资源描述
第 五 章 水 和 水 蒸 气 的 性 质 基 本 知 识 点 应 掌 握 有 关 蒸 气 的 各 种 术 语 及 其 意 义 。例 如 ： 汽 化 、 凝 结 、 饱 和 状 态 、 饱 和 蒸 气 、饱 和 液 体 、 饱 和 温 度 、 饱 和 压 力 、 三 相 点 、临 界 点 、 汽 化 潜 热 等 。 了 解 蒸 气 定 压 发 生 过 程 及 其 在 和 图 上 的一 点 、 二 线 、 三 区 和 五 态 。 了 解 蒸 气 图 表 的 结 构 ， 并 掌 握 其 应 用 。 掌 握 蒸 气 热 力 过 程 的 热 量 和 功 量 的 计 算 。 本 章 重 点1.确 定 蒸 气 状 态 参 数 的 独 立 变 量 2.学 会 使 用 水 蒸 气 热 力 学 性 质 的图 表 ， 并 能 熟 练 的 运 用 于 各 种 热力 过 程 的 计 算 。 水 和 水 蒸 气 是 实 际 气 体 !水 蒸 气 在 空 气 中 含 量 极 小 ， 当 作 理 想 气 体一 般 情 况 下 ， 水 蒸 气 是 由 液 态 水 经汽 化 而 来 的 一 种 气 体 ， 离 液 态 较 近 ，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 5-1 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 态热 力 学 面 ： 以 p,v,T表 示 的 物 质 各 种 状 态 的 曲 面水 的 三 态 ： 冰 、 水 、 蒸 汽 水 的 热 力 学 面 两 相 区单 相 区 气液 固p v T六 个 区 ： 三 个 单 相 区 、 三 个 两 相 区 液 -气固 -气固 -液p v T 饱 和 线 、 三 相 线 和 临 界 点p v四 个 线 ： 三 个 饱 和 线 、 一 个 三 相 线饱 和 气 线三 相 线饱 和 液 线饱 和 固 线 T临 界 点一 个 点 ： 临 界 点 三 相 线 与 临 界 点水 的 临界 点 状态 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 c c2 2T T0, 0p pv v 临界点 水 的 三 相 线 c oc 3c 22.129MPa647.30K (374.15 C)m0.00326 kgpTv tp tp611.2Pa, 273.16Kp T 纯 物 质 的 p-T相 图p pT T液 液气 气固 固水 一 般 物 质三 相 点 三 相 点临 界 点 临 界 点流 体 流 体升 华 线 升 华 线凝 固 线 凝 固 线汽 化 线 汽 化 线 汽 相 和 液 相锅炉 汽 轮 机发 电 机给 水 泵 凝汽器过 热 器 因 固 相 不 流 动 ，更 关 心 汽 液 两 相冰 蓄 冷 5-2 汽 化 与 饱 和沸 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 凝 结 ： 由 蒸 汽 变 成 液 体 的 过 程 。 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 psp s=1.01325bar Ts=100 青 藏 ps=0.6bar Ts=85.95 高 压 锅 ps=1.6bar Ts=113.32 13 几 个 名 词 ： 饱 和 液 (saturated liquid)处 于 饱 和 状 态 的 液 体 ： t=ts 干 饱 和 蒸 汽 (dry-saturated vapor; dry vapor ) 处 于 饱 和状 态 的 蒸 汽 ： t=ts 未 饱 和 液 (unsaturated liquid) 温 度 低 于 所 处 压 力 下 饱和 温 度 的 液 体 ： tts, tts=d称 过 热 度 (degree of superheat)。 湿 饱 和 蒸 汽 (wet-saturated vapor; wet vapor ) 饱 和 液 和干 饱 和 蒸 汽 的 混 合 物 ： t=ts使 未 饱 和 液 达 饱 和 状 态 的 途 径 ： pt, tpptt s 不 变 ，保 持 pttpp s 不 变 ，保 持 5-3 水 蒸 气 的 定 压 发 生 过 程t tsv v v = v v = vv v v未 饱 和 水 饱 和 水 饱 和 湿 蒸 汽 饱 和 干 蒸 汽 过 热 蒸 汽h h h = h h = hh h hs s s = s s = ss s s水 预 热 汽 化 过 热 水 蒸 气 定 压 发 生 过 程 说 明(1) ( )Q U W U pdVU p V U pV H (2) f g 0S S S 只 有 加 热 时 熵 永 远 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 :1kg饱 和 液 体 加 热 成 同温 度 下 的 干 饱 和 蒸 汽 所 需 热 量 。 (4) 未 饱 和 水 过 冷 度 st t t 过 冷 过 冷 水过 热 蒸 汽 过 热 度 st t t 过 热 cp cT cTA BC A C BcT T cTT cpp cpp3a 3b 3d 3e3c3a 3b 3d 3e3c 2c2a 2b 2d 2e 2c2a 2b 2d 2e1c1a 1b 1d 1e 1c1a 1b 1d 1eT s p-v图 ， T-s图 上 的 水 蒸 气 定 压 加 热 过 程p v cp 一 点 ， 二 线 ， 三 区 ， 五 态 等 压 线 上 饱 和 态 参 数p ts v (bar) v s skJ/(kg.K)0.006112 0.01 0.00100022 206.175 0.0 9.15621.0 99.63 0.0010434 1.6946 1.3027 7.36085.0 151.850.0010928 0.374811.8604 6.821550.0 263.920.0012858 0.03941 2.92095.9712221.29 374.15 0.00326 0.00326 4.429 4.429(bar) ( ) b d b d 5-4 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1875年 ， 吉 布 斯 提 出 了 吉 布 斯 相 律 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、 T2、 饱 和 水 和 干 饱 和 蒸 汽确 定 p或 T3、 湿 饱 和 蒸 汽除 p或 T外 ， 其 它 参 数 与 两 相 比 例 有 关 两 相 比 例 由 干 度 x确 定定 义 干 饱 和 蒸 汽 fmx m m vv干 饱 和 蒸 汽 质 量 湿 饱 和 蒸 汽 质 量 饱 和 水对 干 度 x的 说 明 ：x = 0 饱 和 水 x = 1 干 饱 和 蒸 汽0 x 1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 。 )1( yxxyy )1( )1( )1( sxxss vxxvv hxxhh y yx y y 已 知 p或 T(h,v,s,h,v,s)+干 度 xh ,v ,s 水 和 水 蒸 气 表两 类 2、 未 饱 和 水 和 过 热 蒸 汽 表1、 饱 和 水 和 干 饱 和 蒸 汽表 o/ Ct KT / aMPp/ kgmv / 3 kgmv / 3 kgkJh / kgkJh / )( / KkgkJs )( / KkgkJs 01.0100200300 16.273 000611.0 00100022.0 175.206 0.2501000614.0 0000.0 1562.915.373 101325.0 0010437.0 6738.1 3.267606.419 3069.1 3564.715.473 5551.1 0011565.0 4.82512714.0 4.2791 3307.2 4289.615.573 5917.8 0014041.0 02162.0 4.1345 4.2748 2559.3 7038.5kgmv / 3 kgmv / 3 kgkJh / kgkJh / )( / KkgkJs )( / KkgkJs o/ Ct 982.6 63.99 88.179 96.3105.2484 0010001.0 208.129 8.251333.29 1060.02.2258 0010434.0 6946.1 7.267551.417 3027.14.2014 0011274.0 6.76219430.0 0.27778.1315aMPp/ 001.0 1.00.110 0014526.0 01800.0 6.1408 4.2724 9756.8 3608.71382.2 5847.63616.3 6143.5kgkJr / 饱和参数 p aMP01.0 aMP02.083.45st 1505.86493.0 4.258484.191 676.140010102.0 s s h h v v 09.60st 9092.78321.0 6.260946.251 6515.70010172.0 s s h h v vt v h s v h s0408060 0010002.0 0.0 0001.0 0010002.0 0.0 0001.05.1670010078.0 4.167 5729.0 0010078.0 5721.0 8310.01.2510010171.01752.83.261134.15 27.16 3.2649 3437.8 119.8 8.2647 0205.84.2724052.95479.84.272512.18 2261.8120 表 的 出 处 和 零 点 的 规 定原 则 上 可 任 取 零 点 ， 国 际 上 统 一 规 定 。但 原 则 上 不 为 0， 对 水 ： pvuh 3m611.2 0.00100022ap P v kg 00006.06.0 kgkJkgJpvuh 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 。焓 、 内 能 、 熵 零 点 的 规 定 ： 0 s0u T 16.273水 的 三 相 点 饱和参数 p aMP01.0 aMP02.083.45st 1505.86493.0 4.258484.191 676.140010102.0 s s h h v v 09.60st 9092.78321.0 6.260946.251 6515.70010172.0 s s h h v vt v h s v h s0408060 0010002.0 0.0 0001.0 0010002.0 0.0 0001.05.1670010078.0 4.167 5729.0 0010078.0 5721.0 8310.01.2510010171.01752.83.261134.15 27.16 3.2649 3437.8 119.8 8.2647 0205.84.2724052.95479.84.272512.18 2261.8120 焓 熵 图 的 画 法 (1)（ 上 界 线 ） 、 饱 和 液 线 （ 下q Tds dh vdp p 0h Ts C Cp 0h Ts C点 为 分 界 点 ， 不 在 极 值 点 上 焓 熵 图 焓 熵 图 的 画 法 (2)气 相 区 ： 离 饱 和 态 越 远 ， 越 接 近 于 理 想 气 体两 相 区 ： T、 p一 一 对 应 ， T 线 即 p 线在 x=0, x=1之 间 ， 从 C点 出 发 的 等 分 线同 理 想 气 体 一 样 ， v 线 比 p 线 陡4、 定 温 线 T5、 等 容 线 v6、 等 干 度 线 x 焓 熵 图 5-5 水 蒸 气 的 热 力 过 程任 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 示热 力 过 程 ： p s T v 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 立理 想 气 体 特 有 的 性 质 和 表 达 式 不 能 用tq dh w q du w w pdv tw vdp q Tds iso 0ds pv RT( )u f T ( )h f T 2 2p 1 1ln lnT ps c RT p p vc c R p 1kc Rk v 1 1c Rk 可 逆 水 蒸 气 的 定 压 过 程q = h wt = 0u h2-h1-p(v2-v1)w=q- u 3 4 2p v1q h vdp 例 ： 锅 炉 中 ， 水 从 30 ，4MPa, 定 压 加 热 到 450 q = h2-h1ts(4MPa)=250.33锅 炉 、 换 热 器 水 蒸 气 的 定 压 过 程例 ： 水 从 30 ， 4MPa, 定 压 加 热 到 450 q = h2-h1 2T s h s2h 1 = 129.3 kJ/kg h2 = 3330.7 kJ/kgh2h11 3 4 1 43=3201.4kJ/kg 水 蒸 气 的 绝 热 过 程p1 2p vp2 不 可 逆 过 程 ： 汽 轮 机 、 水 泵 12 可 逆 过 程 ： s1 2 1 2q = 0 w=-uu=h2-h1-(p2v2-p1v1)t 1 2w h h h 水 蒸 气 的 绝 热 过 程汽 轮 机 、 水 泵 q = 0 t 1 2w h h 212T s 不 可 逆 过 程 ： 可 逆 过 程 ： st 1 2w h h p1p2 水 蒸 气 的 绝 热 过 程汽 轮 机 、 水 泵 q = 0 t 1 2w h h h s 不 可 逆 过 程 可 逆 过 程 ： s t 1 2w h h p1p2 21h1h2h2 2 透 平 内 效 率 1 2oi 1 2h hh h 水 蒸 气 的 定 温 过 程实 际 设 备 中 很 少 见p v TC TcT 远 离 饱 和线 ， 接 近于 理 想 气体 水 蒸 气 的 定 温 过 程1 2T s h s1 22理 想 气 体 W=q- uu=h2-h1-(p2v2-p1v1)可 逆 过 程 ：q Tds T s tw q h 12 水 蒸 气 的 定 容 过 程实 际 设 备 中 不 常 见12p v 0pdvw uq )( 1212 ppvhhu )( 21 ppvvdpwt 水 蒸 气 的 定 容 过 程1T s h sp T2 1 2v pv 例 ： 容 积 为 0.6 的 密 闭 容 器 内 盛 有 压 力为 3.6bar的 干 饱 和 蒸 汽 ， 问 蒸 汽 的 质 量 为多 少 ， 若 对 蒸 汽 进 行 冷 却 ， 当 压 力 降 低 到2bar时 ， 问 蒸 汽 的 干 度 为 多 少 ， 冷 却 过 程中 由 蒸 汽 向 外 传 出 的 热 量 为 多 少 ? 3m解 ： 查 以 压 力 为 序 的 饱 和 蒸 汽 表 得 ： 1p=3.6bar时 ， =0.51056, =2733.8kJ /kg1v 1h蒸 汽 质 量 m=V/ =1.1752kg 1v查 饱 和 蒸 汽 表 得 ： =2bar时 ， =0.0010608， =0.88592 =504.7kJ /kg， =2706.9kJ /kg2p 2v 2v2h 2h 在 冷 却 过 程 中 ， 工 质 的 容 积 、 质 量 不 变 ，故 冷 却 前 干 饱 和 蒸 汽 的 比 容 等 于 冷 却 后 湿蒸 汽 的 比 容 即 ： 21 xvv 或 )( 22221 1 vxvxv 由 于 221 vxv 57630212 . vvx 取 蒸 汽 为 闭 系 ， 由 闭 系 能 量 方 程 wuq 由 于 是 定 容 放 热 过 程 ， 故 0w所 以 1212 uuuq 而 u=h-pv 故 )()( 111222 vphvphq xx 其 中 ： kgkJhxhxhx /.)( 817731 22222 则 kgkJq /.3878Q=mq=1.1752(-878.3) =-1032.2kJ 本 章 小 结n 学 习 本 章 的 主 要 目 的 ， 是 掌 握 正 确 应 用 蒸气 热 力 性 质 图 表 处 理 工 程 实 际 问 题 的 方 法 。蒸 汽 的 参 数 一 律 应 该 从 图 或 表 中 查 得 ， 而不 宜 用 一 些 简 单 的 经 验 公 式 ， 更 不 能 使 用仅 实 用 于 理 想 气 体 的 一 些 公 式 。 围 绕 查 图或 表 注 意 以 下 一 些 问 题 ：n1.确 定 蒸 气 状 态 状 态 参 数 的 独 立 变 量 对 有 集 态 变 化 的 工 质 ， 在 确 定 其 状 态 参数 时 ， 应 注 意 独 立 变 量 的 数 目 。 (1)对 未 饱 和 液 体 和 过 热 蒸 气 ： 分 别 处 于单 相 区 ， 所 以 p， t， v， s， h等 参 数 中 ， 只 要任 意 两 个 参 数 给 定 ， 其 他 参 数 就 确 定 了 。 一 般独 立 交 量 取 (p， t)两 个 。 (2)对 饱 和 液 体 和 干 饱 和 蒸 气 ： 无 论 是 饱和 液 体 还 是 干 饱 和 蒸 气 都 是 单 相 的 气 ， 但 它 们又 都 处 于 饱 和 状 态 下 ， 压 力 和 温 度 不 是 互 相 独立 的 参 数 ， 而 是 一 一 对 应 的 。 因 此 ， 独 立 变 量为 1， 一 般 可 取 p或 t。 即 只 要 压 力 或 者 温 度 确定 ， 其 他 参 数 ， 例 如 饱 和 液 体 的 v， s， h及干 饱 和 蒸 气 的 v， s， h等 就 都 随 之 确 定 。 (3)对 湿 饱 和 蒸 气 ： 因 为 处 于 两 相 区 ，压 力 p和 温 度 t由 ps=f(ts)联 系 ， 只 有 一 个是 独 立 变 量 ， 而 其 他 参 数 v， s， h却 与 湿蒸 气 中 的 液 体 和 气 的 比 例 密 切 相 关 。 所 以需 引 入 另 一 个 独 立 变 量 “ 干 度 ” 状 态 才 能确 定 。 要 掌 握 干 度 的 定 义 和 计 算 确 定 方 法 ，以 及 利 用 干 度 确 定 状 态 参 数 。 2 查 表 当 需 根 据 给 定 的 已 知 参 数 由 蒸 气 性 质表 查 找 物 性 数 据 时 ， 如 何 判 断 应 查 饱 和 表还 是 过 热 表 呢 ?一 般 而 言 ， 当 不 知 工 质 处于 什 么 状 态 时 ， 总 是 先 查 饱 和 表 以 判 断 工质 的 状 态 ， 然 后 根 据 所 处 的 状 态 查 对 应 的表 。 判 断 工 质 所 处 状 态 的 具 体 方 法 如 下 ： 若 已 知 (p， t)， 查 饱 和 表 得 已 知 压 力 (或温 度 )下 的 饱 和 温 度 ts(p)或 压 力 ps(t)，比 较 t与 ts(p)的 大 小tts(p)工 质 处 于 过 热 蒸 气 状 态 也 可 通 过 比 较 给 定 的 压 力 p和 ps(t)之间 的 大 小 ， 来 确 定 工 质 所 处 的 状 态 。 若 已 知 p(或 t)及 某 一 比 参 数 y(v， 或 s，或 h)， 查 饱 和 蒸 气 表 得 y、 y， 比 较 y与y、 y的 大 小 ， 则Yy 工 质 处 于 未 饱 和 液 体 状 态Yy y” 工 质 处 于 过 热 蒸 气 状 态若 已 知 p(或 t)及 干 度 x， 则 工 质 处 于 湿 蒸 气 区 . 对 于 未 饱 和 液 ， 由 于 其 性 质 随 压 力 的 变化 很 小 ， 则 可 近 似 认 为 ， 其 广 延 比 参 数 (v，或 h， 或 s)仅 是 温 度 的 函 数 ,工 程 计 算 中 当 一时 缺 乏 资 料 时 ， 可 用 饱 和 液 体 的 数 据 近 似 代替 同 温 度 下 未 饱 和 液 体 的 数 据 。 处 于 其 他 状 态 的 蒸 汽 ， 其 性 质 如 cp、 cv、h、 u等 都 不 是 温 度 的 单 值 函 数 ， 而 是 p或 v和 T的 复 杂 函 数 ， 这 是 蒸 气 与 理 想 气 体 的 一个 很 大 区 别 。 显 然 ， 理 想 气 体 熵 s的 计 算 公式 也 不 适 用 于 蒸 气 。 3 常 用 的 蒸 气 热 力 过 程 在 工 程 应 用 中 ， 蒸 气 的 定 压 过 程 和 绝热 过 程 是 十 分 常 见 的 过 程 ， 各 种 蒸 气 循环 这 两 类 过 程 组 成 。 思 考 题 ： n 1 物 质 的 临 界 状 态 究 竟 是 怎 样 一 种 状 态 ?n 2 水 的 定 压 产 生 过 程 可 分 为 哪 几 个 阶 段 ， 经 历 哪几 种 状 态 ， 写 出 它 们 的 名 称 。n 3 对 水 蒸 汽 的 热 力 过 程 和 理 想 气 体 热 力 过 程 ，在 分 析 方 法 上 有 何 异 同 之 处 。n 4 理 想 气 体 的 内 能 是 温 度 的 单 值 函 数 ， 而 实 际 的内 能 则 与 T、 v有 关 ， 试 计 算 任 意 两 个 温 度 相 同 而比 容 不 同 的 状 态 下 蒸 气 的 内 能 ， 从 而 验 证 上 述 结论 。 （ 取 过 热 蒸 气 参 数 ） 。n 5 饱 和 水 蒸 气 的 焓 值 是 否 随 压 力 和 温 度 的 升 高 而不 断 增 大 ？ 过 热 蒸 气 的 焓 值 呢 ？
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