[工学]热工与流体力学基础 第5章

第五章
水蒸气和蒸汽动力循环
2018/11/20
学习导引
本章介绍了水蒸气的定压发生过程，水蒸气 图表及其应用，蒸汽动力循环的系统组成、工作 原理及循环在T-s图上的表示方法。
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学习要求
1. 掌握有关蒸汽的各种术语及其意义。如：汽化、凝结、饱和状 态、未饱和液体、饱和液体、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽、干度 等概念及不同蒸汽状态的特征和关系。 2. 了解蒸汽定压发生过程及其在p-v图与T-s图上的一点、二线、 三区和五态。
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二、水蒸气定压发生过程的三个阶段和五种状态
p t<ts v' p p ts vx ts p ts v p t>ts
v0
v''
a
未饱和水
b
饱和水
湿(饱和)蒸气
c
过冷度
ts t
(v, h, s)
(v, h, s)
干饱和蒸气
d
过热蒸气
e
过热度
t ts
过热阶段 汽化阶段 凝结潜热 汽化潜热 r h h J/kg 预热阶段
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本章难点
1. 本章的基本概念较多，也比较抽象，较难理解。 学习中应反复深入地思考，正确理解这些概念的物理 意义，找出其间有机的联系，并在应用中加深理解。 2. 熟练利用水蒸气图表进行相关工程计算在初始阶 段会有一定难度，应结合例题与习题加强练习。 3. 朗肯循环的热效率计算有一定难度，分析蒸汽参 数对朗肯循环热效率的影响，以及提高其热效率的方 法理解起来也有一定难度。
2018ห้องสมุดไป่ตู้11/20
由式 vx v x(v v) 可得干度 该状态下的其它参数为 txts170.444℃ hxh+x（hh）721.2+0.915（2768.68721.2） 2594.64（kJ/kg） sx s+x（ss）2.0464+0.915（6.66252.0464） 6.2701[kJ/（kgK）] uxhxpvx2594.640.81030.222418.64（kJ/kg） （4）查附表5，p1MPa，ts179.916℃，tts。故第四 种情况是饱和状态，但无法确定是饱和水，干饱和水蒸 气还是湿蒸汽，其余参数也无法确定。
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例5-2 试判断下列情况下水处于什么状态，并确定其 它各参数的值。（1）p0.1MPa，t50℃；（2）p0.5MPa ，t200℃；（3）p0.8MPa，v=0.22m3/kg；（4）p1MPa ，t179.916℃。 解：（1）查附表5，p0.1MPa，ts99.634℃。而t＜ts，
如水蒸气在热电厂和 空调工程中的 应用
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一、基本概念
蒸汽是由液体汽化而产生的。
1. 汽化
蒸发
物质由液态转变为气态的过程称为汽化。
如湿衣服的晾干
在任何温度条件下发生在液体表面的汽化 过程。温度越高，蒸发表面积越大，蒸发 液体开始沸腾的温 越强烈。
度
沸腾
在一定温度（沸点）下，液体内部和表面 同时发生的剧烈汽化过程。沸腾可通过加 热或减压的方法实现。相同压力下，不同 的液体沸点不同。
确定的热力过程，查取初、 终态的参数值，就可对该过
湿蒸汽区的定压 线就是定温线
程进行热工计算。
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四、水蒸气的基本热力过程
水蒸气的热力过程分析计算步骤：
（1）根据已知初态的两个独立参数，在图上（或水蒸气 表上）找到代表初态的点，并查出其它初态参数值。 （2）根据过程条件（沿定压线、定容线、定温线、定熵 线）和终态的一个参数值。找到终态的点，并查出终态的其 它参数值（见图5-4）。 （3）根据已求的初、终态参数，应用热力学第一和第二 定律等基本方程计算工质与外界传递的能量，即q，w等。
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1. 定压过程
1—2:定压吸热膨胀升温 2—1:定压放热被压缩降温
工程计算中最常遇到.如水在锅炉中 吸热形成水蒸气的过程;水蒸气通过 各种换热器进行热交换的过程
q h h2 h1
u u2 u1 h2 h1 pv2 v1
w p(v2 v1 )
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同工质同温度下
三、水蒸气定压发生过程在p-v图和T-s图上的表示
水的临界状态
pc22.064MPa
tc373.99℃
vc0.003106m3/kg
一点 二线 三区 五态
临界点C 饱和水线 (x0) 、饱和蒸汽线(x1） 末饱和水区、汽液两相共存区、过热蒸汽区 末饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽
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水蒸气的焓熵图
临界点C 上界线（x1） 下界线（x0） 定焓线h
h c
χ = 0
定熵线s 定温线t
定干度线x
o
定压线p
定比体积线v
P4 P3 v1 v2 3 v t4 P2 t3 t2 P1 t1 χ =1 χ 2 χ 1 S
工程上常用蒸汽为 图中方框部分(附图 1)
• h-s图上的一条线表示一个
3. 了解水蒸气图表的结构，能够熟练利用水蒸气图表查出水蒸气 状态参数。
4. 掌握水蒸气基本热力过程的特点和热量、功量、热力学能的计 算。
5. 掌握朗肯循环的基本装置、热力过程及热效率，了解蒸汽参数 对朗肯循环热效率的影响。
6. 了解再热循环和回热循环的基本装置、热力过程及热效率，了 解热电合供循环的基本思想和经济性指标。
为湿蒸汽的干度。
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基本概念
mv x mv mw
mv-湿蒸气中干饱和蒸气的质量
mw-湿蒸气中饱和液体的质量
x0 ，饱和液体 干度x的取值范围为0～1。 0﹤x﹤1 ，湿(饱和)蒸汽 x1 ，干饱和蒸汽 • 引入干度x可确定湿蒸汽中所含饱和液体和饱和蒸汽的 量，或确定湿蒸汽的状态。
热蒸汽状态。其过热度为：tstts12099.63420.366（℃）
（2）10kg工质中既含有蒸汽又含有水，处于汽、液共存状 态，为湿蒸汽，其温度为饱和温度tts99.634℃，其干度为
mv 4 x 0.4 mv mw 4 6
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第二节 水蒸气表和图
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3. 饱和状态
基本概念
——液面上蒸气空间中的蒸气和液体两相达到 动态平衡的状态就称为饱和状态。
在饱和状态下,有:
饱和压力ps 饱和温度ts
ps f (ts )
饱和蒸汽
饱和液体
—— ——
如水蒸气：ps＝0.101325 MPa，ts=100 º C
•饱和温度和饱和压力一一对应。
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vx v 0.22 0.0011148 x 0.915 v v 0.24037 0.0011148
三、水蒸气的焓熵图
欲获得水蒸汽的状态参数,可查
精确度高,但往往不 太方便、且不直观
水蒸气表 水蒸气的焓熵图(莫里尔图)
方便、直观, 但不够精确
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4. 绝热过程
工程计算中最常遇到. 如水蒸气 通过汽轮机膨胀而对外作功；又 如水蒸气通过喷管的过程等
工程上将水基准点的 焓视为零已足够精确
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二、水和水蒸气表
按温度排列（附表4） 饱和水与饱和蒸汽表 按压力排列（附表5）
参数右上角加“”表示饱和液 体参数，加“”表示饱和蒸汽 参数
未饱和水与过热蒸汽表（附表6）
湿蒸汽参数的确定:
注意粗黑线
p p s ， t ts
vx (1 x)v xv v x(v v)
故第一种情况为未饱和水状态。查附表6，当p0.1MPa， t50℃时用线性插值法求得未饱和水的其它参数为 v0.00101245m3/kg， h209.405kJ/kg， s0.70175kJ/（kgK）， uhpv209.4050.11030.00101245209.304（kJ/kg）
• 在临界点C汽液两相差异完全消失，汽液相变将在瞬间完成。
• 在临界温度以上不能用压缩的方法使蒸汽液化。
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例5-1 10kg水处于0.1MPa下时饱和温度ts99.634℃， 当压力不变时，（1）若其温度变为120℃处于何种状态？ （2）若测得10kg工质中含蒸汽4kg，含水6kg则又处于何种 状态？此时的温度与干度应为多少？ 解：（1）因t120℃，ts99.634℃，t＞ts，此时处于过
水蒸气不同于理想气体，其参数通过实验和分析的方法求得，将 不同温度和不压力下的未饱和水、饱和水、干饱和蒸汽和过热蒸汽的
状态参数列成数据表或绘成线算图，以供工程计算查用。
一、零点的规定
制冷剂蒸气图表常将 零点规定于0℃以下
水蒸气图表选定水的三相点（即273.16K的液相水） 作为基准点，规定在该点的液相水的u、s值为零,此时有 t0＝0.01C，p0＝611.659Pa，v0＝0.00100021ｍ3∕kｇ， u0=0kJ/kg；s0=0kJ/（kgK） ｈ0＝ u 0 ＋ p0 v 0 ＝0.611J∕kg≈0 kJ∕kg
hx (1 x)h xh h x(h h) h xr
sx (1 x) s xs s x( s s) s x
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u x hx pv x
r T
注意单位
u可通过 uhpv求得
2018/11/20 表中未列出的参数用线性插值法求得
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4. 干度
基本概念
饱和液体和饱和蒸汽的混合物称为湿饱和蒸汽，简 称为湿蒸汽。相应地，不含有饱和液体的饱和蒸汽 称为干饱和蒸汽，简称干蒸汽。为了确定湿蒸汽中 所含饱和液体和饱和蒸汽的量，或确定湿蒸汽的状 态，必须引入湿蒸汽特有的重要参数，即干度x。
——单位质量湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量称
如在0.1MPa时，水的沸点为 99.634℃，氨的沸点为-32℃
汽化过程是吸热过程。
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基本概念 2. 凝结
——物质由气态转变为液态的过程称为凝结。
如水蒸汽冷凝为 水
液态物质
(吸热)汽化 (放热)凝结
气态物质
同压力下蒸汽的凝结 温度与液体的沸点相 等
汽相空间蒸汽分子越多，蒸汽压力越大，凝结速度 越快。
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3. 定温过程
1—2过程: 定温膨胀; 蒸汽状态由湿蒸汽变为干 饱和蒸汽,再变为过热蒸汽
q T s2 s1
u h2 h1 p2v2 p1v1
w q u
wt q h T s2 s1 h2 h1
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第一节 水蒸气的定压发生过程
气体 气态工质
远离液态，一般可作为理想气体处 理，如空气、燃气。 刚脱离或接近液态，一般不能作为 理想气体处理，如水蒸气、制冷剂 蒸气等 。
蒸汽
水蒸气具有良好的热力性质，来源丰富，易于 获得，比热容大，传热性能好，且无毒无味、无污 染，在热力工程中的使用极为广泛。
或
w q u
wt vdp 0
忽略流动阻力 等不可逆因素
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2. 定容过程
1—2过程: 定容吸热升压升温，
吸收的热量全部转化为热力学能
w pdv 0
wt vdp v p1 p2
q u u2 u1 h2 h1 p2 p1 v
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（2）查附表5，p0.5MPa，ts151.867℃，而t＞ts，故 第二种情况为过热水蒸气状态。查附表6，当p0.5MPa， t200℃时，过热水蒸气的其它参数为 v0.42487m3/kg，h2854.9kJ/kg，s7.0585kJ/（kgK）， uhpv2854.90.51030.424872642.465（kJ/kg） （3）查附表5，当p0.8MPa时， v0.0011148m3/kg，v0.24037m3/kg； h721.2kJ/kg，h2768.86kJ/kg； s2.0464kJ/（kgK），s6.6625kJ/（kgK） 因为v0.22m3/kg，介于饱和水与干饱和水蒸气之间，即 v＜v＜v， 故第三种情况为湿蒸汽状态。