工程熱力學(xué)基礎(chǔ)第六章

1、作作 業(yè)業(yè)6-36-56-7第六章第六章 水蒸氣水蒸氣Water Vapor水蒸氣是實(shí)際氣體的代表水蒸氣是實(shí)際氣體的代表水蒸氣水蒸氣在空氣中含量極小，當(dāng)作在空氣中含量極小，當(dāng)作理想氣體理想氣體一般情況下，為一般情況下，為實(shí)際氣體實(shí)際氣體18世紀(jì)，蒸氣機(jī)的發(fā)明，是唯一工質(zhì)世紀(jì)，蒸氣機(jī)的發(fā)明，是唯一工質(zhì)直到內(nèi)燃機(jī)發(fā)明，才有燃?xì)夤べ|(zhì)直到內(nèi)燃機(jī)發(fā)明，才有燃?xì)夤べ|(zhì)目前仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的工質(zhì)目前仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的工質(zhì)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 便宜，易得，無毒，便宜，易得，無毒， 膨脹性能好，傳熱性能好膨脹性能好，傳熱性能好是其它實(shí)際氣體的代表是其它實(shí)際氣體的代表本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容1.

2、實(shí)際工質(zhì)的物性實(shí)際工質(zhì)的物性3. 水蒸氣的圖表及性質(zhì)計(jì)算水蒸氣的圖表及性質(zhì)計(jì)算4. 水蒸氣熱力過程水蒸氣熱力過程2. 水蒸氣的產(chǎn)生過程水蒸氣的產(chǎn)生過程水蒸水蒸氣氣蒸氣蒸氣蒸蒸汽汽SteamVaporWater Vapor 6-1 6-1 純物質(zhì)的熱力學(xué)面純物質(zhì)的熱力學(xué)面物質(zhì)三種聚集狀態(tài)：物質(zhì)三種聚集狀態(tài)：固態(tài)固態(tài)、液態(tài)液態(tài)、 氣態(tài)氣態(tài)熱力學(xué)面：熱力學(xué)面：以以p,v,T表示的物質(zhì)各種狀態(tài)表示的物質(zhì)各種狀態(tài) 的曲面的曲面水的三態(tài)：水的三態(tài)：冰冰、 水水、 蒸汽蒸汽Pure substance Solid Liquid Gas Ice Water Steam 水的熱力學(xué)面水的熱力學(xué)面兩相區(qū)兩相區(qū)單相

3、區(qū)單相區(qū)氣液固pvT六個(gè)區(qū)：三個(gè)單相區(qū)、三個(gè)兩相區(qū)六個(gè)區(qū)：三個(gè)單相區(qū)、三個(gè)兩相區(qū)液-氣固-氣固-液pvT飽和線、三相線和臨界點(diǎn)飽和線、三相線和臨界點(diǎn)pv四個(gè)線：三個(gè)飽和線、一個(gè)三相線四個(gè)線：三個(gè)飽和線、一個(gè)三相線飽和氣線三相線飽和液線飽和固線T臨界點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)：臨界點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)：臨界點(diǎn)tptp611.2Pa,273.16KpTSaturation lineTriple line臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)Critical pointcoc3c22.129MPa647.30K (374.15 C)m0.00326kgpTv水的水的臨界臨界點(diǎn)狀點(diǎn)狀態(tài)態(tài)飽和液線與飽和氣線的交點(diǎn)飽和液線與飽和氣線的交點(diǎn)氣液兩相共存的氣液兩相

4、共存的pmax,Tmax等溫線是鞍點(diǎn)等溫線是鞍點(diǎn)cc22TT0,0ppvv臨臨界界點(diǎn)點(diǎn)熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（6） K.G.威爾遜威爾遜 Kenneth G. Wilson (1936-) 美國(guó)美國(guó) 臨界重整化群理臨界重整化群理論論 1982年諾貝爾物年諾貝爾物理獎(jiǎng)理獎(jiǎng)汽相和液相汽相和液相鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵給水泵凝凝汽汽器器過熱器過熱器因固相不流動(dòng)，因固相不流動(dòng)，更關(guān)心汽液兩相更關(guān)心汽液兩相冰蓄冷冰蓄冷6-2 6-2 汽化與飽和汽化與飽和沸騰：沸騰：表面和液體內(nèi)部同時(shí)發(fā)生的汽化表面和液體內(nèi)部同時(shí)發(fā)生的汽化( (氣體和液體均處在飽和狀態(tài)下氣體

5、和液體均處在飽和狀態(tài)下) )汽化汽化: 由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過程由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過程 (不涉及化學(xué)變化不涉及化學(xué)變化)蒸發(fā)：蒸發(fā)：汽液表面上的汽化汽液表面上的汽化 BoilVaporization飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)Saturation state飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡飽和溫度飽和溫度Ts飽和壓力飽和壓力ps一一對(duì)應(yīng)一一對(duì)應(yīng)放掉一些水，放掉一些水，Ts不變，不變， ps？Tspsps=1.01325barTs=100 青藏青藏ps=0.6barTs=85.95 高壓鍋高壓鍋ps=1.6barTs=113.32 Saturation temperatureS

6、aturation pressure純物質(zhì)的純物質(zhì)的p p- -T T相圖相圖ppTT液液液液氣氣氣氣固固固固水水一般物質(zhì)一般物質(zhì)三相點(diǎn)三相點(diǎn)三相點(diǎn)三相點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)流體流體流體流體汽化線汽化線汽化線汽化線6-3 6-3 水蒸氣的定壓發(fā)生過程水蒸氣的定壓發(fā)生過程t tsv = vv = vv vv v v未飽和水未飽和水飽和水飽和水 飽和濕蒸汽飽和濕蒸汽 飽和干蒸汽飽和干蒸汽 過熱蒸汽過熱蒸汽h = hh = hh hh h hs ss = ss = ss s s水預(yù)熱水預(yù)熱汽化汽化過熱過熱水蒸氣定壓發(fā)生過程說明水蒸氣定壓發(fā)生過程說明(1)()QUWUpdVUpVUpVH (2)f

7、g0SSS (3) 理想氣體理想氣體( )hf T實(shí)際氣體汽化時(shí)，實(shí)際氣體汽化時(shí)，TTs不變，但不變，但h增加增加hh汽化潛熱汽化潛熱(4) 未飽和水未飽和水過冷度過冷度sttt過冷過冷水過冷水過熱蒸汽過熱蒸汽過熱度過熱度sttt過熱只有熵加熱時(shí)永遠(yuǎn)增加只有熵加熱時(shí)永遠(yuǎn)增加cpcTcTABCACBcTTcTT cppcpp3a3b3d3e3c3a3b3d3e3c2c2a2b2d2e2c2a2b2d2e1c1a1b1d1e1c1a1b1d1eTsp-v圖，圖，T-s圖上的水蒸氣定壓加熱過程圖上的水蒸氣定壓加熱過程pvcp一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài)一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài)臨界臨界點(diǎn)，飽和水線和飽和汽線，

8、點(diǎn)，飽和水線和飽和汽線，過冷水、濕蒸汽、過熱蒸汽三區(qū)，過冷水、濕蒸汽、過熱蒸汽三區(qū)，過冷水、飽和水、濕蒸汽、飽和蒸汽、過熱蒸汽過冷水、飽和水、濕蒸汽、飽和蒸汽、過熱蒸汽等壓線上飽和態(tài)參數(shù)等壓線上飽和態(tài)參數(shù)ptsv(m3/kg)vsskJ/(kg.K)0.0061120.01 0.00100022 206.1750.09.15621.099.63 0.00104341.6946 1.3027 7.36085.0151.85 0.00109280.374811.8604 6.821550.0263.92 0.00128580.03941 2.9209 5.9712221.29374.15 0.00

9、3260.00326 4.4294.429(bar)()bdbd6-4 6-4 水蒸氣狀態(tài)參數(shù)及其圖表水蒸氣狀態(tài)參數(shù)及其圖表1、未飽和水及過熱蒸汽、未飽和水及過熱蒸汽確定任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，如：確定任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，如：p、T2、飽和水和干飽和蒸汽、飽和水和干飽和蒸汽確定確定p或或T3、濕飽和蒸汽、濕飽和蒸汽除除p或或T外，其它參數(shù)與兩相比例有關(guān)外，其它參數(shù)與兩相比例有關(guān)兩相比例由兩相比例由干度干度x確定確定定義定義干飽和蒸汽干飽和蒸汽fmxmmvv干飽和蒸汽質(zhì)量濕飽和蒸汽質(zhì)量飽和水飽和水對(duì)對(duì)干度干度x的說明：的說明：x = 0 飽和水飽和水x = 1 干飽和蒸汽干飽和蒸汽0 x 1在在過冷水過

10、冷水和和過熱蒸汽過熱蒸汽區(qū)域，區(qū)域，x無意義無意義Quality濕飽和蒸汽區(qū)狀態(tài)參數(shù)濕飽和蒸汽區(qū)狀態(tài)參數(shù)的確定的確定 如果有如果有1kg濕蒸氣，干度為濕蒸氣，干度為x, 即有即有xkg飽和蒸汽，飽和蒸汽，(1-x)kg飽和水。飽和水。)1 (yxxyy)1 ()1 ()1 (sxxssvxxvvhxxhhyyxyy已知已知p或或T(h,v,s,h,v,s)+干度干度xh ,v ,s水和水蒸氣表水和水蒸氣表兩類兩類2、未飽和水和過熱蒸汽表未飽和水和過熱蒸汽表1、飽和水和干飽和蒸汽表飽和水和干飽和蒸汽表o/ Ct/KT/MPapkgmv/ 3kgmv/3kgkJh/kgkJh/(K )skJkg

11、/(K)skJkg 01. 010020030016.273000611. 000100022. 0175.2060 .2501000614. 00000. 01562. 915.373101325. 00010437. 06738. 13 .267606.4193069. 13564. 715.4735551. 10011565. 04 .82512714. 04 .27913307. 24289. 615.5735917. 80014041. 002162. 04 .13454 .27482559. 37038. 5kgmv/ 3kgmv/3kgkJh/kgkJh/(K )skJkg /(

12、K)skJkg o/ Ct982. 663.9988.17996.3105 .24840010001. 0208.1298 .251333.291060. 02 .22580010434. 06946. 17 .267551.4173027. 14 .20140011274. 06 .76219430. 00 .27778 .1315/MPap001. 01 . 00 . 1100014526. 001800. 06 .14084 .27249756. 83608. 71382. 25847. 63616. 36143. 5kgkJr/飽和參數(shù)p0.01MPa0.02MPa83.45st150

13、5. 86493. 04 .258484.191676.140010102. 0 s sh hv v09.60st9092. 78321. 06 .260946.2516515. 70010172. 0 s sh hv vtvhsvhs04080600010002. 00.00001. 00010002. 00 . 00001. 05 .1670010078. 04 .1675729. 00010078. 05721. 08310. 01 .2510010171. 01752. 83 .261134.1527.163 .26493437. 8119. 88 .26470205. 84 .272

14、4052. 95479. 84 .272512.182261. 8120原則上可任取零點(diǎn)，國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定。原則上可任取零點(diǎn)，國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定。但但 原則上不為原則上不為0， 對(duì)水：對(duì)水： pvuh3m611.2Pa 0.00100022pvkg00006. 06 . 0kgkJkgJpvuh 表依據(jù)表依據(jù)1963年第六屆國(guó)際水和水蒸氣會(huì)議發(fā)表的年第六屆國(guó)際水和水蒸氣會(huì)議發(fā)表的國(guó)際骨架表編制，盡管國(guó)際骨架表編制，盡管IFC（國(guó)際公式化委員會(huì)）（國(guó)際公式化委員會(huì)）1967、1997和和2005年先后發(fā)表了分段擬合的水和水蒸年先后發(fā)表了分段擬合的水和水蒸氣熱力性質(zhì)公式，但工程上還主要依靠圖表。氣熱力性

15、質(zhì)公式，但工程上還主要依靠圖表。焓、內(nèi)能、熵零點(diǎn)的規(guī)定：焓、內(nèi)能、熵零點(diǎn)的規(guī)定：0 s0u T16.273水的三相點(diǎn)水的三相點(diǎn)查參數(shù)舉例（查參數(shù)舉例（1 1）例例.1 已知已知 ：p=1MPa,試確定試確定t =100, 200,各處于哪個(gè)狀態(tài)各處于哪個(gè)狀態(tài), 各自各自h是多少？是多少？ts(p) = 179.88t =100 ts, 過熱蒸汽過熱蒸汽h=2828.3kJ/kg查參數(shù)舉例（查參數(shù)舉例（2 2）已知已知 t=250, 5kg 蒸汽占有蒸汽占有0.2m3容積容積, 試試問蒸汽所處狀態(tài)問蒸汽所處狀態(tài)? h=?30.2m0.04kg5v 30.0012517mvkgt=250 , 30

16、.05008mvkgvvv濕蒸汽狀態(tài)濕蒸汽狀態(tài)查參數(shù)舉例（查參數(shù)舉例（2 2）已知已知 t=250, 5kg 蒸氣占有蒸氣占有0.2m3容積容積, 試試問蒸氣所處狀態(tài)問蒸氣所處狀態(tài)? h=?t=250 , 濕蒸汽狀態(tài)濕蒸汽狀態(tài)kJkJ1085.8 2800.9kgkghhkJ (1) 2446.84 kghxhx h0.040.00125170.790.050080.0012517vvxvv查參數(shù)舉例（查參數(shù)舉例（3 3） 在一剛性容器內(nèi)充滿在一剛性容器內(nèi)充滿p=0.1MPa，t=20的的水。由于水。由于太陽(yáng)照射太陽(yáng)照射，使其溫度升為，使其溫度升為40,求容器求容器承受的壓力。承受的壓力。p=

17、0.1MPat=203m 0.0010018 kgv t=40 14.0MPap 等容過程等容過程儲(chǔ)液罐很危險(xiǎn)，儲(chǔ)液罐很危險(xiǎn)，不能裝滿。不能裝滿。 6-5 水蒸氣的熱力過程水蒸氣的熱力過程任務(wù)：任務(wù)： 確定初終態(tài)參數(shù)，確定初終態(tài)參數(shù)， 計(jì)算過程中的功和熱計(jì)算過程中的功和熱 在在T-s圖上表示圖上表示熱力過程：熱力過程： p s 鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵給水泵凝凝汽汽器器過熱器過熱器6-5 水蒸氣的熱力過程水蒸氣的熱力過程主要過程：主要過程： p s 確定參數(shù)確定參數(shù)計(jì)算功和熱計(jì)算功和熱在在T-s圖上表示圖上表示注意理想氣體過程的區(qū)別注意理想氣體過程的區(qū)別第一定律與第二定律表達(dá)式均

18、成立第一定律與第二定律表達(dá)式均成立理想氣體特有的性質(zhì)和表達(dá)式不能用理想氣體特有的性質(zhì)和表達(dá)式不能用tqdhwqduw準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)wpdvtwvdp 可逆可逆qTdsiso0dspvRT( )uf T( )hf T22p11lnlnTpscRTp pvccRp1kcRkv11cRk水蒸氣的定壓過程水蒸氣的定壓過程例：例：水從水從30 ，4MPa, 定壓加熱到定壓加熱到450 h1 = 129.3 kJ/kg h2 = 3330.7 kJ/kg2Ts134=3201.4kJ/kg= h2-h1q = hts(4MPa)=250.33鍋爐鍋爐或或換熱器換熱器水蒸氣的水蒸氣的等熵等熵過程過程t?w 1Ts2p1p2例：例：汽輪機(jī)汽輪機(jī) 14MPap o1450 Ct 20.005MPap 12hhh1 = 3330.7 kJ/kg16.9379kJ/kg.Ks 21ss由由 p2查表查表20.4762kJ/kg.Ks 28.3952kJ/kg.Ks水蒸氣的等熵過程水蒸氣的等熵