水蒸气及蒸汽

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1、第十章水蒸气及蒸汽动力循环由于水蒸气具有较好的热力学性质，且易于获得、无毒无臭，所以被应用于许多工业生产过程中，同时也是蒸汽动力装置中应用最广泛的工质之一。在蒸汽动力装置中的水蒸气，处于离液态不远的状态，在热力过程中又经常发生物相的变化，因此其状态变化关系要比理想气体复杂得多，不能像理想气体那样用简单的数学公式求解。工程上，一般都利用专门作工程计算用的水蒸气热力性质表或线图，直接按各参数间的一般关系式分析水蒸气热力过程的状态变化及能量转换关系。本章主要讲述蒸汽动力循环的热力分析及有关的水蒸气性质和水蒸气热力过程，并简要介绍水蒸气图表的结构及使用方法。10-1水

2、蒸气的发生过程工业上所用的水蒸气，一般都是在锅炉中产生的，而锅炉中水蒸气的发生过程都可看作是定压加热过程，下面介绍水定压受热而生成水蒸气的过程。一、水蒸气的定压发生过程取初始状态a时水的压力为p，而温度与三相点温度相同，即为0.01℃，因该温度低于压力p所对应的饱和温度ts，故处于未饱和水状态。为使容积变化时保持压力不变，假设容器为具有活塞10-1水蒸气的发生过程·249·图10-1水蒸气定压发生过程示意图的气缸，如图10-1a所示。当水受热时，水的温度升高，比体积略有增加，直到水的温度升高到压力p所对应的饱和温度ts时，全部水变成饱和水，如图10-1b所示。

3、其状态变化过程，如图10-2中过程a-b所示。图10-2水蒸气定压发生过程的p-v图及T-s图对水继续加热，水开始汽化，逐渐由饱和水转变成饱和水蒸气，如图10-1c所示，未汽化的部分仍保持为饱和水状态。汽化过程中饱和水与饱与水蒸气的温度和压力都保持不变，但两者混合物的容积增长很快，即混合物的折合比体积vx增加很快。当饱·250第十章水蒸气及蒸汽动力循环·和水全部转变为饱和水蒸气时，即达到干饱和水蒸气状态，如图10-1d所示。因为饱和水定压汽化成为干饱和水蒸气的过程也是定温过程，故在p-v图及T-s图上汽化过程b-d都是一条水平线，如图10-2中过程b-d所示。

4、干饱和水蒸气继续加热，水蒸气的温度便升高到高于饱和温度的数值，这种水蒸气称为过热水蒸气。过热水蒸气的比体积比饱和水蒸气大，其状态如图10-1e所示。过热水蒸气的温度与同压力下的饱和温度之差称为水蒸气的过热度，即D＝t-ts。二、水蒸气发生过程中的能量关系综上所述可见，水蒸气的定压加热过程可分为三个阶段，即由未饱和水转变为饱和水的过程，称为水的预热过程；由饱和水转变为干饱和水蒸气的过程，称为水的汽化过程；由干饱和水蒸气转变为过热水蒸气的过程，称为水蒸气的过热过程。在水的定压预热过程中，使水由三相点温度0.01℃升高到饱和温度ts所需的热量，称为水的液体热，用q'

5、表示，在T-s图上相当于a-b过程线下的面积。定压预热过程的压力越高，对应的饱和温度也越高，水的液体热就越大。液体热随压力而变化的关系如图10-3所示。图10-3水在定压预热过程中，其能量转换关系可表示为q'＝h'－h0.01＝(u'－u0.01)+p(v'－v0.01)(10-1)式中，上角标“'”表示饱和水的状态，下角标“0.01”表示温度为0.01℃的水的状态。当定压预热过程的压力不高，相应的饱和温度也不高时，v'≈v0.01，于是上式可近似地表示为q'＝h'－h0.01≈u'－u0.01(10-1a)10-1水蒸气的发生过程·251·由于在热工计算中仅

6、需要计算焓及热力学能变化的数值，故可任意规定某个状态作为计算的零点。国际水蒸气性质会议规定，取水三相点状态下热力学能的数值为零。而在一般情况下，温度为0.01℃时不同压力的水的热力学能均可近似取为零，即u0.01≈0。在压力不高时，还可把0.01℃时水的焓也近似地取为零，即h0.01≈0。在水的定压汽化过程中，1kg饱和水汽化成为干饱和水蒸气所需的热量称为汽化潜热，用L表示，在T-s图上相当于b-d过程线下的面积。汽化过程的压力越高，汽化潜热的数值越小，其变化关系如图10-4所示。在临界压力下，汽化潜热为零。定压汽化过程中的热量转换关系可表示为L＝h"－h'图

7、10-4＝(u"－u')+p(v"－v')(10-2)式中，上角标“"”表示干饱和水蒸气状态。如把汽化潜热中转变为热力学能的部分称为内汽化潜热，用Lρ表示，而把用于对外作功的部分称为外汽化潜热，用Lϕ表示，则上式可表示为L＝Lρ+Lϕ(10-2a)定压过热过程中所需的热量称为过热热量，用q表示，相当于T-s图上d-e过程线下的面积。按能量转换关系，有q＝h－h"(10-3)式中，h为过热水蒸气的焓。显然，将0.01℃的水定压加热变为过热水蒸气所需的热量，等于液体热、汽化潜热与过热热量三者之和。而且整个水蒸气定压发生过程及各个阶段中的加热量，均可用水和水蒸气的焓

8、值变化来计算。·252第十章水蒸气及蒸