PDF《1. 蒸汽基础知识》

?MIYAWAKI, INC.

1. 蒸汽基础知识 蒸汽本身为无色透明气体,日常生活中在烧开水或是蒸煮饭食时发生的白色雾气一般称之为蒸汽或 是水蒸气.事实上正确的说它们应该是'

细微的水颗粒'

. 蒸汽虽然就在我们身边产生但是很难说它渗透到我们日常生活中来,对于蒸汽特性进行理解则需要 我们掌握一部分专门知识.在学习掌握蒸汽疏水阀及其他蒸汽使用装置相关知识之前,需要我们从掌 握蒸汽的基础知识开始. 据说在历史上蒸葑钤缱魑叵鲁樗亩υ蠢词褂, 并在此基础上发展为蒸汽机在

18 世纪的产业 革命中发挥了巨大作用推动了历史划时代的发展.自此以后蒸汽船,织布机,调速机,蒸汽机车等通 过蒸汽来运作的机器不断的被开发及使用.蒸汽作为不可缺少的动力能源为世界的产业发展做出了巨 大的贡献.在此以后动力能源逐渐被汽油,电力等能源所代替.但是与此同时蒸汽则在供热系统作为 热能搬运工被广泛的使用,特别是在石油精制,化学,食品等生产过程,灭菌,暖气及蒸汽涡轮机的 动力驱动中蒸汽依然发挥着它的作用,贡献于各类产业链中. 蒸汽能够作为热能搬运工或是驱动动力被持续使用的一个重要原因是其本身来源于水.地球上存在 着丰富的水资源,并且经济效益可观.最重要的是其本身所具有的物理特性及化学特性很容易被掌握 和利用. 本章首先将蒸汽的特性及其相关基本用语进行简明阐述. 1.1 蒸汽相关用语 蒸汽相关的理科学中, (下简称蒸汽理科学)饱和蒸汽表的使用是不可缺少的.首先在此有关饱和蒸 汽表所使用的专业术语及其相关的基础用语进行解说. ? 压力(Pressure) 单位面积上作用的力称之为压力. 压力的国际单位(SI)为帕斯卡(Pa),1m

2 面积上作用力为

1 牛顿时的作用压力定义为 1Pa{1Pa= (1N/m

2 )} .帕斯卡的单位值相对较小,在蒸汽理科学上通常使用 1MPa 或是 1kPa. (本资料中以 MPa 作 为压力单位表示) . 以前通常被使用的压力单位kgf/cm

2 与MPa 的换算方式为1MPa =10.197 (kgf/cm

2 ) . 压力通常有两种称呼分别为「绝对压力」和「表压」 .以绝对真空为基准 0(0MPa)时所测量的压力 为绝对压力(Absolute pressure) .表压则是使用压力表所测量的压力,即以大气压为基准 0(0MPa) 时所测得的压力为表压(Gauge pressure) .表压与绝对压力的关系如下. (表压)=(绝对压力)-(大气压力) 大气压力在使用表压表示时为 0MPa,使用绝对压力表示时为 0.10133MPa.即在绝对压力与表压之间 存在 0.1MPa 的差. 为明确表示区分在使用时通常在绝对压力单位后标注 '

a'

, 而在表压单位后标注 '

g'

. ?MIYAWAKI, INC. 比容积(Specific volume)、比重量(Specific weight) 1kg 的蒸汽所占有的容积称之为比容积(或比体积)单位表示为 m

3 /kg,比容积的值基本上由压 力及温度所决定.压力及温度的变化带来比容积的变化.在变化的程度上与液体状态的水相比, 蒸汽的变化程度将庞大的多. 比重量(又称密度)为比容积的倒数,单位为 kg/ m

3 . ? 饱和温度(Saturated temperature) 对水进行加热会使水的温度逐渐上升,达到一定温度时水的温度则不再上升.持续加热会使水 逐渐的生成为同温度的蒸汽直至全部的水都生成为蒸汽.此时的温度称为饱和温度.饱和温度与 压力存在一定的关系,压力越高饱和温度点越高,反之压力越低饱和温度点越低. ? 比热焓(Specific enthalpy) 比热焓是指蒸汽或是水单位质量(1kg)中所含的热能,经常使用于热力学.在蒸汽理科学中以下热 量表示用语常被使用并记载于饱和蒸汽表中. ①水的比热焓(h'

) 1kg 的水由 0℃开始上升至所在温度所需要的热量称之为水的比热焓,又称为显热. 0℃时水的比热焓为零可以直观的进行理解并掌握.大气压的情况下水在 100℃时开始沸腾,1kg 的 水由 0℃上升至 100℃时所需要的热量为 419kJ(千焦)以水的比热为 4.19kJ/kg℃来计算. ②蒸发比热焓(r) 将沸腾的 1kg 水完全生成为蒸汽时所需要的热量称之为蒸发比热焓.在水与蒸汽共存的状态下温度 不发生变化,所有的热能均被由水转化至蒸汽的过程中被使用.亦称为蒸发热或是气化热. ③饱和蒸汽的比热焓(h ) 指其饱和蒸汽所含的全部热量.如同下记计算式其为水的比热焓与蒸发比热焓的和来表示. h =r+h'

? 显热(Sensible heat) 致使物质的温度发生变化的热量称之为显热.显热被吸收会使物质温度变化反之显热被释放就会导 致物质温度下降.在蒸汽理科学中通常指水(液体)所含有的热量.即在热量转换过程中物质的状态 不发生变化而温度发生变化时此时所使用的热量称之为显热. ? 潜热(Latent heat) 致使物质的状态发生变化的热量称之为潜热.在潜热的热量转换过程中不存在温度的变化.通常也 被称之为融解热,蒸发热(汽化热) ,液化热,凝固热等.蒸汽理科学中常称为蒸发比热焓.即在热量 转换过程中物质的温度不发生变化而状态发生变化时此时所使用的热量称之为显热. ? 比热(Specific heat) 即使用同样的热量进行加热也会因物质的不同导致其温度上升方法不同.致使某一 1kg 物质的 温度上升 1℃所需要的必要热量称之为改物质的比热.单位为 kJ/kg℃.在比热而言,当物质的体 ?MIYAWAKI, INC. 积保持一定的情况下称之为「定积比热」和当所在压力保持一定的情况下称之为「定压比热」的两种 定义.一般两者存在差异的问题仅限物质为气体的情况下.也就是说在液体的状态下水的比热正如前 述'

①水的比热焓'

一样为 4.19kJ/kg℃. 1.2 水的相态 大多数的物质以固相,液相,气相的三种相态的物理特性存在.并且在各相态下分别称之为固体, 液体,气体.水的情况下则以冰,水,蒸汽来称呼.对应相态为固体,液体,气体.预知蒸汽的特性 需要理解物质的分子构造基础,在此基础上将冰,水,蒸汽各自结构进行对照则更易理解及掌握. 分子是含有所有该物质化学特性的最小单位.水的分子结构是由

2 个氢元素与

1 个氧元素结合而成 的化合物.化学分子式用 H2O 表示.地球上之所以有着丰富的水资源,主要是因为氢元素与氧元素在宇 宙中所占的存在比率最大.碳素也是类似存在的元素之一,分子的活性由其物理状态(相态)来决定. 1.2.1 冰(固相) 冰的分子因其相互接近并相互贴紧而结合,规律化散布成格子状.各分子的活动(振动)仅限于结 合部很小的范围内.随着持续加热,分子的振动加强终于致使一部分分子之间的结合力受到破坏.开 始由固体逐渐变为液体发生融解现象.此时融解开始时的温度称之为融点. 大气压的条件下冰的融点为 0℃,压力越高融点越高.因受热格子状排列的水分子被破坏开始融解时 的温度持续保持冰的温度,所有热量均被融解过程所使用.此时的热量称之为融解热.由液体转化为 固体的相变也是存在的,放出同样的热量(等同于融解热)即会凝固,此时的热量称之为凝固热. 大多数的物质在由固体转为液体的相变时密度会变小, 即相对固体的分子间距而言液体的分子间的距 离有增大.但是 H2O 的情况除外,溶解后密度会增加.冰浮于水即为此原因. 1.2.2 水(液相) 液相的状态下分子自由的进行活动偶尔会发生分子之间的碰撞.但是相互接近的力量依然存在,分 子间的间距依然保持很短的距离.持续的进行加热分子活动更加活性化直至达到该物质的沸点. 1.2.3 蒸汽(气相) 随着水的温度不断上升,一部分水分子获取足够的活动能量,开始瞬间由水的表面向上方飞出或 是向水面下方移动.继续进行加热则使分子的活动更加活跃,脱离液体的水分子越来越多.在液体中 形成蒸汽的气泡并上升活动,突破液体表面向外散布. 蒸汽分子间的间距远远比水分子之间的间距要大得多,其密度自然要比水的密度小很多.液体表面 以上的空间马上会被蒸汽分子所充满. 此时与返回液体内的分子相比脱离液面的分子要多得多,水不断的在被蒸发.至此温度则达到沸点 或是饱和温度. 压力在保持一定的情况下,即使继续进行加热至水完全变为蒸汽为止温度不再发生变化.所有的热 量均被由水成为蒸汽的过程所使用.此时的热量称之为蒸发热或是汽化热.沸腾的水(饱和水)和饱 ?MIYAWAKI, INC. 和蒸汽的温度虽然相同,但是单位质量中各自所含的热量是截然不同的,蒸汽所含有的热量要远远大 于饱和水所含的热量.同样蒸发的过程也是可以逆转的,蒸汽与温度低的面进行接触时,所持有的热 量会向外放出本身进行凝缩.该凝缩热量与蒸发热量相同称之为液化热.蒸汽因凝缩而成为水,此时 的水称之为冷凝水(Condensate). 1.3 蒸汽的特性 1.3.1 水的状态图 图1.1 为「1.2 水的相态」 中陈述的内容进行表示的结果. 该图是水在大气压情况下热量变化的内容. X 轴(横轴)为通过加热(比热焓增加的过程)而导致相态变化的内容.y 轴为温度显示. (图中左半 部分不在蒸汽理科学范围之中,在此不在赘述. ) 1.1 大气压下水的状态变化 温度(℃)比热焓(kJ/kg) h'

饱和水线 饱和蒸汽线 冰水共存 冰 潜热 显热 潜热 融点 饱和温度 (沸点) 过热蒸气 (融解) r= h -h'

100 0 蒸汽与饱和水共存 h'

'

热水 显热显热 ?MIYAWAKI, INC. 温度由 0℃开始通过加热上升至 100℃(沸点)时的显热(饱和水的比热焓 h'

) ,饱和水完全成 为蒸汽时所含的全热量(饱和蒸汽的比热焓 h )及水完全成为蒸汽所需的潜热(蒸发比热焓 r=h -h'

)之间的热量变化均在图中表示.饱和水逐渐成为蒸汽途中的汽水共存状态称之为湿饱和蒸 汽.水分完全成为蒸汽时称之为干饱和蒸汽,干饱和蒸汽通过继续加热温度上升超过饱和温度时 称之为过热蒸汽,过热蒸汽的温度与饱和蒸汽之间的温度差称之为过热度. 在以后论述中无特别说明的情况下水的比热焓以'

显热'

,蒸发比热焓以'

潜热'

及蒸汽保有全 热量以'

全热量'

来表示. 1.3.2 蒸汽的能量 如前文所述蒸汽在被使用于加热等过程中会释放其含有的潜热而相态发生变化成为冷凝水,此 时冷凝水的温度与蒸汽的温度相同.蒸汽正是利用此特性作为有效的热能源被广泛的使用于必须 要进行此加热处理的制程,灭菌等生产过程.蒸汽作为热能搬运工最大的利点为其能含有大量的 潜热能及其是取之不尽用之不竭的物质. 蒸汽所含的潜热能的多少可以通过饱和蒸汽表来进行确认.表1.2 是由饱和蒸汽表抽出的一部 分数据, 例如在大气压的情况下 (表压 0.0MPa) 时记载内容如下所示 (小数点个位以下四舍五入) . 饱和水的显热 h'

=419 kJ/kg 蒸汽的全热量 h =2,676 kJ/kg 潜热 r=h -h'

=2,257 kJ/kg 由此可以知道, (潜热在全热量中所占有的比例为)=2,257/2,676=0.8434P84% (蒸汽含有潜热与显热之间的倍数)=2,257/419=5.3866P5.39 如上所示潜热占全部热量中的 84%,同时是显热的 5.39 倍. 表1.1 是常见的各类物质(水,氨,甲醇及乙醇)的热性比较表,从中可以得知相对而言蒸汽 的蒸发潜热之大. 表1.1 大气压下各类物........