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1、第五章 水蒸气的热力性质,第一篇 工程热力学,2,18世纪，蒸汽机的发明，水蒸气是唯一工质。 直到19世纪，内燃机发明，才有燃气工质。 目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖、化工的常用工质。 优点：膨胀性能好，流动性好，热力性能稳定，便宜，易得，无毒，传热性能好。 是其它实际气体的代表。,3,本章主要内容,水蒸气的饱和状态 水蒸气的定压产生过程 水蒸气的热力性质图表 水蒸气的基本热力过程,5-1 水蒸气的饱和状态,一、汽化：液态汽态,2、沸腾在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化现象。,1、蒸发在液体表面缓慢进行的汽化现象。,汽化方式有两种：1）蒸发，2）沸腾。,（如锅炉水冷壁中水的汽化过程）,特点
2、：它能在任何温度下进行；液体的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的流速。,特点：有汽泡产生；在一定的压力下，液体沸腾时的温度（沸点）是一定的。,5,发生位置,发生条件,发生现象,发生速度,表面 表面和内部,任何温度 一定温度,无汽泡 有汽泡,蒸发 沸腾,慢 快,火电厂锅炉中水的汽化采用的是哪种方式？,沸 腾,6,二、凝结（液化）,定义：物质从汽态转变成液态的过程，称为液化。（如火电厂凝汽器中的排汽凝结成水的过程） 特点：在一定压力下，蒸汽的温度（低）等于沸点时，才可能出现凝结。,5-1 水蒸气的饱和状态,7,三、饱和状态,饱和水：饱和状态下的水; 饱和蒸汽：饱和状态下
3、的水蒸汽。,定义：,液体在有限密闭空间内汽化,同时也有液化,当汽化速度与液化速度相等,即汽液两相达到动态平衡,这种状态称为饱和状态。,t s,p s,饱和水,饱和蒸汽,5-1 水蒸气的饱和状态,8,饱和状态参数,饱和压力：在饱和状态下的水和水蒸汽的压力pS 饱和温度：在饱和状态下的水和水蒸汽的温度tS,饱和状态的特点： 汽水共存； 汽水同温； 饱和压力与饱和温度成一一对应关系.,5-1 水蒸气的饱和状态,9,ps上升， ts上升 ts上升， ps上升,如青藏高原：ps=0.06MPa,ts=85.95 ,使水汽化的方法：,1）加热升温；2）降压扩容。,饱和温度与饱和压力的关系,5-2 水蒸气的
4、定压产生过程,11,过热阶段,水蒸气的定压产生过程,汽化阶段,预热阶段,未饱和水,饱和水,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,一、水蒸气的定压产生过程,5-2 水蒸气的定压产生过程,（省煤器）,（水冷壁）,（过热器）,12,未饱和水（过冷水）,饱和水,1、预热阶段参数变化特点,注意比较v0和v的大小！,13,饱和水,注意比较v和v的大小！,湿（饱和）蒸汽,干（饱和）蒸汽,为什么水的汽化阶段除了压力不变，温度也保持不变呢？,2、汽化阶段参数变化特点,14,干度x：湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。,显然： x+y=1； 湿蒸汽：0x1； 饱和水的x=0； 干蒸汽的x=1,湿度y：湿蒸汽中饱和水所占
5、的质量百分比。,湿蒸汽的干度,15,干饱和蒸汽,过热蒸汽,过热度：D = t - ts,3、过热阶段参数变化特点,16,水蒸气定压产生过程中热量的计算,1.水的定压预热阶段：,a,T,s,液体热,2.饱和水的定压汽化过程：,汽化潜热,3.干蒸汽的定压过热过程：,过热热,b,d,e,整个水蒸气产生过程吸热量(1kg水)：,kJ/kg,17,水蒸气的定压产生过程在p-v图与T-s图上的表示：,结论：水蒸气的定压产生过程依次经历三个阶段、五种状态。从p-v图可以看出，v0vvxvv。在T-s图上，ab、bd及de线下的投影面积分别表示了三个阶段所加入的热量的大小。,18,压力升高对汽化过程的影响,p
6、升高（ts升高）：v0基本不变（水的可压缩性极小）； v增大（因水的膨胀性大于压缩性）； v减小（因汽的压缩性大于膨胀性）；,二、水蒸气的p-v图和T-s图,将各种压力下水蒸气的定压产生过程线集中表示在p-v图和T-s图上而得到。,19,所以：随着p升高，b点向右移动，d点向左移动，即预热过程增长，汽化过程缩短，过热过程增加。,5-2 水蒸气的定压产生过程,20,5-2 水蒸气的定压产生过程,21,临界点C,两 线,三 区,水蒸气的临界参数：pc=22.12MPa，tc=374.15,5-2 水蒸气的定压产生过程,22,思 考 题,1. 有没有400的水？,2. 有没有0的水蒸气？,3. 有没
7、有1的冰？,答案：1.没有； 2.有； 3.没有.,23,固液,液体,固体,三相点,蒸汽,固汽,液汽,C,p,t,气体,（汽化曲线）,（熔解曲线）,（升华曲线）,临界点,611.2Pa,0.01,22.064MPa,374,水的pt相图,24,三、高参数水蒸气对锅炉设备的影响,水在锅炉中的总吸热量等于三个阶段（预热、汽化、过热）的吸热量之和。,液体热-主要在省煤器中完成 汽化热-主要在水冷壁中完成 过热热-主要在过热器中完成,5-2 水蒸气的定压产生过程,25,三、高参数水蒸气对锅炉设备的影响,液体热和过热热的比例增大，汽化热的比例缩小，所以 要求：省煤器和过热器受热面增大，而水冷壁受热面减小
8、。,温度提高的影响,过热器的受热面积增大，对材料耐热性能要求高。,压力提高的影响,5-2 水蒸气的定压产生过程,26,课 堂 问 答,1、为什么现代高参数锅炉广泛设置顶棚过热器和屏式过热器？,答：因为随着压力升高，液体热和过热热所占比例增大，而汽化热所占比例减小，即锅炉炉膛中水冷壁的受热面积将减小，过热器的受热面积将增大，所以可把一部分过热受热面由水平烟道移入炉膛，顶棚过热器和屏式过热器就是为此而设置的。,27,课 堂 问 答,2、为什么当蒸气压力超过一定值时要采用强制循环锅炉或直流锅炉？,答：因为随着压力升高，汽水密度差减小，汽水自然循环将变得困难；故当压力大于19MPa时，就必须采用强制循
9、环锅炉和高质量的汽水分离设备；当压力达到临界压力及以上时，汽化在瞬间完成，水的定压加热过程只有两个阶段（预热段和过热段），这时只能采用直流锅炉。,（见锅炉类型图）,28,水蒸气产生过程小结,水蒸汽的定压产生过程在p-v图和T-s图上所表现的相变规律可以归纳为： 一点(临界点) 二线(饱和水线、干饱和蒸汽线) 三区(未饱和水区、湿蒸汽区、过热蒸汽区) 五态(未饱和水状态、饱和水状态、湿蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态),水蒸气热力性质图结构特征口诀 “ 一点连双线，三区五态含 ”,29,5-3 水蒸气的热力性质图表,一、水和水蒸气的热力性质表,包括两种表： 饱和水与干饱和蒸汽的热力性质表；
10、 未饱和水与过热蒸汽的热力性质表.,（一）饱和水与干饱和蒸汽的热力性质表,附表五,附表六,31,作用：根据已知的压力（或温度），查取饱和水与干蒸汽的参数（如v、h、s）。,说明： （1）表中加的参数表示饱和水参数，加的参数表示干蒸汽参数；,（2）对于表中未列出的间隔中参数，需采用线性插值法；,（3）热力学能的计算式： u=h-pv, u=h-pv,（一）饱和水与干饱和蒸汽的热力性质表,32,如已知湿蒸汽干度x，即可利用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿蒸汽的相应状态参数的数值。,（4）湿蒸汽参数的确定：,（二）未饱和水与过热蒸汽的热力性质表,附表七,作用：根据已知的压力和温度，查取未饱和水与
11、过热蒸汽的参数（如v、h、s）。,说明： （1）表中粗黑线上方为未饱和水的参数，粗黑线下方为过热蒸汽的参数；,（2）对于表中未列出的间隔中参数，需采用线性插值法。,34,例题分析,例5-1 已知：除氧器内ts=104,求p=?,解：查附表五,得 ts1=100时，p1=0.101325MPa； ts2=110时，p2=0.143243MPa.,采用线性插值法，可求得ts=104时：,35,例题分析,例5-2 已知：水泵进口pg=0.05MPa，t=115， 设pb=0.1MPa.试判断水泵进口水汽化没有？,解：根据p=pg+pb=0.15MPa，查得ts=111.378.,而t=115ts，表
12、明水泵进口水已沸腾汽化，还稍为有点过热。（汽蚀现象）,36,例题分析,例5-3 某汽轮机排汽压力为p=10kPa，x=0.92，试计算该蒸汽至凝汽器凝结前后的比体积之比为多少？,解：根据已知条件可知，汽轮机排汽状态为湿饱和蒸汽。,查附表六，得v=0.0010102m3/kg，v=14.676m3/kg,故,则乏汽凝结前后的比体积之比为,可见，乏汽凝结后，比体积缩小到原来的1/13366，这就是凝汽器真空产生的根本原因。,37,例题分析,例5-4 已知锅炉压力为p=10MPa，进口工质温度为t1=240，出口t2=500，试确定进、出口工质状态和v、h、s。,解：根据p=10MPa，查得ts=3
13、11.037.,（1）进口： t1=240 ts，为未饱和水状态。,（2）出口： t2=500 ts，为过热蒸汽状态。,查附表七，得,定焓线群一组水平线（用蓝色表示） 定熵线群一组垂直线（用蓝色表示） 定压线群在h-s图上呈发散分布。湿蒸汽区内，定压线为一簇斜率不同的直线；在过热蒸汽区，定压线趋于陡峭。（用黑色表示） 定温线群湿蒸汽区内，与定压线重合；在过热蒸汽区，与定压线自干蒸汽线处分开后逐渐趋于平坦。（用红色表示） 定容线群走向与定压线相似，但比定压线稍陡。（用绿色表示） 定干度线群一组干度等于常数的曲线。（用红色表示）,二、水蒸气的焓熵图（h-s图）,1.h-s图构成：,39,2.h-s
14、图使用：,（1）查取状态参数： 查湿蒸汽参数：如p1与x1相交； 查干蒸汽参数：如p2与x=1相交； 查过热蒸汽参数：如p3与t3相交。,（2）分析并计算水蒸气的热力过程（见5-4节）,5-4 水蒸气的基本热力过程,分析目的：（同理想气体）,水蒸气性质与理想气体性质的主要差异：,水蒸气状态参数的确定是依靠水蒸气的热力性质图表； 水蒸气的比热容、热力学能和焓不再是温度的单值函数。,分析步骤： 根据过程特点和已知的初、终态参数在h-s图上画出过程线，利用水蒸气图表查出未知的初、终态参数； 利用热力学第一定律计算热量和功量。,定压过程,已知：初态1（p1，x1），定压加热到t2。,分析：在h-s图上作出定压加热过程线1-2；,能量计算：,42,绝热（定熵）过程,已知：初态1（p1，t1），定熵膨胀到p2。,分析：在h-s图上作出定熵膨胀过程线1-2；,能量计算：,43,汽轮机的实际绝热膨胀过程,理想膨胀过程1-2 实际膨胀过程1-2,反映汽轮机中水蒸气实际绝热膨胀作功过程的不可逆程度,44,课堂练习,教材P99.习题3-1、3-5（前1问）,45,自然循环原理示意图,46,锅 炉 类 型,47,锅炉受热面,安装中省煤器,屏式过热器,安装中水冷壁,48,自然循环汽包炉结构简图,49,蒸汽的凝结,50,
