工程热力学水蒸汽的热力性质课件

第一篇第一篇 工程热力学工程热力学105 水蒸汽-SCH第五章 水蒸气的热力性质第一篇 工程热力学105 水蒸水蒸气水蒸气水蒸气水蒸气在空气中含量极小，当作在空气中含量极小，当作理想气体理想气体处理处理一般情况下为一般情况下为实际气体实际气体，使用图表分析，使用图表分析FF18181818世纪，蒸汽机的发明，水蒸气是唯一工质。世纪，蒸汽机的发明，水蒸气是唯一工质。世纪，蒸汽机的发明，水蒸气是唯一工质。世纪，蒸汽机的发明，水蒸气是唯一工质。FF直到直到直到直到19191919世纪，内燃机发明，才有燃气工质。世纪，内燃机发明，才有燃气工质。世纪，内燃机发明，才有燃气工质。世纪，内燃机发明，才有燃气工质。FF目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖、化工的目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖、化工的目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖、化工的目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖、化工的常用工质。常用工质。常用工质。常用工质。FF优点：优点：优点：优点：膨胀性能好，流动性好，热力性能稳定，膨胀性能好，流动性好，热力性能稳定，膨胀性能好，流动性好，热力性能稳定，膨胀性能好，流动性好，热力性能稳定，便宜，易得，无毒，传热性能好。便宜，易得，无毒，传热性能好。便宜，易得，无毒，传热性能好。便宜，易得，无毒，传热性能好。FF是其它实际气体的代表。是其它实际气体的代表。是其它实际气体的代表。是其它实际气体的代表。实际气体实际气体水蒸气水蒸气2水蒸气在空气中含量极小，当作理想气体处理一般情况下为实际气体本章主要内容本章主要内容l水蒸气的饱和状态水蒸气的饱和状态l水蒸气的定压产生过程水蒸气的定压产生过程l水蒸气的热力性质图表水蒸气的热力性质图表l水蒸气的基本热力过程水蒸气的基本热力过程3本章主要内容水蒸气的饱和状态35-1 5-1 水蒸气的饱和状态水蒸气的饱和状态一、汽化：一、汽化：液态液态液态液态汽态汽态汽态汽态2 2、沸腾沸腾在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化现象。现象。1 1、蒸发蒸发在液体表面缓慢进行的汽化现象。在液体表面缓慢进行的汽化现象。F汽化方式有两种：汽化方式有两种：1 1）蒸发，）蒸发，2 2）沸腾。）沸腾。（如锅炉（如锅炉（如锅炉（如锅炉水冷壁水冷壁水冷壁水冷壁中水的汽化过程）中水的汽化过程）中水的汽化过程）中水的汽化过程）l 特点：特点：特点：特点：它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于液它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于液它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于液它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于液体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。l 特点：特点：特点：特点：有汽泡产生；在一定的压力下有汽泡产生；在一定的压力下有汽泡产生；在一定的压力下有汽泡产生；在一定的压力下，液体沸腾时的温液体沸腾时的温液体沸腾时的温液体沸腾时的温度（度（度（度（沸点沸点沸点沸点）是一定的。）是一定的。）是一定的。）是一定的。45-1 水蒸气的饱和状态一、汽化：液态汽态2、沸腾在液发生位置发生条件发生现象发生速度表面表面 表面和内部表面和内部 任何温度任何温度 一定温度一定温度 无汽泡无汽泡 有汽泡有汽泡 蒸发蒸发 沸腾沸腾 慢慢 快快蒸发和沸腾的比较蒸发和沸腾的比较火电厂锅炉中水的汽化采用的是哪种方式？火电厂锅炉中水的汽化采用的是哪种方式？沸沸 腾腾5发生位置发生条件发生现象发生速度表面 表面和内部 任二、凝结（液化）二、凝结（液化）l定义：定义：物质从汽态转变成液态的过程，称为液化。物质从汽态转变成液态的过程，称为液化。（如火电厂（如火电厂（如火电厂（如火电厂凝汽器凝汽器凝汽器凝汽器中的排汽凝结成水的过程）中的排汽凝结成水的过程）中的排汽凝结成水的过程）中的排汽凝结成水的过程）l特点：特点：在一定压力下，蒸汽的温度（低）等于沸在一定压力下，蒸汽的温度（低）等于沸点时，才可能出现凝结。点时，才可能出现凝结。5-1 5-1 水蒸气的饱和状态水蒸气的饱和状态F液化和汽化是物质相态变化的两种相反过程，实液化和汽化是物质相态变化的两种相反过程，实液化和汽化是物质相态变化的两种相反过程，实液化和汽化是物质相态变化的两种相反过程，实际上，在密闭容器内进行的汽化过程，总是伴随液际上，在密闭容器内进行的汽化过程，总是伴随液际上，在密闭容器内进行的汽化过程，总是伴随液际上，在密闭容器内进行的汽化过程，总是伴随液化过程同时进行。化过程同时进行。化过程同时进行。化过程同时进行。6二、凝结（液化）定义：物质从汽态转变成液态的过程，称为液化。三、饱和状态三、饱和状态l饱和水：饱和水：饱和状态下的水饱和状态下的水;l饱和蒸汽：饱和蒸汽：饱和状态下的水蒸汽。饱和状态下的水蒸汽。定义：定义：定义：定义：液体在有限密闭空间内汽化液体在有限密闭空间内汽化液体在有限密闭空间内汽化液体在有限密闭空间内汽化,同时也有液化同时也有液化同时也有液化同时也有液化,当当当当汽化速度与液化速度相等汽化速度与液化速度相等汽化速度与液化速度相等汽化速度与液化速度相等,即汽液两相达到即汽液两相达到即汽液两相达到即汽液两相达到动态动态动态动态平衡平衡平衡平衡,这种状态称为饱和状态。这种状态称为饱和状态。这种状态称为饱和状态。这种状态称为饱和状态。t t s sp p s s饱和水饱和水饱和水饱和水饱和蒸汽饱和蒸汽饱和蒸汽饱和蒸汽饱饱饱饱和和和和状状状状态态态态示示示示意意意意图图图图5-1 5-1 水蒸气的饱和状态水蒸气的饱和状态7三、饱和状态饱和水：饱和状态下的水;定义：液体在有限密闭空 饱和状态参数饱和状态参数l饱和压力：饱和压力：在饱和状态下的水和水蒸汽的压力在饱和状态下的水和水蒸汽的压力pS l饱和温度饱和温度：在饱和状态下的水和水蒸汽的温度在饱和状态下的水和水蒸汽的温度tS 饱和状态的特点：饱和状态的特点：汽水共存；汽水共存；汽水同温；汽水同温；饱和压力与饱和温度饱和压力与饱和温度成一一对应关系成一一对应关系.5-1 5-1 水蒸气的饱和状态水蒸气的饱和状态 t t s sp p s s8 饱和状态参数饱和压力：在饱和状态下的水和水蒸汽的压力pS lps上升，上升，ts上升上升lts上升，上升，ps上升上升F如青藏高原：如青藏高原：如青藏高原：如青藏高原：ps=0.06MPats=85.95 饱和压力饱和压力饱和温度饱和温度一一对应一一对应0.005MPa1atm1MPa20MPa水水水水32.88 100 179.88 365.71 使水汽化的方法：使水汽化的方法：使水汽化的方法：使水汽化的方法：1 1 1 1）加热升温；）加热升温；）加热升温；）加热升温；2 2 2 2）降压扩容。）降压扩容。）降压扩容。）降压扩容。饱和温度与饱和压力的关系饱和温度与饱和压力的关系9ps上升，ts上升如青藏高原：ps=0.06MPats=85-2 5-2 水蒸气的定压产生过程水蒸气的定压产生过程105-2 水蒸气的定压产生过程10过热阶段过热阶段过热阶段过热阶段水蒸气的定压产生过程水蒸气的定压产生过程水蒸气的定压产生过程水蒸气的定压产生过程汽化阶段汽化阶段汽化阶段汽化阶段预热阶段预热阶段预热阶段预热阶段未饱和水未饱和水未饱和水未饱和水饱和水饱和水饱和水饱和水湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽一、水蒸气的定压产生过程一、水蒸气的定压产生过程5-2 5-2 水蒸气的定压产生过程水蒸气的定压产生过程（省煤器）（省煤器）（省煤器）（省煤器）（水冷壁）（水冷壁）（水冷壁）（水冷壁）（过热器）（过热器）（过热器）（过热器）11过热阶段水蒸气的定压产生过程汽化阶段预热阶段未饱和水饱和水湿未饱和水（过冷水）未饱和水（过冷水）未饱和水（过冷水）未饱和水（过冷水）饱和水饱和水饱和水饱和水1、预热阶段参数变化特点预热阶段参数变化特点注意比较注意比较v v0 0和和v v的大小！的大小！12未饱和水（过冷水）饱和水1、预热阶段参数变化特点注意比较v0饱和水饱和水饱和水饱和水注意比较注意比较v v和和v v的大小！的大小！湿（饱和）蒸汽湿（饱和）蒸汽湿（饱和）蒸汽湿（饱和）蒸汽干（饱和）蒸汽干（饱和）蒸汽干（饱和）蒸汽干（饱和）蒸汽为什么水的汽化阶段除了压力不变，温度也保持不变呢为什么水的汽化阶段除了压力不变，温度也保持不变呢为什么水的汽化阶段除了压力不变，温度也保持不变呢为什么水的汽化阶段除了压力不变，温度也保持不变呢？2、汽化阶段参数变化特点汽化阶段参数变化特点13饱和水注意比较v和v的大小！湿（饱和）蒸汽干（饱和）蒸汽l干度干度x：湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。F显然：显然：x+y=1x+y=1；湿蒸汽：湿蒸汽：0 x10 x1；饱和水的饱和水的x=0 x=0；干蒸汽的干蒸汽的x=1x=1 l湿度湿度y y：湿蒸汽中饱和水所占的质量百分比。湿蒸汽中饱和水所占的质量百分比。湿蒸汽中饱和水所占的质量百分比。湿蒸汽中饱和水所占的质量百分比。m mv vm mW W湿蒸汽的干度湿蒸汽的干度14干度x：湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。显然：x+y=1干饱和蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽过热度：过热度：过热度：过热度：D=t-ts3、过热阶段参数变化特点过热阶段参数变化特点15干饱和蒸汽过热蒸汽过热度：D=t-ts3、过热阶段参水蒸气定压产生过程中热量的计算水蒸气定压产生过程中热量的计算1.1.水的定压预热阶段：水的定压预热阶段：a aT Ts s液体热液体热液体热液体热2.2.饱和水的定压汽化过程：饱和水的定压汽化过程：汽化潜热汽化潜热汽化潜热汽化潜热3.3.干蒸汽的定压过热过程：干蒸汽的定压过热过程：过热热过热热过热热过热热b bd de e整个水蒸气产生过程吸热量整个水蒸气产生过程吸热量整个水蒸气产生过程吸热量整个水蒸气产生过程吸热量(1kg(1kg(1kg(1kg水水水水)：kJ/kgkJ/kg16水蒸气定压产生过程中热量的计算1.水的定压预热阶段：aTs液水蒸气的定压产生过程在水蒸气的定压产生过程在水蒸气的定压产生过程在水蒸气的定压产生过程在p-vp-vp-vp-v图与图与图与图与T-sT-sT-sT-s图上的表示图上的表示图上的表示图上的表示：FF结论结论结论结论：水蒸气的定压产生过程依次经历水蒸气的定压产生过程依次经历水蒸气的定压产生过程依次经历水蒸气的定压产生过程依次经历三个阶段、五种状态三个阶段、五种状态三个阶段、五种状态三个阶段、五种状态。从。从。从。从p-vp-vp-vp-v图可以看出，图可以看出，图可以看出，图可以看出，v v v v0 0 0 0vvvvvvvvx x x xvvvvvvvtst=115tst=115tst=115ts，表明水泵进口水已沸腾汽化，还稍，表明水泵进口水已沸腾汽化，还稍，表明水泵进口水已沸腾汽化，还稍，表明水泵进口水已沸腾汽化，还稍为有点过热。（汽蚀现象）为有点过热。（汽蚀现象）为有点过热。（汽蚀现象）为有点过热。（汽蚀现象）35例题分析 例5-2 已知：水泵进口pg=0.05MPa，t例题分析例题分析 例例5-3 5-3 某汽轮机排汽压力为某汽轮机排汽压力为p=10kPap=10kPa，x=0.92x=0.92，试计算该蒸，试计算该蒸汽至凝汽器凝结前后的比体积之比为多少？汽至凝汽器凝结前后的比体积之比为多少？解：解：解：解：根据已知条件可知，汽轮机根据已知条件可知，汽轮机排汽状态为湿饱和蒸汽。排汽状态为湿饱和蒸汽。排汽状态为湿饱和蒸汽。排汽状态为湿饱和蒸汽。查附表六，得查附表六，得查附表六，得查附表六，得v=0.0010102mv=0.0010102mv=0.0010102mv=0.0010102m3 3 3 3/kg/kg/kg/kg，v=14.676mv=14.676mv=14.676mv=14.676m3 3 3 3/kg/kg/kg/kg故故故故则乏汽凝结前后的比体积之比为则乏汽凝结前后的比体积之比为则乏汽凝结前后的比体积之比为则乏汽凝结前后的比体积之比为 可见，乏汽凝结后，比体积缩小到原来的可见，乏汽凝结后，比体积缩小到原来的可见，乏汽凝结后，比体积缩小到原来的可见，乏汽凝结后，比体积缩小到原来的1/133661/133661/133661/13366，这就是凝汽器真空产生的根本原因。这就是凝汽器真空产生的根本原因。这就是凝汽器真空产生的根本原因。这就是凝汽器真空产生的根本原因。36例题分析 例5-3 某汽轮机排汽压力为p=10kPa，x=例题分析例题分析 例例5-4 5-4 已知锅炉压力为已知锅炉压力为p=10MPap=10MPa，进口工质温度为，进口工质温度为t t1 1=240=240，出口出口t t2 2=500=500，试确定进、出口工质状态和，试确定进、出口工质状态和v v、h h、s s。解：解：解：解：根据根据根据根据p=10MPap=10MPap=10MPap=10MPa，查得，查得，查得，查得ts=311.037.ts=311.037.ts=311.037.ts=311.037.（1 1 1 1）进口：）进口：）进口：）进口：t t t t1 1 1 1=240=240=240=240 tststststststs，为过热蒸汽状态。，为过热蒸汽状态。，为过热蒸汽状态。，为过热蒸汽状态。查附表七，得查附表七，得查附表七，得查附表七，得37例题分析 例5-4 已知锅炉压力为p=10MPa，进口工质 l l定定定定焓焓焓焓线线线线群群群群一一一一组组组组水水水水平平平平线线线线（用用用用蓝蓝蓝蓝色色色色表表表表示）示）示）示）l l定定定定熵熵熵熵线线线线群群群群一一一一组组组组垂垂垂垂直直直直线线线线（用用用用蓝蓝蓝蓝色色色色表表表表示）示）示）示）l l定压线群定压线群定压线群定压线群在在在在h-sh-sh-sh-s图上呈发散分布。图上呈发散分布。图上呈发散分布。图上呈发散分布。湿蒸汽区内，定压线为一簇斜率不同的湿蒸汽区内，定压线为一簇斜率不同的湿蒸汽区内，定压线为一簇斜率不同的湿蒸汽区内，定压线为一簇斜率不同的直线；在过热蒸汽区，定压线趋于陡峭。直线；在过热蒸汽区，定压线趋于陡峭。直线；在过热蒸汽区，定压线趋于陡峭。直线；在过热蒸汽区，定压线趋于陡峭。（用（用（用（用黑色黑色黑色黑色表示）表示）表示）表示）l l定温线群定温线群定温线群定温线群湿蒸汽区内，与定压线湿蒸汽区内，与定压线湿蒸汽区内，与定压线湿蒸汽区内，与定压线重合；在过热蒸汽区，与定压线自干蒸重合；在过热蒸汽区，与定压线自干蒸重合；在过热蒸汽区，与定压线自干蒸重合；在过热蒸汽区，与定压线自干蒸汽线处分开后逐渐趋于平坦。（用汽线处分开后逐渐趋于平坦。（用汽线处分开后逐渐趋于平坦。（用汽线处分开后逐渐趋于平坦。（用红色红色红色红色表示）表示）表示）表示）l l定容线群定容线群定容线群定容线群走向与定压线相似，但走向与定压线相似，但走向与定压线相似，但走向与定压线相似，但比定压线稍陡。（用比定压线稍陡。（用比定压线稍陡。（用比定压线稍陡。（用绿色绿色绿色绿色表示）表示）表示）表示）l l定干度线群定干度线群定干度线群定干度线群一组干度等于常数的一组干度等于常数的一组干度等于常数的一组干度等于常数的曲线。（用曲线。（用曲线。（用曲线。（用红色红色红色红色表示）表示）表示）表示）二、水蒸气的焓熵图（二、水蒸气的焓熵图（h-sh-s图）图）1.h-s1.h-s图构成：图构成：注意注意注意注意：xxxx0.0.0.0.6 6 6 6的区域图线过的区域图线过的区域图线过的区域图线过密，工程中也不经常使用这密，工程中也不经常使用这密，工程中也不经常使用这密，工程中也不经常使用这部分数据，所以实用部分数据，所以实用部分数据，所以实用部分数据，所以实用h-sh-sh-sh-s图图图图上不包括这一区域。上不包括这一区域。上不包括这一区域。上不包括这一区域。38 定焓线群一组水平线（用蓝色表示）二、水蒸2.h-s2.h-s图使用：图使用：（1 1 1 1）查取状态参数：）查取状态参数：）查取状态参数：）查取状态参数：查湿蒸汽参数：如查湿蒸汽参数：如查湿蒸汽参数：如查湿蒸汽参数：如p p p p1 1 1 1与与与与x x x x1 1 1 1相相相相交；交；交；交；查干蒸汽参数：如查干蒸汽参数：如查干蒸汽参数：如查干蒸汽参数：如p p p p2 2 2 2与与与与x=1x=1x=1x=1相相相相交；交；交；交；查过热蒸汽参数：如查过热蒸汽参数：如查过热蒸汽参数：如查过热蒸汽参数：如p p p p3 3 3 3与与与与t t t t3 3 3 3相交。相交。相交。相交。（2 2 2 2）分析并计算水蒸气的热力过程）分析并计算水蒸气的热力过程）分析并计算水蒸气的热力过程）分析并计算水蒸气的热力过程（见（见（见（见5-45-45-45-4节）节）节）节）392.h-s图使用：（1）查取状态参数：（2）分析并计算水蒸气5-45-4 水蒸气的基本热力过程水蒸气的基本热力过程分析目的：分析目的：（同理想气体）（同理想气体）水蒸气性质与理想气体性质的主要差异：水蒸气性质与理想气体性质的主要差异：水蒸气状态参数的确定是依靠水蒸气的热力性质图表；水蒸气状态参数的确定是依靠水蒸气的热力性质图表；水蒸气的比热容、热力学能和焓不再是温度的单值函数。水蒸气的比热容、热力学能和焓不再是温度的单值函数。分析步骤：分析步骤：根据过程特点和已知的初、终态参数在根据过程特点和已知的初、终态参数在h-sh-s图上画出过图上画出过程线，利用水蒸气图表查出未知的初、终态参数；程线，利用水蒸气图表查出未知的初、终态参数；利用热力学第一定律计算热量和功量。利用热力学第一定律计算热量和功量。405-4 水蒸气的基本热力过程分析目的：（同理想气体）水蒸 定压过程定压过程已知：已知：初态初态1 1（p p1 1，x x1 1），定压加热到），定压加热到t t2 2。分析：分析：在在h-sh-s图上作出定压加热过程线图上作出定压加热过程线1-21-2；能量计算：能量计算：41 定压过程已知：初态1（p1，x1），定压加热到t2。绝热（定熵）过程绝热（定熵）过程已知：已知：初态初态1 1（p p1 1，t t1 1），定熵膨胀到），定熵膨胀到p p2 2。分析：分析：在在h-sh-s图上作出定熵膨胀过程线图上作出定熵膨胀过程线1-21-2；能量计算：能量计算：42 绝热（定熵）过程已知：初态1（p1，t1），定熵膨胀汽轮机的实际绝热膨胀过程汽轮机的实际绝热膨胀过程n理想膨胀过程理想膨胀过程1-21-2n实际膨胀过程实际膨胀过程1-21-2反映汽轮机中水蒸气实际绝热膨胀作功过程的不可逆程度反映汽轮机中水蒸气实际绝热膨胀作功过程的不可逆程度反映汽轮机中水蒸气实际绝热膨胀作功过程的不可逆程度反映汽轮机中水蒸气实际绝热膨胀作功过程的不可逆程度43汽轮机的实际绝热膨胀过程理想膨胀过程1-2反映汽轮机中水蒸气课堂练习课堂练习教材教材P99.P99.习题习题3-13-1、3-53-5（前（前1 1问）问）44课堂练习教材P99.习题3-1、3-5（前1问）44自然循环原理示意图自然循环原理示意图45自然循环原理示意图45锅锅 炉炉 类类 型型46锅 炉 类 型46锅炉受热面锅炉受热面安安装装中中省省煤煤器器屏屏式式过过热热器器安安装装中中水水冷冷壁壁47锅炉受热面安装中省煤器屏式过热器安装中水冷壁47自然循环汽包炉结构简图自然循环汽包炉结构简图48自然循环汽包炉结构简图48蒸汽的凝结蒸汽的凝结49蒸汽的凝结495050