工程热力学与传热学(中文) 第5章 水蒸气与湿空气

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t
5-1-2 水蒸气的定压产生过程
分 析 假设 活塞式汽缸中水蒸气的定压产生过程。 • 汽缸中有1kg，初温为0º C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
（3） p=0.5 MPa, t= 165º C;
当 p 0.5 MPa, t s 151.867C , 现 t t s , 所以为过热蒸汽状态。 查未饱和水和过热水蒸气表得：
p 0.5 MPa, t 160C , h 2767.2kJ / kg, s 6.8647kJ /( kg. K )
p 0.5 MPa, t 170C , h 2789.6kJ / kg, s 6.9160kJ /( kg. K )
对于 t 165C , 焓和熵可从上面两者之间按线性插值求得：
h 2778.7kJ / kg, s 6.8904kJ /( kg. K )
（4）p=0.5 MPa, v=0.545 m3/kg
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。 说明 （1）沸腾的温度与液体所受的压力有关。 （2）沸点（boiling point） 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？
5. 饱和状态（saturation state）
气液两相处于动态平衡的状态。 饱和液体（saturated liquid）：饱和状态下的液体。 饱和蒸气（saturated vapor）：饱和状态下的蒸气。 饱和温度和饱和压力 特点 （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。
当
p 0.5 MPa
时，饱和蒸汽的比体积
v '' 0.37490m 3 / kg, v v ''
所以该状态为过热蒸汽状态。 查未饱和水和过热蒸汽表得：
p 0.5 MPa, t 320C , v 0.54164m 3 / kg, h 3104.9kJ / kg, s 7.5297kJ /( kg. K )
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。 t t s ( p ) 未饱和液体状态
p pcr
a4 b4 a3 b3 a2 b2 a1 b1
C
d4
T Tcr
e4 d3 d2 e3 e2 b2 b3 b4
C
pcr Tcr
d4 d3 d2 e4 e3 e2 d1 e1
d1
e1
0
A
B
a3 a2 a4 a1
b1
v
0
A
B s
水的临界点状态
pcr 22.064MPa, tcr 373.99C , vcr 0.003106m3 / kg, hcr 2085.9kJ / kg, scr 4.4092kJ (kg.K )
湿饱和蒸汽
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 温度t
0 10 20 40 v
0.001002
压力p, 和温度t
0.005MPa 0.010MPa s
-0.0002 0.1510 0.2963 8.4366
0.001MPa h
-0.05 2519.0 2537.7 2575.2
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ps/温度ts，干度x
x
mv mv mw
压力 温度 p
0.0010
比体积
比焓
t
6.9491
液体 蒸汽 液体 蒸汽 v‘ v ‗‘ h‘ h‘‘
0.0010001
汽化 潜热 γ
6. 湿饱和蒸汽（wet vapor）
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（superheated vapor）
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ts
9. 过冷液体（subcooled liquid）
Fra Baidu bibliotek
8.2313
8.3422
例题
1. 利用水蒸气表，确定下列各点的状态 （1）t=45 º C, v=0.00100993 m3/kg。 （2）t=200 º C, x= 0.9。 （3）p=0.5 MPa, t= 165º C。 （4）p=0.5 MPa, v=0.545 m3/kg。
分析求解过程 解：（1） t=45 º C, v=0.00100993 m3/kg ; 由已知温度，查饱和水与饱和水蒸气表（附表5）。 知：
s
-0.0002 8.9938 9.0588 9.1823
v
0.0010002
h
-005 42.01 83.87 2574.0
v
0.00100 02 0.00100 03 0.00100 18 0.00100 79
h
-0.04 42.01 83.87 167.51
s
-0.0002 0.1510 0.2963 0.5723
（3）干蒸汽定压过热
干饱和蒸汽 状态d：ps，ts，v‖，h‖，s‖
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 过热蒸汽 状态e：ps，t ，v，h，s
2. 水蒸气定压形成过程在p-v图和T-s图表示 某一压力下 p
a 预 热
v v’
T
b 汽 化
vx
e b c d
2484.1
比熵
液体 蒸汽 s‘ s‘‘
0.1056 8.9735
129.185
29.21
2513.29
已知1kg湿饱和蒸气=xkg干饱和蒸气+（1-x）kg饱和水
v x xv (1 x)v hx xh (1 x)h s x xs (1 x) s u x hx ps v x
两种水和水蒸气表 饱和水与饱和水蒸气的热力性质表 （附表5，6） 按温度排列（附表5） 按压力排列（附表6） 未饱和水与过热水蒸气的热力性质表（附表7） 粗黑线上方：未饱和水参数 粗黑线下方：过热水蒸气参数
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
v 0.00100021 m3 / kg, u 0kJ / kg, s 0kJ /(kg K )
焓： h u pv 0 611.7 Pa 0.001000 21m3 / kg
0.00061kJ / kg 0
5-2-2 水与水蒸气表（steam tables for water）
130.598 135.226 144.475
0.0010003
0.0010018
28.854
60 80
153.717
162.956
2612.7
2650.3
9.2984
9.4080
30.712
32.566
2611.8
2649.7
8.5537
8.6639
15.336
16.268
2610.8
2648.9
c
d 过 热
e
a
v” v
v
s’
sx
s” s s
干度（quality）
湿蒸汽中所含有的干饱和蒸汽的质量分数。
mv x mv mw
说明
T
TS
b
c
d
e
a
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。
s’
sx s” s s
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
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。
v ' 0.00101m 3 / kg v
确定该状态为饱和水，查饱和水与饱和蒸汽表得：
ps 0.01MPa, h 191.76kJ / kg, s 0.6490kJ /(kg. K )
（2） t=200 º C, x= 0.9 ; 该状态为湿蒸汽，查饱和水与饱和水蒸汽表，得：
h' 852.34kJ / kg, h'' 2792.47kJ / kg, s' 2.3307kJ /(kg. K ), s'' 6.4312kJ /(kg. K )
p 0.5 MPa, t 330C , v 0.55115m 3 / kg, h 3125.6kJ / kg, s 7.5643kJ /( kg. K )
按线性插值求得：
t 323.6C , h 3112.4kJ / kg, s 7.5422kJ /( kg. K )
（2）第二阶段：饱和水定压汽化
饱和水 状态b： ps，ts ，v‘，h‘，s‘
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 湿饱和蒸汽
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
干饱和蒸汽
状态d：ps，ts，v‖，h‖，s‖
1. 饱和水和饱和水蒸气
比体积
压力ps或温度ts 比焓 汽化 潜热 γ
2484.1
压力 温度 p
0.0010
比熵 液体 蒸汽 s‘
0.1056
液体 蒸汽 液体 蒸汽 t
6.9491
v‘
0.0010001
v ‗‘
129.185
h‘
29.21
h‘‘
2513.29
s‘‘
8.9735
饱和水：已知 ps/ ts，确定 v’, h’, s’, u’=h’- psv’
是否有400 º C的水？ 0º C或-10 º C的水蒸气
1点
临界点 (critical point ) 下临界线 (saturation liquid line )： 不同压力下饱和水状态 上临界线( saturation vapor line )： 不同压力下干饱和蒸汽状态
2线
3区
液相区 (liquid region ) 汽液两相区( liquid-vapor region ) 汽相区 (vapor region )
p
加热
1. 水蒸气产生过程的三个阶段
p p p p p
加 热 未饱和水
加 热 饱和水
加 热 湿饱和蒸汽
加 热 干饱和蒸汽
加 热 过热蒸汽
水定压预热
饱和水定压汽化
干蒸汽定压过热
（1）第一阶段：水定压预热
未饱和水 状态a：ps，t ，v，h，s
吸热，温度升高，比体积略增
饱和水
状态b： ps，ts ，v‘，h‘，s‘
未饱和水，饱和水，湿饱和蒸汽， 干饱和蒸汽，过热蒸汽
5态
5-2 水蒸气的状态参数
分析对比
理想气体和实际气体的不同
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：
p ptp 611.7 Pa,
T Ttp 273.16K ,
5-1 水蒸气的产生过程
5-1-1 基本概念
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。
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。
hx xh'' (1 x )h' 0.9 2792.47kJ / kg (1 0.9) 852.34kJ / kg 2598.5kJ / kg s x xs'' (1 x ) s ' 0.9 6.4312kJ /( kg. K ) (1 0.9) 2.3307kJ /( kg. K ) 6.0212kJ /( kg. K )