第六章 水蒸气性质和蒸汽动力循环思考题1. 理想气体的热力学能只是温度的函数，而实际气体的热力学能则和温度 及压力都有关试根据水蒸气图表中的数据，举例计算过热水蒸气的热力学能以 验证上述结论［答］:以500°C的过热水蒸汽为例，当压力分别为lbar、30bar、lOObar及300bar时，从 表中可查得它们的焓值及比容，然后可根据u = h-pv计算它们的热力学能，计算结果列于表中:P[bar]v[m3/kg]h[kJ/kg]u[(kJ/kg)]13.5653487.93131.4300.11613456.43108.41000.032773374.13046.43000.0086793083.92823.5t[oC]500由表中所列热力学能值可见:虽然温度相同，但由于是实际气体比容不同，热力学能值也不同2. 根据式（3-31） c =］門可知：在定压过程中dh=cpdTo这对任何物质都适p用，只要过程是定压的如果将此式应用于水的定压汽化过程，则得dh = cpdT=0 （因为水定压汽化时温度不变，dT=0）然而众所周知，水在汽化时焓是增加的（dh>0）问题到底出在哪里？［答］ ：的确， dh=cpdT 可用于任何物质，只要过程是定压过程。
水在汽化时，压力不 变，温度也不变，但仍然吸收热量（汽化潜热）吸热而不改变温度，其比热应为无穷大，即此处的C亦即为C，而C 此时dh = 8g0 =不定值，因此这时的焓差或热量（潜热）p T T不同通过比热和温差的乘积来计算3. 物质的临界状态究竟是怎样一种状态？［答］ ：在较低压力下，饱和液体和饱和蒸汽虽具有相同的温度和压力，但它们的密度 却有很大的差别，因此在重力场中有明显的界面（液面）将气液两相分开，随着压力升高 两饱和相的密度相互接近，而在逼近临界压力（相应地温度也逼近临界温度）时，两饱和相 的密度差逐渐消失流体的这种汽液两相无法区分的状态就是临界状态由于在临界状态下， 各微小局部的密度起伏较大，引起光线的散射形成所谓临界乳光4. 各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行 计算，但所得理论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等这和卡诺定 理有矛盾吗？［答］ ：并不矛盾，虽然经过理想化的各种循环都可以按可逆循环计算，但甚至在相同 的温度范围内（指循环最高温度和最低温度之间）也不一定具有相同的热效率原因是吸热 过程和防热过程并不都是在最高温度和最低温度下进行的，因而可能具有不同的平均吸热温 度和平均放热温度。
所以循环热效率也可以不同卡诺定理则是专对在最高温度下吸热和在 最低温度下放热的可逆循环（包括卡诺循环和回热卡诺循环）而言的5. 能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热（这样就可以取消凝 汽器，q2=0）,从而提高热效率？能否不让乏汽凝结放出热量q2,而用压缩机将 乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失，提高热效率？［答］ ：不能在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来，用于回热因为锅炉给水吸收不了 这么大的回热量，回热的抽气量是由热平衡方程确定的，通常只占汽轮机中蒸汽流量的小部 分，也不能将乏汽直接压入锅炉，由于不可逆性的存在，如果这样做，所需的压缩功将超过 蒸汽在汽轮机中膨胀作出功，整个装置不仅无动力输出，反而消耗动力，因而不可能起到节 能和提高热效率的作用习题6-1 利用水蒸气的焓熵图填充下列空白：状态p/MPat/oCh/(kJ/kg)s/[kJ/(kg・K)]干度x/%过热度d/ oC155003 4346.97523520.3133.52 5506.56591.931.01802 5246.086.740.01472 3457.40590544003 2126.771506-2 已知下列各状态：(1) p = 3 MPa, t 二 300 °C；(2) p = 5 MPa, t 二 155 C；（3）p = 0.3 MPa, x = 0.92。
试利用水和水蒸气热力性质表查出或计算出各状态的比体积、焓、熵和热力学能[解](1) v = 0.08116m3 / kg ； h = 2994.2kJ / kg ； s = 6.5498kJ /(kg • K)u = h - pv = 2994.2 - 30 x 105 x 0.08116 x 10-3 = 2750.92kJ / kg(2) v = 0.001093525m3/kg ; h = 656.525kJ /kg ; s = 1.8865kJ /(kg • K)u = h - pv = 656.525 - 50 x 105 x 0.001093525 x 10-3 = 651.057kJ /kg⑶ 由P二3bar，查饱和水蒸气表(附表7)得：t = 133.540C， v' = 0.0010735m3 /kg ; v" = 0.60586m3 /kgsh'=561.4kJ/kg； h''=2725.5kJ/kgs' = 1.6717kJ /kg ; s” = 6.9930kJ /(kg • K)所以 v = v' + X(v” - v') = 0.0010735 + 0.92 x (0.60856 — 0.0010735) = 0.55748m3 /kgh = h' + x (h” - h') = 561.4 + 0.92 x (2725.5 -561.4) = 2552.372kJ /kg s = s' + X(s'' - s') = 1.6717 + 0.92x (6.9930 —1.6717) = 6.5673kJ/(kg • K) u=h-pv=2552.372-3x105x0.55748x10-3=2385.128kJ/kg6-3 试利用计算机，通过对式（7-2）的计算，列出一个从三相点到临界点 饱和蒸汽压随温度变化的关系表（从0 °C开始，温度间隔取10 °C）,并与附表 6中的数据对照。
［答案］:从略6-4某锅炉每小时生产10 t水蒸气，其压力为1 MPa，温度为350 °C 锅炉给水温度为40 °C，压力为1.6 MPa已知锅炉效率为百=蒸汽吸收的热量=B燃料可产生的热能—°煤的发热量H =29 000 kJ/kg求每小时的耗煤量v［解］：Q蒸汽吸=届蒸汽Ah =燉蒸汽x （h2 - h1）由 P1 =16bar ， t1 =400C查过热蒸气（附表8），得 h2 = 3157.7kJ / kg查未饱和水（附表8），得 h = 168.73kJ /kg所以Q& =104 x (3157.7 -168.73)蒸汽吸煤发热 Q& = m& H煤 煤 V由热量平衡，Q& = Q •耳=Q • h •耳蒸汽吸 煤 B 煤 V B由 P2 =10bar ， t2 =3500C可得m =厶-=104 X(3159・7 一碗93)= 1.288吨/h煤们• H )Br0.80 x 2.9 x 1046-5过热水蒸气的参数为：p =13 MPa、t=550 °C在蒸汽轮机中定熵膨胀11到p =0.005 MPa蒸汽流量为每小时130 t求蒸汽轮机的理论功率和出口处乏 2汽的湿度若蒸汽轮机的相对内效率耳=85%，求蒸汽轮机的功率和出口处乏汽ri的湿度，并计算因不可逆膨胀造成蒸汽比熵的增加。
［解］: 查水蒸气的h-s表计算如下：s1 = 6.6049kJ / kg由 q = 13bar，［ = 5500C，查附表(附表8),得午=3469.0kJ /kg ;由P = 0.005bar，查饱和蒸气表（附表7）2得2s点各参数为：t = 32.88C ;2sh' =137.2kJ /kg ； h'' = 2560.55kJ /kg ；2s 2s2sr = 2422.8kJ /kg ； s： = 0.4761kJ /(kg • K)；s'' = 8.3930kJ /(kg • K)2s则 S2 s = S1 = 6.6049 = S 2 s+X(S 2 s-S 2 s ) = S 2 s"所以2423.4=(6.6049 - 0.4761)x (273.15土32.89) = 0.77414丁2s = 12s = 1 - 0.77414 = 0.2259h2s = h2s + r咒2s = 137・2 + 2422・8 X 0.77414 = 2013阳 /kg理论功率PTS =mW =ts130x1033600 X 您-”2 s)13x10413x104Pp =叫』厂話X（3469 -沁3）X 0^ts3600 X(3469^ - 20133) = 52578kW 实际功率=44691kW为求2状态点的干度咒必先求出h，可由相对内效率定义求得h22h = h 一 (h 一 h ) xq2 1 1 2 s ri=3469 -(3469 - 2013)x 0.85 = 2231.4 kJ/kg2231.4 一137.22422.8=0.86416y =1一 X = 1 一 0.86416 = 0.1358 22不可逆损失造成的蒸汽比熵增加为：As = s -s2 2 ss = s = 6.6049kJ /(kg • K )2 s 1s = s' + X (s” - s')2 2 2 2 2 s=0.4761 + 0.86416 x (8.3932 - 0.4761) = 7.3176kJ /(kg • K)所以 As = s - s = 7.3176 - 6.6049 = 0.7127kJ /(kg • K)2t2s 2 2 s6-6 —台功率为200 MW的蒸汽轮机，其耗汽率d = 3.1 kg/(kW・h)。
乏汽 压力为0.004 MPa，干度为0.9，在凝汽器中全部凝结为饱和水(图7-27)已 知冷却水进入凝汽器时的温度为10 °C,离开时的温度为18 °C；水的比定压热 容为4.187 kJ/ (kg・K),求冷却水流量［解］ 先求每小时的蒸汽流量m = P • d = 200000 x 3.1kg / h由 P］ = 0.004MPa， x = 0.9 附表7,得丫= 2432.2kJ根据热量平衡方程—即所以=滋冷水放g (t2 -11)p 2 1m冷水放冷水放•YC (t2 - t1)_ P • d •YCp (t2 一 t1)200000 x 3.1 x 2432.2 x 0.9 x 10-34.187 x (18 -10)6-7已知朗肯循环的蒸汽初压p=10 MPa，终压p =0.005 MPa；初温为：(1)12500 °C、(2) 550 °C试求循环的平均吸热温度、理论热效率和耗汽率 ［kg/(kW ・h)］［答案］(1) 528.45 K， 42.09 %，2.651 kg/ (kW.h)(2) 542.75 K ， 43.62 % ，2.483 kg/ (kW.h)6-8已知朗肯循环的初温t =500°C,终压p=0.005MPa。