工程熱力學與傳熱學水蒸氣

工程熱力學與傳熱學水蒸氣第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日本章基本要求教學目標：了解工程實際中，水蒸氣的產生及使用狀況。知識點：水蒸氣的定壓發(fā)生過程；水蒸氣表和圖；水蒸氣的基本熱力過程。重點：

水的定壓汽化過程和學會使用水蒸氣的p-v圖及T-s圖、h-s圖難點：水蒸氣是實際氣體，只能通過查熱力學性質圖表進行各種熱力過程的計算。第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日實際氣體-----水蒸汽水蒸汽在空氣中含量極小，當作理想氣體.一般情況下，為實際氣體，使用圖表.18世紀，蒸汽機的發(fā)明，是唯一工質;直到內燃機發(fā)明，才有燃氣工質;目前仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的工質優(yōu)點:便宜，易得，無毒，熱力性能穩(wěn)定,

膨脹性能好，傳熱性能好，流動性好。是其它實際氣體的代表。第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)基本概念一、汽化：物質從液態(tài)轉變成汽態(tài)的過程，稱為汽化。

在蒸汽循環(huán)中，給水進入鍋爐后變成飽和或過熱蒸汽的過程就是汽化過程。汽化方式有兩種：1）蒸發(fā)；2）沸騰。使水汽化的方法：1）加熱升溫；2）降壓擴容。

如：給水泵入口汽蝕問題？第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)基本概念1、蒸發(fā)——在液體表面進行的汽化現(xiàn)象。特點：它能在任何溫度下進行；液體的蒸發(fā)速度取決于液體的性質、液體的溫度、蒸發(fā)表面積和液面上氣流的流速。如冷卻塔中冷卻水的蒸發(fā)。第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日冷卻塔中水的蒸發(fā)第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日2、沸騰沸騰——在液體內部進行的汽化現(xiàn)象。工業(yè)上大都用此方法獲得蒸汽。特點：有汽泡產生；在一定的壓力下，液體沸騰時的溫度（沸點）是一定的。如：在1標準大氣壓下，水的沸點是l00℃，酒精的沸點為78℃；而在1MPa時水的沸點為179.88℃,在20MPa時水的沸點為365.71℃。第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、凝結（液化）概念：物質從汽態(tài)轉變成液態(tài)的過程，稱為液化.特點：在一定壓力下，蒸汽的溫度（低）等于沸點時，才可能出現(xiàn)凝結。使凝結的方法：

1）定壓降溫冷卻；2）升壓

液化和汽化是物質相態(tài)變化的兩種相反過程，實際上，在密閉容器內進行的汽化過程，總是伴隨液化過程同時進行。第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日揮發(fā)主要強調蒸發(fā)的速度快慢，而且是常溫下。比如濃鹽酸具有揮發(fā)性，就是說常溫常壓下，濃鹽酸會迅速大量蒸發(fā)出HCl氣體。蒸發(fā)主要強調從液體變氣體的過程，任何液體任何溫度都存在蒸發(fā)現(xiàn)象蒸發(fā)與揮發(fā)第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、飽和狀態(tài)液體分子脫離其表面的汽化速度汽體分子回到液體中的凝結速度＝這時液體與蒸汽處于動態(tài)平衡狀態(tài)，稱為飽和狀態(tài)飽和水飽和蒸汽t

sp

s飽和水飽和蒸汽1、飽和狀態(tài)：汽、液兩相達到動態(tài)平衡的狀態(tài)。第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、飽和狀態(tài)2、飽和狀態(tài)的特點：1）汽液共存，2）汽液同溫，3）飽和壓力ps和飽和溫度ts成一一對應關系。第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日3、飽和壓力與飽和溫度飽和壓力：在飽和狀態(tài)下的水和水蒸汽的壓力PS飽和溫度：在飽和狀態(tài)下的水和水蒸汽的溫度tS

ts上升，ps上升；

ps上升，ts上升。結論：一定的飽和溫度對應于一定的飽和壓力，反之也成立，即兩者間存在單值關系。psts第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日3、飽和壓力與飽和溫度青藏ps=0.6barts=85.95℃高壓鍋ps=1.6barts=113.32℃飽和壓力飽和溫度一一對應飽和壓力ps(MPa)飽和溫度ts(℃)0.00532.881179.9210311.0420365.7922.064374第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日過熱階段水蒸汽的定壓產生過程汽化階段預熱階段未飽和水飽和水濕飽和蒸汽干飽和蒸汽過熱蒸汽一、水蒸汽的定壓產生過程

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vt<tst>tst=tst=ts

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pvx第二節(jié)水蒸汽的定壓產生過程第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日水蒸汽的定壓產生過程參數(shù)變化特點t<tst=tst=tst=tst>tsv0<v’v=v’v=v’’v’<vx<v’’v>v’’未飽和水飽和水濕蒸汽干蒸汽過熱蒸汽h0<h’h=h’h=h’’h’<hx<h’’h>h’’s0<s’s=s’s=s’’s’<sx<s’’s>s’’水預熱汽化過熱v↑h↑s↑

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pvx第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日五個狀態(tài):未飽和水a飽和水b濕飽和水蒸汽c干飽和水蒸汽d過熱水蒸汽e。三個階段：

預熱階段a-b：t0未飽和水→ts飽和水。t↑，v↑。汽化階段b-d：ts飽和水→ts干飽和水蒸汽。v↑，t和p均不變。其間為汽液混合的濕飽和蒸汽。過熱階段d-e：ts干飽和水蒸汽→t過熱水蒸汽。t↑，v↑。ssxs’ss”Tsvav’v”vxvs0pTabcedebavcd第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日未飽和水（過冷水）飽和水注意比較v0和v′的大?。∵@個階段所需的熱量稱為液體熱ql1、預熱階段過冷度Δt=t-ts第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日飽和水注意比較v′和v″的大??！濕（飽和）蒸汽干（飽和）蒸汽為什么水的汽化階段壓力不變，溫度也保持不變呢？這個階段所需的熱量稱為汽化潛熱:r=h"-h'2、汽化階段第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日干度x：濕蒸汽中飽和蒸汽所占的質量百分比。顯然：

x+y=1

飽和水的x=0;干蒸汽的x=1濕度y：濕蒸汽中飽和水所占的質量百分比。mvmW濕蒸汽的干度和濕度第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日干飽和蒸汽過熱蒸汽過熱度：D=t-ts這個階段所需的熱量稱為過熱熱:qs=h-h"過熱度：D=t-ts3、過熱階段第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日水的定壓預熱階段：aTs液體熱飽和水的定壓汽化過程：汽化潛熱干蒸汽的定壓過熱過程：過熱熱qs=h-h"bcde整個水蒸汽產生過程吸熱量(1kg水)：4、水蒸汽定壓產生過程總吸熱量第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、水蒸汽的p-v與T-s圖第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、水蒸汽的p-v與T-s圖二線（均為飽和曲線）下界線（飽和水線）CM上界線（干飽和蒸汽線）CN三個區(qū)域:液態(tài)區(qū)(下界線左側)、濕蒸汽區(qū)(飽和曲線內)、汽態(tài)區(qū)(上界線右側)。一點:臨界點c:上、下界線的交點.將各種壓力下水蒸氣的定壓產生過程線集中表示在p-v圖和T-s圖上而得到。sT第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日水、汽差別消失，汽化在瞬間完成，汽化熱為零；在臨界溫度以上，單純壓縮不能使其液化（即tc是最高的飽和溫度）；在臨界壓力及以上加熱時，當達到臨界溫度時汽化在瞬間完成（即水的定壓加熱過程只有兩個階段）水蒸氣的臨界參數(shù)為：臨界點的各狀態(tài)參數(shù)臨界點C的特點臨界壓力臨界溫度臨界比容第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日水的p－t相圖固－液液體固體三相點蒸汽固－汽液－汽Cpt氣體（汽化曲線）（熔解曲線）（升華曲線）臨界點611.2Pa0.01℃22.115MPa374℃第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日小結T一點:臨界點;

二線:飽和水線、干飽和蒸汽線;三區(qū):未飽和水區(qū)、濕飽和蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū);五態(tài):未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽.vpsT第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日安德魯試驗結果一點兩線三區(qū)五態(tài)一點物質的臨界點兩線飽和蒸汽狀態(tài)連線（上界限線）飽和液體狀態(tài)連線（下界限線）三區(qū)汽態(tài)區(qū)：上界限線與臨界等溫線上段右側區(qū)域液態(tài)區(qū)：下界限線與臨界等溫線上段左側區(qū)域濕蒸汽區(qū)：上、下界限線之間的鍾罩形區(qū)域第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日五態(tài)過熱蒸汽：一定壓力下，溫度高于對應飽和溫度的蒸汽?；蛘哒f：一定溫度下，壓力低于飽和蒸汽壓的蒸汽。飽和蒸汽：一定壓力下，溫度等于對應飽和溫度的蒸汽?；蛘哒f：一定溫度下，壓力等于飽和蒸汽壓的蒸汽。濕蒸汽：飽和蒸汽與飽和液體的機械混合物。飽和液體：一定壓力下，溫度等于對應飽和溫度的液體?；蛘哒f：一定溫度下，壓力等于飽和蒸汽壓的液體。未飽和液體：一定壓力下，溫度低于對應飽和溫度的液體?；蛘哒f：一定溫度下，壓力高于飽和蒸汽壓的液體。第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日飽和線、三相線和臨界點pv飽和氣線三相線飽和液線飽和固線T臨界點一點兩線三區(qū)五態(tài)第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日思考題1.

有沒有400℃的水？2.有沒有0℃的水蒸汽？3.有沒有1℃的冰？4.會有600Pa的液態(tài)水存在嗎?答案：1.沒有；2.有；3.沒有；4.沒有.第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日思考題沒有。t>374.16℃有2.有沒有500oC的水？1.北方冬天晾在外邊的衣服，是否經過液相3.有沒有-3℃的水蒸氣？4.一密閉容器內有水的汽液混合物，對其加熱，是否一定能變成水蒸氣？第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)水蒸氣表和h－s圖常用的水蒸氣熱力性質表有兩種：①飽和水與飽和水蒸汽表以溫度為序，附表3

以壓力為序，附表4

②未飽和水與過熱蒸汽表，附表5第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)確定的原則3、未飽和水及過熱蒸汽確定任意兩個獨立參數(shù)，如：p、T1、飽和水和干飽和蒸汽確定p或T2、濕飽和蒸汽除p或T外，其它參數(shù)與兩相比例(干度)有關第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日飽和參數(shù)的確定已知溫度飽和壓力ps比體積：v＇v"焓：h＇h"熵：s＇s"汽化潛熱：r=h"-h＇查附表三已知壓力飽和溫度ts比體積：v＇v"焓：h＇h"熵：s＇s"汽化潛熱：r=h"-h＇

查附表四飽和水飽和水干蒸汽干蒸汽第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日飽和水和飽和蒸汽溫度t（℃）壓力P(MPa)比容焓汽化潛熱r(kJ/kg)熵v’(m3/kg)v”(m3/kg)h’(kJ/kg)h”(kJ/kg)s’(kJ/kg·K)s”(kJ/kg·K)00.0006110.0010002206.312-0.042501.02501.0-0.00029.15650.010.0006120.00100022206.1750.000612501.02501.00.00009.156210.0006570.0010001192.6114.172502.82498.60.01529.129840.0008140.0010000157.26716.802508.32491.50.06009.0514500.0123450.001012112.048209.262591.82382.50.70358.077135016.5210.00174070.0088221672.92566.1893.23.78165.214937021.0330.0022310.0049581896.22335.7439.54.11984.8031373.9922.0640.0031060.0031062085.92085.870.04.40924.4092P168附表3（按溫度排列）第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日飽和水和飽和蒸汽P171附表4（按壓力排列）壓力P(MPa)溫度t（℃）比容焓汽化潛熱r(kJ/kg)熵v’(m3/kg)v”(m3/kg)h’(kJ/kg)h”(kJ/kg)s’(kJ/kg·K)s”(kJ/kg·K)0.0016.94910.0010001129.18529.212513.292484.10.10568.97350.00532.87930.001005328.191137.722560.552422.80.47618.39300.10099.6340.00104321.6943417.522675.142257.61.30287.35891.00179.9160.00112720.19438762.842777.672014.82.13886.585910.0311.0370.00145220.0180261407.22724.461317.23.35915.613918.0357.0340.00180420.0075031732.22509.45777.43.87155.105120.0365.7890.00203790.0058701827.22413.05585.94.01534.932222.064373.0990.0031060.0031062085.92085.870.04.40924.4092第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日濕蒸汽參數(shù)的確定

由于濕飽和蒸汽實質上是干飽和蒸汽與飽和水的混合物，因此其熱力學能、焓、熵及容積可表示為引入干度的關系式，可得

即，如已知濕飽和蒸汽干度x，即可利用飽和水及干飽和蒸汽的狀態(tài)參數(shù)，求得濕飽和蒸汽的相應狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值。

第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日未飽和水和過熱蒸汽表的應用已知壓力和溫度查其它狀態(tài)參數(shù)。注意：粗黑線上方為未飽和水的參數(shù)，粗黑線下方為過熱蒸汽的參數(shù)。已知壓力和溫度比體積：v焓：h熵：s汽化潛熱：r查附表五未飽和水或過熱蒸汽的參數(shù)第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日未飽和水和過熱蒸汽表（節(jié)錄）飽和參數(shù)第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、計算步驟1、先確定狀態(tài)已知（p，t）tst>ts過熱蒸汽

t<ts未飽和水

已知（p，v）v’,v”v’<v<v”

濕蒸汽

v<v’

未飽和水

v>v”

過熱蒸汽

xSx，hx2、根據(jù)狀態(tài)查相應的圖或表，濕蒸汽查飽和水與飽和蒸汽表，再利用干度公式求出。3、熱力學能利用公式u=h-pv求得。t＝ts飽和水、飽和蒸氣第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日（x1,y1）（x,y）（x2,y2）XY熱力學性質表很簡單，它是把熱力學性質以一一對應的表格形式表示出來，其特點表現(xiàn)在：對確定點數(shù)據(jù)準確，但對非確定點需要內插計算，一般用直線內插。

直線內插法第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日例P=0.5Mpa，v=0.36m3/kg，確定狀態(tài)，并求出溫度、比焓、比熱力學能和比熵。

查飽和水與飽和蒸汽表ts=151.867C，v’=0.0010925m3/kg，v”=0.37486m3/kg解：濕蒸汽h’=640.35kJ/kg，h”=2748.59kJ/kgs’=1.8610kJ/(kgK)，s”=6.8214kJ/(kgK)第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日例題分析例:已知：水泵進口pg=0.05MPa，t=115℃，設pb=0.1MPa.試判斷水泵進口水汽化沒有？解:根據(jù)p=pg+pb=0.15MPa，查得ts=111.378℃.而t=115℃>ts，表明水泵進口水已沸騰汽化，還稍為有點過熱。（汽蝕現(xiàn)象）第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日例題分析例:已知鍋爐壓力為p=10MPa，進口工質溫度為t1=240℃，出口t2=500℃，試確定進、出口工質狀態(tài)和v、h、s。解:根據(jù)p=10MPa，查得ts=311.037℃.（1）進口：t1=240℃<ts，為未飽和水狀態(tài)。（2）出口：t2=500℃>ts，為過熱蒸汽狀態(tài)。查附表，得第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、焓熵圖（h-s圖）

1、h-s圖的結構：C—臨界點，x＝0線，x＝1線；定壓線、定溫線和定容線，在飽和區(qū)內還有定干度線。定焓線群——一一組水平線定熵線群——一一組垂直線定壓線群——在h-s圖上呈發(fā)散分布。濕蒸汽區(qū)內，定壓線為一簇斜率不同的直線；在過熱蒸汽區(qū)，定壓線趨于陡峭定溫線群——濕蒸汽區(qū)內，與定壓線重合；在過熱蒸汽區(qū)，與定壓線自干蒸汽線處分開后逐漸趨于平坦定容線群——走向與定壓線相似，但比定壓線稍陡。定干度線群——一組干度等于常數(shù)的曲線x＝１pvThsx第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日焓熵圖hsCx=1x=0pvTx第四十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日h-s圖第四十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日h軸——1小格代表5kJ/kg；s軸——1小格代表0.01kJ/(kg.K).（1）查取狀態(tài)參數(shù)：①查干蒸汽參數(shù)：如p與x=1相交；②查濕蒸汽參數(shù)：如p與x相交；③查過熱蒸汽參數(shù)：如p與t相交。（2）分析并計算水蒸氣的熱力過程2、h-s圖使用第四十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日例題分析例：應用h-s圖確定下列水蒸氣的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圖，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.第四十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日第四節(jié)水蒸氣的熱力過程

分析水蒸氣熱力過程的目的—確定過程的能量轉換關系，包括w、q以及Δu和Δh等。因此，需確定狀態(tài)參數(shù)的變化。確定過程的能量轉換關系的依據(jù)為熱力學第一、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)。

一、定容過程

v1=v2,于是可得：

第五十頁，共五十四頁，2022年，8月28日