只需计算水蒸气u、h、s的变化量，因此可任选一个基准点。1963国际会议规定，水蒸气的热力性质表以三相点状态的饱和水为基准点编制。水的三相点参数为：p＝0.6112kPa，v=0.00100022m3/kg，T＝273.16K此状态下饱和水的热力学能和熵被规定为零，即

u'0.01＝0kJ/kg，s'0.01＝0kJ/(kgK)而其焓值为：h'0.01＝u'0.01+pv＝0kJ/kg+0.6112kPa×0.00100022m3/kg＝0.000611kJ/kg≈0kJ/kg工程上近似认为0℃时水的热力学能、焓和熵的值为零一、水蒸气表零点的规定：二、水蒸汽的热力性质表常用的水蒸气热力性质表有两种：①饱和水与饱和水蒸汽表以温度为序，表5以压力为序，表6②未饱和水与过热蒸汽表，附表7水和水蒸气状态参数确定的原则3、未饱和水及过热蒸汽确定任意两个独立参数，如：p、T1、饱和水和干饱和蒸汽确定p或T2、湿饱和蒸汽除p或T外，其它参数与两相比例(干度)有关饱和水及干饱和蒸汽表应用---饱和参数的确定已知温度饱和压力ps比体积：v＇v"焓：h＇h"熵：s＇s"汽化潜热：r=h"-h＇查附表五已知压力饱和温度ts比体积：v＇v"焓：h＇h"熵：s＇s"汽化潜热：r=h"-h＇

查附表六饱和水饱和水干蒸汽干蒸汽饱和水及干饱和蒸汽表应用

-------湿蒸汽参数的确定

由于湿饱和蒸汽实质上是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，因此其热力学能、焓、熵及容积可表示为引入干度的关系式，可得

即，如已知湿饱和蒸汽干度x，即可利用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿饱和蒸汽的相应状态参数的数值。

未饱和水和过热蒸汽表的应用已知压力和温度查其它状态参数。注意：粗黑线上方为未饱和水的参数，粗黑线下方为过热蒸汽的参数。已知压力和温度比体积：v焓：h熵：s汽化潜热：r查附表七未饱和水或过热蒸汽的参数例题分析查表时先要确定在五态中的哪一态。例5-1

已知：p=1MPa,试确定t=100℃,200℃时各处于哪个状态,各自h是多少？