(05)第五章讲解

第五章 水蒸气与湿空气
气态工质
气体：远离液态，一般可作为理想 气体 处理，如空气、燃气。
蒸气：靠近液态，一般不能作为理想气 体处理，如水蒸气、氨蒸气 。
水蒸气来源丰富，耗资少，无毒无味，比热容大，传 热好，有良好的膨胀和载热性能，是热工技术上应用最广 泛的工质之一。
1由液体汽化而产生的。
当 ps＝1 MPa时，ts=179.916 ºC。
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水的定压加热过程：
p
p
p
t<ts
ts
vx
v0
v'
p
ts v''
p t>ts
ts v
a
未饱和水
b
饱和水
c
湿饱和蒸气
d
干饱和蒸气
e
过热蒸气
(v, h, s)
汽化潜热： r h h J/kg
湿饱和蒸气（湿蒸气）的干度 x
(v, h, s)
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1. 定容过程
w0
wt v( p1 p2 )
q u2 u1 (h2 h1) ( p2 p1)v
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2. 定温过程
2
q 1 Tds T (s2 s1)
w q u T (s2 s1) (h2 h1) ( p2v 2 p1v1)
则：h u pv 0.00061 kJ/kg 0 kJ/kg
表中未列出的状态，可通过直线内插法求得。 u不列入表中，需要时可由 u = h － pv 计算。
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《热工设计手册》中没有湿饱和蒸汽的状态参数表，在 确定湿蒸汽的状态参数时，必须知道它的干度 x ，再利用 饱和水、饱和水蒸气的表进行计算：
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临界点
饱和蒸汽线（上界线）
饱和水线（下界线）
水的临界状态为： pcr = 22.064MPa tcr = 373.99 ℃ vcr = 0.003106m3/kg
在 p-v 图和 T-s 图上，有 1 点(临界点)、2 线(上、下界线)、3 区 (液相区、汽液两相区、汽相区)和 5态(未饱合水、饱合水、湿蒸汽、 干蒸汽、过热蒸汽)。
wt q h T (s2 s1) (h2 h1)
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3. 定压过程
w p(v2 v1)
wt 0
q h2 h1
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4. 定熵过程
q0 wt h1 h2
w u1 u2
在热工计算中，遇到最多的是水蒸气的定压过程(如：锅 炉中水蒸气的产生或冷凝器中水蒸气的凝结)和绝热过程(如： 蒸汽机或汽轮机中水蒸气的膨胀作功) 。
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水蒸气的焓熵图（h-s图）
C 临界点 CA下界线 CB上界线 定压线 定容线 定温线 定干度线
注意：湿蒸汽区的定压线就是定温线。
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5-3 水蒸气的基本热力过程
本节任务：了解过程中水蒸气的状态变化规律，确定过 程中水蒸气与外界的能量（功量、热量）交换。
方法步骤： ① 根据给定条件（初态的两个参数），在 h-s 图上（或水蒸气表中）查出初态的其它参数值； ② 根 据初态点和过程特点（定容？定温？定压？绝热？）以及 终态的一个参数值，确定终态的其它参数值；③ 根据热力 学基本定律，结合过程的特点，计算过程中工质与外界交 换的功量与热量。
1kg 湿蒸汽是由 x kg 干蒸汽和(1－x) kg 饱和水混合而成：
vx xv 1 xv v xv v hx xh 1 x h h xh h sx xs 1 x s s x s s
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不同压力下水蒸汽的形成过程在 p-v 图和 T-s 图上的表示：
临界点 饱和蒸汽线 饱和水线
临界状态：当压力增加到某一临界值时，饱合水和干饱合 蒸汽将毫无差异，它们的 p、v、T 和 s 完全对应相同，这种 特殊状态称为临界状态（参数加下角标“er”）。临界状态 在图中用一个点表示，称为临界点。
有两类表： ①饱和水与饱和蒸气表：分为以温度为序和以压力为 序两种； ②未饱和水与过热蒸气表。
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国际标准规定，在制定蒸汽表时，取三相点（即固、液、 汽三相共存状态）液相水的热力学能和熵为零。即：
在 p = 611.7 Pa，v = 0.00100021 m3/kg, T = 273.16 K 时， 取 u = 0 kJ/kg， s = 0 kJ/(kg·K)。
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∵湿蒸气的 p 和 T 互相依赖，∴若只知道 p 和 T，则无 法确定 x 。
工程上常利用蒸汽节流来测量湿蒸汽的干度：
节流式湿蒸汽干度测定仪(干度计)示意图
湿蒸汽的绝热节流过程
测量原理：湿蒸汽→节流阀降压→过热蒸汽（此时的 p 和 T 互相独
立）→测得 p2、T2→定出过热蒸汽状态点 2→根据绝热节流过程 h 不变，
蒸发：任何温度下在液体表面进行的汽化
液体汽化
现象，温度愈高愈强烈。
沸腾：在给定压力所对应的温度下发生并
伴随着大量汽泡产生的汽化现象。
饱和状态：液面上蒸气空间中的蒸
p
气和液体两相达到动态平衡的状态 。
饱和压力 ps、饱和温度 ts：
饱和蒸气
ts
ps = f(ts)
饱和液体
水蒸气：当 ps＝0.101325 MPa时，ts=100 ºC；
水在临界压力或高于临界压力下定压加热到临界温度时，不存在 汽液分界线和汽液共存的汽化过程，再加热就直接成为过热蒸汽。
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5-2 水蒸气的状态参数
水蒸气的性质与理想气体差别很大，状态参数之间的数 学表达式非常复杂。
为了便于工程计算，将不同温度和压力下的未饱和水、 饱和水、干饱和蒸汽和过热蒸汽的状态参数列成表或绘成线 算图。
过热度
t ts
x mv
mv—湿蒸气中干饱和蒸气的质量
mw mv mw—湿蒸气中饱和水的质量
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水蒸汽的定压产生过程在 p-v 图和 T-s 图上的表示：
a-b为定压预热过程，b-c-d为定压汽化过程， d-e为定压 过热过程。
在 p-v 图上是一条水平线。 在T-s 图上分为三段： a-b 过程中T 升高，s 增大；b-c-d 过程中T 不变，s 增大； d-e 过程中T 升高，s 增大。
确定湿蒸汽状态点 1 →由点 1 确定湿蒸汽的干度 x。
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5-4 湿空气的性质
湿空气：含有水蒸气的空气。 干空气：完全不含水蒸气的空气。 在干燥、精密仪表和电绝缘的防潮等对空气中的水蒸 气特殊敏感的领域，必须考虑空气中水蒸气的影响。 湿空气中水蒸气的分压力很低，可将水蒸气视为理想 气体。∴湿空气可以看作理想混合气体。 根据道尔顿定律，湿空气的总压力 p 等于水蒸气的分 压力 pv 与干空气的分压力 pa 之和：