工程热力学 水和水蒸气的性质.ppt

第七章水蒸气,刚刚脱离液态或距液态较近的气体物质，因其分子间作用力大不能看作理想气体。如工程中常用的水蒸气、氨气、氟里昂等。水蒸气是热能工程中使用最早、应用广泛的一种工质。它具有良好的热力性质，并且廉价、易得、无污染。本章主要介绍水蒸气的形成过程、状态参数的确定、水蒸气图表结构和应用及相关计算。,1,基本知识点水蒸气的产生过程、水蒸气状态参数的确定、水蒸气图表的结构和应用、水蒸气在热力过程中功量和热量的计算。,本章重点：工业上水蒸气的定压生成过程，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。,2,一般水蒸气是实际气体!,水蒸气,在空气中含量极小，可当作理想气体,一般情况下，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,3,7-1纯物质的相变与相图,物质有三种聚集状态：固态、液态、气态,水的三态：,冰、水、蒸汽,自然界中大多数纯物质都以三种聚集态存在：固相、液相、气相，如CO2、H2O等。物质的存在状态与它存在的环境有关，如水低温时呈固态，高温时呈气态。现以水为例分析纯物质的三态变化。,4,三相之间的变化：升华（卫生球）溶解汽化固态液态气态凝固液化凝化（霜）,7-1纯物质的相变与相图,物质有三种聚集状态：固态、液态、气态,水的三态：,冰、水、蒸汽,5,在一定压力下，对固态冰不断加热，冰将经历三个过程变为过热水蒸气。融解过程：冰融化为水，冰全部融化之前为冰水两相，保持融点温度不变。融点：在一定压力下，固体开始融解时的温度。汽化过程：水汽化为蒸气，水全部汽化之前为水气两相，保持沸点温度不变。沸点：在一定压力下，液体开始汽化时的温度。过热过程:水全部变为气后再继续加热，蒸气变为过热蒸气，温度将升高，高于沸点温度。上述相变过程表示在Pt图上，称为相图。P125图7-1所示,6,ab段冰的定压加热b为融点be段水的定压加热e为沸点el段气的定压加热当压力变化时，b,e点位置相应变化。将不同压力下的融点及沸点连接起来，就得到融解线AB和汽化线AC。,融解线AB显示融点与压力的关系，它划分了固态与液态的区域。汽化线AC显示了沸点与压力的关系，划分了气态与液态的区域。升华线AD表示升华温度与压力的关系划分了固态与液态的区域。这三线称为相平衡曲线,a,7,ab段冰的定压加热b为融点be段水的定压加热e为沸点el段气的定压加热当压力变化时，b,e点位置相应变化。将不同压力下的融点及沸点连接起来，就得到融解线AB和汽化线AC。,AC线上方端点C是临界点.如ttc,则无论压力多大都不能使它变为液体。当压力降低时，AB与AC两线逐渐接近，并交于A点。A点是固、液、汽三态共存的状态，称为三相点。若在低于三相点的压力之下对冰定压加热（m点），当t到一定的值td，冰将从固相直接变为气相将不同压力下时对应的升华温度点d相连就得到升华曲线AD。,a,8,纯物质（水）的p-T相图,p,T,液相,气相,固相,三相点TP,临界点c,流体,升华线,溶解线,汽化线,水的临界点状态：,三相线与临界点,气液两相共存的pmax,Tmax,c临界点,三相点（固、气、液）一个物质有唯一的三相点，如水的：,P图中AB、AC、AD三线将图分成三个单相区，线上两相，A点三相。,9,纯物质的p-T相图（注意溶解线）,p,p,T,T,液,液,气,气,固,固,水的p-T相图凝固时体积膨胀的物质的p-t图,一般物质的p-T相图凝固时体积缩小的物质的p-t图,三相点,三相点,临界点,临界点,流体,流体,升华线,升华线,溶解线,溶解线,汽化线,汽化线,10,思考题,没有。ttc=374.16,有,.有没有500C的水？,.有没有-3的蒸汽？,11,汽化与饱和,沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化,(只有在沸点时,气体和液体均处在饱和状态下）,因为分子自由热运动，液体表面总有一些较大动能的分子克服表面张力，脱离液面到自由空间去，所以任何温度下汽化均可发生。蒸发速度与温度、表面积、液面风速有关。在蒸发过程中，液面上方的蒸气分子总有可能碰撞液面而返回液体，所以凝结过程也同样进行。只是一般的蒸发都是在自由空间中进行的，液表有大量其它气体，蒸气的分子密度小，分压力低，其凝结速度小于蒸发速度，总的效果是呈蒸发的过程。,1.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(任何温度),汽化,12,若蒸发在封闭的容器中进行，随着蒸发的进行，液面上方的蒸气分子越来越多，其碰撞液面的机率也越来越多，使凝结速度加快。当蒸发速度等于凝结速度时，汽、液两相达到动平衡，这时空间内蒸气分子浓度不再改变，这种两相平衡状态叫饱和状态。这时相应的有饱和蒸气、饱和液体、饱和温度ts、饱和压力Ps。饱和蒸气+饱和水=湿蒸气；不含饱和水的饱和蒸气叫干饱和蒸气。Ts与Ps有一一对应的关系：ts=f(Ps)若Ps变化时，平衡将被打破，然后经一热力过程达到新的平衡,13,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,Ts,ps,ps=1.01325bar,Ts=100,青藏ps=0.6bar,Ts=85.95,高压锅ps=1.6bar,Ts=113.32,14,若在一定压力下，对液体加热，当T达到该P对应的饱和温度ts时，液体内部产生大量气泡（开锅），这些气泡不断产生，扩大，上升到液面破裂，随之大量蒸气进入液面上方的空间，这就是沸腾，它是液体内部发生的急剧汽化过程。相应压力所对应的饱和温度，就是沸点。不同的压力将有不同的沸点，ts和Ps一一对应。（高压锅的好处）。,15,沸腾现象不仅可用加热方法实现，用减压的方法也可以。若将高温水减压，使其压力降低到对应热水温度的饱和压力以下时也会达到沸腾状态。（90水内地不沸腾，高原上就是沸腾的）,16,7-2.水蒸气的定压发生过程,一.水蒸气的定压发生过程.(p127图板书）1.水的定压预热阶段.(t0ts水由不饱和水饱和水)2.饱和水定压汽化阶段.(ts、PS均不变.）饱和水（饱和水+饱和水蒸气）湿饱和蒸汽干饱和蒸汽干度：把1Kg湿蒸汽中所含蒸汽的质量称为湿蒸汽的干度,用x表示汽化阶段,容器内的温度ts恒定.吸收的热量用于由水变为汽所需要的能量和对外做膨胀功.定P下将1Kg饱和液体转变成同温度的干饱和蒸汽所需要的热量叫汽化潜热.用r表示.单位KJ/Kg,17,对干度x的说明：,定义,干饱和蒸汽,饱和水,0x1,在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义,3.干饱和蒸汽定压过热阶段.干饱和蒸汽过热汽tts过热度t=t-ts,18,19,水蒸气的定压发生过程小结,tts,vv,v=v,v=v,vvv,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽,过热蒸汽,hh,h=h,h=h,hhh,ss,s=s,s=s,s0dS0.图形为右上凹的对数曲线,而阶段汽化过程b1d1,Ts不变.是一水平线.在不同的压力下(t0不变)重复上述试验,可得到一系列的定P下水蒸汽的发生过程.,将各个过程的相应状态点连接起来,就得到两条重要的曲线:饱和液线AC(下界线)a1b1b2b3.(左为液相,未饱和液区,右为湿汽区)饱和汽线BC(上界线)d1d2d3(右为过热蒸汽区,左为湿汽区),T-s图上的水蒸气定压加热过程,24,s,T-s图上的水蒸气定压加热过程,随着压力的升高，上、下界线相交于C点.C点被称为临界点,对应的状态参数为临界参数(Pctcvc)不同物质的临界参数不同。当ttc时,水不可能呈液态.这时不论压力多大,也不能使汽液化,只能通过降温的方法.(tc等温线右侧为汽区),25,水蒸气的定压发生过程在P-VT-S图上所表示的特征,归纳为:一点:临界点二线:饱和液线AC(下界线)饱和蒸汽线BC(上界线)交于C点三区:未饱和液体区,湿饱和蒸汽区,过热蒸汽区五种状态:对水加热,水温升高(比容增加),至到P所对应的饱和温度ts.水开始沸腾.这时的水叫饱和水.水温低于饱和水温度的水称为未饱和水,也叫过冷水。未饱和水,饱和水,湿蒸汽状态,干蒸汽状态,过热蒸汽状态,26,对于湿饱和蒸汽.因为处于饱和状态,其P与T有一一对应关系,即P、T不是相互独立的状态参数.所以要确定湿蒸汽的状态,还要知道其中饱和蒸汽或饱和水的含量(与理想气体不同).湿蒸汽变为干蒸汽的过程中ts,Ps都不变,但是蒸汽水的质量都是变化的.要要确定湿蒸汽的状态还需一个参数：干度X把1KG湿蒸汽中所含蒸汽的质量称为湿蒸汽的干度,用x表示.P123X=M气/(M气+M水)1X0对于未饱和水M气=0 x=0对于干蒸汽M水=0 x=1,27,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,28,一、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，还需其它参数x（与两相比例有关）,-水和水蒸气状态参数及其图p129,29,1.零点的规定,但原则上不为0，对此时的水：,焓、内能、熵零点的规定（A点）国际上统一规定(1963)以纯水在三相点(纯水的冰、水和汽)平衡共存状态下的饱和水作为基准点，这时的饱和水的u和s都0（饱水饱气）,30,2T=0.01，压力为P的未饱和水（点a0）水的压缩性小，可以认为水的比容与压力P无关在t0.01时，不同P下水的比容可近似地认为相等o0.001m3/kgt同同u也同uf(T,)uouo0s也可soso0当P不太时，h也可以认为相同houo+Poo0(ao点的s与A点的熵相同)TS图上两点重合,31,3温度为Ts，压力为P的饱和水液体热ql：0.01的水在定压P下加热至Ts成为饱水所需热量.ql在TS图上相当于预热段a0a下的面积,32,qLhhoh0h吸热焓增按水的平均比热CPm4.1868kJ/(kgk)qLhCPm(ts0.01)4.1868ts,当P与T较高时，CP变化较大，ho0不能用上式计算ql和s,当,当,TS,273.16,33,汽化潜热：定P下，将一定m的饱和全部变成饱气所需的热量。TS图aa下面积各参数关系：Ts(ss)hh,hh+,uhP,SS+/Ts,4饱和力为P的干饱和蒸汽压,34,（当p不太大，x不太小时）,5压力为P的湿饱和蒸汽这时，P、Ts不是相互独立的参数，仅已知P、Ts还不能确定湿蒸汽的状态，须再有一个表示湿蒸汽成分的参数，才能使之确定，这个参数就是干度x。,35,6压力为P的过热蒸汽过热热量：过程阶段加入的热量TS图上aa下的面积要确定过热蒸汽的状态，还应知道其过热度t-ts或蒸汽的温度.,36,过热蒸汽的焓：其中是过热热量，t为过热蒸汽的温度，cpm为过热蒸汽由t到ts的平均比定压热容。过热蒸汽的热力学能：过热蒸汽的熵：,37,2.运用水蒸汽热力性质图、表确定状态参数由于水蒸气的状态较复杂，不便直接利用状态方程进行状态参数分析和计算，工程上主要依靠由热力性质公式制得水蒸汽图、表进行状态参数确定和过程分析计算。水蒸汽状态参数确定有两种方法：1）运用水蒸汽热力性质表a)饱和水和饱和蒸汽表p267b)未饱和水和过热蒸汽表p262）水蒸汽焓熵图，（hs图）p287,38,二、水和水蒸气表据状态特点，针对种状态有两类水蒸气表,两类,2、未饱和水和过热蒸汽表,1、饱和水和饱和蒸汽表,1、按温度排列的饱和水与饱和水蒸气表附表12、按压力排列的饱和水与饱和水蒸气表附表23、按压力和温度排列的未饱和水与过热蒸汽表。附表3。,三种：P267,39,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）,40,未饱和水和过热蒸汽表（注意下划线上未饱水下过热气）,41,据已知的T饱水、气可从附表1（p267）中查出相应的状态参数：PS、h、h、S、S据已知的饱水、饱水气T可从表2中查出相应的状态参数：tS、h、S据已知T、P从表3中可查出相应的、h、S未饱水/过热气。湿区无表可查只能用关系式计算,42,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,汽x与水(1-x)参数与分额的乘积之和,43,例题：若水的温度t120压力分别为0.1MPa、0.5MPa、1MPa时，试确定所对应的状态及其焓值解:表3：P10.1MPa时120tS199.63h2716.8kJ/kg过热汽状态P20.5MPa时120tS1151.85h503.9kJ/kg未饱和状态P31MPa时120tS1179.88h504.3kJ/kg未饱和状态,44,P133例7-1蒸汽的状态参数如下，试定其是什么样的蒸汽？(1)P0.8MPa0.22m3/kg(2)P0.6MPat190(3)P1MPat179.88解：查表2(定P)1.P0.8MPa时，0.2403m3/kg没全变为气，是湿蒸汽状态2.P0.6MPa时相应的tS158.84ttS为过热蒸汽3.P1MPa时tS179.88ttS是饱和状态P、tS不相互独立，不能完全确立饱和状态不能确定是干饱和汽、湿饱和汽、还是饱和水,45,46,三、水蒸气的焓-熵(h-s)图由于水蒸气表所给出的数据是不连续的，有时需用内插法求值，同时在分析过程中还可能发生跨越两相的变化过程，这样使用水蒸气表也有不便，不直观。为更方便计算常利用水蒸气表中所列数据制成状态参数坐标图。用起来就更加简便。根据水蒸气各参数间的关系及实验数据制成图线，称为水蒸气线图。水蒸气线图有很多种，这里介绍焓熵（h-s）图,47,P132页是hs图的结构示意图图上有上界线(饱和液体线x0)下界线(饱和蒸汽线x1)临界点C中有定h线、定s线、定P、定T、及定v线，在湿区还有干度线x,48,由于工程上所用蒸汽多为干度较大的湿蒸汽，饱和蒸汽或过热蒸汽。实用的hs图在x0.6的右上部分。x较低的湿气和水(湿区和过热区)仍用查表的方法算。hs图是据水蒸气表上的数据绘制的，它和其他状态参数坐标图一样，图上的一点表示一个确定的平衡态。从通过该点的各定值线，可查得相应的各状态参数值，就可以对该过程进行热工计算。,49,焓熵图,h,s,C,x=1,x=0,1、零点：h=0，s=0；2、饱和汽线（上界线x=1）；饱和液线（下界线x=0）C点为分界点，不在极值点上,0,50,h,s,C,x=1,x=0,0,斜直线,向上翘的发散的形线,51,h,s,C,x=1,x=0,气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体趋于水平,52,h,s,C,x=1,x=0,53,h,s,C,x=1,x=0,在x=0,x=1之间，x=常数的线（湿区才有),54,h,s,C,x=1,x=0,.在湿区，定压线是一条直线(PS一定)，定温线是一条直线(tS一定)与定压线重合p133例,、临界点c低于干饱和蒸汽线的最高点，它的状态不是饱和和蒸汽焓的极大值。,结论、,55,7-4水蒸气的热力过程p133,任务：1.确定初终态参数，2.计算过程中的功、热内能q、w、u的变化。在p-v、T-s、h-s图上表示计算方法与理想气体完全不同：理气用状态方程各参数间关系分析求解。蒸汽（实际气体）用查图、表的方法，再结合热力学基本关系式、热一律。,56,基本热力过程：定容、定压、定温、绝热四种分析蒸汽热力过程的一般步骤为：1.用蒸汽图表由初态的两个已知参数定初终态的状态点求其它参数。2.根据题示的过程性质，如压力不变,加上另一个终态参数即可在图上确定进行的方向和终态点,并读得终态参数。3.根据已求得的初、终态参数，应用热力学第一和第二定律等基本方程计算过程量q、wu,57,注意实际气体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于水蒸气,可逆,58,1.水蒸气的定压过程,q=h=h2-h1第一定律u=h-p(v2-v1)W=q-u=p(v2-v1)wt=0（dp=0）,3,4,2,1,锅炉、换热器,59,3,4,2,1,例：锅炉中，水从40（水），3MPa,定压加热到400（气）。求过程吸热q,q=h2