为什么蒸汽压力越高,反而其热焓值越低?
一、 首先,了解几个概念
hf = 液体焓 (显热)(kJ/kg),也就是我们平常说的h′---我们不能利用的热量;
hg = 饱和蒸汽的总焓 (总热量)(kJ/kg),也就是我们平常说的h″;
hfg = 蒸发焓 (潜热)(kJ/kg)-我们可以利用的热量,也就是我们平常说的h″-h′。
hfg = hg - hf= h″- h′
这几个参数非常重要,以后各种热能工程的计算,阀门管道和设备选型,都需要查蒸汽表(蒸汽的物理性质)中的这个数据。
二、我们知道,饱和蒸汽每一个状态点的的热力学特性参数是固定的,这也就是我们为什么要使用饱和蒸汽的原因。对上面几个概念的理解:
1、hf = 液体焓 (显热):水在液态下,把它的温度从0℃提高到可以汽化的温度,这个阶段吸收的热量称为水的液体焓或显热。
我们把0℃的水的焓定义为零,于是其它状态的焓就可以根据其参考状态得出。
在大气压下(0 bar g),水在100℃时沸腾,把1kg水从0℃加热到100℃需要吸收419 kJ热量。由此可以推导出水的比热容Cp是4.19 kJ/(kg·℃)。
2、蒸发焓或潜热(hfg),也可称之为潜热:
这指的是在沸腾温度下水变成蒸汽所需要吸收的热量,期间,水和蒸汽的混合物温度不上升,所有的能量都用来把水由液态变为气态,即饱和蒸汽。
正如从冰到水的相变过程,蒸发的过程也是可逆的。当蒸汽遇到较低温度的表面时,蒸汽冷凝会放出同样多的热量。当蒸汽作为加热用途时,通常就是利用这部分热量,也就是从蒸汽冷凝成凝结水所释放的热量。
3、hg = 饱和蒸汽的总焓 (总热量)
这是指饱和蒸汽的总能量,它是水的焓值和蒸发焓的总和。
三、 压力与焓值的关系
1、在大气压力下水的饱和温度是100℃,但是,如果压力下降,比如说在西藏,则饱和温度会降低,其液体焓就低,水在80℃左右就可以烧开了;如果压力上升,将会吸收更多的热量,饱和温度也将上升,但是并不发生相变。因此,增加压力有效增加了水的焓值和饱和温度。
2、随着蒸汽压力升高,蒸汽的密度同样也增大。由于比容是密度的倒数,则比容随着压力升高而降低。
低压下比容随压力变化非常大,而压力较高时比容变化比较小,所以压力越高时,饱和蒸汽的总热量hg肯定要增加,但其增加的比例就越少。从附表二中可看出,压力越高时,水的焓值hf增加得相对较多,而这部分热量是不能使用的,因此可以使用的实际蒸发焓hfg就相对要比低压时少。
3、这从下面2个图中也可以看出,当压力越高时,饱和水由液态汽化为气态的蒸发过程(图中的水平线)是缩短的,这一段也就是我们说的蒸发焓hfg,(即热焓值)。
四、总结:一般使用蒸汽的原则为:高压输送,低压使用。
1、蒸汽的压力增加,比容会减少,密度会增加。所以蒸汽输送的原则是高压输送,而此时管径会比较小。
2、因为压力越低,饱和蒸汽的热焓值越高,而且所有管道及换热设备等的制造成本也相对低很多,因此使用蒸汽时,在保证工艺要求的前提下,尽量使用较为低压的蒸汽。
附图一:
附图二:
附表三:
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| 热焓 | 比容 | ||
压力 | 温度 |
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| kJ/kg | kJ/kg | kJ/kg | 蒸汽 |
kPaG | °C | 水 hf | 蒸发热焓 hfg | 蒸汽 hg | m3/kg |
0 | 100 | 419.04 | 2257.0 | 2676.04 | 1.673 |
5 | 101.40 | 424.90 | 2253.3 | 2678.02 | 1.601 |
10 | 102.66 | 424.90 | 2253.3 | 2678.02 | 1.533 |
20 | 105.10 | 440.80 | 2243.4 | 3684.2 | 1.414 |
40 | 109.55 | 459.70 | 2231.3 | 2691.0 | 1.225 |
60 | 113.56 | 476.40 | 2220.4 | 2696.8 | 1.083 |
80 | 117.14 | 491.60 | 2210.5 | 2702.1 | 0.971 |
100 | 120.42 | 505.60 | 2201.1 | 2706.7 | 0.881 |
150 | 127.62 | 536.10 | 2181.0 | 2717.1 | 0.714 |
200 | 133.69 | 562.20 | 2163.3 | 2725.5 | 0.603 |
300 | 143.75 | 605.30 | 2133.4 | 2738.7 | 0.461 |
400 | 151.96 | 640.70 | 2108.1 | 2748.8 | 0.374 |
500 | 158.92 | 670.90 | 2086.0 | 2756.9 | 0.315 |
600 | 165.04 | 697.50 | 2066.0 | 2763.5 | 0.272 |
700 | 170.50 | 721.40 | 2047.7 | 2769.1 | 0.240 |
1000 | 184.13 | 781.60 | 2000.1 | 2781.7 | 0.177 |