第七章 水蒸气及湿空气

主要内容
• §7.1 • §7.2 • §7.3 水蒸气的产生 水蒸气的热力过程 湿空气
§7.1 水蒸气的产生
• 一、基本概念 • 二、水蒸气的产生过程
• 三、水蒸气的p-v图，T-s图
• 四、水蒸气热力性质图表
一、基 本 概 念
1. 汽化
蒸发
物质由液态转变为气态的现象称为汽化。 如湿衣服的晾 蒸汽是由液体汽化而产生的。
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 越强烈。 液体开始沸腾的温度 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。
如在0.1MPa时，水的沸点为 99.634℃，氨的沸点为-32℃
s x (1 x ) s xs s x ( s s) s x r T
u x h x pv x
注意单位
u可通过 uhpv求得
表中未列出的参数用线性插值法求得
例7-2 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，p0.1MPa，ts99.634℃。而t＜ts，
由式
v x v x ( v v ) 可得干度 v v 0.22 0.0011148 x x 0.915 v v 0.24037 0.0011148
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，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。
在饱和状态下,有:
饱和压力ps 饱和温度ts
饱和蒸汽
——
——
ps f (t s )
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。
基本概念
4. 干度
——单位质量湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量称 饱和液体和饱和 为湿蒸汽的干度。表示式为
蒸汽的混合物
mv x mv mw
故第一种情况为未饱和水状态。查附表，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）
汽化 过热
水预热
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四、水蒸气热力性质图表
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。
1、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
绝热过程
q0
u u 2 u1 h2 h1 p 2 v 2 p1v1
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
w u
h
P1 1 t1 P2 t2
2
wt h h1 h2
对过热蒸汽，经绝 热膨胀，过热度减 小，变为干饱和蒸 汽。若继续膨胀， 则变为湿蒸汽，同 时干度会随之减小 。
χ = 1 χ 2
h
P1 1 t1
P2 t2
χ = 1 χ 2
(a)可逆绝热过程
S
2
忽略散热及不可逆因素
s1 s2
S
例5-3 水蒸气在0.2MPa压力下从150℃定压加热到250℃，试
求1kg水蒸气的吸热量、所作的膨胀功及热力学能增量。 解：在h-s图上，由p0.2MPa的定压线与t1150℃的定温 线相交得初状态点1，与t2250℃的定温线相交得终状态点2， 如图5-6所示。查得 h1=2772kJ/kg，v1=1m3/kg h2=2973kJ/kg，v2=1.22m3/kg 吸热量 q h2 h1 2973 2772 201 （kJ/kg） 3 膨胀功 w p ( v 2 v1 ) 0 .2 10 1 .22 1 44 （kJ/kg） 热力学能增量 u q w 201 44 157 （kJ/kg）
未饱和水与过热蒸汽表（附表3） 参数右上角加“”表示 饱和液体参数，加“” 表示饱和蒸汽参数 湿蒸汽参数的确定: 注意粗黑线
p p s ， t ts
v x (1 x ) v x v v x ( v v )
h x (1 x ) h x h h x ( h h ) h xr
沸腾
汽化过程是吸热过程。
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。
基本概念
3. 饱和状态
——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。
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 工程上将水基准点的 焓视为零已足够精确
2、水和水蒸气表
按温度排列（附表1）
饱和水与饱和蒸汽表 按压力排列（附表2）
3、水蒸气的焓熵图
欲获得水蒸汽的状态参数,可查
水蒸气表
精确度高,但往往不太方 便、且不直观
水蒸气的焓熵图(莫里尔图)
方便、直观,但不够精 确
临界点C
课本30页
水蒸气的焓熵图
P4 P3 v1 v2 3 v t4 P2 t3 t2 P1 t1 χ =1 χ 2 χ 1 S
上界线（x1）
下界线（x0） 定焓线h 定压线p 定熵线s 定温线t
h c
χ = 0
定比体积线v 定干度线x • h-s图上的一条线表示一个
确定的热力过程，查取初、 终态的参数值，就可对该过
程进行热工计算。
o
湿蒸汽区的定压 线就是定温线
工程上常用蒸汽为图 中方框部分(附图1)
§7.2
水蒸气的热力过程
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。 （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。
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
同工质同温度下
三、水蒸气定压发生过程的p-v图和T-s图上
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
• 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。
（2）查附表，p0.5MPa，ts151.867℃，而t＞ts，故第 二种情况为过热水蒸气状态。查附表，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，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。
3.
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
定温过程
q T s 2 s1
u h2 h1 p 2 v 2 p1v1
w q u
w t q h T s 2 s1 h2 h1
4.
w q u
或
忽略流动阻力等 不可逆因素
wt v d p 0
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 vd p v p1 p 2
q u u 2 u1 h2 h1 p 2 p1 v
1.
1—2:定压吸热膨胀升温 2—1:定压放热被压缩降温
定压过程
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 h 2 h1 u u 2 u1 h2 h1 p v 2 v1
w p ( v 2 v1 )
流体力学
建筑与环境工程系
第七章
气态工质
水蒸气及湿空气
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 。
气体 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。
干度x的取值范围为0～1。
mv-湿蒸气中干饱和蒸气的质量 mw-湿蒸气中饱和水的质量
x0 ，饱和液体
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。
二、水蒸气定压发生过程
p t<ts v' p p ts vx ts p ts v p t>ts
如水蒸气在热电厂和 空调工程中的 应用
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。 • 3、掌握水蒸气图表的结构，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。理解湿空气、未饱和湿空气和饱和湿空气的 概念和意义。 • 5、掌握湿空气状态参数的意义及其计算方法。 • 6、熟悉湿空气焓湿图的结构，能熟练应用焓湿图查取湿 空气参数。
水蒸气的定压发生过程
未饱和水
t < ts
t = ts
t = ts
t = ts
t > ts v > v’’ h > h’’ s > s’’
饱和水 饱和湿蒸汽 饱和干蒸汽 过热蒸汽
v < v’ h < h’ s < s’
v = v’ v ’< v <v’’ v = v’’ h = h’ h ’< h <h’’ h = h’’ s = s’ s ’< s <s’’ s = s’’