工程熱力學(xué)-第六章水蒸氣

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1、第 六 章 水 和 水 蒸 氣 的 性 質(zhì) 水 蒸 氣 是 實 際 氣 體 的 代 表水 蒸 氣 在 空 氣 中 含 量 極 小 ， 當(dāng) 作 理 想 氣 體一 般 情 況 下 ， 為 實 際 氣 體 ， 使 用 圖 表18世 紀(jì) ， 蒸 氣 機(jī) 的 發(fā) 明 ， 是 唯 一 工 質(zhì)直 到 內(nèi) 燃 機(jī) 發(fā) 明 ， 才 有 燃 氣 工 質(zhì)目 前 仍 是 火 力 發(fā) 電 、 核 電 、 供 暖 、 化 工 的 工 質(zhì)優(yōu) 點 : 便 宜 ， 易 得 ， 無 毒 ， 膨 脹 性 能 好 ， 傳 熱 性 能 好 本 章 主 要 內(nèi) 容1. 實 際 工 質(zhì) 的 物 性3. 水 蒸 氣 圖 表 的 結(jié) 構(gòu) 和

2、應(yīng) 用4. 水 蒸 氣 熱 力 過 程2. 水 蒸 氣 的 產(chǎn) 生 過 程水 蒸 氣 蒸 氣蒸 汽 6-1 純 物 質(zhì) 的 熱 力 學(xué) 面 及 相 圖物 質(zhì) 有 三 種 聚 集 狀 態(tài) ： 固 態(tài) 、 液 態(tài) 、 氣 態(tài)熱 力 學(xué) 面 ： 以 p,v,T表 示 的 物 質(zhì) 各 種 狀 態(tài) 的 曲 面水 的 三 態(tài) ： 冰 、 水 、 蒸 汽 水 的 熱 力 學(xué) 面 兩 相 區(qū)單 相 區(qū) 氣液 固p v T六 個 區(qū) ： 三 個 單 相 區(qū) 、 三 個 兩 相 區(qū) 液 -氣固 -氣固 -液p v T 純 物 質(zhì) （ 水 ） 的 相 變 液 汽 汽 化 （ 沸 騰 ） 凝 結(jié) 固 液 融 化 （

3、熔 解 ） 凝 固 汽 固 凝 華 升 華 飽 和 線 、 三 相 線 和 臨 界 點p v四 個 線 ： 三 個 飽 和 線 、 一 個 三 相 線飽 和 氣 線三 相 線飽 和 液 線飽 和 固 線 T臨 界 點一 個 點 ： 臨 界 點 水 的 臨 界 點 c oc 3c 22.129MPa647.30K (374.15 C)m0.00326 kgpTv 水 的 臨界 點 狀態(tài) 飽 和 液 線 與 飽 和 氣 線 的 交 點氣 液 兩 相 共 存 的 pmax,Tmax等 溫 線 是 鞍 點 c c2 2T T0, 0p pv v 臨界點 純 物 質(zhì) 的 p-T相 圖p pT T液 液氣

4、 氣固 固水 一 般 物 質(zhì)三 相 點 三 相 點臨 界 點 臨 界 點流 體 流 體汽 化 線 汽 化 線 汽 相 和 液 相鍋爐 汽 輪 機(jī)發(fā) 電 機(jī)給 水 泵 凝汽器過 熱 器 因 固 相 不 流 動 ，更 關(guān) 心 汽 液 兩 相 6-2 汽 化 與 飽 和沸 騰 ： 表 面 和 液 體 內(nèi) 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 化 與 凝 結(jié) 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(xué) 變 化 )蒸 發(fā) ： 汽 液 表 面 上 的 汽 化 飽 和 狀 態(tài)飽 和

5、 狀 態(tài) ： 汽 化 與 凝 結(jié) 的 動 態(tài) 平 衡飽 和 溫 度 Ts飽 和 壓 力 ps 一 一 對 應(yīng)放 掉 一 些 水 ， Ts不 變 ， ps？Ts psp s=1.01325bar Ts=100 青 藏 ps=0.6bar Ts=85.95 高 壓 鍋 ps=1.6bar Ts=113.32 6-3 水 蒸 氣 的 定 壓 發(fā) 生 過 程t tsv v v = v v = vv v v未 飽 和 水 飽 和 水 濕 飽 和 蒸 汽 干 飽 和 蒸 汽 過 熱 蒸 汽h h h = h h = hh h hs s s = s s = ss s s水 預(yù) 熱 汽 化 過 熱 水 蒸 氣

6、 定 壓 發(fā) 生 過 程 說 明(1) ( )Q U W U pdVU p V U pV H (2) f g 0S S S 熵 在 加 熱 時 增 加(3) 理 想 氣 體 ( )h f T實 際 氣 體 汽 化 時 ， T Ts不 變 ， 但 h增 加 h h 汽 化 潛 熱(4) 未 飽 和 水 過 冷 度 st t t 過 冷 過 冷 水過 熱 蒸 汽 過 熱 度 st t t 過 熱 過 熱 蒸 汽 cp cT cTA BC A C BcT T cTT cpp cpp3a 3b 3d 3e3c3a 3b 3d 3e3c 2c2a 2b 2d 2e 2c2a 2b 2d 2e1c1a 1

7、b 1d 1e 1c1a 1b 1d 1eT s p-v圖 ， T-s圖 上 的 水 蒸 氣 定 壓 加 熱 過 程p v cp 一 點 ， 二 線 ， 三 區(qū) ， 五 態(tài) 6-4 水 和 水 蒸 氣 狀 態(tài) 參 數(shù) 及 其 圖 表狀 態(tài) 公 理 ： 簡 單 可 壓 縮 系 統(tǒng) ， 兩 個 獨 立 變 量未 飽 和 水 及 過 熱 蒸 汽 ， 一 般 已 知 p、 T即 可飽 和 水 和 干 飽 和 蒸 汽 ， 只 需 確 定 p或 T濕 飽 和 蒸 汽 ， p和 T不 獨 立 ， 汽 液 兩 相 水 和 水 蒸 氣 狀 態(tài) 參 數(shù) 確 定 的 原 則1、 未 飽 和 水 及 過 熱 蒸 汽確

8、 定 任 意 兩 個 獨 立 參 數(shù) ， 如 ： p、 T2、 飽 和 水 和 干 飽 和 蒸 汽確 定 p或 T3、 濕 飽 和 蒸 汽除 p或 T外 ， 其 它 參 數(shù) 包 括 比 參 數(shù) 與 兩 相比 例 有 關(guān) 兩 相 比 例 由 干 度 x確 定定 義 干 飽 和 蒸 汽 fmx m m vv干 飽 和 蒸 汽 質(zhì) 量 濕 飽 和 蒸 汽 質(zhì) 量 飽 和 水對 干 度 x的 說 明 ：x = 0 飽 和 水 x = 1 干 飽 和 蒸 汽0 x 1在 過 冷 水 和 過 熱 蒸 汽 區(qū) 域 ， x無 意 義 濕 飽 和 蒸 汽 區(qū) 狀 態(tài) 參 數(shù) 的 確 定 如 果 有 1kg濕 蒸

9、 氣 ， 干 度 為 x, 即 有xkg飽 和 蒸 汽 ， (1-x)kg飽 和 水 。 )1( yxxyy )1( )1( )1( sxxss vxxvv hxxhh y yx y y 已 知 p或 T(h,v,s,h,v,s)+干 度 xh ,v ,s 水 和 水 蒸 氣 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 o/ Ct KT / aMPp/ kgmv / 3 kgmv / 3 kgkJh / kgkJh / )( / KkgkJs )( / KkgkJs 01.0100200300 16.273 000611.0 0010002

10、2.0 175.206 0.2501000614.0 0000.0 1562.915.373 101325.0 0010437.0 6738.1 3.267606.419 3069.1 3564.715.473 5551.1 0011565.0 4.82512714.0 4.2791 3307.2 4289.615.573 5917.8 0014041.0 02162.0 4.1345 4.2748 2559.3 7038.5kgmv / 3 kgmv / 3 kgkJh / kgkJh / )( / KkgkJs )( / KkgkJs o/ Ct 982.6 63.99 88.179 96

11、.3105.2484 0010001.0 208.129 8.251333.29 1060.02.2258 0010434.0 6946.1 7.267551.417 3027.14.2014 0011274.0 6.76219430.0 0.27778.1315aMPp/ 001.0 1.0 0.110 0014526.0 01800.0 6.1408 4.2724 9756.8 3608.71382.2 5847.63616.3 6143.5kgkJr / 飽和參數(shù) p aMP01.0 aMP02.083.45st 1505.86493.0 4.258484.191 676.1400101

12、02.0 s s h h v v 09.60st 9092.78321.0 6.260946.251 6515.70010172.0 s s h h v vt v h s v h s0408060 0010002.0 0.0 0001.0 0010002.0 0.0 0001.05.1670010078.0 4.167 5729.0 0010078.0 5721.0 8310.01.2510010171.01752.83.261134.15 27.16 3.2649 3437.8 119.8 8.2647 0205.84.2724052.95479.84.272512.18 2261.8120

13、 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 ： pvuh 3m611.2 0.00100022ap P v kg 00006.06.0 kgkJkgJpvuh 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(zhì) 公 式 ， 但 工 程 上 還 主 要 依 靠 圖 表 。焓 、 內(nèi) 能 、 熵 零 點 的 規(guī) 定 ： 0 s0

14、u T 16.273水 的 三 相 點 查 表 舉 例 （ 1）查 表 時 先 要 確 定 在 五 態(tài) 中 的 哪 一 態(tài) 。例 .1 已 知 ： p=1MPa,試 確 定 t=100 , 200 各 處 于 哪 個 狀 態(tài) , 各 自 h是 多 少 ？ts(p)=179.88t=100 ts, 過 熱 蒸 汽 h=2827.5kJ/kg 查 表 舉 例 （ 2）已 知 t=250 , 5kg 蒸 汽 占 有 0.2m3容 積 , 試 問 蒸汽 所 處 狀 態(tài) ? h=? 30.2 m0.04 kg5v kgmv 3001253.0t=250 , kgmv 305002.0 0.04 0.00

15、12513 0.795 0.05002 0.0012513v vx v v v v v 濕 蒸 汽 狀 態(tài) 查 表 舉 例 （ 2）已 知 t=250 , 5kg 蒸 氣 占 有 0.2m3容 積 , 試 問 蒸氣 所 處 狀 態(tài) ? h=?t=250 , 0.795x 濕 蒸 汽 狀 態(tài) kJ kJ 1085.8 2799.5kg kgh h kJ (1 ) 2448.2 kgh xh x h 查 表 舉 例 （ 3）已 知 t=85 , p=0.015MPa , 試 確 定 狀 態(tài) ? h=?ts=54.0 , 過 熱 狀 態(tài)80 90 80 85 8090 80h hh h p=0.01

16、5MPa內(nèi) 插 法p=0.01MPat=85 kJ 2658.8 kgh8090 80 85 8090 80h hh h p=0.02MPat=85 kJ 2657.4 kgh0.01 0.02 0.01 0.015 0.010.02 0.01h hh h p=0.015MPat=85 kJ 2658.1 kgh 蒸 汽 動 力 循 環(huán)鍋爐 汽 輪 機(jī)發(fā) 電 機(jī)給 水 泵 凝汽器過 熱 器 定 壓 過 程等 熵 過 程 tq h w h tw h0s 6-5 水 蒸 氣 的 熱 力 過 程任 務(wù) ： 確 定 初 終 態(tài) 參 數(shù) ， 計 算 過 程 中 的 功 和 熱 在 p-v、 T-s、 h

17、-s圖 上 表 示熱 力 過 程 ： p s T v d d dh T s v p n nh pT vs s 焓 熵 簡 化 圖 注 意 與 理 想 氣 體 過 程 的 區(qū) 別第 一 定 律 與 第 二 定 律 表 達(dá) 式 均 成 立理 想 氣 體 特 有 的 性 質(zhì) 和 表 達(dá) 式 不 能 用tq dh w q du w 準(zhǔn) 靜 態(tài) w pdv tw vdp 可 逆 q Tds iso 0ds pv RT( )u f T ( )h f T 2 2p 1 1ln lnT ps c RT p p vc c R p 1kc Rk v 1 1c Rk 水 蒸 氣 的 定 壓 過 程q = h wt

18、= 0 3 4 2p v1q h vdp 例 ： 鍋 爐 中 ， 水 從 30 ，4MPa, 定 壓 加 熱 到 450 ，交 換 的 熱 量 q = h2-h1ts(4MPa)=250.33鍋 爐 、 換 熱 器 水 蒸 氣 的 定 壓 過 程例 ： 水 從 30 ， 4MPa, 定 壓 加 熱 到 450 q = h2-h1 2T s h s2h 1 = 129.3 kJ/kg h2 = 3330.7 kJ/kgh2h11 3 4 1 43=3201.4kJ/kg 水 蒸 氣 的 絕 熱 過 程p1 2p vp2 不 可 逆 過 程 ： 汽 輪 機(jī) 、 水 泵 12 可 逆 過 程 ： s

19、1 2 1 2q = 0t 1 2w h h h 水 蒸 氣 的 絕 熱 過 程汽 輪 機(jī) 、 水 泵 q = 0 t 1 2w h h 212T s 不 可 逆 過 程 ： 可 逆 過 程 ： st 1 2w h h p1p2 水 蒸 氣 的 絕 熱 過 程汽 輪 機(jī) 、 水 泵 q = 0 t 1 2w h h h s 不 可 逆 過 程 可 逆 過 程 ： s t 1 2w h h p1p2 21h1h2h2 2 透 平 內(nèi) 效 率 1 2oi 1 2h hh h 水 蒸 氣 的 絕 熱 過 程 舉 例h sp1p 2 21h1h2h2 2例 ： 汽 輪 機(jī) 1 4MPap o1 450

20、 Ct 2 0.005MPap 0.9oi 求 ： tw 2h 2x1 3330.7kJ/kgh 1 6.9379kJ/kg.Ks 解 ： 由 t1、 p1查 表 2 1s s 水 蒸 氣 的 絕 熱 過 程 舉 例h sp1p 2 21h1h2h2 24MPa o450 C0.005MPa求 ： tw 2h 2x 2 1 6.9379kJ/kg.Ks s 由 p2查 表2 137.77kJ/kgh 2 2561.2kJ/kgh 2 0.4762kJ/kg.Ks 2 8.3952kJ/kg.Ks 2 22 2 2 0.8160s sx s s 水 蒸 氣 的 絕 熱 過 程 舉 例h sp1p

21、 2 21h1h2h2 24MPa o450 C0.005MPa求 ： tw 2h 2x 2 2 2 2 21 2115.3kJ/kgh x h x h 2 0.8160 x 1 21 2 toi twh hh h w 1 2 1093.9kJ/kgt oiw h h 2 1 2236.8kJ/kgth h w 2 22 2 2 0.866h hx h h 水 蒸 氣 的 定 溫 過 程p v實 際 設(shè) 備 中 很 少 見 TC TcT 遠(yuǎn) 離 飽 和線 ， 接 近于 理 想 氣體 水 蒸 氣 的 定 溫 過 程1 2T s h s1 22理 想 氣 體 可 逆 過 程 ：q Tds T s tw q h 1 2 5、 注 意 與 理 想 氣 體 比 較 ， 哪 些 公 式 可 用 、 哪 些 不 能 用第 六 章 小 結(jié)1、 熟 悉 pT相 圖2、 熟 悉 1點 2線 3區(qū) 5態(tài)3、 會 查 圖 表4、 基 本 熱 力 過 程 在 p-v、 T-s、 h-s圖 上 的 表 示 ， 會 計 算 q、 wt 第 六 章 完