1、第四章蒸气的性质及基本热力过程第一节液体的汽化与饱和一、汽化与液化一、汽化与液化 在一定条件下，物质的宏观状态可以在固态、液态与气态间发生相互转换。其中，物质由液态转变为气态，称为物质的汽化；由气态转变为液态，称为物质的液化(或凝结)。物质在汽化时需要吸收热量，而在液化时则需放出热量。二、蒸发和沸腾 液体的汽化有蒸发和沸腾两种方式。蒸发是在任何温度条件下发生在液体表面的汽化过程；而沸腾则在相应沸点下同时发生在液体表面和内部的剧烈的汽化过程。无论哪种汽化方式，其实质都是部分液体分子吸收足够的热能而获得逸出功并脱离液体表面，进入汽相空间的过程。汽化速度与液体温度、汽相蒸气压力等因素有关。三、饱和状
2、态实际上，在汽化的同时，蒸气分子也会不断运动而冲撞液面，被液体分子重新捕获，即汽化的同时还伴有凝结过程。有限量液体在自由空间中汽化时，由于液体表面附近的汽相蒸气压力低，汽化速度总是大于凝结速度，所以经过一定时间后，液体就会全部汽化。处于饱和状态下的液体称为饱和液体；处于饱和状态下的气态蒸气称为干饱和蒸气，简称饱和蒸气。第二节蒸气等压产生过程一、等压过程中的状态变化图4-1蒸气等压产生过程及状态变化a)未饱和液体b)饱和液体c)湿饱和蒸气d)干饱和蒸气e)过热蒸气工程中常用的蒸气(例如水蒸气、制冷剂蒸气等)常在压力不变情况下产生，其状态变化如图4-1所示。一、等压过程中的状态变化(一)液体预热阶
3、段开始加热时，由于容器内的液体温度低于该压力对应的饱和温度，处于未饱和状态，称为未饱和液体或过冷液体（图4 1a）。饱和温度ts与液体温度t之差称为过冷度或过冷温差。未饱和液体被等压加热后，温度逐渐升高，比体积v稍有增大，熵s增大，焓h增大，直至液体温度被加热至该压力所对应的饱和温度的瞬间饱和液体（图4 1b）为止，这就是液体的预热阶段。饱和液体的状态参数分别为v、s、h及ts、p，可见，未饱和液体的状态参数tts、vv、ss、hh。一、等压过程中的状态变化(二)液体汽化阶段在等压下，饱和液体继续加热就会等温汽化，形成饱和液体和饱和蒸气的混合物湿饱和蒸气或湿蒸气（图4 1c）。湿饱和蒸气中的饱
4、和液体与饱和蒸气的比例随汽化程度而变化，其中所含干饱和蒸气的质量成分用干度x表示；而所含饱和液体的质量成分用湿度y表示，显然+1。随着汽化的进行，湿饱和蒸气的干度会逐渐增大，比体积也随之增大，最后饱和液体全部汽化成干饱和蒸气（图4 1d）。显然，饱和液体的干度=0，湿度=1；干饱和蒸气的干度=1，湿度=0。干度只在湿蒸气区才有意义，且0 x1。干饱和蒸气的状态参数分别用v、s、h及ts、p表示。而湿饱和蒸气由于汽液含量的比例不同，所以有不同的状态参数，但它们一定介于饱和液体和干饱和蒸气的同名参数值之间，例如，sss,hhh,vvts。温度高于饱和温度ts的蒸气称为过热蒸气（图4 1e）。过热蒸
5、气温度与同压下饱和温度之差称为蒸气的过热度或过热温差。蒸气过热过程中，比体积将继续增大，焓、熵也将继续增大。显然vv、hh、ss。二、过程在状态图中的表示图4-2蒸气p-v图上述三个阶段完成了未饱和液体到过热蒸气的等压加热全过程。过程中液体及蒸气经历了五种状态，即未饱和液体态、饱和液体态、湿饱和蒸气态、干饱和蒸气态和过热蒸气态。为便于进一步分析过程与循环的需要，现将过程中的状态变化描述在p-v图(图4-2)和T-s图(图4-3)上。图4-3蒸气T-s图第三节蒸气的热力性质图表一、状态参数的确定原则(一)未饱和液体及过热蒸气未饱和液体是液相，过热蒸气是汽相，两者都是单相物质。所以，在p、t、v、
6、h、s等参数中，只要已知任意两个参数，其他参数就能确定。(二)饱和液体及干饱和蒸气饱和液体及干饱和蒸气虽然也都是单相，但又都处于饱和状态下，压力和温度一一对应而不是互相独立。因此，只要压力或温度确定，就可以确定其他参数，例如饱和液体的v、h、s及干饱和蒸气的v、h、s等。一、状态参数的确定原则(三)湿饱和蒸气 湿饱和蒸气是干饱和蒸气与饱和液体共存的状态，压力和温度也是一一对应的。而v、h、s却与湿饱和蒸气中液体和气体的含量有关。式中z、z某一压力(或温度)下的饱和液体和干饱和蒸气的同名参数。当已知湿饱和蒸气的压力(或温度)及某一比参数时，便可确定其干度。二、蒸气热力性质表(一)零点的规定一般工
7、程计算中，通常需要计算工质的u、h、s的增量，而不必求其绝对值，故可任意选择一个基准点，即所谓的零点。(二)蒸气表常用的蒸气表有三种：未饱和液体与过热蒸气表；以温度为序的饱和液体与干饱和蒸气表；以压力为序的饱和液体与干饱和蒸气表。例4-1利用水蒸气表确定下列各点所处的状态及其他各参数。(1)p=0.1MPa，t=40；(2)p=1MPa，t=200；(3)p=0.9MPa，v=0.18m3/kg。三、蒸气图图4-4水蒸气h-s图(一)焓熵(h-s)图h s图以焓h为纵坐标，以熵s为横坐标（见图4 4）。图中绘有下列线簇：三、蒸气图1)等焓线簇。2)等熵线簇。3)等压线簇。4)等温线簇。5)等干
8、度线簇。6)等比体积线簇。工程中所遇到的水蒸气参数干度大多数在05以上，所以实用的水蒸气h s图只绘出靠近干饱和蒸气的那部分。三、蒸气图(二)温熵(T-s)图T s图以温度T为纵坐标，以熵s为横坐标。其中未饱和液体区密集于=0线的左上方，故近似计算时可用=0线代替（见图4 5）。图中绘有下列线簇:1)等温线簇。2)等熵线簇。3)等压线簇。4)等焓线簇。5)等干度线簇。6)等比体积线簇。图4-5蒸气T-s图图4-6蒸气lgp-h图三、蒸气图(三)压焓(p-h或lgp-h)图p h图是普遍应用于制冷工程中的蒸气图。为提高精度，工程中常采用lgp h图，即以lgp为纵坐标，以h为横坐标（见图4 6）
9、。图中绘有下列线簇：1)等压线簇。2)等焓线簇。3)等温线簇。4)等干度线簇。5)等比体积线簇。6)等熵线簇。第四节蒸气的基本热力过程一、等压过程图4-7蒸气等压过程a)h-s图b)T-s图c)lgp-h图一、等压过程实际工程中，等压过程是十分常见的过程，许多设备在正常运行状态下，工质经历的是稳定流动等压过程。例如，锅炉内水等压吸热汽化；制冷循环中蒸发器内工质的等压吸热汽化以及冷凝器内工质等压冷却冷凝过程等。等压过程曲线与初态、末态参数确定如图4-7所示。等压过程热力性质分析：由初态已知参数值在蒸气图中确定初态点1，查得参数h1、s1、v1、x1等。在状态图中作等压线，确定末态点2，查得末态参
10、数h2、s2、v2、x2等。等压过程的换热量二、绝热过程图4-8蒸气等熵过程a)h-s图b)T-s图c)lgp-h图在理想循环中，蒸气可逆压缩或膨胀过程常是可逆绝热过程，即等熵过程。蒸气等熵过程曲线和初态、末态参数确定如图4-8所示。等熵过程热力性质分析：由初态已知参数值在蒸气图中确定初态点1，查得参数h1、v1、x1等。在状态图中作等熵线，确定末态点2，查得末态参数h2、v2、x2等。等熵过程的换热量三、单级蒸气压缩式制冷理论循环1)制冷压缩机进行干压行程，并且吸气时制冷剂为干饱和蒸气，压缩过程为等熵过程。2)理论制冷循环中制冷剂与热源间进行热交换时无传热温差，即蒸发温度T0等于低温热源温度
11、T2(T0T2)；冷凝温度Tk等于高温热源温度T1(TkT1)，并且制冷剂在换热设备内流动时无流动阻力，无压降。3)制冷剂液体在节流前无过冷，为饱和液体，并且节流前后焓值相等。4)制冷剂在管路中流动时无流阻压降、无传热。理论制冷循环存在等压冷却传热不可逆耗散和节流不可逆耗散，所以属于不可逆循环。单级蒸气压缩式制冷理论循环lgp h图如图4 10所示。图中点1为压缩机的吸气状态。三、单级蒸气压缩式制冷理论循环图4-9单级蒸气压缩式制冷理论循环原理图理论制冷循环存在等压冷却传热不可逆耗散和节流不可逆耗散，所以属于不可逆循环。单级蒸气压缩式制冷理论循环lgp-h图如图4-10所示。图中点1为压缩机的
12、吸气状态。图4-10单级蒸气压缩式制冷理论循环热力状态图三、单级蒸气压缩式制冷理论循环1.单位制冷量q0单位制冷量（kJ/kg）指制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从低温热源中吸收的热量或制取的冷量。2.单位容积制冷量qv单位容积制冷量(kJ/m3)指制冷压缩机每输送1m3制冷剂蒸气（以吸气状态计），经循环向低温热源提供的冷量。三、单级蒸气压缩式制冷理论循环3.单位等熵压缩功w0单位等熵压缩功(kJ/kg)指制冷压缩机等熵压缩时每输送1kg制冷剂所消耗的轴功。4.单位冷凝器负荷qk单位冷凝器负荷(kJ/kg)指制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中等压冷却冷凝时向高温热源放出的热量。三、单级蒸
13、气压缩式制冷理论循环5.制冷系数0 制冷系数指理论制冷循环中的单位制冷量q0与单位等熵压缩功w0之比。图4-11例4-2图三、单级蒸气压缩式制冷理论循环例4-2单级蒸气压缩式制冷理论循环在高温热源为30，低温热源为15间工作，试求分别采用氨R717、氟利昂R22制冷剂时的理论制冷循环性能指标。解计算步骤为：(1)根据已知高低温热源温度以及循环特点，作单级蒸气压缩式制冷理论循环于lgp-h图中，并确定相应状态点(图4-11)。(2)利用蒸气图，分别确定R717、R22制冷剂计算时所需各热力状态点参数。R717：h1=17485kJ/kg，v1=05079m3/kg，h2=19920kJ/kg，h4=h5=6410kJ/kg。(3)热力性能计算见表4-1。三、单级蒸气压缩式制冷理论循环表4-1热力性能计算结果
