《农业工程概论》PPT课件.ppt

第五章 水和水蒸气的性质,基本知识点 应掌握有关蒸气的各种术语及其意义。例如：汽化、凝结、饱和状态、饱和蒸气、饱和液体、饱和温度、饱和压力、三相点、临界点、汽化潜热等。 了解蒸气定压发生过程及其在和图上的一点、二线、三区和五态。 了解蒸气图表的结构，并掌握其应用。 掌握蒸气热力过程的热量和功量的计算。,本章重点,1.确定蒸气状态参数的独立变量 2.学会使用水蒸气热力学性质的图表，并能熟练的运用于各种热力过程的计算。,水蒸气,在空气中含量极小，当作理想气体,一般情况下，水蒸气是由液态水经汽化而来的一种气体，离液态较近，为实际气体，使用图表,18世纪，蒸气机的发明，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， 膨胀性能好，传热性能好, 5-1 纯物质的热力学面及相图,物质有三种聚集状态：固态、液态、气态,热力学面：以p,v,T表示的物质各种状态 的曲面,水的三态：,冰、水、蒸汽,水的热力学面,两相区,单相区,气,液,固,六个区：三个单相区、三个两相区,液-气,固-气,固-液,饱和线、三相线和临界点,p,v,四个线：三个饱和线、一个三相线,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,三相线与临界点,水的临界点状态,饱和液线与饱和气线的交点,气液两相共存的pmax,Tmax,等温线是鞍点,临界点,水的三相线,纯物质的p-T相图,p,p,T,T,液,液,气,气,固,固,水,一般物质,三相点,三相点,临界点,临界点,流体,流体,升华线,升华线,凝固线,凝固线,汽化线,汽化线,汽相和液相,因固相不流动，更关心汽液两相,冰蓄冷,5-2 汽化与饱和,沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化,(气体和液体均处在饱和状态下),饱和状态：汽化与凝结的动态平衡,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,凝结：由蒸汽变成液体的过程。,饱和状态,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡,饱和温度Ts,饱和压力ps,一一对应,放掉一些水，Ts不变， ps？,Ts,ps,ps=1.01325bar,Ts=100 ,青藏ps=0.6bar,Ts=85.95 ,高压锅ps=1.6bar,Ts=113.32 ,13,几个名词： 饱和液(saturated liquid)处于饱和状态的液体： t=ts 干饱和蒸汽(dry-saturated vapor; dry vapor ) 处于饱和状态的蒸汽：t=ts 未饱和液(unsaturated liquid) 温度低于所处压力下饱和温度的液体：tts, tts=d称过热度(degree of superheat)。 湿饱和蒸汽(wet-saturated vapor; wet vapor ) 饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts,使未饱和液达饱和状态的途径：,5-3 水蒸气的定压发生过程,t ts,t = ts,t = ts,t = ts,t ts,v v,v = v,v = v,v v v,v v,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽,过热蒸汽,h h,h = h,h = h,h h h,h h,s s,s = s,s = s,s s s,s s,水蒸气定压发生过程说明,(1),(2),只有加热时熵永远增加,(3) 理想气体,实际气体汽化时，TTs不变，但h增加,汽化潜热:1kg饱和液体加热成同温度下的干饱和蒸汽所需热量。,(4) 未饱和水,过冷度,过冷水,过热蒸汽,过热度,s,p-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程,一点，二线，三区，五态,等压线上饱和态参数,p,ts,v,(bar),v,s,s,kJ/(kg.K),0.006112,0.01,0.00100022,206.175,0.0,9.1562,1.0,99.63,0.0010434,1.6946,1.3027,7.3608,5.0,151.85,0.0010928,0.37481,1.8604,6.8215,50.0,263.92,0.0012858,0.03941,2.9209,5.9712,221.29,374.15,0.00326,0.00326,4.429,4.429,(bar),(),b,d,b,d,5-4 水和水蒸气状态参数及其图表,状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量,未饱和水及过热蒸汽，一般已知p、T即可,饱和水和干饱和蒸汽，只需确定p或T,湿饱和蒸汽， p和T不独立，汽液两相,1875年，吉布斯提出了吉布斯相律,水和水蒸气状态参数确定的原则,1、未饱和水及过热蒸汽,确定任意两个独立参数，如：p、T,2、饱和水和干饱和蒸汽,确定p或T,3、湿饱和蒸汽,除p或T外，其它参数与两相比例有关,两相比例由干度x确定,定义,干饱和蒸汽,饱和水,对干度x的说明：,0 x 1,在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义,湿饱和蒸汽区状态参数的确定,如果有1kg湿蒸气，干度为x, 即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。,已知p或T(h,v,s,h,v,s)+干度x,h ,v ,s,水和水蒸气表,两类,2、未饱和水和过热蒸汽表,1、饱和水和干饱和蒸汽表,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）,未饱和水和过热蒸汽表（节录）,表的出处和零点的规定,原则上可任取零点，国际上统一规定。,但 原则上不为0， 对水：,表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。,焓、内能、熵零点的规定：,水的三相点,未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线）,焓熵图的画法(1),1、零点：h=0，s=0；,2、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线）,斜直线,向上翘的发散的形线,C点为分界点，不在极值点上,焓 熵 图,h,s,C,x=1,x=0,焓熵图的画法(2),气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体,在x=0, x=1之间，从C点出发的等分线,焓 熵 图,h,s,C,x=1,x=0,5-5 水蒸气的热力过程,任务： 确定初终态参数， 计算过程中的功和热 在p-v、T-s、h-s图上表示,注意与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,水蒸气的定压过程,q = h wt = 0 uh2-h1-p(v2-v1) w=q- u,3,4,2,1,例：锅炉中，水从30 ，4MPa, 定压加热到450 ,q = h2-h1,ts(4MPa)=250.33,锅炉、换热器,水蒸气的定压过程,例：水从30 ，4MPa, 定压加热到450 ,q = h2-h1,2,T,s,h,s,2,h1 = 129.3 kJ/kg h2 = 3330.7 kJ/kg,h2,h1,1,3,4,1,4,3,=3201.4kJ/kg,水蒸气的绝热过程,p1,2,p2,不可逆过程：,汽轮机、水泵,1,2,q = 0 w=-u u=h2-h1-(p2v2-p1v1),水蒸气的绝热过程,汽轮机、水泵,q = 0,2,1,2,不可逆过程：,p1,p2,水蒸气的绝热过程,汽轮机、水泵,q = 0,不可逆过程,p1,p2,2,1,h1,h2,h2,2,透平内效率,水蒸气的定温过程,实际设备中很少见,远离饱和线，接近于理想气体,水蒸气的定温过程,1,2,T,s,h,s,1,2,2,理想气体,W=q- u u=h2-h1-(p2v2-p1v1),可逆过程：,12,水蒸气的定容过程,实际设备中不常见,1,2,p,v,水蒸气的定容过程,1,T,s,h,s,p,T,2,1,2,v,p,v,例：容积为0.6 的密闭容器内盛有压力为3.6bar的干饱和蒸汽，问蒸汽的质量为多少，若对蒸汽进行冷却，当压力降低到2bar时，问蒸汽的干度为多少，冷却过程中由蒸汽向外传出的热量为多少?,解：查以压力为序的饱和蒸汽表得：,=3.6bar时， =0.51056, =2733.8kJ /kg,蒸汽质量 m=V/ =1.1752kg,查饱和蒸汽表得：,=2bar时， =0.0010608， =0.88592 =504.7kJ /kg， =2706.9kJ /kg,在冷却过程中，工质的容积、质量不变，故冷却前干饱和蒸汽的比容等于冷却后湿蒸汽的比容即：,或,由于,取蒸汽为闭系，由闭系能量方程,由于是定容放热过程，故,所以,而u=h-pv,故,其中：,则,Q=mq=1.1752(-878.3) =-1032.2kJ,本章小结,学习本章的主要目的，是掌握正确应用蒸气热力性质图表处理工程实际问题的方法。蒸汽的参数一律应该从图或表中查得，而不宜用一些简单的经验公式，更不能使用仅实用于理想气体的一些公式。围绕查图或表注意以下一些问题： 1.确定蒸气状态状态参数的独立变量 对有集态变化的工质，在确定其状态参数时，应注意独立变量的数目。,(1)对未饱和液体和过热蒸气：分别处于单相区，所以p，t，v，s，h等参数中，只要任意两个参数给定，其他参数就确定了。一般独立交量取(p，t)两个。 (2)对饱和液体和干饱和蒸气：无论是饱和液体还是干饱和蒸气都是单相的气，但它们又都处于饱和状态下，压力和温度不是互相独立的参数，而是一一对应的。因此，独立变量为1，一般可取p或t。即只要压力或者温度确定，其他参数，例如饱和液体的v，s，h及干饱和蒸气的v“，s“，h“等就都随之确定。,(3)对湿饱和蒸气：因为处于两相区，压力p和温度t由ps=f(ts)联系，只有一个是独立变量，而其他参数v，s，h却与湿蒸气中的液体和气的比例密切相关。所以需引入另一个独立变量“干度”状态才能确定。要掌握干度的定义和计算确定方法，以及利用干度确定状态参数。,2查表 当需根据给定的已知参数由蒸气性质表查找物性数据时，如何判断应查饱和表还是过热表呢?一般而言，当不知工质处于什么状态时，总是先查饱和表以判断工质的状态，然后根据所处的状态查对应的表。判断工质所处状态的具体方法如下：,若已知(p，t)，查饱和表得已知压力(或温度)下的饱和温度ts(p)或压力ps(t)，比较t与ts(p)的大小,tts(p)工质处于过热蒸气状态,也可通过比较给定的压力p和ps(t)之间的大小，来确定工质所处的状态。,若已知p(或t)及某一比参数y(v，或s，或h)，查饱和蒸气表得y、y“，比较y与y、y“的大小，则,Yy” 工质处于过热蒸气状态,若已知p(或t)及干度x，则工质处于湿蒸气区.,对于未饱和液，由于其性质随压力的变化很小，则可近似认为，其广延比参数(v，或h，或s)仅是温度的函数,工程计算中当一时缺乏资料时，可用饱和液体的数据近似代替同温度下未饱和液体的数据。 处于其他状态的蒸汽，其性质如cp、cv、h、u等都不是温度的单值函数，而是p或v和T的复杂函数，这是蒸气与理想气体的一个很大区别。显然，理想气体熵s的计算公式也不适用于蒸气。,3常用的蒸气热力过程 在工程应用中，蒸气的