第三章 水蒸气.pdf

工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 第三章 水和水蒸气 water and vapour 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 水和水蒸气是实际气体的代表水和水蒸气是实际气体的代表 水蒸气水蒸气 在空气中含量极小 当作在空气中含量极小 当作理想气体理想气体 一般情况下 为一般情况下 为实际气体实际气体 使用图表 使用图表 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 直到内燃机发明 才有燃气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 化工的工质目前仍是火力发电 核电 供暖 化工的工质 优点优点 便宜 易得 无毒 便宜 易得 无毒 膨胀性能好 传热性能好膨胀性能好 传热性能好 是其它实际气体的代表是其它实际气体的代表 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 本章主要内容本章主要内容 2 2 水蒸气图表的结构和应用水蒸气图表的结构和应用 1 1 水和水蒸气的特征和相图水和水蒸气的特征和相图 水蒸水蒸气气 蒸气蒸气 蒸蒸汽汽 Steam Vapor Water Vapor 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 3 4 水蒸气的水蒸气的饱和状态和相图饱和状态和相图 一 一 汽化和液化汽化和液化 vaporization and liquefaction 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 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 饱和状态Saturation state 饱和状态 汽化与凝结的饱和状态 汽化与凝结的动态平衡动态平衡 饱和温度饱和温度Ts 饱和压力饱和压力ps 一一对应一一对应 放掉一些水放掉一些水 Ts不变不变 ps Ts ps ps 1 01325bar Ts 100 青藏青藏ps 0 6bar Ts 85 95 高压锅高压锅ps 1 6bar Ts 113 32 Saturation temperature Saturation pressure 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 二 二 饱和状态饱和状态 Saturated state 当汽化速度当汽化速度 液化速度时 系统液化速度时 系统 处于处于动态平衡动态平衡 宏观上气 液两相 宏观上气 液两相 保持一定的相对数量保持一定的相对数量 饱和状态饱和状态 饱和状态的温度饱和状态的温度 饱和温度饱和温度 ts Ts Saturated temperature 饱和状态的压力饱和状态的压力 饱和压力饱和压力 ps Saturated pressure 加热 使温度升高如加热 使温度升高如 t 保持定 保持定 值 系统建立新的动态平衡 与之值 系统建立新的动态平衡 与之 对应 对应 p变成变成ps 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 三 三 几个名词几个名词 饱和液饱和液 saturated liquid 处于饱和状态的液体处于饱和状态的液体 t ts 干饱和蒸汽干饱和蒸汽 dry saturated vapor dry vapor 处于饱和状态的蒸汽处于饱和状态的蒸汽 t ts 未饱和液未饱和液 unsaturated liquid 温度低于所处压力下饱和温度的液体温度低于所处压力下饱和温度的液体 t ts t ts d 称过称过 热度热度 degree of superheat 湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽 wet saturated vapor wet vapor 饱和液和干饱和蒸汽的混合物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 使未饱和液达饱和状态的途径 pt tpptt s 不变 保持 pttpp s 不变 保持 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 干度 干度 dryness 液汽 汽 mm m x 湿度湿度 y 1 x x 0 1 饱和液饱和液 湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽 干饱和蒸汽干饱和蒸汽 定义 湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数 用定义 湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数 用w 或或 x 表示 表示 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 四 水和水蒸气相图四 水和水蒸气相图 物质三种聚集状态 物质三种聚集状态 固态 液态 气态固态 液态 气态 热力学面 热力学面 以以p v T表示的物质各种状态的曲面表示的物质各种状态的曲面 水的三态 水的三态 冰冰 水水 蒸汽蒸汽 Solid Liquid Gas Ice Water Steam 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 水和水蒸气相图与其他一般物质的比较水和水蒸气相图与其他一般物质的比较 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 水的热力学面水的热力学面 两相区两相区 单相区单相区 气气 液液 固固 p v T 六个区 三个单相区 三个两相区六个区 三个单相区 三个两相区 液液 气气 固固 气气 固固 液液 p v T 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 饱和线 三相线和临界点饱和线 三相线和临界点 p v 四个线 三个饱和线 一个三相线四个线 三个饱和线 一个三相线 饱和气线饱和气线 三相线三相线 饱和液线饱和液线 饱和固线饱和固线 T 临界点临界点 一个点 一个点 临界点临界点 Saturation line Triple line 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 关于三相线关于三相线 1 是固 液 汽共存的状态 是固 液 汽共存的状态 三相线三相线 p v T 2 三维相图上是一条线 三维相图上是一条线 p T图上是一个点 图上是一个点 3 该三相线上压力 温度一定 比体积不是定 该三相线上压力 温度一定 比体积不是定 值 但每相的比体积一定 只是各相成分变化值 但每相的比体积一定 只是各相成分变化 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 临界点临界点Critical point 水的水的 临界临界 点状点状 态态 饱和液线与饱和气线的交点饱和液线与饱和气线的交点 气液两相共存的气液两相共存的pmax Tmax 等温线是鞍点等温线是鞍点 临临 界界 点点 临临 界界 乳乳 光光 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 纯物质的p T相图 p p T T 液液 液液 气气 气气 固固 固固 水水 一般物质一般物质 三相点三相点 三相点三相点 临界点临界点 临界点临界点 流体流体 流体流体 升华线升华线 升华线升华线 凝固线凝固线 凝固线凝固线 汽化线汽化线 汽化线汽化线 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 p T diagram of pure substances p T Liquid Vapor Solid Triple point Critical point Fluid Sublimation Melting Vaporization 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 为什么凝固时为什么凝固时体积膨胀体积膨胀的物质固液线斜率为负的物质固液线斜率为负 的 凝固时的 凝固时体积收缩体积收缩的物质固液线斜率为正 的物质固液线斜率为正 根据克根据克 克方程 克方程 表达纯物质相平衡时压力与温度的依赖关系 表达纯物质相平衡时压力与温度的依赖关系 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 关于水凝固时膨胀关于水凝固时膨胀 The fact that water expands upon freezing has vital consequences in nature If water contracted on freezing as most other substances do the ice formed would be heavier than the liquid water and it would settle to the bottom of rivers lakes and oceans instead of floating at he top The sun s rays would never reach these ice layers and the bottoms of many rivers lakes and oceans would be covered with ice at times seriously disrupting marine life 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 思考题思考题 没有 没有 t 374 16 有有 3 有没有有没有500 C的水的水 1 溜冰冰刀溜冰冰刀 2 北方冬天晾在外边的衣服 北方冬天晾在外边的衣服 是否经过液相是否经过液相 4 有没有有没有 3 的蒸汽的蒸汽 5 一密闭容器内有水的汽液混合物 对其一密闭容器内有水的汽液混合物 对其 加热 加热 是否一定能变成蒸汽 是否一定能变成蒸汽 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 纯物质的纯物质的p T相图相图 p p T T 液液 液液 气气 气气 固固 固固 水水 一般物质一般物质 三相点三相点 三相点三相点 临界点临界点 临界点临界点 流体流体 流体流体 汽化线汽化线 汽化线汽化线 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 3 5 水蒸气定压气化过程水蒸气定压气化过程 v v v v v v v v v 未饱和水未饱和水 饱和水饱和水 饱和湿蒸汽饱和湿蒸汽 饱和干蒸汽饱和干蒸汽 过热蒸汽过热蒸汽 h h h h h h h h h 水预热水预热 汽化汽化 过热过热 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 水蒸气定压发生过程说明水蒸气定压发生过程说明 1 2 2 理想气体理想气体 实际气体实际气体 汽化时 汽化时 T Ts不变 但不变 但h h增加增加 汽化潜热汽化潜热 同温下同温下1kg1kg饱和蒸气等压冷凝放出的饱和蒸气等压冷凝放出的 热量 热量 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 3 未饱和水未饱和水 过冷度过冷度 过冷水过冷水 过热蒸汽过热蒸汽 过热度过热度 本书中 本书中 用上标用上标 表示饱和液体 表示饱和液体 表示饱和汽表示饱和汽 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 State of Liquid and vapor 未饱和液 过冷液未饱和液 过冷液 饱和液饱和液 饱和湿蒸气饱和湿蒸气 饱和蒸气饱和蒸气 过热蒸气过热蒸气 Saturated liquid Saturated vapor Saturated liquid vapor mixture Superheated vapor Compressed liquid Subcooled liquid 汽化潜热汽化潜热 Latent heat of Vaporization 压缩液压缩液 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 等压线上饱和态参数 p ts v m3 kg 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 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 c T A B C A C B 3 a 3 b 3 d 3 e 3 c 3 a 3 b 3 d 3 e 3 c 2 c 2 a 2 b 2 d 2 e 2 c 2 a 2 b 2 d 2 e 1 c 1 a 1 b 1 d 1 e1 c 1 a 1 b 1 d 1 e s p v图 图 T s图上的水蒸气定压加热过程图上的水蒸气定压加热过程 一点 二线 三区 五态一点 二线 三区 五态 v p T T T c p pc T T c p pc pc T c pc 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 3 6 水蒸气状态参数水蒸气状态参数 对于多元 如对于多元 如k个组元 多相 如个组元 多相 如f个相 个相 元化学反应的热力系 其独立参数 即元化学反应的热力系 其独立参数 即 自由度自由度 n k f 2 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 水和水蒸气状态参数确定原则水和水蒸气状态参数确定原则 1 未饱和水及过热蒸气 确定任意两个独立参数 如p T 2 饱和水和干饱和蒸气 确定p或T 3 湿饱和蒸气 除p或T外 其他参数与两相比例有关 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 两相比例由干度x确定 干饱和蒸气 质量 饱和水质量 湿饱和蒸气区状态参数的确定 如果有1kg湿蒸气 干度为x 即有xkg饱和蒸 气 1 x kg饱和水 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 一 零点规定一 零点规定 规定 三相点规定 三相点液态水液态水 热力学能及熵为零热力学能及熵为零 可近似为零可近似为零 不是所有的物质零点都在这不是所有的物质零点都在这 样规定的 样规定的 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 二 未饱和水 二 未饱和水 t p 查图表或由专用程序计算查图表或由专用程序计算 三 三 饱和水和饱和水蒸气饱和水和饱和水蒸气 ps或者或者ts 查图表或由专用程序计算查图表或由专用程序计算 压力不太高时 可近似压力不太高时 可近似 四 四 过热蒸汽 过热蒸汽 p t 注意 注意 过热蒸汽不可用类似未饱和过热蒸汽不可用类似未饱和 水的近似式 因水的近似式 因cp变化复杂变化复杂 查图表或由专用程序计算 查图表或由专用程序计算 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 五 五 湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽 如果有如果有1kg湿蒸汽 干度为湿蒸汽 干度为x 即有 即有xkg饱和蒸汽饱和蒸汽 1 x kg饱和水 饱和水 已知已知ts 或 或ps h v s h v s x共同确定共同确定 x较大时较大时 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 3 7 水蒸气表和图水蒸气表和图 两类表两类表 饱和水和饱和蒸汽表饱和水和饱和蒸汽表 未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 一 一 水蒸气表水蒸气表 1 饱和水和干饱和蒸汽表饱和水和干饱和蒸汽表 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 2 未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表 p 0 001 MPa 0 005 MPa 0 01 MPa 饱饱 和和 参参 数数 ts 6 949 v 0 001 000 1 v 129 185 h 29 21 h 2513 3 s 0 105 6 s 8 9735 ts 32 879 v 0 001 005 3 v 28 191 h 137 72 h 2 560 6 s 0 4761 s 8 3930 ts 45 799 v 0 001 010 3 v 14 673 h 191 76 h 2583 7 s 0 649 0 s 8 1481 t v h s v h s v h s m3 kg kJ kg kJ kg K m3 kg kJ kg kJ kg K m3 kg kJ kg kJ kg K 0 0 0010002 0 05 0 0002 0 0010002 0 0010003 0 05 0 0002 0 0010002 0 04 0 0002 10 130 598 2519 0 8 9938 42 01 0 1510 0 0010003 42 01 0 1510 20 135 226 2537 7 9 0588 0 0010018 83 87 0 2963 0 0010018 83 87 0 2963 40 144 475 2575 2 9 1823 28 854 2574 0 8 4366 0 001009 167 51 0 5723 50 149 096 2593 9 9 2412 29 783 2592 9 8 4961 14 869 2591 8 8 1732 60 153 717 2612 7 9 2984 30 712 2611 8 8 5537 15 336 2610 8 8 2313 80 162 956 2650 3 9 4080 32 566 2649 7 8 6639 16 268 2648 9 8 3422 100 172 192 2688 0 9 5120 34 418 2687 5 8 7682 17 196 2686 9 8 4471 120 181 426 2725 9 9 6109 36 269 2725 5 8 8674 18 124 2725 1 8 5466 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 表的出处和零点规定表的出处和零点规定 计算机的发展 做成水蒸气查询软件 计算机的发展 做成水蒸气查询软件 学习这种方法 以便用于其他工质性质查询 学习这种方法 以便用于其他工质性质查询 依据依据1963年第六届年第六届国际水和水蒸气会议国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编发表的国际骨架表编 制 尽管制 尽管IFC 国际公式化委员会 国际公式化委员会 1967年和年和1997年先后发年先后发 表了表了分段拟合分段拟合的水和水蒸气热力性质公式 但工程上主要依的水和水蒸气热力性质公式 但工程上主要依 靠图表 靠图表 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 查表例题一查表例题一 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 例例3 5 已知已知A B两个密封容器内两个密封容器内H2O的温度均为的温度均为 150oC 压力分别为 压力分别为1MPa和和0 2MPa 试问水处 试问水处 于什么状态 于什么状态 例例3 6 利用水蒸气表 确定下列各点的状态和利用水蒸气表 确定下列各点的状态和h s的值 的值 1 t 45 8oC v 0 00101m3 kg 2 t 200oC x 0 9 3 p 0 5MPa t 165oC 4 p 0 5MPa v 0 545m3 kg 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 查表例题三查表例题三 在一刚性容器内充满在一刚性容器内充满p 0 1MPa t 20 的水 由的水 由 于太阳照射 使其温度升为于太阳照射 使其温度升为40 求容器承受的压 求容器承受的压 力 力 等容过程等容过程 p 0 1MPa t 20 v 0 0010018m3 kg t 40 P 14 0MPa 储液罐很危险 储液罐很危险 不能装满 不能装满 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程系 王华王华 二 二 水蒸气的焓水蒸气的焓 熵 熵 h s 图 图 水蒸气水蒸气的的t s图图 工程热力学 河南理工大学热能与动力工程系河南理工大学热能与动力工程