工程热力学-第六章水蒸气

h xh (1 x )h
"
'
v xv" (1 x )v ' s xs (1 x ) s
" '
y xy (1 x ) y
"
'
y y x " y y'
'
已知p或T(h’,v’,s’,h’’,v’’,s’’)+干度x
h ,v ,s
水和水蒸气表
两类 1、饱和水和干饱和蒸汽表
六个区：三个单相区、三个两相区
纯物质（水）的相变
• 液—汽 • 固—液
• 汽—固
汽化（沸腾） 凝结 融化（熔解） 凝固 凝华 升华
饱和线、三相线和临界点
饱和液线
临界点
饱和气线
p
三相线
饱和固线
T
v
四个线：三个饱和线、一个三相线 一个点：临界点
水的临界点
临 界ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ点 饱和液线与饱和气线的交点 气液两相共存的pmax,Tmax 等温线是鞍点
2、未饱和水和过热蒸汽表
饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）
t / C T / K p / MPa v' / m / kg m3 / kg 0.01 273.16 0.0006110.00100022 206.1750.000614 2501.0 0.0000 9.1562 100 373.15 0.1013250.0010437 1.6738 419.06 2676.3 1.3069 7.3564 200 473.15 1.5551 0.0011565 0.12714 825.4 2791.4 2.3307 6.4289 300 573.15 8.5917 0.0014041 0.02162 1345.4 2748.4 3.2559 5.7038
2. 水蒸气的产生过程
3. 水蒸气图表的结构和应用
4. 水蒸气热力过程
蒸汽
水蒸气
蒸气
§ 6-1 纯物质的热力学面及相图
物质有三种聚集状态：固态、液态、气态
水的三态：冰、水、蒸汽 热力学面：以p,v,T表示的物质各种状态 的曲面
水的热力学面
单相区
液 气 固--液
两相区
液--气
p
p
T
固
T
固--气
v
v
t
v
h
0.0 167.4 2611.3 2649.3 2725.4
s
0.0001 0.5729 8.1752 8.3437 8.5479
v
0.0010002 0.0010078 0.0010171 8.119 9.052
h
0.0 167.5 251.1 2647.8 2724.4
s
0.0001 0.5721 0.8310 8.0205 8.2261
kg
查表举例（1）
查表时先要确定在五态中的哪一态。
例.1 已知 ：p=1MPa,试确定t=100℃, 200℃ 各处于哪个状态, 各自h是多少？ ts(p)=179.88℃
t=100℃ < ts, 未饱和水 h=419.7kJ/kg
t=200℃ > ts, 过热蒸汽
h=2827.5kJ/kg
查表举例（2）
未饱和水和过热蒸汽表（节录）
p
饱 和 参 数
0.01MPa
ts 45.83
v ' 0.0010102 h ' 191.84 s ' 0.6493 v" 14.676 h" 2584.4 s" 8.1505
0.02 MPa
ts 60.09
v ' 0.0010172 h ' 251.46 s ' 0.8321 v" 7.6515 h" 2609.6 s" 7.9092
0 0.0010002 40 0.0010078 60 15.34 80 16.27 120 18.12
表的出处和零点的规定
表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发 表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委 员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和 水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。
p=0.015MPa h h0.01 0.015 0.01 h 2658.1 kJ kg h0.02 h0.01 0.02 0.01 t=85℃
蒸汽动力循环
定压过程
过热器 锅 炉 汽轮机
q h wt h
等熵过程
发电机
wt h
凝 汽 器
给水泵
s 0
查表举例（2）
已知 t=250℃, 5kg 蒸气占有0.2m3容积, 试问蒸 气所处状态? h=? 湿蒸汽状态 x 0.795 t=250℃ , h ' 1085.8 kJ kg
h" 2799.5 kJ kg
kg
h xh " (1 x)h ' 2448.2 kJ
查表举例（3）
§6-5 水蒸气的热力过程
热力过程： p
s T v
任务： 确定初终态参数，
计算过程中的功和热 在p-v、T-s、h-s图上表示
焓熵结构示意图
dh Tds vdp
h
pC
h p T v s n s n
C
p T
s
焓熵简化图
返回A423155 返回A423277 返回A466155 返回A460200
q = h2-h1
水蒸气的定压过程
例：水从30℃ ，4MPa, 定压加热到450 ℃ q = h2-h1 =3201.4kJ/kg
T h
2
3 1 h2 4 h1 h1 = 129.3 kJ/kg 2
3 1
4 s
s
h2 = 3330.7 kJ/kg
水蒸气的绝热过程
汽轮机、水泵
p 1 p1 p2 2 2’
T Tc e3 e2 e1
B
v
s
§6-4 水和水蒸气状态参数及其图表
状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量
未饱和水及过热蒸汽，一般已知p、T即可 饱和水和干饱和蒸汽，只需确定p或T 湿饱和蒸汽， p和T不独立，汽液两相
水和水蒸气状态参数确定的原则
1、未饱和水及过热蒸汽 确定任意两个独立参数，如：p、T 2、饱和水和干饱和蒸汽 确定p或T 3、湿饱和蒸汽 除p或T外，其它参数包括比参数与两相 比例有关
未饱和水
t = ts
t = ts
t = ts
t > ts
v > v’’ h > h’’ s > s’’
饱和水 湿饱和蒸汽 干饱和蒸汽 过热蒸汽
v < v’ h < h’ s < s’
水预热
v = v’ v ’< v <v’’ v = v’’ h = h’ h ’< h <h’’ h = h’’ s = s’ s ’< s <s’’ s = s’’
已知 t=85℃, p=0.015MPa , 试确定状态? h=? p=0.015MPa ts=54.0℃ , 过热状态 内插法 85 80 h 2658.8 kJ p=0.01MPa h h80 kg t=85℃ h90 h80 90 80
85 80 h 2657.4 kJ p=0.02MPa h h80 kg t=85℃ h90 h80 90 80
水的临 o Tc 647.30K (374.15 C) 界点状 m3 态 vc 0.00326 kg
2 p p 0, 2 0 v Tc v Tc pc 22.129MPa
纯物质的p-T相图
汽化线 汽化线
p
液 固
p
流体 固 液 流体 临界点 气 三相点
3
o
3
v"
h'
h" s ' / kJ / s" / kJ / kJ / kg kJ / kg ( kg K ) (kg K )
0.1 2258.2 99.63 0.0010434 1.6946 417.51 2675.7 1.3027 7.3608 1.0 2014.4 179.88 0.0011274 0.19430 762.6 2777.0 2.1382 6.5847 10 1315.8 310.96 0.0014526 0.01800 1408.6 2724.4 3.3616 5.6143
已知 t=250℃, 5kg 蒸汽占有0.2m3容积, 试问蒸 汽所处状态? h=? t=250℃ , v' 0.001253 m
3 0.2 v 0.04 m kg 5
3
kg
v" 0.05002 m
3
kg
v ' v v '' 湿蒸汽状态
v v' 0.04 0.0012513 x 0.795 v " v ' 0.05002 0.0012513
饱和状态
饱和状态：汽化与凝结的动态平衡 饱和温度Ts 饱和压力ps 一一对应
放掉一些水，Ts不变， ps？ Ts ps=1.01325bar 青藏ps=0.6bar 高压锅ps=1.6bar ps
Ts=100 ℃ Ts=85.95 ℃ Ts=113.32 ℃
§6-3 水蒸气的定压发生过程
t < ts
两相比例由干度x确定
定义
干饱和蒸汽质量 mv x ＝ 湿饱和蒸汽质量 mv mf
干饱和蒸汽 饱和水
对干度x的说明： x = 0 饱和水 0≤x ≤1 x = 1 干饱和蒸汽
在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义
湿饱和蒸汽区状态参数的确定
如果有1kg湿蒸气，干度为x, 即有 xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。
u f (T ) h f (T )
k cp R k 1 1 cv R k 1
水蒸气的定压过程
锅炉、换热器
q = h wt = 0
例：锅炉中，水从30℃ ，
4MPa, 定压加热到450 ℃， 交换的热量
q h vdp
p
1 3
2
ts(4MPa)=250.33℃
4 v
汽化 过热
水蒸气定压发生过程说明
(1) (2)
Q U W U pdV U pV U ( pV ) H S Sf Sg 0 熵在加热时增加
(3) 理想气体
h f (T )
实际气体汽化时，T＝Ts不变，但h增加 h '' h ' 汽化潜热 (4) 未饱和水 过冷度 t过冷 ts t 过冷水 过热蒸汽 过热度 t过热 t ts 过热蒸汽
p-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程
一点，二线，三区，五态
p
pc
C a3 b3 c3 d 3 e3 T Tc Tc a2 b2 c2 d 2 e2 Tc
a1 b1
p pc
T
p pc pc
C
c1
d1 e1
A
A B a a a3 1 2
b3 c3 d 3 d2 b2 c2 d1 c1 b1
临界点 气 三相点
水
T
一般物质
T
汽相和液相
因固相不流动， 更关心汽液两相
过热器 锅 炉
汽轮机
发电机
凝 汽 器
给水泵
§6-2 汽化与饱和
汽化: 由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化)
蒸发：汽液表面上的汽化 沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化 (气体和液体均处在饱和状态下) 饱和状态：汽化与凝结的动态平衡
q=0
wt h h1 h2
焓、内能、熵零点的规定：
原则上可任取零点，国际上统一规定。
水的三相点 T 273.16 u 0 s 0 但 h u pv 原则上不为0， 对水： m3 p 611.2 Pa v 0.00100022
h u pv 0.6 J kg 0.0006 kJ kg 0
第六章 水和水蒸气的性质
水蒸气是实际气体的代表
水蒸气
在空气中含量极小，当作理想气体 一般情况下，为实际气体，使用图表
18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质 直到内燃机发明，才有燃气工质 目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质 优点: 便宜，易得，无毒， 膨胀性能好，传热性能好
本章主要内容
1. 实际工质的物性
1
注意与理想气体过程的区别
第一定律与第二定律表达式均成立
q du w q dh wt
dsiso 0
w pdv 准静态 wt vdp
可逆 q Tds
理想气体特有的性质和表达式不能用
pv RT
cp cv R
T2 p2 s cp ln R ln T1 p1
o
3
v"
h'
h" s ' / kJ / s" / kJ / kJ / kg kJ / kg ( kg K ) (kg K )
饱和水和饱和水蒸气表（按压力排列）
p / MPa r
kJ / kg t / C v' / m / kg m / kg 0.001 2484.5 6.982 0.0010001 129.208 29.33 2513.8 0.1060 8.9756