工程熱力學(xué)水蒸氣教案

1、1)第七章水蒸汽)水蒸氣是工程上應(yīng)用較廣泛的一種工質(zhì)，例如蒸汽動力裝置、壓氣式制冷裝置都是以水蒸氣作為工質(zhì)來實現(xiàn)熱能一；機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的。這些動力裝置也可用燃?xì)?或其他工質(zhì)代替，那為什么要用水蒸汽呢？原因如下)1 1、水蒸氣容易獲得，只要通過水的定性加熱即可獲得。)2 2、有事宜的熱力狀態(tài)參數(shù)，靠卡諾循環(huán)、朗肯循環(huán))3 3、不會污染環(huán)境)由于水蒸汽處于離液態(tài)較近的狀態(tài)，常有集態(tài)現(xiàn)象而且，物理性質(zhì)也很復(fù)雜，所以不能把它看作是理想氣體，理想氣體的狀態(tài)方程式以及由它推導(dǎo)的其他計算公 式一般都不能用來分析和計算水蒸汽。所以必須對水蒸汽的性質(zhì)另行研究。)這章重點研究：1 1、水蒸汽產(chǎn)生的一般原理)2 2

2、、水蒸汽狀態(tài)參數(shù)確立)3 3、水蒸汽圖表的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用)4 4、計算水蒸汽熱力過程中的q,w)7 71 1 基本概念和術(shù)語)1 1、汽化：物質(zhì)有液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程。)/蒸發(fā)：在液態(tài)表面上進(jìn)行的汽化過程，在任何溫度下進(jìn)行) 汽化的形式沸騰：在液體內(nèi)部和表面同時進(jìn)行劇烈的汽化現(xiàn)象。沸騰時溫度.保持不變解釋：蒸發(fā)在任何溫度下都可進(jìn)行，它是由于液體表面總有一些能量較高的分子，克服臨近分子的引力而脫離葉面，逸入液體外的空間，t t 越高，能量較大的分子越多，蒸發(fā)愈激烈，汽化速度取決于溫度。沸騰時，實在液體內(nèi)部產(chǎn)生大量的汽泡。汽泡上升到液面，破裂而放出大量的蒸汽， 工業(yè)上用的蒸汽都是通過沸騰的方式獲得，液

3、體在沸騰時溫度不變，雖加熱也保持不變，且液體和氣體的溫度相同。沸騰時的溫度叫沸點。ts二f (p)2 2、 液化：蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的現(xiàn)象，液化和汽化時相反的過程，他取決于(p)(p)3 3、 飽和狀態(tài)：當(dāng)液體和蒸汽處于動平衡的狀態(tài)解釋：當(dāng)液體在有限的密閉空間里汽化時，不僅液體表面的液體分子蒸發(fā)到空間去，而空間的蒸汽分子也會因分子密度大，壓力增大，撞擊到液體表面回到液體中，當(dāng)液面上空的蒸汽分子密度達(dá)到一定程度時，在單位時間內(nèi)逸出液面和回到液面的分 子數(shù)相等時，蒸汽和液體的無量保持不變，汽、液兩相處于動平衡狀態(tài)。4 4、 飽和溫度：當(dāng)汽體和液體處于飽和狀態(tài)時，液體和汽體溫度稱飽和溫度5 5、 飽和壓

4、力：tS二f ( Ps)6 6、 飽和蒸汽：處于飽和狀態(tài)的蒸汽7 7、 飽和液體：處于飽和狀態(tài)的液體8 8、 溫飽和蒸汽：飽和液和飽和蒸汽的混合物，稱溫飽和蒸汽9 9、 干飽和蒸汽：不含飽和液的飽和蒸汽1010、過熱蒸汽：如果蒸汽的溫度超過其壓力對應(yīng)的飽和溫度1111、為飽和液體：液體溫度低與其壓力對應(yīng)的飽和溫度72 水蒸汽的定壓發(fā)生過程工程上所用的水蒸汽通常是通過水在氣鍋內(nèi)定壓沸騰汽化而產(chǎn)生的。設(shè) 1kg1kg 工質(zhì)（0.010.01 C 的純水）在1kg/ cm2下定壓加熱經(jīng)歷三個階段水蒸汽的獲得預(yù)熱階段：由未飽和水 t 飽和水汽化階段：飽和水 t 干飽和蒸汽 V幾乎不變，且壓縮后溫度升高

5、極小。0123向右傾斜，因水受熱膨脹的影響大于壓縮影響。長較Ts快：Ps故Ps八汽化中吸取的熱量故在T-S圖上，定t, p v,s123向左傾斜，因蒸汽受熱膨脹的影響小于壓縮的影響，Ps增壓線與 MCMC 是沸點Ts(s -s八 當(dāng)P = 221.2bar ts =34.15Cv=v =0.00317C,水蒸汽與飽和水不再有分別。74水和水蒸汽的參數(shù)水蒸汽和水的參數(shù)P,t,v,h,sP,t,v,h,s 均能從表中查得，也能從圖中查得。故在實際計算中完全根據(jù)表，圖決定水和水蒸汽得參數(shù)，這議長我們主要介紹這些參數(shù)之間的關(guān) 系和根據(jù)圖表查得的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助性計算。一、零點得規(guī)定：國際水蒸汽會議規(guī)定，水

6、的三相點的液相水作基準(zhǔn)，規(guī)定次狀態(tài)下的u0= 0s0=0此時t0=tTp= 0.01CP0= Pp=0.009112barv0= 0.00100022 kg/m3故h0=u0pv0=0.000614：0二、溫度為 0.010.01 c壓力為 P P 的過冷水t : ts = f (Ps)因為水的不可壓縮性，則dv=0故：w w 過=ipdv = 0又有 t t 不變，則u0= u0=0q二u亠i pdv二0所以有b =upv:0.000611KJ /Kg:0三、t =ts壓力為 P P 的飽和水Ts273.16CPdT當(dāng)t : 0.01c , ,Cp可看作是定值。即ql= 4.18(Ts273

7、.16) =4.18ts P不變，則qi=qp=hIh二hqph當(dāng)t 0.01C , ,Cp變化很大，qh不能按上式計算，必須查圖表，根據(jù)P,P, t tTs273.16Cp二4.18lnTs273.16查得h, s,v u = h- pvr二Ts(s“_s)二h“_h =(u“_u) p(v“_v)h” = h ru”=h”_ pvs、sTsh,un,s,r均可從表中查得。壓力為 P P 的溫飽和蒸汽由于溫蒸汽是由壓力，溫度相同的飽和水和飽和蒸汽所組成的溫飽和物，因此要確定溫蒸汽的參數(shù)除了說明p p，t t 外還要說明干度 x x，因為 1kg1kg 濕蒸汽由 xkgxkg飽和蒸汽和 1 1

8、 xkgxkg 得飽和水組成。miapx =m,atm,apVx二XV” (1 -x)vhx=xh”(1-x)hor: hx=h xrSx=xs”(1x)s sx=s xrTs匕二hx- pvx因為h.h.s.s.v.v從表中可以查出得，若已知 x x,則可計算hx, sx,vx, ux另外hx, sx, vx, ux也可以從圖中查得，濕蒸汽的 p,p, t t 均為飽和值，hx,sx, vx,ux點界于h與h，s與s，u與u之間，如果某一值大于（ oror 小于（則斷定是濕蒸汽。六、壓力為 P P 的過熱蒸汽四、t =ts壓力為 P P 的干飽和蒸汽五、)因為 C C 隨 T T 的變化很大

9、，應(yīng)不適于計算，所以過熱蒸汽的參數(shù)只能查表oror 圖。75水蒸汽表和圖一、表水蒸汽濕一種不同于理想氣體的實際氣體，它的參數(shù) P P V V T T 之間不符合PV二RT通過實驗得到得水蒸汽狀態(tài)方程式也非常復(fù)雜，而且，由于理論分 析方法、測試技術(shù)的差異得到的結(jié)果也有所不同，所以，國際會議研究室將實驗 和分析計算得到的數(shù)據(jù)列成表一一水蒸汽表以 t t 為序的飽和水和飽和蒸汽表以 p p 為序的飽和水和飽和蒸汽表按壓力溫度，過熱蒸汽與過冷水注意：表中的“”表示飽和水參數(shù)表中的“ ”表示飽和蒸汽參數(shù)過冷水與過熱蒸汽用“一一”隔開但計算時要區(qū)分開，過冷水用“0 0”表示，（下角標(biāo)）過熱蒸汽參數(shù)沒有修編

10、。表中編制以 0.010.01 C 時的液相水為基準(zhǔn)。u0=0,h0=0,s0=0二、圖利用水蒸汽表確定水 oror 水蒸汽狀態(tài)參數(shù)的優(yōu)點是準(zhǔn)確度很高，但不可能將所 有的狀態(tài)點的參數(shù)值-列出，有時需用內(nèi)插法確定，此外水蒸汽表不能直接查出濕蒸汽的參數(shù)值，需要通過濕蒸汽與飽和水，飽和汽的參數(shù)關(guān)系計算得到。如 圖，將表中的數(shù)據(jù)繪成圖，由圖查得就會方便的多。T TS S 圖，分析循環(huán)有特殊的作用，優(yōu)點，但計算q q w,w,較繁。二種“H H S S 圖，普遍適用h hs s 圖L1 1、結(jié)構(gòu)h(kJW%怙1.0,11qsuh = h qsuTsdT r Cp TTsx = 0飽和水x = 1飽和汽0

11、：x 1濕蒸汽x 1 x 0都沒有意義S =-273.16f CpdTTsTA11鞏 kJ/kgkJ/kg - - K)K)圖中的 C C 電位臨界點，曲線 ACAC 為飽和水線，CBCB 為飽和汽線，ACBACB 下面是 濕蒸汽區(qū)，曲線 C CB B上方是過熱蒸汽區(qū)，在濕蒸汽區(qū)有定壓線（定溫線）斜直線， 干度線在過熱區(qū)，有定壓線，斜率增加向上傾斜，定溫線由左r 右延伸，定容線與定壓線去向相同，只是斜率達(dá)一些，由于工程上用的水蒸汽都是過熱蒸汽x 50%的水蒸汽，對于x 50%的濕蒸汽圖中未載，但仍由表中計算。1 1、作用（1 1 ）可以根據(jù)（p,t）.（p,x）.（t,x）查得狀態(tài)點在圖中的位

12、置。便可知其他參數(shù)。（2 2）也可根據(jù)初態(tài)參數(shù)，通過熱力過程，查得終態(tài)參數(shù)，即而計算過程中的q q ,w w 。76 水蒸汽的基本熱力過程分析水蒸氣熱力過程的目的一確定過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系, 因此，需確定狀態(tài)參數(shù)的變化。干度線只在濕蒸汽 區(qū)有概念，工程上 x0.7x0.7。過熱區(qū)， 定 溫線較平坦，越往 右越接近水平線理想氣體。h二f（t）理：hr T表的優(yōu)點：液體熱、 汽化潛熱和過熱量 及功量計算，直接 用圖上的線算表示 方便。/定壓線下的q = h2- g絕熱膨脹的ch-i=亠=（%一血） 一叫 （內(nèi)_Pi）定溫q = T（勺一q）oror包括 w w、q q 以及 u u 和 h h 等。

13、一、定容過程v v 1=V2,1=V2,于是可得：確定過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的依據(jù)為熱力學(xué)第一、二定律:可用水蒸氣表及圖，依照過程的特點來確定各狀態(tài)的參數(shù)。1-2=Pl（V2叫）弘2二（心-九）三、定溫過程T T 1=1=丁 2,2,于是可得:Wl-2 = ?1-2 - %=T（S2-）-（他（P尹 P） =幾（旳一眄）四、定熵過程s s i=S2,i=S2,于是可得:p p i=P2,i=P2,于是可得:1-2 = 1“2=（億- Avi）91-2 =0總結(jié)：1 1、 水蒸汽發(fā)生原 理2 2、表、圖結(jié)構(gòu)。3 3、熱力過程注意: 1 1、過程可逆2、用PVK=C計算時，K K 純經(jīng)驗數(shù)，即絕熱過程

14、不能用此式計算2w pdVr用 (V方便2q = ( TdsT用V V方便例題：0.1kg0.1kg 水盛于一絕熱的剛性容器中，工質(zhì)的壓力的0.3Mpa0.3Mpa，干度為 0.7630.763。一攪拌輪置于容器中，由外面馬達(dá)帶動旋轉(zhuǎn)，直到水全變?yōu)轱柡驼羝Ｇ螅?1 1 )完成此過程所需的功；(2 2)水蒸汽最終的壓力和溫度。解：取容器內(nèi)的工質(zhì)為系統(tǒng)，攪拌輪攪拌工質(zhì)的功變?yōu)闊?，是不可逆過程。(1 1)系統(tǒng)絕熱，q=0=0。系統(tǒng)的邊界為剛性，因而沒有容積變化功，可是由于攪拌輪攪拌，外界對系統(tǒng)作了功。由熱力學(xué)第一定律W -：U = mg - u2)即外界消耗的功變了熱，工質(zhì)吸收熱內(nèi)能增加，因而只要計算初終態(tài)的內(nèi)能變化就可求得耗功量。對于初態(tài)，已知p1=0.3Mpa=0.3Mpa,x=0.763=0.763，于是V1= (1 _ x)v1XV13= (1 -0.763)0.0010740.763 0.6058 = 0.4643m /kgh1= (1 - x)h1h1= (1 -0.763)561.4 0.763 2725.5 = 2212.6kJ/kgU1= m -PM6-3= 2212.6 -0.3 100.4643 102074 kJ/kg因為容器是剛性的，終態(tài)和初態(tài)比容相等，因而終態(tài)是V2=0.4643m=0.4643m3/kg/kg 的干飽和蒸汽。由飽