工程熱力學第七章水蒸氣性質和蒸汽動力循環(huán)

工程熱力學第七章水蒸氣性質和蒸汽動力循環(huán)第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日水和水蒸氣是實際氣體!水蒸氣在空氣中含量極小，當作理想氣體一般情況下，為實際氣體，使用圖表18世紀，蒸氣機的發(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，

膨脹性能好，傳熱性能好第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日水蒸氣不能作為理想氣體來對待，它的物理性質較理想氣體復雜得多，它的狀態(tài)方程、熱力學能、焓和熵的計算式都不像理想氣體的計算式那樣簡單。工程計算時直接查取為工程計算編制的蒸氣熱力性質圖表或計算程序。其熱力過程的計算分析也只能依據(jù)熱力學基本定律和熱力性質圖表進行。第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日沸騰：表面和液體內部同時發(fā)生的汽化(氣體和液體均處在飽和狀態(tài)下)飽和狀態(tài)：汽-液平衡共存的狀態(tài)

汽化與凝結的動態(tài)平衡汽化:由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過程(不涉及化學變化)蒸發(fā)：汽液表面上的汽化§7-1水蒸氣的飽和狀態(tài)第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)：汽化與凝結的動態(tài)平衡飽和溫度Ts飽和壓力ps一一對應放掉一些水，Ts不變，

ps？Tspsps=1.01325barTs=100℃西藏ps=0.6barTs=85.95℃高壓鍋ps=1.6barTs=113.32℃第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日純物質的p-T相圖ppTT液液氣氣固固水一般物質三相點A三相點臨界點C臨界點流體流體升華線升華線凝固線凝固線汽化線汽化線臨界溫度是最高的飽和溫度；臨界壓力是最高的飽和壓力三相點溫度是最低的汽—液兩相平衡的飽和溫度；三相點壓力是最低的汽—液兩相平衡的飽和壓力第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日§7-2水蒸氣的產(chǎn)生過程定壓下水蒸氣的發(fā)生過程工業(yè)生產(chǎn)中所用的水蒸氣，一般都是在定壓下（如鍋爐中）產(chǎn)生的。為了說明方便起見，假設定量（如1kg）的水在氣缸內進行定壓加熱，調節(jié)活塞上的砝碼可改變水的壓力。定壓下水的發(fā)生過程可分三個階段：定壓預熱過程、定壓汽化過程、定壓過熱過程第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日§7-2水蒸氣的產(chǎn)生過程t<tst=tst=tst=tst>tsv<v'v=v'v=v"

v'<v<v"v>v"未飽和水飽和水飽和濕蒸汽飽和干蒸汽過熱蒸汽h<h'h=h'h=h"h'<h<h"h>h"s<s's=s's=s"s'<s<s"s>s"定壓預熱定壓汽化定壓過熱第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日假定水開始處于某一壓力p，溫度為0℃的狀態(tài)，在維持壓力不變的條件下，隨著外界的加熱，水的體積稍有膨脹，比體積略有增加，水的熵因吸熱而增大。當水溫升至對應壓力p的飽和溫度ts時，若繼續(xù)加熱，水就會沸騰而產(chǎn)生蒸氣。此沸騰溫度稱為飽和溫度ts。處于飽和溫度的水稱為飽和水，對其除壓力和溫度外的狀態(tài)參數(shù)均加上一上角標“′”，以示和其它狀態(tài)的區(qū)別，如h′、v′和s′等。低于飽和溫度的水稱為未飽和水（或過冷水）。

1．水的定壓預熱階段

第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日1．水的定壓預熱階段

1kg0℃的未飽和水加熱到壓力p下的飽和溫度ts所需的熱量稱為液體熱，用q'表示。根據(jù)熱力學第一定律有水的液體熱隨壓力提高而增大第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日在維持壓力不變的條件下，對飽和水繼續(xù)加熱，水開始沸騰發(fā)生相變而產(chǎn)生蒸汽。沸騰時溫度保持不變，仍為飽和溫度ts在這個水的液－汽相變過程中，所經(jīng)歷的狀態(tài)是液、汽兩相共存的狀態(tài)，稱為濕飽和蒸汽，簡稱為濕蒸汽。隨著加熱過程的繼續(xù)，水逐漸減少，蒸汽逐漸增加，直至水全部變?yōu)檎羝Q為干飽和蒸汽或飽和蒸汽。對干飽和蒸汽除壓力和溫度外的狀態(tài)參數(shù)均加上一上角標“″”，如v″、h″和s″

2.飽和水的定壓汽化階段第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.飽和水的定壓汽化階段由飽和水定壓加熱為干飽和蒸汽的過程，雖然壓力、溫度不變，比體積卻隨著蒸汽增多而增大，熵值也因吸熱而增大，故這個過程在圖p-v和圖T-s上是水平線段。該過程的吸熱量稱為汽化熱，用r表示，則此熱量在T-s圖上是1'-1”下帶陰影線的面積。第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.飽和水的定壓汽化階段濕蒸汽是飽和水和飽和蒸汽的混合物。干度指濕蒸汽中所含飽和水蒸氣的質量分數(shù)濕度指濕蒸氣中所含飽和水的質量分數(shù)x+y=1飽和水：x=0,y=1飽和干蒸氣：x=1,y=0濕蒸汽：0<x<1,0<y<1第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日濕飽和蒸汽區(qū)狀態(tài)參數(shù)的確定如果有1kg濕蒸氣，干度為x,即有xkg飽和蒸汽，(1-x)kg飽和水。已知p或T→(h',v',s',h",v",s")

干度xh,v,s第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日對于飽和蒸汽繼續(xù)加熱，蒸汽的溫度升高，比體積增加、熵值也增加，如圖1”-1所示。由于此階段的蒸汽溫度高于同壓下的飽和溫度，故稱為過熱蒸汽。過熱蒸汽的溫度與同壓下飽和溫度之差D=t-ts,稱為過熱度。在這一階段所吸收的熱量稱為過熱熱量q”=h-h”

式中h為過熱蒸汽的焓。在T-s圖上過程線1”-1下方陰影線的面積即為q”3.水蒸氣的定壓過熱過程第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日如果改變壓力，再次考察水在定壓下的蒸汽發(fā)生過程，可以得到類似的三個階段，其飽和壓力隨著壓力提高而提高。壓力一定，飽和溫度一定，反之亦然，對應飽和溫度的壓力稱為飽和壓力，用表示。提高壓力后定壓下的蒸汽發(fā)生過程，除飽和溫度提高外，其汽化階段的和值減少，因此汽化熱值隨壓力提高而減少。當壓力提高到22.064MPa時，

℃，此時第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日即飽和水和飽和蒸汽不再有區(qū)別，成為一個狀態(tài)點，稱為臨界狀態(tài)或臨界點，如圖C所示，臨界狀態(tài)的參數(shù)稱為臨界狀態(tài)參數(shù)，如臨界壓力pc和臨界溫度Tc等。臨界狀態(tài)的出現(xiàn)說明，當壓力提高到臨界壓力時，汽化過程不再存在兩相共存的濕蒸氣狀態(tài)，而是在溫度達到臨界溫度時，液體連續(xù)地由液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)，即汽化過程縮短為一點，汽化在一瞬間完成。壓力再提高時也如此，在臨界溫度時瞬間變?yōu)槠麘B(tài)。由此可知，只要工質的溫度大于臨界溫度，不論壓力多高，其狀態(tài)均為汽態(tài),將T>Tc的氣體稱為永久氣體。第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日s水蒸氣的壓容圖、溫熵圖和焓熵圖A1A2CA1A2C§7-3水蒸氣圖表第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日

連接圖p-v和圖T-s上不同壓力下的飽和水狀態(tài)1'、2'、3'…和臨界點C所得曲線稱為飽和水線（或下界線），連接圖p-v和圖T-s上不同壓力下的干飽和蒸汽狀態(tài)1”、2”、3”…和臨界點C所得曲線稱為飽和蒸汽線（或上界線）。兩線合在一起稱為飽和線。飽和線將兩圖分成三個區(qū)域：水區(qū)（下界線左側）、濕蒸汽區(qū)（又稱兩相區(qū)或飽和區(qū)，上下界線之間）和過熱蒸汽區(qū)（上界線右側）。水和水蒸氣呈現(xiàn)五種狀態(tài)：未飽和水、飽和水、濕蒸氣、干飽和蒸汽和過熱蒸汽。第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日一點：臨界點CriticalPoint兩線飽和液體線飽和蒸汽線三區(qū)水區(qū)飽和區(qū)過熱水蒸氣區(qū)五態(tài)未飽和水飽和水濕蒸汽干飽和蒸汽過熱蒸汽一點，二線，三區(qū)，五態(tài)第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日焓熵圖的畫法(1)1、零點：h=0，s=0；2、飽和汽線（上界線）、飽和液線（下界線）3、等壓線群：p兩相區(qū)pT=Const斜直線單相區(qū)sT向上翹的發(fā)散的形線C點為分界點，不在極值點上第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日焓熵圖hsCpx=1x=0pC第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日焓熵圖的畫法(2)氣相區(qū)：離飽和態(tài)越遠，越接近于理想氣體兩相區(qū)：T、p一一對應，T線即p線在x=0,x=1之間，從C點出發(fā)的等分線同理想氣體一樣，v

線比p

線陡4、定溫線T5、等容線v6、等干度線x第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日焓熵圖hsCx=1x=0pvTx第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日水蒸氣熱力性質表(兩類)2、未飽和水和過熱蒸汽表1、飽和水和干飽和蒸汽表§7-3水蒸氣圖表第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日表的出處和零點的規(guī)定原則上可任取零點，國際上統(tǒng)一規(guī)定。但原則上不為0，對水：

表依據(jù)1963年第六屆國際水和水蒸氣會議發(fā)表的國際骨架表編制，盡管IFC（國際公式化委員會）1967和1997年先后發(fā)表了分段擬合的水和水蒸氣熱力性質公式，但工程上還主要依靠圖表。焓、熱力學能、熵零點的規(guī)定：水的三相點T=273.16K,p=611.66Pa時，u=0,s=0第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日§7-4水蒸氣的熱力過程

蒸氣熱力過程的分析與計算只能利用熱力學第一定律和第二定律的基本方程，以及蒸氣熱力性質圖表。其一般步驟如下：

（1）由已知初態(tài)的兩個獨立參數(shù)，在蒸氣熱力性質圖表上查算出其余各初態(tài)參數(shù)之值；

（2）根據(jù)過程特征和終態(tài)的一已知參數(shù)，由蒸氣熱力性質圖表查取終態(tài)狀態(tài)參數(shù)值；

（3）由查算得到的初、終態(tài)參數(shù)，應用熱力學第一定律和第二定律的基本方程計算q、w(wt)、Δh、Δu

和Δsg等。第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日1．定容過程第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日2．定壓過程蒸氣的加熱（如鍋爐中水和水蒸氣的加熱）和冷卻（如冷凝器中蒸氣的冷卻冷凝）過程，在忽略流動壓損的條件下均可視為定壓過程。當可逆時有第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日3．定溫過程第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日4．絕熱過程蒸氣的膨脹（如水蒸氣經(jīng)汽輪機膨脹對外作功）和壓縮（如制冷壓縮機中對制冷工質的壓縮）過程，在忽略熱交換的條件下可視為絕熱過程，有在可逆條件下是定熵過程△s=0

第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日§7-5基本的蒸汽動力循環(huán)－朗肯循環(huán)簡化（理想化）12蒸汽輪機s

膨脹23凝汽器p

放熱30水泵s

壓縮01

鍋爐p

吸熱凝汽器鍋爐蒸汽輪機發(fā)電機水泵1新汽2乏汽30過熱器第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日1302pv朗肯循環(huán)p-v圖12汽輪機s

膨脹23凝汽器p

放熱30給水泵s

壓縮01

鍋爐p

吸熱第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日0321Tshs1320朗肯循環(huán)T-s和h-s圖12汽輪機s

膨脹23凝汽器p

放熱3