工程热力学第七章(水和水蒸气的性质)09(理工)(沈维道第四版).ppt

1、第七章 水和水蒸气的性质,第四版中的第三章和第四章的部分内容,水和水蒸气是实际气体的代表,水蒸气,在空气中含量极小，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,是其它实际气体的代表,本章主要内容,1. 实际工质的物性,3. 水蒸气图表的结构和应用,4. 水蒸气热力过程,2. 水蒸气的产生过程,水蒸气,蒸气,蒸汽,?,?,?,7-1 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

2、 的曲面,水的三态：,冰、水、蒸汽,一、纯物质的热力学面,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,二、饱和线、三相线和临界点,p,v,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,四条线:三条饱和线 一条三相线,可见，热力学面为三维坐标图，能形象地表示纯物质的三态和相变过程，但应用不便，热力分析最常用的为平面二维图。,三、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,低于三相点温度，直接发生固气转变(升华)，北方

3、挂在室外的湿衣服晾干就是由于由冰升华为水汽的缘故,高于临界点温度，只有气体。,一、 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,7-2 水的定压加热汽化过程,饱和状态,饱和温度Ts,饱和压力ps,一一对应,放掉一些水，Ts不变,Ts,ps,ps=1.01325bar,Ts=100 ,青藏 ps=0.6bar,Ts=85.95 ,高压锅 ps=1.6bar,Ts=113.32 ,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡,ps？,ps不变,二、 水蒸气的定压发生过

4、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,三、水蒸气定压发生过程说明,(1),(2),只有熵加热时永远增加,(3) 理想气体,实际工质汽化时，TTs不变，但h增加,汽化潜热,(4) 未饱和水,过冷度,过冷水,过热蒸汽,过热度,T不变，h不变,s,四、水蒸气在p-v图，T-s图上的定压加热, 一点、二线、三区、五态,1、何为一点、二线、三区、五态？ 2、等压过程相态、

5、温度、压力如何变化？,7-3 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,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,P和T不独立，由p或T确定,3、湿饱和蒸汽,除p或T外，其它参数与两相比例有关，引入干度,P89表3-7列出了由p、t确定未饱和水及过热蒸汽相关参数的数据（注意：表中水平粗线以上为未饱和水）,P88表3-6列出了分别按温度和压力排序由p或t确定饱和水及饱和蒸汽相关参数的数

6、据。,二、湿饱和蒸汽区状态参数的确定,在湿饱和蒸气区，p和T不独立，常引入干度来确定其状态。,式中，mv、ml分别为饱和液体和饱和气体的质量,饱和液体的x=? 饱和气体的x=?,“” 代表饱和液体,“” 代表饱和气体,湿饱和蒸气区的h , u, v ,s之值介于饱和液体和饱和气体之间，据此可判定此蒸气为湿蒸气。,三、液体和蒸气图表,未饱和液体、干饱和液体、干饱和蒸气和过热蒸气的状态参数可通过数据表或图来查得，参见相关手册。,1、液体及蒸气表,（2）未饱和水和过热蒸汽表,（1）饱和水和干饱和蒸汽表,P88表3-6,P89表3-7,（4）过热氨气表,（3）饱和氨和干饱和氨气表,P446附表9,P4

7、47附表10,（6）过热氟利昂134a蒸气表,（5）氟利昂134a的饱和性质表,P449附表11,P453附表13,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）,注意：表中水平粗线以上为未饱和水,常用的热力图为：h-s图和lgp-h图,由热力图表可查得：p、T、h、v、s、x等。,注意：热力图表是在一定基准点下的数据，基准点不同,数据不同，故一般图和表不可交叉使用,2、常用的热力图,水蒸汽常用h-s图，,氨常用lgp-h图。,又称莫里尔图,温熵图,压焓图,用热力图查取有关数据方便，但精确度较差； 用热力表所得数据较为精确。,本教材没有附常

8、用的热力图表，应用时可查阅有关手册,3、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:,4、水蒸气焓熵图的画法（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,C,x=1,x=0,气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体 曲线越走平。,在x=0, x=1之

9、间，从C点出发的等分线,4、水蒸气焓熵图的画法（2）,焓 熵 图,h,s,C,x=1,x=0,从图中可、查得：h、s、 p、 t、 v、x,C,x=1,x=0,6条线：等h线、等s线、等p线、等t线、等v线、等x线,水平线,竖直线,斜线,斜线,斜线,钟罩型曲线,比等压线陡,4、水蒸气焓熵图的画法（3）,两相区与等压线重合,例3-6：试确定下列各点水或水蒸气的状态及其h、u、s。,解： v=0.00101m3/kg 、t=45.8,解题思路：与对应的饱和态的参数相比较，确定该状态，再查对应表 的相关数据。,则 u=h-psv =191.761000.00101=91.66kJ/kg,按t=45.

10、8查表3-6得： ps=0.1MPa ； 饱和水的比体积为 v=0.00101m3/kg = v,所以该状态为饱和水。,按t=45.8查表3-6得： h = h = 191.76kJ/kg； s= s = 0.649kJ/(kg.K),例3-6 ：试确定下列各点水或水蒸气的状态及其h、u、s。,解： t=200 、 x=0.9,显然，该状态在湿蒸气区， 按表3-6查t=200对应的数据,v=0.00115641m3/kg， v=0.12732m3/kg,h= 852.34kJ/kg， h=2792.47kJ/kg,s = 2.3307kJ/(kg.K)， s= 6.4312kJ/(kg.K),

11、h=xh+(1-x)h=2792.470.9+852.34(1-0.9) = 2598.5kJ/kg,s= 6.0212kJ/(kg.K),同理得 v=0.114472m3/kg,则 u = h-psv = 2420.65kJ/kg,ps=1.55366MPa,例3-6 ：试确定下列各点水或水蒸气的状态及其h、u、s。,解： p=0.1MPa、t=120,则 u = h-pv = 2716.3-1001.7931 = 2536.99kJ/kg,查表3-6得p=0.1MPa对应的饱和温度为 ts=99.634,因 t ts,所以该状态为过热蒸汽,由 p=0.1MPa、t=120 查表7-2得 h

12、=2716.3kJ/kg , s= 7.4665kJ/(kg.K)， v=1.7931m3/kg,解： p=0.1MPa、 v=1.8889m3/kg,则 u = h-pv = 2756.2-1001.8889 = 2567.31kJ/kg,查表3-6得 p=0.1MPa对应的饱和蒸气的比体积为v=1.6943m3/kg v,所以该状态为过热蒸汽。,由p=0.1MPa 、 v=1.8889m3/kg 查表3-7得 t=140 h = 2756.2kJ/kg, s = 7.5654kJ/(kg.K),例3-6 ：试确定下列各点水或水蒸气的状态及其h、u、s。,7-4 水蒸气的热力过程,任务： 确

13、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,P125 4-7 水蒸气的基本过程,7-4 水蒸气的热力过程,由于蒸气是实际工质，不是理想气体，很难找到简单的状态方程，一般不采用公式计算法，而从热力学图表中查取。,理想气体特有的性质和表达式蒸气不能用,准静态,可逆,蒸气可用,一、分析蒸气热力过程的步骤,1、由已知的初态的两个独立参数确定初态，由图或表查得初态的其他参数。 2、从初态出发，按给定的热力过程特征和一个终态参数确定终态。 3、由图或表查得终态的其他参数。 4、将查得相关的初终态参数代入有关公式计算功量和热量。,二、水蒸气的热力过程,1、定容过程,dv = 0,

14、v=const,qv = u2 u1,=h+wtv,2、定压过程,dp = 0,p=const,qp,= h2 h1,u = q w,可逆,可逆,锅炉、换热器,实际设备中不常见,二、水蒸气的热力过程,3、定温过程,dT = 0,T=const,wt = q h,4、定熵过程,ds = 0,s=const,qs,= 0,可逆,w = q u,u =h(pv),u 0 为什么?,实际设备中不常见,水泵、汽轮机,例4-8,水蒸气在p1=1MPa，t1=300的初态可逆绝热膨胀到p2=0.1MPa。求1kg水蒸气所作的膨胀功和技术功。,解：本题可采用查表法和查图法,（1）用h-s图计算,读得：h1=3

15、052kJ/kg，s1= 7.12kJ/(kg.K)， v1=0.26m3/kg,初态参数:,从h-s图上p1=1MPa的定压线和,t1=300的定温线,两线的交点即为初态1,= 2794kJ/kg,则 u1=h1-p1v1= 3052-10000.26,读得：h2=2592kJ/kg，x2= 0.97，t2=100 v2=1.62m3/kg,终态参数:,可逆绝热即定熵过程，即s1= s2,则 u2=h2-p2v2= 2592-1001.62,在h-s图上从点1向下作垂线，交p2=0.1MPa的定压线于点2即，为终态2,= 2430kJ/kg,膨胀功和技术功:,w=u1-u2= 2794-24

16、30,= 362kJ/kg,wt=h1-h2= 3052-2592,= 460kJ/kg,查表3-6在p1=1MPa下，t1s=179.916 t1下，则初态1为过热态。,由p1=1MPa，t1=300查未饱和水和过热蒸汽表得 h1=3050.4kJ/kg，s1= 7.1216kJ/(kg.K)， v1=0.25793m3/kg,（2）用蒸汽表计算,初态参数:,= 2794.5kJ/kg,则 u1=h1-p1v1= 3050.4-10000.25793, 终态参数:,终态参数p2=0.1MPa，s2= s1= 7.1216kJ/(kg.K),查表3-6在p2=0.1MPa下， s= 1.302

17、8kJ/(kg.K)， s= 7.3589kJ/(kg.K),则终态2为湿蒸汽。,因为ss2 s,v=0.0010432m3/kg， v=1.6943m3/kg,h= 417.52kJ/kg， h=2675.14kJ/kg,h2=x2h+(1-x2)h=2675.140.96+417.52(1-0.96) = 2584.8kJ/kg,v=0.0010432m3/kg， v=1.6943m3/kg,h2= 2584.8kJ/kg,h1=3050.4kJ/kg,u1 = 2794.5kJ/kg,v2=x2v+(1-x2)v=1.69430.96+0.0010432(1-0.96) = 1.6265m3/kg,则 u2=h2-p2v2= 2584.8-1001.6265,=2422.2kJ/kg, 膨胀功和技术功:,w=u1-u2=