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1、工程热力学第七章水蒸气性质和蒸汽动力循环第一页，讲稿共三十九页哦水和水蒸气是实际气体水和水蒸气是实际气体!水蒸气水蒸气在空气中含量极小，当作在空气中含量极小，当作理想气体理想气体一般情况下，为一般情况下，为实际气体实际气体，使用图表，使用图表18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质世纪，蒸气机的发明，是唯一工质直到内燃机发明，才有燃气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、化工的工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质优点优点:便宜，易得，无毒，便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好膨胀性能好，传热性能好第二页，讲稿共三十九页哦o水蒸气不能作为理想气体来对待，它的物理性质
2、较理想气体复杂得多，它的状态方程、热力学能、焓和熵的计算式都不像理想气体的计算式那样简单。o工程计算时直接查取为工程计算编制的蒸气热力性质图表或计算程序。o其热力过程的计算分析也只能依据热力学基本定律和热力性质图表进行。第三页，讲稿共三十九页哦沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化(气体和液体均处在饱和状态下气体和液体均处在饱和状态下)饱和状态：汽饱和状态：汽-液平衡共存的状态液平衡共存的状态 汽化与凝结的动态平衡汽化与凝结的动态平衡汽化汽化:由液态变成气态的物理过程由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化不涉及化学变化)蒸发：蒸发：汽液表面上的汽化汽液表面上的汽化 7-1 水蒸气的饱和状态水蒸
3、气的饱和状态第四页，讲稿共三十九页哦饱和状态饱和状态饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和温度饱和温度Ts饱和压力饱和压力ps一一对应一一对应放掉一些水，放掉一些水，Ts不变，不变，ps？Tspsps=1.01325barTs=100 西藏西藏ps=0.6barTs=85.95 高压锅高压锅ps=1.6barTs=113.32 第五页，讲稿共三十九页哦纯物质的纯物质的p-T相图相图ppTT液液液液气气气气固固固固水水一般物质一般物质三相点三相点A三相点三相点临界点临界点C临界点临界点流体流体流体流体升华线升华线升华线升华线凝固线凝固线凝固线凝固线汽化线汽化线汽化线汽化
4、线临界温度是最高的饱和温度；临界压力是最高的饱和压力临界温度是最高的饱和温度；临界压力是最高的饱和压力三相点温度是最低的汽三相点温度是最低的汽液两相平衡的饱和温度；液两相平衡的饱和温度；三相点压力是最低的汽三相点压力是最低的汽液两相平衡的饱和压力液两相平衡的饱和压力第六页，讲稿共三十九页哦7-2 水蒸气的产生过程水蒸气的产生过程o定压下水蒸气的发生过程定压下水蒸气的发生过程n工业生产中所用的水蒸气，一般都是在定压下工业生产中所用的水蒸气，一般都是在定压下（如锅炉中）产生的。为了说明方便起见，假（如锅炉中）产生的。为了说明方便起见，假设定量（如设定量（如1kg）的水在气缸内进行定压加热，）的水在
5、气缸内进行定压加热，调节活塞上的砝码可改变水的压力。定压下水调节活塞上的砝码可改变水的压力。定压下水的发生过程可分的发生过程可分三个阶段三个阶段：定压预热过程、定压汽化过程、定压过热过程定压预热过程、定压汽化过程、定压过热过程第七页，讲稿共三十九页哦7-2 水蒸气的产生过程水蒸气的产生过程t tsv vv=vv=v v v v未饱和水未饱和水饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和湿蒸汽饱和干蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽过热蒸汽h hh=hh=hh h hs ss=ss=ss s s定压预热定压预热定压汽化定压汽化定压过热定压过热第八页，讲稿共三十九页哦o假定水开始处于某一压力假定水开始处于某一压力p，温度为，温
6、度为00的状态，在维持压的状态，在维持压力不变的条件下，随着外界的加热，水的体积稍有膨胀，比体力不变的条件下，随着外界的加热，水的体积稍有膨胀，比体积略有增加，水的熵因吸热而增大。积略有增加，水的熵因吸热而增大。o当水温升至对应压力当水温升至对应压力p的饱和温度的饱和温度t ts s时，若继续加热，水就时，若继续加热，水就会沸腾而产生蒸气。此沸腾温度称为饱和温度会沸腾而产生蒸气。此沸腾温度称为饱和温度t ts s。o处于饱和温度的水称为饱和水，对其除压力和温度外的状处于饱和温度的水称为饱和水，对其除压力和温度外的状态参数均加上一上角标态参数均加上一上角标“”，以示和其它状态的区别，以示和其它状
7、态的区别，如如h、v和和s等。等。o低于饱和温度的水称为未饱和水（或过冷低于饱和温度的水称为未饱和水（或过冷水）。水）。1水的定压预热阶段水的定压预热阶段 第九页，讲稿共三十九页哦 1水的定压预热阶段水的定压预热阶段 o1kg 0的未饱和水加热到压力p下的饱和温度ts所需的热量称为液体热，用q表示。根据热力学第一定律有水的液体热随压力提高而增大水的液体热随压力提高而增大第十页，讲稿共三十九页哦o在维持压力不变的条件下，对饱和水继续加热，水开始沸腾发生相变而产生蒸汽。沸腾时温度保持不变，仍为饱和温度tso在这个水的液汽相变过程中，所经历的状态是液、汽两相共存的状态，称为湿饱和蒸汽，简称为湿蒸汽。
8、o随着加热过程的继续，水逐渐减少，蒸汽逐渐增加，直至水全部变为蒸汽，称为干饱和蒸汽或饱和蒸汽。o对干饱和蒸汽除压力和温度外的状态参数均加上一上角标“”，如v、h和s 2.饱和水的定压汽化阶段饱和水的定压汽化阶段第十一页，讲稿共三十九页哦2.饱和水的定压汽化阶段饱和水的定压汽化阶段o由饱和水定压加热为干饱和蒸汽的过程，虽然压力、温度不变，比体积却随着蒸汽增多而增大，熵值也因吸热而增大，故这个过程在图p-v和图T-s上是水平线段。o该过程的吸热量称为汽化热，用r表示，则o此热量在T-s图上是1-1”下带阴影线的面积。第十二页，讲稿共三十九页哦2.饱和水的定压汽化阶段饱和水的定压汽化阶段o湿蒸汽是饱
9、和水和饱和蒸汽的混合物。湿蒸汽是饱和水和饱和蒸汽的混合物。o干度指湿蒸汽中所含饱和水蒸气的质量分数干度指湿蒸汽中所含饱和水蒸气的质量分数o湿度指湿蒸气中所含饱和水的质量分数湿度指湿蒸气中所含饱和水的质量分数ox+y=1o饱和水：饱和水：x=0,y=1o饱和干蒸气：饱和干蒸气：x=1,y=0o湿蒸汽：湿蒸汽：0 x1,0yTTTc c的气体称的气体称为永久气体。为永久气体。第十七页，讲稿共三十九页哦s水蒸气的压容图、温熵图和焓熵图水蒸气的压容图、温熵图和焓熵图A1A2CA1A2C7-3 水蒸气图表水蒸气图表第十八页，讲稿共三十九页哦 连接图连接图p-vp-v和图和图T-sT-s上不同压力下的饱和
10、水状态上不同压力下的饱和水状态1 1、2 2、3 3和临界点和临界点C C所得曲线称为饱和水线（或下界线），所得曲线称为饱和水线（或下界线），连接图连接图p-vp-v和图和图T-sT-s上不同压力下的干饱和蒸汽状态上不同压力下的干饱和蒸汽状态1”1”、2”2”、3”3”和临界点和临界点C C所得曲线称为饱和蒸汽线（或上所得曲线称为饱和蒸汽线（或上界线）。两线合在一起称为饱和线。饱和线将两图分成界线）。两线合在一起称为饱和线。饱和线将两图分成三个区域：水区（下界线左侧）、湿蒸汽区（又称两相三个区域：水区（下界线左侧）、湿蒸汽区（又称两相区或饱和区，上下界线之间）和过热蒸汽区（上界线右区或饱和区，
11、上下界线之间）和过热蒸汽区（上界线右侧）。侧）。水和水蒸气呈现五种状态：未饱和水、饱和水、湿水和水蒸气呈现五种状态：未饱和水、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸汽和过热蒸汽。蒸气、干饱和蒸汽和过热蒸汽。第十九页，讲稿共三十九页哦一点：临界点临界点 Critical Point两线饱和液体线饱和液体线 饱和蒸汽线饱和蒸汽线三区水区水区饱和区饱和区过热水蒸气区过热水蒸气区五态未饱和水未饱和水饱和水饱和水湿蒸汽湿蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽一点，二线，三区，五态一点，二线，三区，五态第二十页，讲稿共三十九页哦焓熵图的画法焓熵图的画法(1)1、零点：零点：h=0，s=0；2、饱和汽线饱和汽线（上界线
12、上界线）、饱和液线（）、饱和液线（下下界线界线）3、等压线群：等压线群：p两相区两相区pT=Const斜直线斜直线单相区单相区 sT向上翘的发散的形线向上翘的发散的形线C点为分界点，不在极值点上点为分界点，不在极值点上第二十一页，讲稿共三十九页哦焓焓 熵熵 图图hsCpx=1x=0pC第二十二页，讲稿共三十九页哦焓熵图的画法焓熵图的画法(2)气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体两相区：两相区：T、p一一对应，一一对应，T 线即线即 p 线线在在x=0,x=1之间，从之间，从C点出发的等分线点出发的等分线同理想气体一样，同理想气体一样，v 线比线比 p 线
13、陡线陡4、定温线定温线 T5、等容线等容线v6、等干度线等干度线x第二十三页，讲稿共三十九页哦焓焓 熵熵 图图hsCx=1x=0pvTx第二十四页，讲稿共三十九页哦水蒸气热力性质表水蒸气热力性质表(两类两类)2、未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表1、饱和水和干饱和蒸汽表饱和水和干饱和蒸汽表7-3 水蒸气图表水蒸气图表第二十五页，讲稿共三十九页哦第二十六页，讲稿共三十九页哦第二十七页，讲稿共三十九页哦表的出处和零点的规定表的出处和零点的规定原则上可任取零点，国际上统一规定。原则上可任取零点，国际上统一规定。但但 原则上不为原则上不为0，对水：对水：表依据表依据1963年第六届国际水和水蒸气
14、会议发表的国际年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）（国际公式化委员会）1967和和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。公式，但工程上还主要依靠图表。焓、热力学能、熵零点的规定：焓、热力学能、熵零点的规定：水的三相点水的三相点T=273.16K,p=611.66Pa时，时，u=0,s=0第二十八页，讲稿共三十九页哦7-4 水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程 蒸气热力过程的分析与计算只能利用热力学第一定蒸气热力过程的分析与计算只能利用热力学第一定律和第二定律的基
15、本方程，以及蒸气热力性质图表。其律和第二定律的基本方程，以及蒸气热力性质图表。其一般步骤如下：一般步骤如下：（1 1）由已知初态的两个独立参数，在蒸气热力性质）由已知初态的两个独立参数，在蒸气热力性质图表上查算出其余各初态参数之值；图表上查算出其余各初态参数之值；（2 2）根据过程特征和终态的一已知参数，由蒸气热）根据过程特征和终态的一已知参数，由蒸气热力性质图表查取终态状态参数值；力性质图表查取终态状态参数值；（3 3）由查算得到的初、终态参数，应用热力学第一定律）由查算得到的初、终态参数，应用热力学第一定律和第二定律的基本方程计算和第二定律的基本方程计算q q、w(ww(wt t)、hh、
16、u u 和和ssg g等。等。第二十九页，讲稿共三十九页哦1 1定容过程定容过程第三十页，讲稿共三十九页哦2 2定压过程定压过程 蒸气的加热（如锅炉中水和水蒸气的加热）蒸气的加热（如锅炉中水和水蒸气的加热）和冷却（如冷凝器中蒸气的冷却冷凝）过程，在忽略流动和冷却（如冷凝器中蒸气的冷却冷凝）过程，在忽略流动压损的条件下均可视为定压过程。当可逆时有压损的条件下均可视为定压过程。当可逆时有第三十一页，讲稿共三十九页哦3 3定温过程定温过程第三十二页，讲稿共三十九页哦4 4绝热过程绝热过程 蒸气的膨胀（如水蒸气经汽轮机膨胀蒸气的膨胀（如水蒸气经汽轮机膨胀对外作功）和压缩（如制冷压缩机中对制冷工质的对外
17、作功）和压缩（如制冷压缩机中对制冷工质的压缩）过程，在忽略热交换的条件下可视为绝热过压缩）过程，在忽略热交换的条件下可视为绝热过程，有程，有在可逆条件下是定熵过程在可逆条件下是定熵过程 s=0s=0 第三十三页，讲稿共三十九页哦7-5 基本的蒸汽动力循环朗肯循环基本的蒸汽动力循环朗肯循环简化（理想化）简化（理想化）12 蒸汽轮机蒸汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热30 水泵水泵 s 压缩压缩01 锅炉锅炉 p 吸热吸热凝汽器凝汽器锅锅炉炉蒸汽轮机蒸汽轮机发电机发电机水泵水泵1新汽新汽2乏汽乏汽30过热器过热器第三十四页，讲稿共三十九页哦1302pv朗肯循环p-v图12 汽轮机
18、汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热30 给水泵给水泵 s 压缩压缩01 锅炉锅炉 p 吸热吸热第三十五页，讲稿共三十九页哦0321Tshs1320朗肯循环T-s和h-s图12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热30 给水泵给水泵 s 压缩压缩01 锅炉锅炉 p 吸热吸热第三十六页，讲稿共三十九页哦朗肯循环功和热的计算 hs1320汽轮机作功汽轮机作功凝汽器中的定压放热量凝汽器中的定压放热量水泵绝热压缩耗功水泵绝热压缩耗功锅炉中的定压吸热量锅炉中的定压吸热量第三十七页，讲稿共三十九页哦朗肯循环热效率的计算 一般很小，占一般很小，占0.81%，有时，有时忽略泵功忽略泵功 hs1320第三十八页，讲稿共三十九页哦