蒸汽的基本性质

蒸汽的基本性质蒸汽已经伴随着机车和工业革命走过几个世纪，迄今为止，蒸汽已成为现代技术不可或缺的一部分。

如果没有蒸汽，我们现在的食品、纺织、化工、医药、电力、供热等工业就不可能存在，或者说不会像现在这样发展的这么好。

蒸汽的使用为能量的输送提供了一种可控制的方法，将能量从集中的、自动化的、高效的锅炉房输送到使用现场。

蒸汽是应用最广泛的热量载体之一，它广泛应用于工业系统，例如，发电、空间加热和制程应用中。

蒸汽的产生高效而经济地球上水资源相对丰富、价格便宜，并且对健康无害，对环境没有污染。

当水汽化变成蒸汽后，它又成为安全、高效的能量载体，蒸汽携带的热量相当于同等质量水所能携带热量的5-6倍。

当水在锅炉中被加热，它开始吸收热量，根据锅炉内压力的不同，水会在特定的温度下汽化成蒸汽。

这时蒸汽内储存着大量能量，这些能量可以在制程中或空间加热时再释放出来。

可以在高压下产生高温的蒸汽，压力越高，蒸汽温度也越高。

高温蒸汽内储存的能量更多，它们做功的潜力也更大。

现代的锅壳式锅炉设计紧凑，效率高，使用多回程和高效的燃烧技术，可以将燃料中蕴藏的大部分能量传递到水中，只有很少部分排放掉。

蒸汽可以方便地、高效地输送到用汽点蒸汽是应用最广泛的可长距离传递的热量载体之一。

由于蒸汽的流动是依靠管道内的压力降，因此省去了昂贵的循环泵系统。

由于蒸汽的热容量很高，所以在高压下仅需要很小口径的管道就可以输送大量的热量。

与其它传热介质相比，蒸汽管道安装简单、价格更便宜。

能量传递方便蒸汽提供了优良的热传递性能。

当蒸汽到达设备后通过冷凝过程将热量传递给被加热产品，热传递过程效率非常高。

图中显示的是一个典型的蒸汽--热水机组，它最大换热功率可以达到3000kW，采用了蒸汽板式换热器和各种控制，占地面积仅有0.7m2，与之相比，管壳式热交换器占地面积是它的2-3倍。

现代蒸汽设备管理容易通过适当的维护，蒸汽系统可以使用很多年，系统的各环节可以实现自动监测。

与其它的系统相比，可以通过疏水阀监测系统来对蒸汽疏水阀进行有计划的管理，如果某个地方有泄漏或者积水，系统会立刻报警引起工程师的注意。

与此相比，水系统和油系统的监测需要耗费大量时间和人工。

而且，当蒸汽系统需要维护的时候，相关系统可以很方便地进行隔离并很快排除冷凝水，这就意味着蒸汽系统可以快速进行维护。

蒸汽应用灵活蒸汽不仅是优良的热量载体，还可以用来杀菌，所以广泛应用在食品、医药、人体健康等工业以及医院的消毒装置上。

蒸汽可以应用在大到石化，小到洗衣店。

更多的应用包括：造纸、纺织、酿造、食品、橡胶和建筑中的加热和加湿等等。

在很多用户那里，可以同时在空间加热和生产制程中使用蒸汽。

例如在酿造行业中，不同的生产工艺中都需要用到蒸汽，有直接喷射和盘管加热等不同的应用方式。

蒸汽同时是一种非常安全的流体，它不会产生火花，也就不会导致火灾。

很多石化工厂采用蒸汽灭火系统，它可以应用在危险区域和爆炸环境中。

其它能量分配系统与蒸汽类似的其它热载体包括水和高温热油之类的工业流体，每种介质都有其优点和缺点，都有其最佳的应用场合和温度范围。

与蒸汽相比较，水的热容量少，常常需要用泵来使大量水在系统中循环以满足制程或空间加热需求。

然而，水在空间加热和低温加工制程（120℃以下）中应用广泛。

热媒，例如矿物油，可以应用在那些高温（400℃以下）的情况下，而蒸汽在此时却无法使用。

比如有些化学品需要在高温下成批处理。

但是热媒很昂贵，而且需要几年就更换，这就决定了它们不适合用于大的系统。

同时，它们的管道连接需要使用高质量的接头并小心防范，以防止泄漏。

最终选择何种流体取决于技术、可行性和经济因素等。

一般来说，用于商业加热和通风以及工业系统中，蒸汽是最可行和最经济的选择。

蒸汽的好处-总结固有的好处系统的好处水资源丰富水便宜蒸汽是清洁和纯净的蒸汽本质是安全的蒸汽热容量高由于蒸汽压力和温度之间相互关联,蒸汽容易控制蒸汽在特定的温度下放热管道口径小、结构紧凑、质量轻无需泵、无需平衡阀、维护费用少、投资少、噪声低占地少设备寿命长锅炉燃煤种类灵活、便宜系统灵活，容易扩充环境因素应用锅炉的燃料燃烧充分冷凝水管理和热回收蒸汽可以计量和管理与CHP相连/废热利用蒸汽具有环境和经济性意义蒸汽应用广泛：冷却器、泵、通风、加湿消毒空间加热工业领域不同热媒与蒸汽的比较蒸汽热水高温热油热容量高热容量中等热容量低2100 kJ/kg 4.19 kJ/(kg·℃) 1.69-2.93 kJ/(kg·℃) 介质便宜介质便宜介质贵传热系数高传热系数中等传热系数相对较低高温需要高压高温需要高压高温低压不需要循环泵需要循环泵需要循环泵管道小管道大管道更大控制方便控制复杂控制复杂温度降低容易温度降低困难温度降低困难需水处理以防腐蚀腐蚀少腐蚀忽略管道布置要求合理高流动性流体通常焊接或法兰连接很高流动性流体通常焊接或法兰连接无火灾风险无火灾风险有火灾风险系统非常灵活系统不够灵活系统不灵活工程单位在工程应用中，用来表征机械和热力学上的特性。

就需要选定大家公认的国际单位制（简称SI）。

国际单位制以七个基本单位为基础，它们是长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、和温度（K），前3个不需要过多的解释，第4个单位温度（K）。

其它是电流（安培）、物质的量（摩尔）和发光强度（坎德拉）。

表中列出了相关的单位，相信已被具有一般工程背景的人所熟知，这些单位都是用那些在科学和工程发展中著名的先驱者的名字来命名的。

国际单位导出量量的名称名称符号国际单位引申单位面积平方米 A m2 -体积立方米V m3 -速度米/秒νm/s -加速度米/秒2 a m /s2 -力牛顿N kg m / s2 J/m能量焦耳J kg m2/s2 N m压强帕斯卡Pa kg m/s2 N/m2功率瓦特W kg m2/s3 J/s温度摄氏温标（℃）这是为大多数工程师使用的温标，它的零度为水结冰的温度。

绝对或开氏温标（K）此温标与摄氏温标每度之间有着相同的间隔，但是它的零点是绝对零度，在此温度下，所有分子和原子运动都已停止，定义为绝对零度(0K)，它等于-273.15℃，两个温度之间可以互相转化。

国际单位中温度单位是开尔文，大多数热力学计算中都使用开尔文温度，然而，在很多传热计算中用到的温差，可以用℃或K来表示。

既然这两个温标具有相同的间隔，那么1℃温差就等于1K温差。

压力国际单位中压力单位为帕斯卡（Pa），定义为1牛顿/平方米（1N/m2），但是由于帕斯卡单位太小，在蒸汽工程中通常使用的是kPa 或 MPa。

然而，在蒸汽工程中最常用的公制压力单位为bar，1bar等于105N/m2，近似等于1大气压。

另外还有一些单位如kg/cm2。

热量、功和能量能量就是做功的能力。

能量转换为机械运动被称为做功，国际单位制中的功和能量单位是焦耳，定义为1Nm。

机械功的多少可以由牛顿力学计算出来：功 = 力 x 位移。

根据焦耳的实验观察得到的结论是机械能（或功）和热能是相当的，他发现使一定质量的水上升同样的温度时需要的能量是一定的，无论这个能量是以热能还是以功的形式。

系统的总能量包含内能、势能和动能。

瓦特是国际单位制中功率的单位，其定义为热量传递的速率1焦耳/秒。

其它的用来量化热能的单位有千卡（把1千克水加热1摄氏度所需要的热量）。

比焓这个术语表示的是流体（如水或蒸汽）在给定时间和条件下的总能量，它与压力和温度都有关系。

需要指明的是，它指的是内能和外界压力所做的功的总和。

基本计量单位是焦耳（J）。

由于1焦耳代表的能量非常小，通常使用千焦（kJ）（1000焦耳）作为单位。

比焓是指单位质量物体的总能量，它的单位通常是kJ/kg。

比热容指的是把1千克物质升高1摄氏度需要的能量，可以理解为物质的吸热能力。

因此，国际单位制中比热容的单位是kJ/(kg·K)（kJ/(kg·℃)）。

相比其它流体而言，水的比热非常大（4.19kJ/(kg·℃)），这也就是为什么水和蒸汽被认为是热的良好载体的原因。

其中：Q = 能量 (kJ)； m = 物质的质量 (kg)； cp = 该物质的比热容(kJ/(kg·℃))；∆T = 该物质的温度升高(℃)。

例：考虑2L水温度从20℃升高到70℃所需要的热量。

在大气压下，水的密度近似为1000 kg/m3。

由于1m3=1000升，因此，水的密度也就是1 kg/l。

2L水的质量是2kg。

温度较低时水的比热容可以取4.19 kJ/(kg·℃)。

因此：Q = 2 kg x 4.19 kJ/(kg·℃) x (70 - 20)℃ = 419 kJ如果水再被冷却到原来的温度20℃，它会放出同样的热量。

什么是蒸汽?为了更好的理解蒸汽的特性,需要先了解物质的分子和原子结构形式，并以此了解冰、水和蒸汽的不同。

大多数矿物质以三种状态存在（固态、液态和气态），这被称为相。

例如H2O的三相分别为冰、水和蒸汽。

分子结构的相同仍不足以理解冰、水和蒸汽之间的区别，但如果了解这些分子是靠电荷力（氢键）紧密的结合在一起的，分子运动的活跃程度决定了物质的相，这样理解起来就容易的多。

三相点某种物质的三相只能在某个特定温度和压力下达到平衡状态而共存，这就是三相点。

H2O的三相点，也就是冰、水和蒸汽三相共存的点是273.16 K和绝对压力0.006112 bar。

此压力非常接近绝对真空，如果在此温度下压力进一步下降，冰就会直接升华为蒸汽（无论何种压力下冰总是在0℃时开始融化）。

对大多数物质来说，当由固态变为液态的时候，其密度将会下降。

然而，H2O是一个例外，当冰融化成水的时候，它的密度会增加，这就是为什么冰会浮于水上的原因。

在大气压下(0 bar g)，水在100℃时沸腾，把1kg水从0℃加热到100℃需要吸收419 kJ热量。

由此可以推导出水的比热容Cp是4.19 kJ/(kg·℃)。

在大气压力下饱和温度是100℃，但是，如果压力上升，将会吸收更多的热量，饱和温度也将上升，但是并不发生相变。

因此，增加压力有效增加了水的焓值和饱和温度，饱和温度和压力之间的关系见饱和蒸汽曲线表，在该曲线上，水和蒸汽可以在任何压力下共存，饱和曲线以上的是过热蒸汽。

饱和温度以上的温度称为蒸汽的过热度。

根据以前的实验结果，将蒸汽的参数列成表格称为蒸汽表，饱和蒸汽的焓值（或其它性质）可以很方便地通过查取蒸汽表来获得。

焓 kJ /kg压力温度水蒸发蒸汽饱和干蒸汽比容bar ℃(hf) (hfg) (hg) (m3/kg)0 100 419 2 257 2 676 1.6731 120 5062 201 2 707 0.8812 134 562 2 163 2 725 0.6035 159 671 2 086 2 757 0.3157 170 721 2 048 2 769 0.2410 184 782 2 000 2 782 0.17714 198 845 1 947 2 792 0.132在大气压下（0barg)，水在100℃时沸腾，把1kg水从0℃加热到100℃需要吸收419kJ的热量，因此，水从0℃到100℃的比焓是419 kJ/kg，正如上表中所示。