工程热力学与传热学(中文)第5章水蒸气与湿空气

工程热力学与传热学工程热力学第五章水蒸气与湿空气水蒸气内容要求掌握水蒸气的定压产生过程分析确定水蒸气的状态了解水蒸气的热力过程掌握蒸汽热力性质图表的结构和应用蒸气：泛指刚刚脱离液态或比较接近液态的气态物质。是一种实际气体。常用蒸气：水蒸气，氨蒸气，氟里昂蒸气。水蒸气特点：人类在热力发动机中最早广泛使用的工质。来源丰富，价格便宜，耗资少。比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能。无毒无味，不污染环境。蒸气的热力计算：不能按理想气体处理。状态方程式，比热的函数关系，以及有关热工计算的经验公式都比较复杂。采用查图查表方法——蒸气的热力性质图表。5-1水蒸气的产生过程1.汽化（vaporation）物质由液态转变为气态的过程。汽化的方式有两种：蒸发和沸腾。5-1-1基本概念2.液化（liquefaction）物质由气态转变为液态的过程（凝结）。3.蒸发（boil-off）在液体表面较缓慢地进行的汽化过程。蒸发可以在任何温度下进行。蒸发速度取决于液体的性质，液体的温度，蒸发表面积和液面上气流速度。4.沸腾（boiling）在特定的温度下发生，在液体内部和表面同时进行的强烈的汽化过程。（1）沸腾的温度与液体所受的压力有关。（2）沸点（boilingpoint）在某一压力下，液体沸腾时的温度。与液体的性质有关。同种液体，沸点还随压力的升高而增大。沸腾状态的水总是烫手的？说明5.饱和状态（saturationstate）气液两相处于动态平衡的状态。饱和液体（saturatedliquid）：饱和状态下的液体。饱和蒸气（saturatedvapor）：饱和状态下的蒸气。饱和温度和饱和压力（1）汽液共存。（2）汽液同温。（3）饱和压力随饱和温度的升高而增大，两者一一对应。特点6.湿饱和蒸汽（wetvapor）是饱和蒸汽与饱和液体的混合物．二者处于两相平衡。7.干饱和蒸汽不含有液体的饱和蒸汽。8.过热蒸汽（superheatedvapor）在一定压力下，温度大于饱和温度时的蒸汽。过热度Δt：过热蒸汽温度t–饱和蒸汽温度ts9.过冷液体（subcooledliquid）在一定压力下，温度低于相应饱和温度的液体。过冷度Δt：饱和蒸汽温度ts–过冷液体温度t5-1-2水蒸气的定压产生过程活塞式汽缸中水蒸气的定压产生过程。分析p加热•汽缸中有1kg，初温为0ºC的水•水面上有一个可以移动的活塞，施加一定的压力p（不同实验序号下维持恒定压力）•在容器底部对水加热假设1.水蒸气产生过程的三个阶段p加热p加热p加热p加热p加热未饱和水湿饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽饱和水水定压预热饱和水定压汽化干蒸汽定压过热吸热，温度升高，比体积略增（1）第一阶段：水定压预热未饱和水饱和水状态b：ps，ts，v‘，h‘，s‘状态a：ps，t，v，h，s（2）第二阶段：饱和水定压汽化继续加热，水开始汽化，饱和温度不变，比体积增大，水量逐渐减少，汽量逐渐增加状态c：ps，ts，vx，hx，sx继续加热，温度保持不变，比体积增大，直至汽缸中的水全部变成蒸汽状态d：ps，ts，v‖，h‖，s‖状态b：ps，ts，v‘，h‘，s‘湿饱和蒸汽干饱和蒸汽饱和水（3）干蒸汽定压过热干饱和蒸汽过热蒸汽继续加热，比体积继续增大，蒸汽温度开始上升，温度大于相应压力下的饱和温度状态d：ps，ts，v‖，h‖，s‖状态e：ps，t，v，h，s2.水蒸气定压形成过程在p-v图和T-s图表示abcdep预热汽化过热vv’vxv”vvTsabcdes’sxs”s某一压力下饱和水x=0，干饱和蒸汽x=1。汽轮机运行时，干度规定x=0.86-0.88。干度（quality）湿蒸汽中所含有的干饱和蒸汽的质量分数。wvvmmmxTsabcdes’sxs”sTS说明5-1-3不同压力下水蒸气定压形成过程的p-v图和T-s图a1a2a3a4b4b2b3b1d4d3d2d1e4e3e2e1CTcrTABpcr0svppcra1a2a3a4b1e1d1b4b3b2d4d3d2e4e3e2BCATcr0).(4092.4,/9.2085,/003106.0,99.373,064.223KkgkJskgkJhkgmvCtMPapcrcrcrcrcr水的临界点状态临界点(criticalpoint)下临界线(saturationliquidline)：不同压力下饱和水状态上临界线(saturationvaporline)：不同压力下干饱和蒸汽状态液相区(liquidregion)汽液两相区(liquid-vaporregion)汽相区(vaporregion)未饱和水，饱和水，湿饱和蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽2线3区5态1点是否有400ºC的水？0ºC或-10ºC的水蒸气5-2水蒸气的状态参数5-2-1零点的规定选择水的三相点（273.16K）的液相水为基准点。规定该状态下，液相水的热力学能和熵为零。即：)/(0,/0,/00100021.0,16.273,7.6113KkgkJskgkJukgmvKTTPapptptp焓：0/00061.0/21000001.07.61103kgkJkgmPapvuh理想气体和实际气体的不同分析对比5-2-2水与水蒸气表（steamtablesforwater）饱和水与饱和水蒸气的热力性质表（附表5，6）未饱和水与过热水蒸气的热力性质表（附表7）按温度排列（附表5）按压力排列（附表6）粗黑线上方：未饱和水参数粗黑线下方：过热水蒸气参数两种水和水蒸气表饱和水与饱和水蒸气的热力性质表——温度排序饱和水与饱和水蒸气的热力性质表——压力排序1.饱和水和饱和水蒸气压力温度比体积比焓汽化潜热比熵液体蒸汽液体蒸汽液体蒸汽ptv‘v‗‘h‘h‘‘γs‘s‘‘0.00106.94910.0010001129.18529.212513.292484.10.10568.9735压力ps或温度ts饱和水：已知ps/ts，确定v’,h’,s’,u’=h’-psv’饱和水蒸气：已知ps/ts，确定v’’,h’’,s’’,u”=h”-psv”2.湿饱和蒸汽压力温度比体积比焓汽化潜热比熵液体蒸汽液体蒸汽液体蒸汽ptv‘v‗‘h‘h‘‘γs‘s‘‘0.00106.94910.0010001129.18529.212513.292484.10.10568.9735压力ps/温度ts，干度xwvvmmmxxsxxxxxvphusxsxshxhxhvxvxv)1()1()1(湿饱和蒸汽已知1kg湿饱和蒸气=xkg干饱和蒸气+（1-x）kg饱和水未饱和水与过热水蒸气的热力性质表3.未饱和水与过热水蒸气压力p,和温度t8.34222648.916.2688.66392649.732.5669.40802650.3162.956808.23132610.815.3368.55372611.830.7129.29842612.7153.717600.5723167.510.00100798.43662574.028.8549.18232575.2144.475400.296383.870.00100180.296383.870.00100189.05882537.7135.226200.151042.010.00100030.151042.010.00100038.99382519.0130.59810-0.0002-0.040.0010002-0.0002-0050.0010002-0.0002-0.050.0010020shvshvshv温度t0.010MPa0.005MPa0.001MPa压力p1.利用水蒸气表，确定下列各点的状态（1）t=45ºC,v=0.00100993m3/kg。（2）t=200ºC,x=0.9。（3）p=0.5MPa,t=165ºC。（4）p=0.5MPa,v=0.545m3/kg。例题解：（1）t=45ºC,v=0.00100993m3/kg;由已知温度，查饱和水与饱和水蒸气表（附表5）。知：vkgmv/00101.03'确定该状态为饱和水，查饱和水与饱和蒸汽表得：)./(6490.0,/76.191,01.0KkgkJskgkJhMPaps分析求解过程（2）t=200ºC,x=0.9;该状态为湿蒸汽，查饱和水与饱和水蒸汽表，得：)./(4312.6),./(3307.2,/47.2792,/34.852''''''KkgkJsKkgkJskgkJhkgkJh)./(0212.6)./(3307.2)9.01()./(4312.69.0)1(/5.2598/34.852)9.01(/47.27929.0)1(''''''KkgkJKkgkJKkgkJsxxsskgkJkgkJkgkJhxxhhxx,867.151,5.0CtMPaps,stt现所以为过热蒸汽状态。查未饱和水和过热水蒸气表得：)./(8647.6,/2.2767,160,5.0KkgkJskgkJhCtMPap)./(9160.6,/6.2789,170,5.0KkgkJskgkJhCtMPap,165Ct焓和熵可从上面两者之间按线性插值求得：)./(8904.6,/7.2778KkgkJskgkJh（3）p=0.5MPa,t=165ºC;当对于MPap5.0''3'',/37490.0vvkgmv所以该状态为过热蒸汽状态。查未饱和水和过热蒸汽表得：)./(5297.7,/9.3104,/54164.0,320,5.03KkgkJskgkJhkgmvCtMPap)./(5643.7,/6.3125,/55115.0,330,5.03KkgkJskgkJhkgmvCtMPap按线性插值求得：)./(5422.7,/4.3112,6.323KkgkJskgkJhCt（4）p=0.5MPa,v=0.545m3/kg当时，饱和蒸汽的比体积结论判断工质所处状态已知（p,t）查饱和蒸汽表，确定蒸汽状态。)()()(pttpttpttsss未饱和液体状态饱和状态，还需再给定干度x过热蒸汽状态若已知p（或t）,及某一比参数v（或h,或s）先查饱和蒸汽表,确定蒸汽状态。vvvvvvv未饱和液体状态饱和状态过热蒸汽状态再查未饱和水和过热蒸汽表确定参数思考题1.临界点时，饱和液体的焓等于干饱和蒸汽的焓。2.某液体的温度为T，若其压力大于T对应的饱和压力，则该液体一定处于未饱和液体状态。3.干饱和蒸汽被定熵压缩，将变为（）。4.知道了温度和压力，就可以确定水蒸气的状态。5.水蒸气的定温膨胀过程满足Q=W。vppcra1b1e1d1BCATcr0vppcra1b1e1d1BCATcr0Tps(T)实际气体a1b1d1e1CTcrTABpcr0sa1b1d1e1CTcrTABpcr0s5-3水蒸气的基本热力过程水蒸气的基本热力过程：定容，定压，定温和绝热过程。求解任务：（1）确定初，终态的参数；（2）确定过程中的热量和功量。求解方法：查表，图，根据专用方程用计算机计算求解原理：（1）热力学第一，二定律。（2）可逆过程关系式。求解步骤（1）根据初态的两个参数，通常（p,t）/（p,x）/（t,x），从表或图中查出其它初态参数；（2）根据过程特征及一个终态参数确定终态，再从表或图中查得其它终态参数；（3）根据初，终态参数计算q,u,w。思考：理想气体如何确定初，终状态参数？水蒸气由p1=1MPa，t1=300ºC可逆绝热膨胀到p2=0.1MPa，求1kg水蒸气所作的膨胀功和技术功。（例题5-4）例题T10sP1P2T12s1=s2x2s2‘s2‘‘T10sP1P2T12s1=s2x2s2‘s2‘‘思路（1）确定初态，及初态参数。（2）确定终态，及终态参数。（3）根