Video 6-5 水蒸气的热力过程在线视频

接下来 我们来介绍水蒸气的热力过程

水蒸气的热力过程

与我们前面介绍的理想气体

第三章介绍的理想气体的热力过程 是不一样的

处理方法是完全不一样的

这个大家一定要非常清楚

讲到热力过程 我们在理想气体那一章

我们讲了四个基本过程

严格地来说

对于水蒸气 它也有这四个基本过程

这四个基本过程是什么

一个是等压 一个是等熵 等温 等容

对于热力过程

我们的主要任务是什么

第一个 是由已知的条件来查图表

然后确定它的初终态参数

这跟理想气体是不一样的

因为理想气体可以用状态方程

但是水和水蒸气是不可以的

第二个 在p-v图 T-s图和焓熵图上

表示初终态具体的状态点在什么地方

第三点是 在计算过程中的功和热

具体的我们来看一下

我们在讲具体的过程之前

还是提醒大家 水蒸气的热力过程与理想气体的区别

首先 我们前面讲的热力学第一定律

还有热力学第二定律

对于水和水蒸气同样也适用

它具体的表达形式

比如说δq=du+δw

然后δq=dh+δwt wt是什么

技术功

然后对于这个孤立系

ds是大于等于零的

或者说熵产是大于等于 这个也适用

对于准静态 δw容积变化功等于pdv

然后技术功δwt=-vdp 这都是适用的

包括可逆过程 δq=Tds

这个对于我们水和水蒸气当然适用的

但是我们下面这个

理想气体的性质和表达式是否可以用

比如说pv=RT

这个内能和焓分别只是温度的函数

还有这cp=cv=R等等这一系列的东西

对于这个水和水蒸气可以用吗

当然是不可以用的

它是理想气体才适用的公式

对于水和水蒸气是不适用的

这个大家一定要非常清楚

我们就来看一下 水和水蒸气具体的几个过程

首先是等压过程或者说定压过程

这个过程发生在什么设备里面

发生在锅炉和换热器

比如说凝汽器

对于锅炉和换热器的话

它的技术功是等于零的

没有做功部件

交换的热量就等于焓的变化量

我们举一个例子

锅炉里面 水从30度 4MPa 定压加热到450度

我们具体来看一下

我们通过查表

4MPa 对应的饱和温度是多少

250.33度 说明什么

说明入口的30度 是什么状态

过冷态 或者说未饱和水状态

然后450度 高于250.33度

所以它是过热蒸汽

我们在p-v图上表示什么

就是一个等压线 这几个状态点

1是进锅炉的 2是出口的

中间还有两个

一个是饱和水 一个是干饱和蒸汽

在锅炉里吸收的热量等于什么

就等于出口的焓减去入口的焓

刚才是p-v图

我们再把它表示在T-s图上

T-s图 这跟前面的理想气体就不同了

我们必须把饱和液线跟饱和汽线给它画出来

在T-s图上的等压线 两相区

它是一个水平线

在过冷区和过热区

它是斜的曲线 画出来

对于T-s图上的具体的状态点

入口 出口 饱和水 饱和汽

3点 4点我们也给它画出来

以及焓熵图上 我们也给它画出来

在T-s图上 它吸收的热量

实际上是过程线与横轴标围成的面积

用面积来表示的

而焓熵图上 吸收的热量是什么

2点与1点的焓差 也就是这个线段

我们查表或查图 或者查软件

我们把1点未饱和水和2点过热蒸汽

对应的压力和温度

然后就可以查出来这两点的焓值

然后代到 h2-h1里面

就可以算出来

在锅炉里需要吸收的热量

这是定压过程

我们再来看绝热过程

水蒸气的绝热过程

这个过程发生在什么设备里

发生在汽轮机和水泵里面

由于绝热 所以q=0

所以与外界交换的功 就等于焓的变化量

我们以汽轮机为例

如果说是一个可逆的过程

我们在p-v图上画出来

汽轮机入口是过热蒸汽

然后 出口膨胀

膨胀比容怎么样 应该增加

所以出口是2这点的状态

我们在p-v图上表示出来

如果是不可逆过程

出口应该是2’这一点

我们用虚线来表示2’

在2的右侧 我们用虚线来表示

这是在p-v图上的表示

我们下面再在T-s图上把这个过程表示出来

首先是可逆过程

入口是1点 过热蒸汽区

然后等熵过程到出口 到p2压力

终态就应该很明确了

过1点 往下画垂线

到p2的等压线相交的点

就是出口的状态点

汽轮机在这个过程中做的功

就应该等于h1-h2

不可逆过程

如果说可逆过程出口由2来表示

然后不可逆过程它出口由2’来表示

那2’应该在什么位置

我们前面讲过热力学第二定律

既然是一个不可逆的膨胀

它的熵怎么样

应该增加的

熵要增加 那2’跟2有什么关系

它应该在2的右侧 熵增加

所以说应该在2’这个点

而且这是一条虚线

因为是一个不可逆过程

这是汽轮机 可逆过程 不可逆过程 在T-s图上的表示

然后我们再把这个表示在焓熵图上

饱和液线 饱和汽线画出来之后

两个压力p1 p2 等压线画出来

1点是我们的入口的状态

首先我们把可逆过程

也就是说出口是2点 垂直画下来

1点的焓 h1

2点的焓是 h2

h1-h2 这个线段差

实际上就是这个可逆过程做的功 膨胀做的功

然后我们来看不可逆过程

不可逆过程 在焓熵图上 出口2’应该在什么位置

因为是不可逆过程 它的熵增加

所以2’一定在2的右侧

我们把2’画出来

然后再把2’所对应的焓h2’画出来

用绿色的来表示

这个时候做的功应该是h1-h2’

你看可逆和不可逆

这两个做的功的相对大小

在这个图上就非常直观了

不可逆过程膨胀做的功

这线段怎么样 要小的

跟前面燃汽轮机一样

体现蒸汽轮机 不可逆膨胀程度的度量

就是透平的内效率 是什么

实际做的功与可逆条件下做的功的比值

也就是h1-h2’的焓 比上h1-h2的焓

这个值是小于一的

透平的相对内效率 这个定义非常重要

大家一定要非常清楚

我们利用刚才介绍的绝热过程

包括不可逆和可逆

我们来处理一个具体的问题

一个汽轮机 初态的压力 温度

终态的压力告诉你了

汽轮机的相对内效率也告诉你了 0.9 也就是百分之九十

请你求什么

请你来求 汽轮机实际做的功

实际的出口的焓值

实际的出口气体的蒸汽干度

湿蒸汽的干度 这怎么来求

我们来看一下

首先给了初始的压力和温度

入口那个点是过热蒸汽

给了压力和温度

那一点的所有的状态参数都可以确定

压力和温度知道了

我们把入口的那点的焓值可以查出来

熵也可以查出来

然后我们再来看一下

2点的熵跟1点的熵有啥关系

为什么要用2点的熵

因为前面给了相对内效率

内效率给了

如果知道可逆过程做的功的大小的话

实际做的功不也就知道了吗

为了确定可逆过程做的功

必须要知道2点的焓值

2点的焓值怎么算

如果知道它的干度不就可以了吗

干度又怎么算

利用那点的熵是不是可以算出来

2点的压力给你了

这个压力对应的饱和水和干饱和蒸汽的熵怎么样

就知道 如果再知道这点的熵

那点的干度不就算出来了吗

那这一系列的问题不就解决了吗

这是大概一个思路

我们接着往下走

2点的熵就等于1点的熵

我们放在这儿

然后刚才说的

p2所对应的饱和水 饱和汽的熵 s2’s2”

我们可以确定 相应的焓h2’ h2”

也就是 压力p2所对应的饱和水的熵 焓

干饱和蒸汽的熵 焓

我们都可以查表查出来

我们列在这个地方

现在知道2点的熵是多少

可以利用这个来把2点的干度算出来

2点的干度算出来 2点的焓怎么样

那就可以算出来了

利用上边 饱和水和干饱和蒸汽的焓

已知了干度 那点的焓不就算出来了吗

然后 那下面就简单了

2点的焓 我们刚才算了在这

然后汽轮机的相对内效率

我们刚才定义的

实际做的功比上可逆情况下做的功

h1怎么样 h1我知道

刚才已经确定了 h1我们是知道的

相对内效率也知道

实际做的功 不就可以算出来了吗

实际做的功算出来

真正的出口的2’的焓不就算出来了吗

利用这个 实际出口的焓值

再把实际出口的湿蒸汽的干度算出来

这个题是非常典型的一个题

计算稍微复杂了一点

但是思路应该很清晰

实际上就是一个相对内效率

还有一个干度 在里面

对概念大家一定要非常清楚

这两个概念如果清楚的话

这个题就很容易来解答

我们后面经常要用到类似的计算

所以这个题大家一定要非常熟练地掌握

对后面的计算来说 它是非常重要的

下面我们再来介绍一下水蒸气的定温过程

定温过程 实际上在我们实际的设备中很少用

我们来看一下 p-v图上

实际上就是等温线

如果说远离饱和汽线的时候

它就接近于理想气体

所以它是理想气体的等温线的形状

我们大概介绍一下

对于T-s图 等温线就是一条水平线

它与外界交换的热量

就应该是过程线与横轴标围成的面积

然后在焓熵图上 等温线的表达形式大概是这样

这个大家大概了解一下

在这儿想问大家一个问题

这是我们的焓熵图

我们知道 在湿蒸汽区 它有干度这个概念

也就是说在一个压力下

在同样的一个压力下

或者说在同样的一个饱和温度下

由于湿蒸汽中汽液的比例的不同

也就是干度的不同

它的焓值是不一样的

从刚才的例题中你可以看到

干度对于湿蒸汽来说 是非常重要的一个参数

它决定了广延参数的大小

我们实际的设备 干度怎样来确定

既然它这么重要 我怎么来确定

我可不可以直接测量它

直接湿蒸汽是没法测量的

那我们怎么办

想想其它的间接的方法

这就是我们要说的

我们来看一下

这是1点 是湿蒸汽区

如果说画这样一条虚线过来

到这边是2’点

你说从1到2’这是一个什么过程

你从图上来看 这个焓

这是一条水平线

既然是一条水平线

2’跟1点的焓有什么关系

它俩是相等的

然后在这个过程中 熵还是增加的

这个过程实际上就是我们前面讲过的 绝热节流过程

右侧是我们实际设备的示意图

竖的这个是蒸汽管道 然后有一个管子

这边是绝热节流的一个设备

然后在绝热节流之后

也就是说 这里面可以测得2’的压力和温度

通过绝热节流 我怎么就可以确定1点的干度

仔细想一下

对于2’它是过热蒸汽

测它的压力和温度

是很简单的一件事情

如果说能测量2’这点的压力和温度 过热蒸气

它的焓值怎么样 就可以确定

对于过热蒸汽

如果知道了它的压力和温度

它的焓值怎么样 就可以确定

2’的焓值你能确定

1点的焓值跟2’的焓值有啥关系

绝热节流前后的焓怎么样 相等的

所以1点的焓就等于2’

也就是说 采用绝热节流

我可以把1点的焓通过2’点给它确定

然后

1这点的压力怎么样 这很简单 温度也好测

不管你测压还是测温

1点的饱和压力或是饱和温度是可以确定的

由它的饱和压力或者是饱和温度

就可以确定它的饱和水和干饱和蒸汽的焓

然后这1点本身的焓 通过2’又知道了

它的干度怎么样

利用这三个参数怎么样 就可以算出来了

这是我们实际的工程

甚至我们科研中经常用到的一个方法

确定湿蒸汽的干度 用绝热节流

最后一个过程是水蒸气的定容过程

这个在实际设备中更少用了

当然在p-v图上 它是一条垂线

但是实际它是很少用的

我们把这一小节的主要内容

我们一起来总结一下

首先是水蒸气的定压过程

它在T-s图和焓熵图上的表示

与我们前面介绍的理想气体是完全不一样的

这个曲线也稍微复杂一点

这个大家一定要熟练地掌握

第二个就是我们汽轮机里的过程

它是理想情况下是一个可逆过程

然后如果说是不可逆的过程的话

这个线一定是曲线

它在T-s图和焓熵图的表示并不复杂

但是它的计算要复杂一点

里面涉及了两个问题

一个是汽轮机的相对内效率

这个一定要非常清楚

它应该谁比谁

不可逆情况下做的功 比上可逆条件下做的功

另外还要涉及到一个量

就是湿蒸汽的干度的问题

我们最后的那个计算非常典型

这个大家一定要非常熟练地掌握

后面我们第七章

处理蒸汽动力循环的时候要用到

大家要非常熟练

下面我们把整个第六章做一个小结

实际上前面每一个小节都做了总结

我们最后面可能要稍微简单一点

首先是热力学面与p-v相图

对于p-v相图这个图

可能大家要熟悉一点

解释一些生活的现象或者什么

经常要用到它

然后汽化与饱和

饱和温度与饱和压力之间的关系

一一对应 这个一定要清楚

接下来是什么

是水蒸气的定压发生过程

一点两线三区五态 这个各是什么

这要非常清楚

再接下来是什么

是水蒸气状态参数的确定

刚才说的那个五个态

如何来确定它

我们可以查图表 可以查软件

但是因为是五个态

所以分成了不同的表

所以在查图表之前

一定要先要确定处于哪个态

才能用相应的图表

最后我们介绍的是

刚刚讲过的水蒸气的热力过程

实际上我们主要关注的 一个是等压

一个是绝热过程

等压过程 它在T-s图和焓熵图上

等压线应该怎样来画

这个非常重要

实际上就是我们锅炉里的过程

我们第七章讲蒸汽动力循环

这个是必不可少的

再一个是汽轮机里的绝热过程

理想情况下是可逆的

如果是不可逆 用虚线来表示

对于汽轮机 有一个相对内效率

它实际做的功比上可逆情况下做的功

还有一个 涉及到湿蒸汽干度的问题

这是我们第六章 整个的主要问题的小结

这个PPT是我们这后半部分的作业

还是同样

清华的同学 实体课的同学的作业

至于其它同学 你可以选择来做

也可以利用我们的精要与题解

来检查一下你掌握的程度

到此我们第六章所有的内容都结束了

期待我们在下一章与大家再见 谢谢