水蒸气的基本热力过程简析

水蒸气热力过程的计算任务与理想气体的热力过程基本相同，就是要求出：（1）初态和终态的状态参数；（2）过程中热量、膨胀功、技术功、焓和熵的变化。但计算方法不完全相同。这是因为不存在简单的状态方程，因此不能用分析方法求得初、终状态参数的数值。此外水蒸气的cp、cv分别是T、p和T、υ的复杂函数，因此热量不能用比热容和温差求得。一般都是利用水蒸气表和h-s图进行水蒸气过程的计算。

在研究水蒸气的过程时，一般可采用下列步骤：

（1）根据初始状态的两个独立状态参数从水蒸气表或h-s图中查得其他状态参数。

（2）根据过程条件和一个终了状态参数，确定终了时的状态，并从表中或图中查得其他状态参数。

（3）根据已求得的初、终状态参数计算q，u，wt，Δh和Δs。

水蒸气的基本热力过程也是定容、定压、定温、绝热四个，其中定压和绝热两个过程在蒸汽循环中出现得最多。

一、定容过程（υ＝常数）

根据已知的两个独立的初始状态参数，一个终了状态参数，以及υ1＝υ2，利用水蒸气表或h-s图，可确定其他初、终状态参数。

定容过程dυ＝0和υ＝υ1＝υ2，所以单位质量膨胀功为零，即

单位质量技术功为

定容过程中蒸汽与外界交换的热量可按封闭系统可逆过程的热力学第一定律计算。 因为定容过程膨胀功为零，所以单位质量热量为

qv＝u2－u1

因为一般水蒸气表和h-s图中没有比热力学能的数值，所以

二、定压过程（p＝常数）

根据已知的两个独立的初始状态参数，一个终了状态参数，以及p1＝p2，利用水蒸气表或h-s图，可确定其他初、终状态参数。

定压过程中dp＝0和p＝p1＝p2，所以单位质量膨胀功为

单位质量技术功为

按封闭系统可逆过程的热力学第一定律，单位质量热量为

同理，对于开口系统，qp＝h2－h1。

定压过程在热力工程中经常遇到。例如水在锅炉中的加热、汽化和过热过程，汽轮机排汽在冷凝器中的凝结过程，给水在回热器中的预热，以及回热用的抽汽在回热器中的冷却和凝结过程等都是定压过程。图6-7表示蒸汽从初态（p1、x1）定压加热到t2的过程。初态以定压线p1和定干度线x1的交点1表示。终态以同一定压线与定温线t2的交点2表示。每千克蒸汽在定压过程中吸收的热量等于比焓差（h2－h1）。

图6-7 定压加热过程

三、定温过程（T＝常数）

定温过程求初、终状态参数的方法与定容和定压过程相同。因为水蒸气的热力学能不仅与温度有关，而且与比体积有关，所以水蒸气的定温过程不是定热力学能过程。

定温过程中，单位质量热量可用比熵的定义式积分计算，即

定温过程中，单位质量膨胀功可用封闭系统可逆过程的热力学第一定律计算，即

单位质量技术功可用开口系统可逆过程的热力学第一定律计算，即

四、绝热过程（s＝常数）

绝热过程求初、终状态的方法同上。

绝热过程，因为qs＝0，所以单位质量膨胀功为

单位质量技术功为

蒸汽在汽轮机内膨胀时并不吸收热量。如果不计热损失，同时假定没有耗散效应，就可以认为是一个可逆绝热过程。在这个过程中比熵值不变，所以在h-s图上为一条垂直线。计算时，如给出新蒸汽进入汽轮机时的压力和温度，以及排汽的压力，就可由新蒸汽的压力和温度确定状态1，然后作一条垂直线与排汽压力线相交于点2，从而可读出h1和h2，如图6-8所示。单位质量蒸汽通过汽轮机作出的轴功若略去进出口处蒸汽的动能，即等于单位质量技术功，应为

若考虑到汽轮机内的耗散效应，则蒸汽在汽轮机内进行的过程为不可逆绝热过程。在这一过程中，比熵是增加的。用h-s图进行计算时，由汽轮机进口蒸汽初态点1 （p1，t1）作一向右倾斜的直线与排汽压力线交于点3。此时单位质量工质在汽轮机内所作的轴功为w′t，s＝h1－h3。wt，s与wt，s之比称为绝热效率（又称为相对内效率），用符号ηci表示，则

图6-8在h-s图上表示可逆绝热过程和不可逆绝热过程

例6-5 有一刚性封闭容器，装有p1＝0.2MPa、x1＝0.0004428的湿蒸汽，对其加热至p2＝10MPa，试确定加热终点的状态，并求出单位质量的加热量。

解 由附表3查得，p1＝0.2MPa时的有关参数为

并由此算得

对刚性封闭容器的湿蒸汽加热是一个定容加热过程，因此(www.xing528.com)

再由附表3查得，p2＝10MPa时的有关参数为

因为

所以加热终点为10MPa下饱和水，其比热力学能

单位质量的加热量

本例说明对湿蒸汽定容加热，其干度不一定增加。

例6-6 初态为p1＝5MPa，t1＝450℃的过热蒸汽，进入汽轮机绝热膨胀，终压p2＝0.005MPa，求终态的干度、比熵和所作的比轴功。若汽轮机的相对内效率ηoi＝0.9，求终态的干度、比熵产和所作的比轴功。

解 参见图6-8，由h-s图查得

由此算得比轴功

当ηoi＝0.9时，为不可逆绝热膨胀过程，实际比轴功

由

得

由h3和p2的数值，在h-s图确定点3（参见图6-8），可得

不可逆绝热膨胀过程的比熵产

复习思考题

1.范德瓦尔方程与理想气体状态方程的不同点是什么？

2.蒸发和沸腾有何不同？为什么在沸腾时对应于一定的压力就有一定的饱和温度？

3.根据给定的水蒸气的p和υ，如何用蒸汽表确定它是湿蒸汽还是过热蒸汽？湿蒸汽的状态参数如何利用蒸汽表求出？

4.由于Δhp＝cp，mΔT是普遍适用于任意工质的，饱和水在定压下汽化变为干饱和蒸汽时，温度不变，因此，h″－h′＝Δhp＝cp，m×0＝0。这一推论错误在哪里？

5.水蒸气在定温过程中是否满足q＝w的关系式？

习题

1.按水蒸气表和h-s图，求压力为p＝3MPa、干度x＝0.98的湿蒸汽的状态参数。

2.水蒸气的p＝8MPa，t＝450℃，用水蒸气表和h-s图求它的状态参数。

3.已知水蒸气的压力p＝0.5MPa、比体积υ＝0.836m3/kg，试确定其所处的状态，并求其比焓、比熵和比热力学能。

4.已知水蒸气的压力p＝0.004MPa、比熵s＝7.6695kJ/（kg·K），试确定其所处的状态（若为湿蒸汽则确定其干度，若为过热蒸汽则确定其过热度），并求其比焓。

5.利用水蒸气图、表，填充表6-1中的空白。

表6-1 习题5用表

6.如图6-9所示，已知压力p下的h1，h2，x1， x2，试确定该压力p下的比汽化潜热r。

7.压力p＝1.5MPa，t＝120℃的未饱和水进入锅炉，在其中定压加热为x＝0.98的湿蒸汽离开锅炉，蒸发量为qm＝4000kg/h，设燃料的发热量为41868kJ/kg，锅炉效率ηB＝79％。试求每小时燃料消耗量。

8.有1kg水蒸气在过热器中定压加热，其初态为p1＝1MPa，x1＝0.95，终态参数为t2＝250℃，试求下列值h1，u1，υ1，t1，h2，υ2，q，Δu。

图6-9 习题6用图

9.大气压力pb＝0.1MPa，温度tb＝30℃，某家用电冰箱长期停止运行，其制冷装置采用R22为制冷剂，装置内R22处于热力学平衡，已知表压力pg＝0.20861MPa，温度与大气温度相等，质量m＝0.125kg。试问：装置中R22所处的状态及其体积（提示：将R22视为实际气体，查有关R22的饱和液体和饱和蒸气表，或R22的过热蒸气表）。

10.1kg水蒸气初态为p1＝3MPa，t1＝400℃，在汽轮机中绝热膨胀到p2＝0.006MPa。。

（1）当过程可逆时，试求终态的干度x2和汽轮机所作的技术功wt；

（2）当过程不可逆，即ηoi＝0.9时，试求终态的干度x′2和汽轮机所作的技术功wt，以及由于过程不可逆而引起的技术功的减少量Δwt＝wt－w′t；

（3）当环境温度为17℃时，试求不可逆绝热膨胀过程的熵产引起的作功能力的损失Δw1,比较Δw1与Δwt的大小，并说明其原因。

11.湿饱和水蒸气在“干度计（测量湿蒸汽干度的仪表）”中进行绝热节流，节流前的p1＝1.5MPa，节流后的压力p2＝0.2MPa，温度t2＝130℃，试用h-s图确定该湿蒸汽的干度。