第7章(2010年修正).ppt

第7章水蒸气 引言 水蒸气是人类应用最早的工质 又是使用最广泛的工质之一 水蒸气做为工质的优越性 具有较好的热力性质分布广泛 易于获得不会污染环境 水蒸气做为工质的不利因素 水蒸气是由液态水经汽化而成 不能作为理想气体对待水蒸气在汽化过程中发生相变 使其性质更为复杂 概念回顾 汽化与凝结 气化 物质由液态转变为汽态的过程 气化方式 蒸发 在液体表面进行的汽化过程 在任何温度下都可进行 包括蒸发和沸腾 在任何表面都能进行 自由表面和封闭容器内液体表面 沸腾 在液体内部进行的汽化过程 凝结 物质由汽态转变为液态的过程 提高蒸发速度的方法 在自由液面 提高液体温度 增加蒸发表面积 加速液面通风 融解与凝固 概念回顾 融解 物质由固态转变为液态的过程 凝固 物质由液态转变为固态的过程 升华与凝华 升华 物质由固态不经液态直接转化成气态的过程 凝华 物质由气态不经液态直接转化成固态的过程 融解与汽化的相似之处 融解过程 固体被加热至融点温度 在全部融解为液体之前 保持融点温度不变汽化过程 液体被加热至沸点温度 在全部汽化为蒸汽之前 保持沸点温度不变 7 1水的相变及相图 一 如何得到相图 凝固时体积膨胀的物质 凝固时体积缩小的物质 以凝固时体积膨胀的物质为例 7 1水的相变及相图 一 如何得到相图 以水的定压加热过程为例 介绍相图 在不同的压力下 对固态冰加热 使其经历状态变化 最终达到气态 a b冰被加热至融点 保持融点温度不变 直至冰完全融解为水 b e水继续加热升温至沸点 保持沸点温度不变 直至水完全汽化成水蒸气 e l进一步加热 水蒸气温度逐渐升高成为过热蒸汽 改变压力 重复上述过程 将不同压力下 性质相同的点连接起来 即得到相图 二 相图的构成 7 1水的相变及相图 3线3区2点 3线 AB线 融解曲线 在图上划分固态与液态区域 反映融点与压力的关系 AC线 汽化曲线 在图上划分液态与气态区域 反映沸点与压力的关系 AD线 升华曲线 在图上划分固态与气态区域 反映升华温度与压力的关系 以凝固时体积膨胀的物质为例 二 相图的构成 3线3区2点 3区 7 1水的相变及相图 固相区液相区汽相区 以凝固时体积膨胀的物质为例 二 相图的构成 3线3区2点 凝固时体积膨胀的物质 7 1水的相变及相图 2点 临界点 C点 三相点 A点 固 液 汽三相共存点不同的物质 三相点参数不同 如 水 PA 611 2PatA 0 01 O2 PA 12534PatA 210 三 相图的说明 7 1水的相变及相图 AB线 融解曲线 曲线斜率为负 表示压力升高时 融点降低 凝固时 体积增大 曲线斜率为正 表示压力升高时 融点升高 凝固时 体积缩小 AC线 汽化曲线 曲线斜率为正 说明饱和压力随饱和温度升高而增大 凝固时体积膨胀的物质 7 1水的相变及相图 ts f ps 补充材料 水的三相点演示 在试验室中 可以采用措施造成水的三相点 采用耐压的玻璃容器 其中先注入一定量纯水 用抽气的办法使水沸腾 当容器内被抽成高度真空后 立即烧熔抽气口玻璃 使其封闭 这时容器中部分为水 部分为汽 为达到三相共存 可在容器中间的管状空穴内放入冰和食盐的混合物 因为盐水的冰点比淡水的冰点低 二者相混 淡水冰就熔化为水 冰从四周吸热 每千克冰的熔解热为335kJ左右 使靠近管状空穴壁处的水出现一层薄冰 当观察到这一层薄冰时 容器内的纯水就处于三相共存的平衡状态 其中冰 水 汽三相的温度相同 7 2水蒸气的定压发生过程 工业上所用的水蒸气一般是在锅炉内定压沸腾汽化所得 为研究方便 研究对象为1kg水在定压加热时的状态变化情况 水蒸气定压发生过程 又名湿饱和蒸汽 水蒸气定压发生过程 7 2水蒸气的定压发生过程 未饱和水 水温低于饱和温度的水 也称过冷水饱和水 水温达到压力对应的饱和温度的水湿蒸汽 饱和水和饱和蒸汽的混合物干饱和蒸汽 不含饱和水的饱和蒸汽过热蒸汽 温度高于饱和温度的蒸汽 水蒸气定压发生过程的三个阶段 预热阶段 未饱和水 饱和水饱和水定压汽化阶段 饱和水 干饱和蒸汽过热阶段 干饱和蒸汽 过热蒸汽 7 2水蒸气的定压发生过程 水蒸气的p v图与T s图 1点2线3区5态 7 2水蒸气的定压发生过程 干度的概念 干度x 表示湿饱和蒸汽区 湿蒸汽占的比分 特殊的 饱和蒸汽线可由x 1的定干度线表示 湿度 1 x 表示湿饱和蒸汽区 饱和水占的比分 特殊的 饱和液体线可由x 0的定干度线表示 1点 临界点C 水PC 22 12MPatC 374 3 7 2水蒸气的定压发生过程 水蒸气的p v图与T s图 2线 AC上界线 饱和水线 x 0的等干度线 AB下界线 干饱和蒸汽线 x 1的等干度线 3区 液相区 未饱和水区 汽液两相共存区 湿蒸汽区 气相区 过热蒸汽区 5态 未饱和水状态 饱和水状态 湿蒸汽状态 干饱和蒸汽状态 过热蒸汽状态 7 2水蒸气的定压发生过程 水蒸气的p v图与T s图的图线分析 在湿蒸汽区 定压线与定温线重合 反映相变的特点p v图和T s图中 饱和水线的斜率不同 反映压力和温度对饱和水比容的影响不同 饱和水比容受压力影响较小 因此曲线比较陡 说明随压力的增大 饱和水比容变化不大 饱和水比容受温度影响较大 因此曲线较为平缓 说明随温度的增高 饱和水比容变化较大 7 3水蒸气表和焓 熵图 水蒸气表 图 工程计算 水蒸气表和图如何得来 体现了工质参数间怎样的关系 7 3水蒸气表和焓 熵图 一 水蒸气参数的计算 零点的规定 计算起点的规定 t0 0 01 T 273 16K p0 611 2Pa 0 6112kPau0 0kJ kgs0 0kJ kg K v0 0 00100022m3 kg 0 001m3 kgh0 u0 p0v0 0 p0v0 0 00611 0kJ kg 7 3水蒸气表和焓 熵图 一 水蒸气参数的计算 水蒸气参数计算 温度为0 01 压力为p的未饱和水 a0点所示 t0 0 01 u u0 0s s0 0h h0 0v v0 0 001m3 kg 在不同压力下 0 01 的未饱和水状态点a0 b0 d0等在T s图上都近似地与A点重合 不同压力下地定压预热过程线都近似落在下界限AC上 7 3水蒸气表和焓 熵图 一 水蒸气参数的计算 水蒸气参数计算 t tsvt v ht cpm t 0 01 4 1868tut ht pv tst cpmln T 273 16 4 1868ln T 273 16 温度为t 压力为p的未饱和水 7 3水蒸气表和焓 熵图 一 水蒸气参数的计算 水蒸气参数计算 温度为ts 压力为p的饱和水 a 点所示 h cpm ts 0 01 4 1868ts 定压预热阶段吸收的热量 u h pv s cpmln Ts 273 16 7 3水蒸气表和焓 熵图 一 水蒸气参数的计算 水蒸气参数计算 温度为ts 压力为p的干饱和蒸汽 a 点所示 h h ru h pv s s r Ts r h h 一 水蒸气参数的计算 水蒸气参数计算 7 3水蒸气表和焓 熵图 vx xv 1 x v xv hx xh 1 x h x h h h h xrsx xs 1 x s ux hx pvx 温度为ts 压力为p的湿饱和蒸汽 一 水蒸气参数的计算 水蒸气参数计算 7 3水蒸气表和焓 熵图 温度为t 压力为p的过热蒸汽 h h cpm T Ts u h pvs s cpmln T Ts 水的临界点C参数pC 22 12MPatC 374 3 vC 0 00326m3 kghC 2100kJ kgsC 4 429kJ kg K 二 水蒸气表 7 3水蒸气表和焓 熵图 按温度和压力排列的未饱和水和过热蒸汽表 按饱和温度排列的饱和水和饱和蒸汽表 按饱和压力排列的饱和水和饱和蒸汽表 h s图的构成 三 水蒸气焓熵图 h s图 7 3水蒸气表和焓 熵图 根据能量方程的微分表达式 可得各曲线簇的斜率 定压线斜率 定容线斜率 定温线斜率 1 定压线簇 h s图的构成 三 水蒸气焓熵图 h s图 7 3水蒸气表和焓 熵图 A 在湿蒸汽区 T Ts 定压线斜率为常数 B 在过热蒸汽区 温度是变化的 且不断升高 定压线越来越陡 2 定温线簇 A 在湿蒸汽区 压力不变 与定压线重合 B 在过热蒸汽区 由麦克斯韦关系式 代入可得 h s图的构成 三 水蒸气焓熵图 h s图 7 3水蒸气表和焓 熵图 2 定温线簇 可知过热蒸汽区定温线较定压线为平坦 h s图的构成 三 水蒸气焓熵图 h s图 7 3水蒸气表和焓 熵图 3 定容线簇 对定容过程 则 在h s图上 定容线比定压线陡 一般用红线表示 综上所述 等号适用于湿蒸汽区 荣家 压 湾 温 下车 h s图的构成 三 水蒸气焓熵图 h s图 7 3水蒸气表和焓 熵图 4 定干度簇 定干度线作为湿蒸汽区的辅助参数线1 定干度线只在湿蒸汽区存在 它是各定压线上由x 0到x 1的等分点的连线2 所有定干度线都交于临界点3 干度在过热蒸汽区无意义 h s图的说明 三 水蒸气焓熵图 h s图 7 3水蒸气表和焓 熵图 1 由于x 50 部分的线图过于密集 并且工程应用多为干度较大的湿蒸汽或过热蒸汽 很少应用这部分线簇 所以图上只给出接近上界线的部分线图 2 对于未饱和水和干度较小的湿蒸汽的部分数据 应用水蒸气表进行计算 引入h s图的原因 三 水蒸气焓熵图 h s图 7 3水蒸气表和焓 熵图 1 水蒸气是实际工质 不能利用理想气体状态方程计算状态参数及能量变化量 2 在p v图及T s图上表示热量和功的大小 需要求出面积 比较麻烦 3 对水蒸气而言 一般是定压过程 热量 轴功可以直接用焓差表示 h s图的各参数变化方向 三 水蒸气焓熵图 h s图 7 3水蒸气表和焓 熵图 7 4水蒸气的基本热力过程 一 水蒸气热力过程计算方法 分析法 过于繁复 工程一般不用 图解法 简单 且具有一定的准确度 二 分析湿蒸汽热力过程的一般步骤 根据已求得的初 终态参数 运用热力学第一 第二定律计算所转换的能量 根据初态的两个已知参数 运用图表确定初态的其它参数 根据过程特性及一个终态参数 确定终态状态点 在运用图表查得初 终态的其它参数 7 4水蒸气的基本热力过程 三 基本热力过程 定压过程 水蒸汽的定压过程 初态p1 x1 及终态t2 7 4水蒸气