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1、1）第七章 水蒸汽）水蒸气是工程上应用较广泛的一种工质，例如蒸汽动力装置、压气式制冷装置都是以水蒸气作为工质来实现热能机械能相互转化的。这些动力装置也可用燃气或其他工质代替，那为什么要用水蒸汽呢？原因如下）1、水蒸气容易获得，只要通过水的定性加热即可获得。）2、有事宜的热力状态参数，靠卡诺循环、朗肯循环）3、不会污染环境）由于水蒸汽处于离液态较近的状态，常有集态现象而且，物理性质也很复杂，所以不能把它看作是理想气体，理想气体的状态方程式以及由它推导的其他计算公式一般都不能用来分析和计算水蒸汽。所以必须对水蒸汽的性质另行研究。）这章重点研究：1、水蒸汽产生的一般原理）2、水蒸汽状态参数确立）3、
2、水蒸汽图表的结构及应用）4、计算水蒸汽热力过程中的q,w）71基本概念和术语）1、汽化：物质有液态转化为气态的过程。）蒸发：在液态表面上进行的汽化过程，在任何温度下进行）汽化的形式沸腾：在液体内部和表面同时进行剧烈的汽化现象。沸腾时温度保持不变解释：蒸发在任何温度下都可进行，它是由于液体表面总有一些能量较高的分子，克服临近分子的引力而脱离叶面，逸入液体外的空间，t 越高，能量较大的分子越多，蒸发愈激烈，汽化速度取决于温度。沸腾时，实在液体内部产生大量的汽泡。汽泡上升到液面，破裂而放出大量的蒸汽，工业上用的蒸汽都是通过沸腾的方式获得，液体在沸腾时温度不变，虽加热也保持不变，且液体和气体的温度相同
3、。沸腾时的温度叫沸点。ts f(p)2、液化：蒸汽转变为液体的现象，液化和汽化时相反的过程，他取决于(p)3、饱和状态：当液体和蒸汽处于动平衡的状态解释：当液体在有限的密闭空间里汽化时，不仅液体表面的液体分子蒸发到空间去，而空间的蒸汽分子也会因分子密度大，压力增大，撞击到液体表面回到液体中，当液面上空的蒸汽分子密度达到一定程度时，在单位时间内逸出液面和回到液面的分子数相等时，蒸汽和液体的无量保持不变，汽、液两相处于动平衡状态。4、饱和温度：当汽体和液体处于饱和状态时，液体和汽体温度称饱和温度5、饱和压力：ts f(ps)6、饱和蒸汽：处于饱和状态的蒸汽7、饱和液体：处于饱和状态的液体8、温饱和
4、蒸汽：饱和液和饱和蒸汽的混合物，称温饱和蒸汽9、干饱和蒸汽：不含饱和液的饱和蒸汽10、过热蒸汽：如果蒸汽的温度超过其压力对应的饱和温度11、为饱和液体：液体温度低与其压力对应的饱和温度72水蒸汽的定压发生过程工程上所用的水蒸汽通常是通过水在气锅内定压沸腾汽化而产生的。设 1kg 工质（0.01的纯水）在1kg/cm2下定压加热经历三个阶段预热阶段：由未饱和水饱和水汽化阶段：饱和水干饱和蒸汽水蒸汽的获得过热阶段：干饱和汽过热汽五种状态：未饱和水、饱和水、温饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽1kg，0.01的水在 1ba 的压力下q1 hh0加热到 99.36沸腾q2 r hhq3 hh改变压力，相应
5、有不同的饱和温度，可得到类似的汽化过程，三个过程，五种状态。总结：一个点：临界点 C二条线：饱和水线、饱和蒸汽线三个区：过冷水区、温蒸汽区、过热区五个状态：过饱水、饱和水、温饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽低温时10,20,30在同一条垂线上，因水几乎不可压缩，P V几乎不变，且压缩后温度升 高 极 小。0123向 右 倾 斜，因 水 受 热 膨 胀 的 影 响 大 于 压 缩 影 响。t,p v,s12 3向左倾斜，因蒸汽受热膨胀的影响小于压缩的影响，Ps增长 较Ts快：Ps v,s故Ps ts,vv汽 化 中 吸 取 的 热 量Ts(ss)当P 221.2bar ts 34.15v v 0.
6、00317，水蒸汽与饱水从0.0199.63开始沸腾，10-1 表示v略增大=0.0010434m3/kg继续加热直至全部变 成 蒸 汽，t不 变=99.63 v 1.6946m3/kg11表示在继续加热 P 不变温度 v 11表示。在Pc处 加 热 到Tc，水全部汽化加re过热蒸汽，这点 城 临 界 点，Pc Tc Vc，当t tc时，无论 P 多大，也不能使蒸汽液化。故在 T-S 图上，定压线与 MC 是沸点和水不再有分别。74水和水蒸汽的参数水蒸汽和水的参数 P,t,v,h,s 均能从表中查得，也能从图中查得。故在实际计算中完全根据表，图决定水和水蒸汽得参数，这议长我们主要介绍这些参数之
7、间的关系和根据图表查得的数据进行辅助性计算。一、零点得规定：国际水蒸汽会议规定，水的三相点的液相水作基准，规定次状态下的u0 0s0 0此时t0tTP 0.01P0 PTP 0.009112barv0 0.00100022kg/m3故h0 u0 pv0 0.000614 0二、温度为 0.01压力为 P 的过冷水t ts f(Ps)因为水的不可压缩性，则dv 0故：w过21pdv 0又有 t 不变，则u0 u0 0s0 s0 0所以有q updv 0h0u0 pv0 0.000611KJ/Kg 0三、t ts压力为 P 的饱和水qlTs273.16CpdTKgK当t 0.01,Cp可看作是定值
8、。Cp 4.18KJ即ql 4.18(Ts273.16)4.18tsP 不变，则ql qp hh0 h qph0dTTssCp 4.18ln273.16T273.16Ts当t 0.01,Cp变化很大，ql,h不能按上式计算，必须查图表，根据P,t查得h,s,v u h pv四、t ts压力为 P 的干饱和蒸汽r Ts(ss)hh(uu)p(vv)h hr即u h pvs srTsh,u,s,r均可从表中查得。五、压力为 P 的温饱和蒸汽由于温蒸汽是由压力，温度相同的饱和水和饱和蒸汽所组成的温饱和物，因此要确定温蒸汽的参数除了说明p，t 外还要说明干度 x，因为 1kg 湿蒸汽由 xkg饱和蒸汽
9、和 1xkg 得饱和水组成。mvapxmvatmvapvx xv(1 x)vhx xh(1 x)hor:hx h xrsx xs(1 x)s sx s xrTsux hx pvx因为h.h.s.s.v.v从表中可以查出得，若已知 x，则可计算hx,sx,vx,ux另外hx,sx,vx,ux也可以从图中查得，湿蒸汽的 p,t 均为饱和值，hx,sx,vx,ux点界于h与h，s与s，u与u之间，如果某一值大于（）or 小于（）则断定是湿蒸汽。六、压力为 P 的过热蒸汽qsu21CpdTh hqsus Ts273.16CpdTrTdTTTsTsCpTx0,1x 0饱和水x 1饱和汽0 x 1湿蒸汽x
10、 1x 0都没有意义因为 C 随 T 的变化很大，应不适于计算，所以过热蒸汽的参数只能查表or 图。75水蒸汽表和图一、表水蒸汽湿一种不同于理想气体的实际气体，它的参数 PVT 之间不符合PV RT通过实验得到得水蒸汽状态方程式也非常复杂，而且，由于理论分析方法、测试技术的差异得到的结果也有所不同，所以，国际会议研究室将实验和分析计算得到的数据列成表水蒸汽表以 t 为序的饱和水和饱和蒸汽表三种以 p 为序的饱和水和饱和蒸汽表按压力温度，过热蒸汽与过冷水注意：表中的“”表示饱和水参数表中的“”表示饱和蒸汽参数过冷水与过热蒸汽用“”隔开但计算时要区分开，过冷水用“0”表示，（下角标）过热蒸汽参数没
11、有修编。表中编制以 0.01时的液相水为基准。u0 0,h0 0,s0 0二、图利用水蒸汽表确定水 or 水蒸汽状态参数的优点是准确度很高，但不可能将所有的状态点的参数值一一列出，有时需用内插法确定，此外水蒸汽表不能直接查出湿蒸汽的参数值，需要通过湿蒸汽与饱和水，饱和汽的参数关系计算得到。如图，将表中的数据绘成图，由图查得就会方便的多。TS 图，分析循环有特殊的作用，优点，但计算q w,较繁。二种HS 图，普遍适用hs 图1、结构图中的 C 电位临界点，曲线 AC 为饱和水线，CB 为饱和汽线，ACB 下面是湿蒸汽区，曲线 CB 上方是过热蒸汽区，在湿蒸汽区有定压线（定温线）斜直线，干度线在过
12、热区，有定压线，斜率增加向上倾斜，定温线由左右延伸，定容线与定压线去向相同，只是斜率达一些，由于工程上用的水蒸汽都是过热蒸汽orx 50%的水蒸汽，对于x 50%的湿蒸汽图中未载，但仍由表中计算。1、作用（1）可以根据(p,t).(p,x).(t,x)查得状态点在图中的位置。便可知其他参数。（2）也可根据初态参数，通过热力过程，查得终态参数，即而计算过程中的q，w。76水蒸汽的基本热力过程分析水蒸气热力过程的目的确定过程的能量转换关系，包括 w、q 以及 u 和 h 等。因此，需确定状态参数的变化。确定过程的能量转换关系的依据为热力学第一、二定律：可用水蒸气表及图，依照过程的特点来确定各状态的
13、参数。一、定容过程 v1=v2,于是可得：干度线只在湿蒸汽区有概念，工程上x0.7。过热区，定温线较平坦，越往右 越 接 近 水 平 线理想气体。h f(t)理：h T表的优点：液体热、汽化潜热和过热量及功量计算，直接用图上的线算表示方便。定 压 线 下 的q h2h1绝热膨胀的wt h1h2定温q T(s2s1)二、定压过程 p1=p2,于是可得：三、定温过程 T1=T2,于是可得：四、定熵过程 s1=s2,于是可得：注意：1、过程可逆2、用PV3、w K总结：1、水蒸汽发生原理2、表、图结构。3、热力过程C计算时，K 纯经验数，即绝热过程不能用此式计算PV 方便pdv 用212TS 方便q
14、 Tds 用1例题：例题：0.1kg 水盛于一绝热的刚性容器中，工质的压力的0.3Mpa，干度为 0.763。一搅拌轮置于容器中，由外面马达带动旋转，直到水全变为饱和蒸汽。求：（1）完成此过程所需的功；（2）水蒸汽最终的压力和温度。解解：取容器内的工质为系统，搅拌轮搅拌工质的功变为热，是不可逆过程。（1）系统绝热，q=0。系统的边界为刚性，因而没有容积变化功，可是由于搅拌轮搅拌，外界对系统作了功。由热力学第一定律W U m(u1u2)即外界消耗的功变了热，工质吸收热内能增加，因而只要计算初终态的内能变化就可求得耗功量。对于初态，已知p1=0.3Mpa，x=0.763，于是v1 xv1(1 x)
15、v13(10.763)0.0010740.7630.6058 0.4643m/kg h1(1 x)h1(10.763)561.40.7632725.5 2212.6kJ/kg h1 p1v163 2212.60.310 0.464310 2074kJ/kg3h1u1因为容器是刚性的，终态和初态比容相等，因而终态是v2=0.4643m/kg 的干饱和蒸=0.4624 时的压力p2=0.4Mpa，温汽。由饱和水与饱和蒸气表可查得相应于v2=v2度t2=143.62。由查得的终态参数可计算出终态的内能u2=2253.6kJ/kg。所以，搅拌轮功为W m(u2u1)0.1(2553.6 2074)48.0kJ（2）终态为v2=v1、x=1 的干饱和蒸气，p2=0.4Mpa，t2=143.62。