工程热力学-07

1、第七章第七章 水蒸气水蒸气第一节第一节 水的相变及相图水的相变及相图第二节第二节 水蒸气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程第三节第三节 水蒸气水蒸气表和焓表和焓-熵（熵（h-s）图）图第四节第四节 水蒸气水蒸气的基本热力过程的基本热力过程基本知识点基本知识点 水蒸气的产生过程、水蒸气状态参数的水蒸气的产生过程、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。热力过程中功量和热量的计算。本章重点：本章重点：工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水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，并能熟练的运用于蒸气热

2、力学性质的图表，并能熟练的运用于各种热力过程的计算。各种热力过程的计算。水蒸气是实际气体水蒸气是实际气体! !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1.水蒸气的产生过程；水蒸气的产生过程；2.水蒸气状态参数的

3、确定；水蒸气状态参数的确定；3.水蒸气图表的结构和应用；水蒸气图表的结构和应用；4.水蒸气在热力过程中关于功量和水蒸气在热力过程中关于功量和热量的计算。热量的计算。本章内容：本章内容：由于实际气体的状态方程由于实际气体的状态方程 f(p,v,T ) =0我们虽然不象理想气体那样能写出它们的具体形式，我们虽然不象理想气体那样能写出它们的具体形式，也就是说对于也就是说对于 p=F(v,T)在以在以p为纵座标，为纵座标， v、T为平面直角坐标组成的三维坐为平面直角坐标组成的三维坐标系中，各平衡状态点就组成了一个曲面，标系中，各平衡状态点就组成了一个曲面，见图见图，曲，曲面上的每一点都对应着一组面上的

4、每一点都对应着一组（p,v,T）, 有一组（有一组（p,v,T）在曲面上就对应着一个点，此曲面由实验得出，称在曲面上就对应着一个点，此曲面由实验得出，称热热力学面力学面。（热力面在。（热力面在 pT平面平面 投影得投影得pT相图、在相图、在pv平面投影得平面投影得pv相图）相图） 7-1 7-1 水的相变及相图水的相变及相图 一个热力学面一个热力学面 固液固液汽体汽体临界点临界点液体液体液汽液汽三相线三相线固汽固汽蒸汽蒸汽pT Tvp p常数常数T T常数常数固体固体水的热力学曲面图动态水的热力学曲面图动态显示显示二、相变二、相变定压加热，水的相变由水平线定压加热，水的相变由水平线 a-b-e

5、-l 表示表示不同的不同的（p,T）点时，物质呈现不同的聚集状态即不点时，物质呈现不同的聚集状态即不同的相，上图中标明有气、液、固相区。同的相，上图中标明有气、液、固相区。 三个单相区三个单相区 气相（气相（g）、液相）、液相(L)、固相、固相(S)在每两单相之间存在在每两单相之间存在着两相平衡共存的区域。着两相平衡共存的区域。 三个两相平衡共存区三个两相平衡共存区 液气液气(L-g)、固气、固气(S-g)、固液、固液(S-L)(饱和状态区饱和状态区)在单相区与两相平衡共存区之间的分界线上，物质呈在单相区与两相平衡共存区之间的分界线上，物质呈现出单相，但即将发生相变，即其中一部分物质即将现出单

6、相，但即将发生相变，即其中一部分物质即将向另一相转变，而成为二相平衡共存的状态，物质这向另一相转变，而成为二相平衡共存的状态，物质这一时刻（参数）的状态称为一时刻（参数）的状态称为饱和状态饱和状态 三条饱和线三条饱和线 熔解曲线熔解曲线升华曲线升华曲线汽化曲线汽化曲线饱和线、三相线和临界点饱和线、三相线和临界点pv四个线：三个饱和线、一个四个线：三个饱和线、一个三相线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：一个点：临界点临界点一个临界点一个临界点 临界点的状态称为临界状态。临界点的状态称为临界状态。用用p pc c（临界压力）、（临界压力）、 Tc（临界温度）表示（临界温度）表示

7、临界状态参数表征了物质的重要特性，在临界压临界状态参数表征了物质的重要特性，在临界压力力以上，液气两个单相区之间不存在两相共存的以上，液气两个单相区之间不存在两相共存的相转变区，两相间无明确的分界，两相的区别消相转变区，两相间无明确的分界，两相的区别消失了，呈现为均匀的单相。习惯上，常把临界定失了，呈现为均匀的单相。习惯上，常把临界定温线作为临界点以上液气两个相区的分界，那么温线作为临界点以上液气两个相区的分界，那么以外的区域都可看成是气相区。以外的区域都可看成是气相区。一个三相点一个三相点 物质的三相并存的状态，也是液、气共存的最低点。物质的三相并存的状态，也是液、气共存的最低点。三相三相点

8、点与临界点与临界点coc3c22.064MPa647.14K (373.99 C)m0.003106kgpTv水的临水的临界点状界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等温线是拐点等温线是拐点cc22TT0,0ppvv临临界界点点水的三相点水的三相点AA611.2Pa,273.16KpT 思考题思考题没有。没有。t373.99 有有3. 有没有有没有500C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？纯物质的纯物质的p p- -

9、T T相图相图ppTT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沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化沸腾：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气体和液体均处在饱和状态下) )饱和状态：饱和状态：汽化与凝结的动态平衡汽化与凝结的动态平衡汽化汽化: 由液态变成气态的物理过程由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化不涉及化学变化)蒸发：蒸发：汽液表面上的汽化汽液表面上的汽化 饱和状态饱和状态饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和状态：汽化与凝结

10、的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ps=1.01325barTs=100 青藏青藏ps=0.6barTs=85.9496 高压锅高压锅ps=1.6barTs=113.326 7-27-2水蒸气水蒸气的定压发生过程的定压发生过程一、水蒸气的定压发生过程一、水蒸气的定压发生过程工程上所用的水蒸气都是在各种锅炉或核反应堆中把工程上所用的水蒸气都是在各种锅炉或核反应堆中把水定压加热而产生的，水蒸气的发生过程，即是水的水定压加热而产生的，水蒸气的发生过程，即是水的定压汽化过程。定压汽化过程。 t tsv vv = vv = vv v v未饱和水未饱和水饱和水饱和水饱和湿蒸

11、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 hh = hh = hh h hs ss = ss = ss s s水预热水预热汽化汽化过热过热水蒸气定压发生过程说明水蒸气定压发生过程说明(1)()QUWUpdVUp VUpVH (2)fg0SSS只有熵加热时永远增加只有熵加热时永远增加(3) 理想气体理想气体( )hf T实际气体汽化时，实际气体汽化时，TTs不变，但不变，但h增加增加hhr汽化潜热汽化潜热(4) 未饱和水未饱和水过冷度过冷度sttt过冷过冷水过冷水过热蒸汽过热蒸汽过热度过热度sttt过热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pv1 2345

12、51 2345“1“ 2“3“4“c12345123451”2”3”4”5”c过热过热蒸汽蒸汽湿蒸汽湿蒸汽湿蒸汽湿蒸汽过热过热蒸汽蒸汽Ts二、水和水蒸汽的状态参数二、水和水蒸汽的状态参数1.1.一点：临界点一点：临界点C C2.2.两线：饱和水线与饱和蒸汽线两线：饱和水线与饱和蒸汽线3.3.三区：未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区三区：未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区4.4.五态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽五态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽 、干饱和、干饱和蒸汽、过热蒸汽蒸汽、过热蒸汽pv1 234551 2345“1“ 2“3“4“cTs12345123451”2”3”4”5”c过热

13、过热蒸汽蒸汽湿蒸汽湿蒸汽湿蒸汽湿蒸汽过热过热蒸汽蒸汽干度干度x 的概念的概念vfvmmmx湿蒸汽总质量湿蒸汽中含干蒸汽质量（1- x ）称为湿度，它表示湿蒸气）称为湿度，它表示湿蒸气中饱和水的含量。中饱和水的含量。对对干度干度x的说明：的说明：x = 0 饱和水饱和水x = 1 干饱和蒸汽干饱和蒸汽0 x 1在在过冷水过冷水和和过热蒸汽过热蒸汽区域，区域，x无意义无意义一、水蒸汽参数的确定一、水蒸汽参数的确定 对简单可压缩工质，如理想气体，只需要两对简单可压缩工质，如理想气体，只需要两个独立的状态参数就可以确定出此状态下所有的个独立的状态参数就可以确定出此状态下所有的参数，但是对于水蒸气而言，

14、比较复杂，因此常参数，但是对于水蒸气而言，比较复杂，因此常用查表或查图计算。用查表或查图计算。7 7- -3 3水蒸汽表和焓水蒸汽表和焓- -熵熵（h h- -s s）图图1. 对对未饱和液体未饱和液体和和过热蒸气过热蒸气，分别处于单相，分别处于单相区，只需要两个独立参数；区，只需要两个独立参数；2. 对对饱和水饱和水和和干饱和蒸汽干饱和蒸汽，属于单相的状态，属于单相的状态，但是但是ps、Ts不是独立参数，独立变量为不是独立参数，独立变量为13. 对于对于湿蒸气湿蒸气，处于两相区，只有一个独立，处于两相区，只有一个独立变量，需要另一变量，选取干度变量，需要另一变量，选取干度x x，1xvx v

15、xvvx vvxvxvpx当 不太大、 不太小时1xhx hxhhx hh1xsx sxssx ssxxxuhpv4.4.零点零点的规定的规定以水物质在三相平衡共存状态下的饱和水为基以水物质在三相平衡共存状态下的饱和水为基准点。准点。 规定在三相态时饱和水的热力学能和熵为零。规定在三相态时饱和水的热力学能和熵为零。 t0 =0.01 p0 =0.6112 kPa v0 =0.00100022 m3/kg u0 =0 kJ/kg s0 =0 kJ/(kgK ) h0 = u0+p0v0=0.000611 kJ/kg 0 5.温度为温度为0.01 、压力为、压力为p的未饱和水的未饱和水 t0=0.

16、01, v0 0.001 m3/kg, u0=0 kJ/kg, s0 =0 kJ/(kgK ) h0= u0+p0 v0=0.000611 kJ/kg 0定压加热线与饱和液线相近的说明定压加热线与饱和液线相近的说明当忽略液体当忽略液体cp变化，变化，21ln0qTscTT( , )uf T v0qdupdv不同的不同的p，液体近似液体近似不可压，不可压，v不变不变对对每个每个不变的不变的T二、水蒸汽表二、水蒸汽表 1.按温度排列的饱和水及饱和蒸汽表按温度排列的饱和水及饱和蒸汽表附表附表1o/ CtKT /aMPp/kgmv/ 3kgmv/3kgkJh/kgkJh/)(/ KkgkJs)(/Kk

17、gkJs01. 010020030016.273000611. 000100022. 0175.2060 .2501000614. 00000. 01562. 915.373101325. 00010437. 06738. 13 .267606.4193069. 13564. 715.4735551. 10011565. 04 .82512714. 04 .27913307. 24289. 615.5735917. 80014041. 002162. 04 .13454 .27482559. 37038. 52.按压力排列的饱和水及饱和蒸汽表按压力排列的饱和水及饱和蒸汽表附表附表2kgmv/

18、3kgmv/3kgkJh/kgkJh/)(/ KkgkJs)(/KkgkJso/ Ct982. 663.9988.17996.3105 .24840010001. 0208.1298 .251333.291060. 02 .22580010434. 06946. 17 .267551.4173027. 14 .20140011274. 06 .76219430. 00 .27778 .1315aMPp/001. 01 . 00 . 1100014526. 001800. 06 .14084 .27249756. 83608. 71382. 25847. 63616. 36143. 5kgkJr

19、/ 3.按压力和温度排列的未饱和水及过热蒸汽表按压力和温度排列的未饱和水及过热蒸汽表附表附表3饱和参数paMP01. 0aMP02. 083.45st1505. 86493. 04 .258484.191676.140010102. 0 s sh hv v09.60st9092. 78321. 06 .260946.2516515. 70010172. 0 s sh hv vtvhsvhs04080600010002. 00.00001. 00010002. 00 . 00001. 05 .1670010078. 04 .1675729. 00010078. 05721. 08310. 01

20、.2510010171. 01752. 83 .261134.1527.163 .26493437. 8119. 88 .26470205. 84 .2724052. 95479. 84 .272512.182261. 8120 当需根据给定的已知参数由蒸气性质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，如何判断应该查什么查找物性数据时，如何判断应该查什么表？表？ 一般而言，当不知道工质是什么状态时，一般而言，当不知道工质是什么状态时，总是先查饱和表（附表总是先查饱和表（附表1和附表和附表2）来判）来判断工质的状态，然后再查所处的状态所断工质的状态，然后再查所处的状态所对应的表，来确定

21、其他参数。对应的表，来确定其他参数。查表：查表：A. 若已知若已知(p, t), 查饱和表查饱和表(p, t)下的饱和温度下的饱和温度（或压力），比较（或压力），比较t和和ts的大小。的大小。t ts (p) 工质处于过热蒸气状态工质处于过热蒸气状态.或者比较或者比较p与与 ps p ps (p) 工质处于未饱和液体状态；工质处于未饱和液体状态；p= ps (p) 工质处于饱和状态，还需给定干度工质处于饱和状态，还需给定干度xp ps (p) 工质处于过热蒸气状态工质处于过热蒸气状态.B.若已知若已知p或某一参数或某一参数y ,(v, s, h), 查饱和蒸汽查饱和蒸汽表得表得y, y” 。比

22、较比较y y 工质处于未饱和液体状态；工质处于未饱和液体状态；y y y” 工质处于过热蒸气状态工质处于过热蒸气状态.1.定压线群定压线群 由热力学关系式可得由热力学关系式可得:得定压线斜率：得定压线斜率：vdpdhTdsTshp二、水蒸气的焓二、水蒸气的焓-熵熵 （ h-s ）图图水蒸气表不连续，经常使用内插法，使用不方便，水蒸气表不连续，经常使用内插法，使用不方便，将水蒸气各参数制成图，更加明了、简便。将水蒸气各参数制成图，更加明了、简便。 2.定容线群定容线群由热力学关系式可得由热力学关系式可得:vdpdhTdsvvvvvvvvspvTspvsuspvpuspphsh得定容线斜率：得定容

23、线斜率：pvshsh0vsp斜率大于定压线群，用红色示出斜率大于定压线群，用红色示出 3.定温线群定温线群由热力学关系式可得由热力学关系式可得:vdpdhTdsTTspvTsh得定温线斜率：得定温线斜率：Tpshsh0Tsp在湿蒸气区与定压线重合在湿蒸气区与定压线重合Tpshsh0Tsp在过热蒸气区，定压线较陡，在过热蒸气区，定压线较陡，而定温线较平坦而定温线较平坦在过热蒸气区随着性质接近理想气体在过热蒸气区随着性质接近理想气体, 斜率趋向平缓斜率趋向平缓 4.定干度线群定干度线群 只在湿蒸汽区有用，均起始于临界点只在湿蒸汽区有用，均起始于临界点由于干度小于由于干度小于50%的的部分线图过分密集，部分线图过分密集，工程上又不经常用这工程上又不经常用这部分线簇，为使图面部分线簇，为使图面清晰起见，一般用的清晰起见，一般用的h-s图只绘出图只绘出x0.6的部的部分，至于水的参数只分，至于水的参数只能用表查取。能用表查取。第四节第四节 水蒸汽的热力过程水蒸汽的热力过程一一