工程热力学与传热学水蒸气课件.ppt
第十章 水蒸汽,水蒸汽基本概念水蒸汽的定压产生过程水蒸气热力性质图表水蒸汽的基本热力过程,本章基本要求,教学目标：了解工程实际中，水蒸气的产生及使用状况。知识点：水蒸气的定压发生过程；水蒸气表和图；水蒸气的基本热力过程。重 点： 水的定压汽化过程和学会使用水蒸气的p-v图及T-s图、 h-s图难 点： 水蒸气是实际气体，只能通过查热力学性质图表进行各种热力过程的计算。,实际气体-水蒸汽,水蒸汽,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，蒸汽机的发明，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，热力性能稳定, 膨胀性能好，传热性能好，流动性好。是其它实际气体的代表。,第一节 基本概念,一、汽化：物质从液态转变成汽态的过程，称为汽化。 在蒸汽循环中，给水进入锅炉后变成饱和或过热蒸汽的过程就是汽化过程。 汽化方式有两种：1）蒸发； 2）沸腾。使水汽化的方法：1）加热升温；2）降压扩容。,如：给水泵入口汽蚀问题？,第一节 基本概念,1、蒸发在液体表面进行的汽化现象。特点：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。如冷却塔中冷却水的蒸发。,冷却塔中水的蒸发,2、沸腾,沸腾在液体内部进行的汽化现象。工业上大都用此方法获得蒸汽。特点：有汽泡产生；在一定的压力下，液体沸腾时的温度（沸点）是一定的。如：在1标准大气压下，水的沸点是l00，酒精的沸点为78；而在1MPa时 水的沸点为179.88,在20MPa时 水的沸点为365.71。,二、凝结（液化）,概念：物质从汽态转变成液态的过程，称为液化.特点：在一定压力下，蒸汽的温度（低）等于沸点时，才可能出现凝结。使凝结的方法： 1）定压降温冷却；2）升压 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，总是伴随液化过程同时进行。,挥发主要强调蒸发的速度快慢，而且是常温下。比如浓盐酸具有挥发性，就是说常温常压下，浓盐酸会迅速大量蒸发出HCl气体。,蒸发主要强调从液体变气体的过程，任何液体任何温度都存在蒸发现象,蒸发与挥发,三、饱和状态,这时液体与蒸汽处于动态平衡状态，称为饱和状态,1、饱和状态：汽、液两相达到动态平衡的状态。,三、饱和状态,2、饱和状态的特点：1）汽液共存，2）汽液同温，3）饱和压力p s和饱和温度t s成一一对应关系。,3、饱和压力与饱和温度,饱和压力：在饱和状态下的水和水蒸汽的压力PS饱和温度：在饱和状态下的水和水蒸汽的温度tS,ts上升， ps上升； ps上升， ts上升。结论：一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。,3、饱和压力与饱和温度,青藏 ps=0.6bar,ts=85.95 ,高压锅 ps=1.6bar,ts=113.32 ,饱和压力,饱和温度,一一对应,过热阶段,水蒸汽的定压产生过程,汽化阶段,预热阶段,未饱和水,饱和水,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,一、水蒸汽的定压产生过程,tts,tts,t=ts,t=ts,t=ts,第二节 水蒸汽的定压产生过程,水蒸汽的定压产生过程参数变化特点,t ts,t = ts,t = ts,t = ts,t ts,v 0 v,v = v,v = v,v vx v,v v,未饱和水,饱和水,湿蒸汽,干蒸汽,过热蒸汽,h0 h,h = h,h = h,h hx h,h h,s0 s,s = s,s = s,s s xs,s s,v ,h,s,五个状态: 未饱和水a饱和水b湿饱和水蒸汽c干饱和水蒸汽d 过热水蒸汽e。,三个阶段 ： 预热阶段a-b：t0未饱和水ts饱和水。t，v。汽化阶段b-d：ts饱和水 ts干饱和水蒸汽。v， t和p均不变。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。过热阶段d-e：ts干饱和水蒸汽 t过热水蒸汽。t，v。,未饱和水（过冷水）,饱和水,注意比较v0和v的大小！,这个阶段所需的热量称为液体热 ql,1、预热阶段,过冷度t=t-ts,饱和水,注意比较v和v的大小！,湿（饱和）蒸汽,干（饱和）蒸汽,为什么水的汽化阶段压力不变，温度也保持不变呢？,这个阶段所需的热量称为汽化潜热:r=h-h,2、汽化阶段,干度x：湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。,显然： x+y=1 饱和水的x=0; 干蒸汽的x=1,湿度y：湿蒸汽中饱和水所占的质量百分比。,湿蒸汽的干度和湿度,干饱和蒸汽,过热蒸汽,过热度：D = t - ts,这个阶段所需的热量称为过热热: qs=h-h过热度：D=t-ts,3、过热阶段,水的定压预热阶段：,a,T,s,液体热,饱和水的定压汽化过程：,汽化潜热,干蒸汽的定压过热过程：,过热热 qs=h-h,b,c,d,e,整个水蒸汽产生过程吸热量(1kg水)：,4、水蒸汽定压产生过程总吸热量,二、水蒸汽的p-v与T-s图,二、水蒸汽的p-v与T-s图,二线（均为饱和曲线）下界线（饱和水线）CM上界线（干饱和蒸汽线）CN三个区域:液态区(下界线左侧)、湿蒸汽区(饱和曲线内)、汽态区(上界线右侧)。,一点:临界点c:上、下界线的交点.,将各种压力下水蒸气的定压产生过程线集中表示在p-v图和T-s图上而得到。,s,T,水、汽差别消失，汽化在瞬间完成，汽化热为零；在临界温度以上，单纯压缩不能使其液化（即tc是最高的饱和温度）；在临界压力及以上加热时，当达到临界温度时汽化在瞬间完成（即水的定压加热过程只有两个阶段）,水蒸气的临界参数为：临界点的各状态参数,临界点C的特点,临界压力临界温度临界比容,水的pt相图,固液,液体,固体,三相点,蒸汽,固汽,液汽,C,p,t,气体,（汽化曲线）,（熔解曲线）,（升华曲线）,临界点,611.2Pa,0.01,22.115MPa,374,小 结,T,一点:临界点; 二线:饱和水线、干饱和蒸汽线;三区:未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区;五态:未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽.,v,p,s,T,安德鲁试验结果,一点,两线,三区,五态,一点,物质的临界点,两线,饱和蒸汽状态连线（上界限线）饱和液体状态连线（下界限线）,三区,汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域,液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域,湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域,五态,过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。,饱和蒸汽：一定压力下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。,湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。,饱和液体：一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。,未饱和液体：一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。,饱和线、三相线和临界点,p,v,饱和气线,三相线,饱和液线,饱和固线,T,临界点,一点,两线,三区,五态,思 考 题,1. 有没有400的水？,2. 有没有0的水蒸汽？,3. 有没有1的冰？,4. 会有600Pa的液态水存在吗?,答案：1.没有；2.有；3.没有；4.没有.,思考题,没有。t374.16 ,有,2. 有没有500C的水？,1. 北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相,3. 有没有-3 的水蒸气？,4. 一密闭容器内有水的汽液混合物，对其 加热，是否一定能变成水蒸气？,第三节 水蒸气表和hs图,常用的水蒸气热力性质表有两种： 饱和水与饱和水蒸汽表,以温度为序，附表3,以压力为序，附表4,未饱和水与过热蒸汽表，附表5,水和水蒸气状态参数确定的原则,3、未饱和水及过热蒸汽,确定任意两个独立参数，如：p、T,1、饱和水和干饱和蒸汽,确定p或T,2、湿饱和蒸汽,除p或T外，其它参数与两相比例(干度) 有关,饱和参数的确定,饱和水,饱和水,干蒸汽,干蒸汽,饱和水和饱和蒸汽,P168附表3（按温度排列）,饱和水和饱和蒸汽,P171附表4（按压力排列）,湿蒸汽参数的确定,由于湿饱和蒸汽实质上是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，因此其热力学能、焓、熵及容积可表示为,引入干度的关系式，可得,即，如已知湿饱和蒸汽干度x，即可利用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿饱和蒸汽的相应状态参数的数值。,未饱和水和过热蒸汽表的应用,已知压力和温度查其它状态参数。注意：粗黑线上方为未饱和水的参数，粗黑线下方为过热蒸汽的参数。,已知压力和温度,比体积： v焓： h熵： s汽化潜热： r,查附表五,未饱和水或过热蒸汽的参数,未饱和水和过热蒸汽表（节录）,三、计算步骤,1、先确定状态,已知（p，t）,已知（p，v）,2、根据状态查相应的图或表，湿蒸汽查饱和水与饱和蒸汽表，再利用干度公式求出。,3、热力学能利用公式u=h-pv求得。,t ts 饱和水、饱和蒸气,（x1,y1）,（x,y）,（x2,y2）,X,Y,热力学性质表很简单，它是把热力学性质以一一对应的表格形式表示出来，其特点表现在：对确定点数据准确，但对非确定点需要内插计算，一般用直线内插。,直线内插法,例 P=0.5Mpa，v=0.36m3/kg，确定状态，并求出温度、比焓、比热力学能和比熵。,查饱和水与饱和蒸汽表 ts=151.867C，v=0.0010925m3/kg，v”=0.37486m3/kg,解：,湿蒸汽,h=640.35kJ/kg，h”=2748.59kJ/kgs=1.8610kJ/(kgK)，s”=6.8214kJ/(kgK),例题分析,例:已知：水泵进口pg=0.05MPa，t=115， 设pb=0.1MPa.试判断水泵进口水汽化没有？,解:根据p=pg+pb=0.15MPa，查得ts=111.378.,而t=115ts，表明水泵进口水已沸腾汽化，还稍为有点过热。（汽蚀现象）,例题分析,例:已知锅炉压力为p=10MPa，进口工质温度为t1=240，出口t2=500，试确定进、出口工质状态和v、h、s。,解:根据p=10MPa，查得ts=311.037.,（1）进口： t1=240 ts，为未饱和水状态。,（2）出口： t2=500 ts，为过热蒸汽状态。,查附表，得,二、焓熵图（h-s图）,1、h-s图的结构：C临界点，x0线，x1线；定压线、定温线和定容线，在饱和区内还有定干度线。,定焓线群一一组水平线定熵线群一一组垂直线定压线群在h-s图上呈发散分布。湿蒸汽区内，定压线为一簇斜率不同的直线；在过热蒸汽区，定压线趋于陡峭定温线群湿蒸汽区内，与定压线重合；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定容线群走向与定压线相似，但比定压线稍陡。定干度线群一组干度等于常数的曲线,焓 熵 图,h,s,C,x=1,x=0,h-s图,h轴1小格代表5kJ/kg；s轴1小格代表0.01kJ/(kg.K).,（1）查取状态参数： 查干蒸汽参数：如p与x=1相交； 查湿蒸汽参数：如p与x相交； 查过热蒸汽参数：如p与t相交。,（2）分析并计算水蒸气的热力过程,2、h-s图使用,例题分析,例：应用h-s图确定下列水蒸气的h、s、v： （1）p1=1MPa，x1=0.95； （2）t2=250的干蒸汽； （3）p3=13MPa，t3=535.,解: 查h-s图，得 （1）h1=2675kJ/kg，s1=6.36kJ/(kg.K)，v1=0.185m3/kg； （2）h2=2800kJ/kg，s2=6.07kJ/(kg.K)，v2=0.05m3/kg； （3）h3=3435kJ/kg，s3=6.56kJ/(kg.K)，v3=0.026m3/kg.,第四节 水蒸气的热力过程,分析水蒸气热力过程的目的确定过程的能量转换关系，包括w、q以及u和h等。因此，需确定状态参数的变化。 确定过程的能量转换关系的依据为热力学第一、二定律：,可用水蒸气表及图，依照过程的特点来确定各状态的参数。,一、定容过程 v1=v2,于是可得：,二、定压过程 p1=p2,于是可得：,三、定温过程 T1=T2,于是可得：,四、定熵过程 s1=s2,于是可得：,第五节 朗肯循环,简单蒸汽动力装置的主要热力设备：蒸汽锅炉、汽轮机、给水泵和冷凝器。 蒸汽动力装置的工作循环可以理想化为由两个可逆定压过程和两个可逆绝热过程组成的理想循环。,即 0-1定压吸热过程， 1-2绝热膨胀过程， 2-3定压放热过程， 3-4绝热加压过程。该循环称为朗肯循环，也称为简单蒸汽动力装置循环。,朗肯循环热效率分析,循环工质吸热 q1h1h0工质放热汽轮机所作轴功 (ws,T)1-2h1h2水泵耗功 循环净功朗肯循环热效率水泵耗功很少，约占汽轮机轴功的2%，可忽略，即认为 则朗肯循环的热效率可近似地表示为,一、提高蒸汽初温对热效率的影响,设初压p1const，乏汽压力p2const, T1 T1 (Tm1 Tm1 ) 。 过程2-3和原过程2-3放热温度相同，即 Tm2 Tm2 T2,于是，由等效卡诺循环的热效率公式t1(T2/Tm1)可知，蒸汽初温由T1提高到T1时，朗肯循环的热效率提高。 此外，当蒸汽的初温提高时，如果蒸汽的初压不变，绝热膨胀终了状态比原状态2有较大的干度。乏汽的干度增大说明乏汽中含有的水分减少，这有利于减少汽轮机内部的功耗散，也有利于改善汽轮机叶片的工作条件。但另一方面，为提高蒸汽的初温，则要求锅炉过热器所用材料具有较好的耐热性。,二、提高蒸汽初压对热效率的影响,设初温T1 const，乏汽压力p2 const。p1p1(Tm1 Tm1 ) 。 过程2-3和原过程2-3放热温度相同，即 Tm2 Tm2 T2,于是，根据等效卡诺循环的热效率公式t1(T2/Tm1)可知，提高蒸汽初压p1，可使朗肯循环的热效率提高。 当提高蒸汽的初压时，如果蒸汽的初温不变，则绝热膨胀终了状态2比原状态2有较小的干度。干度减小说明乏汽中含有的水分增加，这会引起汽轮机内部的耗散增加。特别是干度较低而水分过多时，由于水滴的冲击，汽轮机叶片的表面受破坏，甚至引起叶片振动，影响叶片的使用寿命。因此，一般同时提高蒸汽的初温及初压，既能提高热效率，又能保证汽轮机内部良好的工作条件,三、降低乏汽压力对热效率的影响,设初温T1const，初压p1const 降低乏汽的压力p2与乏汽压力相应的饱和温度也随着降低，放热过程2-3要比原过程2-3有较低的放热温度，即T2T2。虽然这时加热过程的起点T0也降低为T0，但它对整个加热过程的平均加热温度影响很小。 因而，由等效卡诺循环的热效率公式可知，降低乏汽的压力p2，可以提高朗肯循环的热效率。 乏汽的凝结温度主要取决于自然环境中冷却介质的温度。当乏汽的凝结温度降低到28时，乏汽的压力相应地降低为0.0039MPa左右。,10-1 若以饱和状态下的湿饱和蒸汽为工质进行一个卡诺循环，试分析对比具有相同的蒸汽初压及乏汽压力时，卡诺循环和朗肯循环在理论热效率及实际可用性方面何者优越？ 10-2 蒸汽动力装置中，乏汽在冷凝器中向冷却水放出的热量比装置输出的轴功要大得多。如设想直接利用压缩机把乏汽加压后送回锅炉，这样做岂不是可节省许多燃料而提高装置的热效率了吗？试分析这种想法错在哪里？ 10-3 蒸汽动力装置再热循环具有比朗肯循环高的热效率，试说明其实质所在。 10-4 蒸汽动力装置回热循环具有比朗肯循环高的热效率，试说明其实质所在。,思 考 题,
