工程热力学水蒸汽的热力性质

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第五章水蒸气的热力性质第一篇工程热力学

1水蒸气在空气中含量极小，当作理想气体处理一般情况下为实际气体，使用图表分析18世纪，蒸汽机的发明，水蒸气是唯一工质。直到19世纪，内燃机发明，才有燃气工质。目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖、化工的常用工质。优点：膨胀性能好，流动性好，热力性能稳定，便宜，易得，无毒，传热性能好。是其它实际气体的代表。实际气体——水蒸气2

2本章主要内容水蒸气的饱和状态水蒸气的定压产生过程水蒸气的热力性质图表水蒸气的基本热力过程3

35-1水蒸气的饱和状态一、汽化：液态→汽态2、沸腾——在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化现象。1、蒸发——在液体表面缓慢进行的汽化现象。汽化方式有两种：1）蒸发，2）沸腾。（如锅炉水冷壁中水的汽化过程）特点：它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于液体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。特点：有汽泡产生；在一定的压力下，液体沸腾时的温度（沸点）是一定的。4

4发生位置发生条件发生现象发生速度表面表面和内部任何温度一定温度无汽泡有汽泡蒸发沸腾慢快蒸发和沸腾的比较火电厂锅炉中水的汽化采用的是哪种方式？沸腾5

5二、凝结（液化）定义：物质从汽态转变成液态的过程，称为液化。（如火电厂凝汽器中的排汽凝结成水的过程）特点：在一定压力下，蒸汽的温度（低）等于沸点时，才可能出现凝结。5-1水蒸气的饱和状态液化和汽化是物质相态变化的两种相反过程，实际上，在密闭容器内进行的汽化过程，总是伴随液化过程同时进行。6

6三、饱和状态饱和水：饱和状态下的水;饱和蒸汽：饱和状态下的水蒸汽。定义：液体在有限密闭空间内汽化,同时也有液化,当汽化速度与液化速度相等,即汽液两相达到动态平衡,这种状态称为饱和状态。tsps饱和水饱和蒸汽饱和状态示意图5-1水蒸气的饱和状态7

7饱和状态参数饱和压力：在饱和状态下的水和水蒸汽的压力pS饱和温度：在饱和状态下的水和水蒸汽的温度tS饱和状态的特点：①汽水共存；②汽水同温；③饱和压力与饱和温度成一一对应关系.5-1水蒸气的饱和状态tsps8

8ps上升，ts上升ts上升，ps上升如青藏高原：ps=0.06MPats=85.95℃饱和压力饱和温度一一对应0.005MPa1atm1MPa20MPa水32.88℃100℃179.88℃365.71℃使水汽化的方法：1）加热升温；2）降压扩容。饱和温度与饱和压力的关系9

95-2水蒸气的定压产生过程10

10过热阶段水蒸气的定压产生过程汽化阶段预热阶段未饱和水饱和水湿饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽一、水蒸气的定压产生过程5-2水蒸气的定压产生过程（省煤器）（水冷壁）（过热器）11

11未饱和水（过冷水）饱和水1、预热阶段参数变化特点注意比较v0和v′的大小！12

12饱和水注意比较v′和v″的大小！湿（饱和）蒸汽干（饱和）蒸汽为什么水的汽化阶段除了压力不变，温度也保持不变呢？2、汽化阶段参数变化特点13

13干度x：湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。显然：x+y=1；湿蒸汽：0

14干饱和蒸汽过热蒸汽过热度：D=t-ts3、过热阶段参数变化特点15

15水蒸气定压产生过程中热量的计算1.水的定压预热阶段：aTs液体热2.饱和水的定压汽化过程：汽化潜热3.干蒸汽的定压过热过程：过热热bde整个水蒸气产生过程吸热量(1kg水)：kJ/kg16

16水蒸气的定压产生过程在p-v图与T-s图上的表示：结论：水蒸气的定压产生过程依次经历三个阶段、五种状态。从p-v图可以看出，v0

17压力升高对汽化过程的影响p升高（ts升高）：v0基本不变（水的可压缩性极小）；v′增大（因水的膨胀性大于压缩性）；v″减小（因汽的压缩性大于膨胀性）；二、水蒸气的p-v图和T-s图将各种压力下水蒸气的定压产生过程线集中表示在p-v图和T-s图上而得到。18

18所以：随着p升高，b点向右移动，d点向左移动，即预热过程增长，汽化过程缩短，过热过程增加。5-2水蒸气的定压产生过程19

19当压力升高至pc=22.064MPa时，汽化过程缩成一点，即临界点C，同时产生两线（CM、CN）和三区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。5-2水蒸气的定压产生过程20

20临界点C两线三区水、汽差别消失，汽化在瞬间完成，汽化热为零；在临界温度以上，单纯增压不能使其液化（即tc=374℃是最高的饱和温度）下界线CM（饱和水线）上界线CN（干蒸汽线）未饱和水区(下界线左侧)湿蒸汽区(两线之间)过热蒸气区(上界线右侧)水蒸气的临界参数：pc=22.12MPa，tc=374.15℃5-2水蒸气的定压产生过程21

21思考题1.有没有400℃的水？2.有没有0℃的水蒸气？3.有没有1℃的冰？答案：1.没有；2.有；3.没有.22

22固－液液体固体三相点蒸汽固－汽液－汽Cpt气体（汽化曲线）（熔解曲线）（升华曲线）临界点611.2Pa0.01℃22.064MPa374℃水的p－t相图23

23三、高参数水蒸气对锅炉设备的影响水在锅炉中的总吸热量等于三个阶段（预热、汽化、过热）的吸热量之和。液体热---主要在省煤器中完成汽化热---主要在水冷壁中完成过热热---主要在过热器中完成5-2水蒸气的定压产生过程24

24三、高参数水蒸气对锅炉设备的影响——液体热和过热热的比例增大，汽化热的比例缩小，所以要求：省煤器和过热器受热面增大，而水冷壁受热面减小。温度提高的影响——过热器的受热面积增大，对材料耐热性能要求高。压力提高的影响5-2水蒸气的定压产生过程25

25课堂问答1、为什么现代高参数锅炉广泛设置顶棚过热器和屏式过热器？答：因为随着压力升高，液体热和过热热所占比例增大，而汽化热所占比例减小，即锅炉炉膛中水冷壁的受热面积将减小，过热器的受热面积将增大，所以可把一部分过热受热面由水平烟道移入炉膛，顶棚过热器和屏式过热器就是为此而设置的。26

26课堂问答2、为什么当蒸气压力超过一定值时要采用强制循环锅炉或直流锅炉？答：因为随着压力升高，汽水密度差减小，汽水自然循环将变得困难；故当压力大于19MPa时，就必须采用强制循环锅炉和高质量的汽水分离设备；当压力达到临界压力及以上时，汽化在瞬间完成，水的定压加热过程只有两个阶段（预热段和过热段），这时只能采用直流锅炉。（见锅炉类型图）27

27水蒸气产生过程小结水蒸汽的定压产生过程在p-v图和T-s图上所表现的相变规律可以归纳为：一点(临界点)二线(饱和水线、干饱和蒸汽线)三区(未饱和水区、湿蒸汽区、过热蒸汽区)五态(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)水蒸气热力性质图结构特征口诀“一点连双线，三区五态含”28

285-3水蒸气的热力性质图表一、水和水蒸气的热力性质表包括两种表：饱和水与干饱和蒸汽的热力性质表；未饱和水与过热蒸汽的热力性质表.29

29（一）饱和水与干饱和蒸汽的热力性质表附表五附表六30

30作用：根据已知的压力（或温度），查取饱和水与干蒸汽的参数（如v、h、s）。说明：（1）表中加′的参数表示饱和水参数，加″的参数表示干蒸汽参数；（2）对于表中未列出的间隔中参数，需采用线性插值法；（3）热力学能的计算式：u′=h′-pv′,u″=h″-pv″（一）饱和水与干饱和蒸汽的热力性质表31

31如已知湿蒸汽干度x，即可利用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿蒸汽的相应状态参数的数值。（4）湿蒸汽参数的确定：32

32（二）未饱和水与过热蒸汽的热力性质表附表七作用：根据已知的压力和温度，查取未饱和水与过热蒸汽的参数（如v、h、s）。说明：（1）表中粗黑线上方为未饱和水的参数，粗黑线下方为过热蒸汽的参数；（2）对于表中未列出的间隔中参数，需采用线性插值法。33

33例题分析例5-1已知：除氧器内ts=104℃,求p=?解：查附表五,得ts1=100℃时，p1=0.101325MPa；ts2=110℃时，p2=0.143243MPa.采用线性插值法，可求得ts=104℃时：34

34例题分析例5-2已知：水泵进口pg=0.05MPa，t=115℃，设pb=0.1MPa.试判断水泵进口水汽化没有？解：根据p=pg+pb=0.15MPa，查得ts=111.378℃.而t=115℃>ts，表明水泵进口水已沸腾汽化，还稍为有点过热。（汽蚀现象）35

35例题分析例5-3某汽轮机排汽压力为p=10kPa，x=0.92，试计算该蒸汽至凝汽器凝结前后的比体积之比为多少？解：根据已知条件可知，汽轮机排汽状态为湿饱和蒸汽。查附表六，得v′=0.0010102m3/kg，v″=14.676m3/kg故则乏汽凝结前后的比体积之比为可见，乏汽凝结后，比体积缩小到原来的1/13366，这就是凝汽器真空产生的根本原因。36

36例题分析例5-4已知锅炉压力为p=10MPa，进口工质温度为t1=240℃，出口t2=500℃，试确定进、出口工质状态和v、h、s。解：根据p=10MPa，查得ts=311.037℃.（1）进口：t1=240℃ts，为过热蒸汽状态。查附表七，得37

37定焓线群——一组水平线（用蓝色表示）定熵线群——一组垂直线（用蓝色表示）定压线群——在h-s图上呈发散分布。湿蒸汽区内，定压线为一簇斜率不同的直线；在过热蒸汽区，定压线趋于陡峭。（用黑色表示）定温线群——湿蒸汽区内，与定压线重合；在过热蒸汽区，与定压线自干蒸汽线处分开后逐渐趋于平坦。（用红色表示）定容线群——走向与定压线相似，但比定压线稍陡。（用绿色表示）定干度线群——一组干度等于常数的曲线。（用红色表示）二、水蒸气的焓熵图（h-s图）1.h-s图构成：注意：x<0.6的区域图线过密，工程中也不经常使用这部分数据，所以实用h-s图上不包括这一区域。38

382.h-s图使用：（1）查取状态参数：①查湿蒸汽参数：如p1与x1相交；②查干蒸汽参数：如p2与x=1相交；③查过热蒸汽参数：如p3与t3相交。（2）分析并计算水蒸气的热力过程（见5-4节）39

395-4水蒸气的基本热力过程分析目的：（同理想气体）水蒸气性质与理想气体性质的主要差异：①水蒸气状态参数的确定是依靠水蒸气的热力性质图表；②水蒸气的比热容、热力学能和焓不再是温度的单值函数。分析步骤：①根据过程特点和已知的初、终态参数在h-s图上画出过程线，利用水蒸气图表查出未知的初、终态参数；②利用热力学第一定律计算热量和功量。40

40定压过程已知：初态1（p1，x1），定压加热到t2。分析：①在h-s图上作出定压加热过程线1-2；②能量计算：41

41绝热（定熵）过程已知：初态1（p1，t1），定熵膨胀到p2。分析：①在h-s图上作出定熵膨胀过程线1-2；②能量计算：42

42汽轮机的实际绝热膨胀过程理想膨胀过程1-2实际膨胀过程1-2′反映汽轮机中水蒸气实际绝热膨胀作功过程的不可逆程度43

43课堂练习教材P99.习题3-1、3-5（前1问）44

44自然循环原理示意图45

45锅炉类型46

46锅炉受热面安装中省煤器屏式过热器安装中水冷壁47

47自然循环汽包炉结构简图48

48蒸汽的凝结49

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