第9章-水蒸氣2講解課件

第九章水蒸氣性質(zhì)和蒸汽動力循環(huán)內(nèi)容要求:掌握水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程；分析確定水蒸氣的狀態(tài)；了解水蒸氣的熱力過程；掌握蒸汽熱力性質(zhì)圖表的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

蒸氣：泛指剛剛脫離液態(tài)或比較接近液態(tài)的氣態(tài)物質(zhì)。是一種實際氣體。

常用蒸氣：水蒸氣，氨蒸氣，氟里昂蒸氣。

水蒸氣特點：人類在熱力發(fā)動機(jī)中最早廣泛使用的工質(zhì)。來源豐富，無毒無味，比熱容大，傳熱好，有良好的膨脹和載熱性能，不污染環(huán)境。

熱工計算：不能按理想氣體處理。狀態(tài)方程式，比熱的函數(shù)關(guān)系以及有關(guān)熱工計算的經(jīng)驗公式都比較復(fù)雜。采用查圖查表方法——蒸氣的熱力性質(zhì)圖表。9—1水蒸氣的產(chǎn)生過程1.汽化(vaporation)

：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程。汽化的方式有兩種：蒸發(fā)和沸騰。

9-1-1

基本概念2.液化(liquefaction)

：物質(zhì)由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程（凝結(jié)）。3.蒸發(fā)(boil-off)

：在液體表面較緩慢地進(jìn)行的汽化過程。

蒸發(fā)可以在任何溫度下進(jìn)行。特點

蒸發(fā)速度取決于液體的性質(zhì)，液體的溫度，蒸發(fā)表面積和液面上氣流速度。4.沸騰(boiling):

在特定的溫度下發(fā)生，在液體內(nèi)部和表面同時進(jìn)行的強(qiáng)烈的汽化過程。

沸騰的溫度與液體所受的壓力有關(guān)。特點

沸點(boilingpoint)：在某一壓力下，液體沸騰時的溫度。與液體的性質(zhì)有關(guān)。同種液體，沸點還隨壓力的升高而增大。沸騰狀態(tài)的水總是燙手的。5.飽和狀態(tài)(saturationstate)

：氣液兩相處于動態(tài)平衡的狀態(tài)。飽和液體(saturatedliquid)：飽和狀態(tài)下的液體；飽和蒸氣(saturatedvapor)：飽和狀態(tài)下的蒸氣；飽和溫度和飽和壓力：

特點：（1）汽液共存；（2）汽液同溫；（3）飽和壓力隨飽和溫度的升高而增大，兩者一一對應(yīng)。6.濕飽和蒸汽(wetvapor)：

是飽和蒸汽與飽和液體的混合物．二者處于兩相平衡。7.干飽和蒸汽：不含有液體的飽和蒸汽。8.過熱蒸汽(superheatedvapor)

；在一定壓力下，溫度大于飽和溫度時的蒸汽。過熱度：過熱蒸汽溫度t–飽和蒸汽溫度ts。9.過冷液體(subcooledliquid)

：

在一定壓力下，溫度低于相應(yīng)飽和溫度的液體。過冷度：飽和蒸汽溫度ts

–過冷液體溫度t。

9-1-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程活塞式汽缸中水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程。分析假設(shè)：汽缸中有1kg，初溫為0oC的水，水面上有一個可以移動的活塞，施加一定的壓力p（不同實驗序號下維持恒定壓力），在容器底部對水加熱。p加熱1.水蒸氣產(chǎn)生過程的三個階段p加熱p加熱p加熱p加熱p加熱未飽和水

濕飽和蒸汽干飽和蒸汽

過熱蒸汽

飽和水水定壓預(yù)熱飽和水定壓汽化干蒸汽定壓過熱吸熱，溫度升高，比體積略增

水定壓預(yù)熱：

未飽和水

飽和水

參數(shù)：ps，ts

，v’，h’，s’

飽和水定壓汽化繼續(xù)加熱，水開始汽化，飽和溫度不變，比體積增大，水量逐漸減少，汽量逐漸增加

參數(shù)：ps，ts，

vx，hx，sx繼續(xù)加熱，溫度不變，比體積增大，至汽缸中的最后一滴水變成蒸汽

參數(shù)：ps，ts，v”，h”，s”

參數(shù)：ps，ts

，v’，h’，s’

濕飽和蒸汽

干飽和蒸汽

飽和水

干蒸汽定壓過熱

干飽和蒸汽

過熱蒸汽繼續(xù)加熱，比體積繼續(xù)增大，蒸汽溫度開始上升，溫度大于相應(yīng)壓力下的飽和溫度

參數(shù)：ps，ts，v”，h”，s”2.水蒸氣定壓形成過程在p-v圖和T-s圖表示

abcdep預(yù)熱汽化過熱

vv’vxv”vvTsabcdes’sxs”s

某一壓力下3.水蒸氣定壓形成過程的能量關(guān)系（1）未飽和水的定壓預(yù)熱階段液體熱用焓差表示（2）飽和水的定壓（定溫）汽化階段用汽化潛熱表示：或用熵來計算汽化潛熱：

Tsabcdes’sxs”sTS表示濕蒸汽的干燥程度；飽和水x=0，干飽和蒸汽x=1;汽輪機(jī)運(yùn)行時，干度規(guī)定x=0.86-0.88

干度(quality)

：濕蒸汽中所含有的干飽和蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。說明

Tsabcdes’sxs”sTS

（3）干飽和蒸汽的定壓過熱階段

水蒸氣定壓產(chǎn)生過程中所需的熱量：過熱熱量(heatofsuperheating)

用焓差表示：

Tsabcdes’sxs”s

9-1-3不同壓力下水蒸氣定壓形成過程的

p-v圖和T-s圖a1a2a3a4b4b2b3b1d4d3d2d1e4e3e2e1CTcrTABpcr0svppcra1a2a3a4b1e1d1b4b3b2d4d3d2e4e3e2BCATcr0臨界點(criticalpoint)下臨界線(saturationliquidline)：不同壓力下飽和水狀態(tài)上臨界線(saturationvaporline)：不同壓力下干飽和蒸汽狀態(tài)液相區(qū)(liquidregion)汽液兩相區(qū)(liquid-vaporregion)汽相區(qū)(vaporregion)未飽和水，飽和水，濕飽和蒸汽，干飽和蒸汽，過熱蒸汽2線3區(qū)5態(tài)1點是否有400oC的水？0oC或-10oC的水蒸氣水的p-T相圖pT液氣固水三相點臨界點超流體升華線凝固線汽化線abcd超過臨界溫度沒有液體。

超過臨界壓力，定壓加熱過程不存在氣化段。（水由不飽和直接到過熱）Pt圖上飽和水的定壓吸熱過程為一點（c)。（定溫過程）

低于三相點壓力沒有液體。飽和溫度和飽和壓力一一對應(yīng)。9—2

水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)

9-2-1零點的規(guī)定：

理想氣體和實際氣體的不同比較選擇水的三相點（273.16K）的液相水為基準(zhǔn)點。規(guī)定該狀態(tài)下，液相水的熱力學(xué)能和熵為零。即：焓：

9-2-2水與水蒸氣表(steamtablesforwater)飽和水與飽和水蒸氣的熱力性質(zhì)表（附表5，6）未飽和水與過熱水蒸氣的熱力性質(zhì)表（附表7）

按溫度排列（附表5）按壓力排列（附表6）

粗黑線上方：未飽和水參數(shù)粗黑線下方：過熱水蒸氣參數(shù)兩種飽和水與飽和水蒸氣的熱力性質(zhì)表——溫度排序飽和水與飽和水蒸氣的熱力性質(zhì)表——壓力排序1.飽和水和飽和水蒸氣

壓力溫度

比體積比焓汽化潛熱比熵液體蒸汽液體蒸汽液體蒸汽ptv’v‘’h’h’’γs’s’’0.00106.94910.0010001129.18529.212513.292484.10.10568.9735壓力ps或溫度ts飽和水：已知ps/ts，確定v’,h’,s’,u’=h’-psv’飽和水蒸氣：已知ps/ts，確定v’’,h’’,s’’,u”=h”-psv”2.濕飽和蒸汽

壓力溫度

比體積比焓汽化潛熱比熵液體蒸汽液體蒸汽液體蒸汽ptv’v‘’h’h’’γs’s’’0.00106.94910.0010001129.18529.212513.292484.10.10568.9735壓力ps/溫度ts，干度x濕飽和蒸汽未飽和水與過熱水蒸氣的熱力性質(zhì)表2.未飽和水與過熱水蒸氣壓力p,和溫度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溫度t0.010MPa0.005MPa0.001MPa壓力p利用水蒸氣表，確定下列各點的狀態(tài)（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例題結(jié)論判斷工質(zhì)所處狀態(tài)

已知（p,t）查飽和蒸汽圖表，確定蒸汽狀態(tài)。未飽和液體狀態(tài)飽和狀態(tài)，還需再給定干度x過熱蒸汽狀態(tài)

若已知p(或t),及某一比參數(shù)v,h,s,

先查飽和蒸汽表,確定蒸汽狀態(tài)。未飽和液體狀態(tài)飽和狀態(tài)過熱蒸汽狀態(tài)再查未飽和水和過熱蒸汽表確定參數(shù)思考題1.臨界點時，飽和液體的焓等于干飽和蒸汽的焓。2.某液體的溫度為T，若其壓力大于T對應(yīng)的飽和壓力，則該液體一定處于未飽和液體狀態(tài)。3.干飽和蒸汽被定熵壓縮，將變?yōu)椋ǎ?.知道了溫度和壓力，就可以確定水蒸氣的狀態(tài)。5.水蒸氣的定溫膨脹過程滿足Q=W。Tps(T)實際氣體

過熱蒸汽sp-v圖，T-s圖上的水蒸氣定壓加熱過程一點，二線，三區(qū)，五態(tài)

水蒸氣焓熵圖hsCx=1x=0pvTx水蒸氣的絕熱過程汽輪機(jī)q=02’12Ts不可逆過程：

可逆過程：

sp1p2水蒸氣的絕熱過程汽輪機(jī)q=0hs不可逆過程

可逆過程：

sp1p221h1h2h2’2’內(nèi)效率

水蒸氣的定溫過程pv實際設(shè)備中很少見TCTcT遠(yuǎn)離飽和線，接近于理想氣體水蒸氣的定溫過程12Ts可逆過程：水蒸氣的定容過程實際設(shè)備中不常見12pv水蒸氣的定容過程1TshspT212vpv2023/12/539熱機(jī)：將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的

設(shè)備。

熱機(jī)的工作循環(huán)稱為動力循環(huán)。動力循環(huán)：蒸汽動力循環(huán)燃?xì)鈩恿ρh(huán)9-3

基本的蒸汽動力循環(huán)—朗肯循環(huán)2023/12/540水蒸汽的卡諾循環(huán)局限：(1)熱效率低。(2)干度小。(3)壓縮過程很難穩(wěn)定。4321Ts2023/12/541水蒸氣動力循環(huán)系統(tǒng)的簡化鍋爐汽輪機(jī)給水泵凝汽器朗肯循環(huán)1234簡化（理想化）：1

2汽輪機(jī)s

膨脹2

3凝汽器p

放熱3

4給水泵s

壓縮41

鍋爐p

吸熱2023/12/5421342pv朗肯循環(huán)pv圖1

2汽輪機(jī)s

膨脹2

3凝汽器p

放熱3

4給水泵s

壓縮41

鍋爐p

吸熱2023/12/543hs1324朗肯循環(huán)Ts和hs圖4321Ts1

2汽輪機(jī)s

膨脹2

3凝汽器p

放熱3

4給水泵s

壓縮41

鍋爐p

吸熱2023/12/544朗肯循環(huán)功和熱的計算

汽輪機(jī)作功：凝汽器中的定壓放熱量：水泵絕熱壓縮耗功：鍋爐中的定壓吸熱量：4321Ts2023/12/545朗肯循環(huán)熱效率的計算

一般很小，占0.8~1%，忽略泵功

4321Ts2023/12/546sp1,t1,p2654321如何提高朗肯循環(huán)的熱效率影響熱效率的參數(shù)？T2023/12/547sT6543219-4

蒸汽參數(shù)對朗肯循環(huán)熱效率的影響t1,p2不變，p1優(yōu)點：

，汽輪機(jī)出口尺寸小缺點：

P1

對強(qiáng)度要求高

不利于汽輪機(jī)安全。一般要求出口干度大于0.85~0.88初始壓力的影響2023/12/548sT654321蒸汽初溫的影響優(yōu)點：

，有利于汽機(jī)安全。缺點：

對耐熱及強(qiáng)度要求高，目前最高初溫一般在550℃左右汽機(jī)出口尺寸大p1,p2不變，t12023/12/549sT654321乏汽壓力的影響優(yōu)點：

缺點：受環(huán)境溫度限制，現(xiàn)在大型機(jī)組p2為0.0035~0.005MPa，相應(yīng)的飽和溫度約為27~33℃

，已接近事實上可能達(dá)到的最低限度。冬天熱效率高p1,t1不變，p22023/12/5509-5

蒸汽再熱循環(huán)再熱循環(huán)的提出定義將高溫高壓的過熱蒸汽引入汽輪機(jī)的高壓部分做功；將做功后降溫降壓的蒸汽全部抽出引回到鍋爐的再熱器中吸熱，而使其溫度提高；再將溫度升高后的過熱蒸汽引入汽輪機(jī)的中、低壓部分繼續(xù)做功，直至膨脹到排汽壓力，排入凝汽器中。在原來朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上，引入再熱過程，就稱為再熱循環(huán)。目的

(1)提高汽輪機(jī)的排汽干度；(2)提高循環(huán)的熱效率。2023/12/551Ts65431b2023/12/552蒸汽再熱循環(huán)的熱效率

再熱循環(huán)本身不一定提高循環(huán)熱效率

與再熱壓力有關(guān)

x2降低,給提高初壓創(chuàng)造了條件，選取再熱壓力合適，一般采用一次再熱可使熱效率提高2％～3.5％。Ts65431b2023/12/553蒸汽再熱循環(huán)的實踐

再熱壓力pb=pa0.2~0.3p1

p1<10MPa，一般不采用再熱

我國常見機(jī)組，10、12.5、20、30萬機(jī)組，p1>13.5MPa，一次再熱

超臨界機(jī)組，t1>600℃，p1>25MPa，二次再熱2023/12/554蒸汽再熱循環(huán)的定量計算吸熱量：放熱量：凈功（忽略泵功）：熱效率：Ts65431b2023/12/5559-6

抽汽回?zé)嵫h(huán)回?zé)嵫h(huán)的提出定義對于朗肯循環(huán)，其循環(huán)熱效率較低的原因之一是工質(zhì)的吸熱平均溫度不高。雖然，通過提高進(jìn)汽參數(shù)，如提高進(jìn)汽溫度和壓力，可以提高吸熱平均溫度，進(jìn)而提高循環(huán)的熱效率，但由于受水蒸汽的熱力性質(zhì)和熱設(shè)備材料性能的限制，吸熱的上限溫度不能提高得很多。因此，如果提高吸熱的下限溫度，吸熱平均溫度也將會提高，進(jìn)而使循環(huán)熱效率提高。目的提高循環(huán)的熱效率2023/12/556蒸汽抽汽回?zé)嵫h(huán)(1-

)kg

kg65as43211kgTa

kg4(1-

)kg51kg由于T-s圖上各點質(zhì)量不同，面積不再直接代表熱和功2023/12/557回?zé)嵫h(huán)的抽汽量計算以混合式回?zé)崞鳛槔裏嵋宦珊雎员霉?1-

)kg

kg65as43211kgTa

kg4(1