什么是蒸汽？

此处解释蒸汽的性质，包括压力下的蒸汽携带并释放大量能量的能力。主题包括饱和蒸汽表、干度和闪蒸。

通过了解物质的一般分子和原子结构，并将此知识应用于冰、水和蒸汽，可以更好地理解蒸汽的性质。 分子是仍具有该物质所有化学性质的、能够存在的最小量的任何元素或化合物。分子本身由称为原子的更小粒子组成，原子定义了基本元素如氢和氧。 这些原子元素的特定组合提供化合物。其中一个化合物由化学式 H2O 表示，其分子由两个氢原子和一个氧原子组成。 水在地球上如此丰富的原因是氢和氧是宇宙中最丰富的元素之一。碳是另一个丰度显著的元素，是所有有机物质的关键组成部分。 大多数矿物物质可以以三种物理状态（固体、液体和蒸气）存在，这些状态被称为相。就 H2O 而言，分别使用冰、水和蒸汽这三个术语来表示三个相。 冰、水和蒸汽的分子排列尚未完全理解，但方便的做法是将分子视为通过电荷（称为氢键）结合在一起。分子的激发程度决定了物质的物理状态（或相）。

特定物质的三个相只能在特定的温度和压力下共存于平衡状态，这被称为其三相点。

H2O 的三相点，即冰、水和蒸汽三个相处于平衡状态，出现在温度为 273.16 K、绝对压力为 0.006 112 bar 时。该压力非常接近完全真空。如果在此温度下进一步降低压力，冰不会融化，而是直接升华成蒸汽。

冰

在冰中，分子被锁定在有序的晶格结构中，只能振动。 在固相中，分子在晶格中的运动是围绕平均键合位置的振动，分子间距小于一个分子直径。 持续加热导致振动增大到一定程度，以至于一些分子最终会脱离其相邻分子，固体开始融化为液态。在大气压力下，融化发生在 0 °C。压力变化对融化温度的影响很小，对于大多数实际目的，0 °C 可作为融化点。然而，已经证明冰的融化点每增加一个大气压下降 0.0072 °C。例如，需要 13.9 bar g 的压力才能将融化温度降低 0.1 °C。 打破晶格键以产生相变而不增加冰温的热量，被称为融化焓或熔化热。这种相变现象在冻结时是可逆的，相同量的热量被释放回周围环境。 对于大多数物质，密度在从固相变为液相时降低。 然而，H2O 是这一规则的例外，因为其密度在融化时增加，这就是冰漂浮在水上的原因。

水

在液相中，分子可以自由运动，但由于相互吸引，间距仍小于一个分子直径，并且频繁发生碰撞。更多热量增加分子的搅动和碰撞，将液体温度升高到其沸点温度。 水的焓、液体焓或水的显热 (hf) 这是将水的温度从 0 °C 的基准点升高到当前温度所需的热能。 在 0 °C 的此参考状态下，水的焓被任意设为零。所有其他状态的焓都可以相对于这个易于获取的参考状态来确定。 显热是曾经使用的术语，因为加入水的热量产生了温度变化。然而，现在接受的术语是液体焓或水的焓。 在大气压力（0 bar g）下，水在 100 °C 沸腾，需要 419 kJ 的能量将 1 kg 的水从 0 °C 加热到其沸点温度 100 °C。从这些数据得出水的比热容（Cp）在 0 °C 到 100 °C 之间的大多数计算中为 4.19 kJ/kg °C。

蒸汽

随着温度升高，水接近沸腾状态，一些分子获得足够的动能以达到能够瞬间从液体中逃逸到表面上方空间的速度，然后回落到液体中。 进一步加热导致更大的激发，具有足够能量离开液体的分子数量增加。当水被加热到沸点时，蒸汽气泡在其中形成并上升穿过表面。 考虑到液体和蒸气的分子排列，蒸汽的密度远小于水的密度是合乎逻辑的，因为蒸汽分子之间的距离更远。水面正上方的空间因此充满了密度较低的蒸汽分子。 当离开液体表面的分子多于重新进入的分子时，水自由蒸发。此时它已达到沸点或饱和温度，因为它已被热能所饱和。 如果压力保持恒定，加入更多热量不会导致温度进一步升高，而是使水形成饱和蒸汽。同一系统中沸水和饱和蒸汽的温度相同，但蒸汽中每单位质量的热能要大得多。 在大气压力下，饱和温度为 100 °C。然而，如果压力增加，将允许加入更多热量并提高温度而不发生相变。 因此，增加压力实际上增加了水的焓和饱和温度。饱和温度与压力之间的关系称为蒸汽饱和曲线（见图 2.2.1）。

水和蒸汽可以在该曲线上的任何压力下共存，两者都处于饱和温度。在饱和曲线上方状态的蒸汽称为过热蒸汽：

• 高于饱和温度的温度称为蒸汽的过热度。
• 曲线下方状态的水称为未饱和水。 如果蒸汽能够以与其生产速率相同的速率从锅炉流出，加入更多的热量只会增加生产速率。如果蒸汽被阻止离开锅炉，且热输入速率保持不变，则流入锅炉的能量将大于流出的能量。这些多余的能量提高了压力，从而允许饱和温度升高，因为饱和蒸汽的温度与其压力相关。 蒸发焓或潜热 (hfg) 这是将沸点温度下的水转变为蒸汽所需的热量。它不涉及蒸汽/水混合物的温度变化，所有能量都用于将状态从液体（水）变为蒸气（饱和蒸汽）。 旧术语潜热是基于这样一个事实：虽然加热了，但温度没有变化。然而，现在接受的术语是蒸发焓。 与冰到水的相变一样，蒸发过程也是可逆的。产生蒸汽的相同热量在冷凝过程中释放回周围环境，当蒸汽接触到较低温度的任何表面时。 这可以被认为是蒸汽中用于加热目的的有用部分，因为它是当蒸汽冷凝回水时从蒸汽总热量中提取的部分。 饱和蒸汽的焓，或饱和蒸汽的总热量 这是饱和蒸汽中的总能量，简单地是水的焓和蒸发焓之和。

饱和蒸汽的焓（及其他性质）可以很容易地通过先前实验的表格结果（称为蒸汽表）来查阅。

蒸汽表列出了不同压力下蒸汽的性质。它们是在蒸汽上进行的实际测试的结果。表 2.2.1 显示了大气压力 - 0 bar g 下干饱和蒸汽的性质。

表 2.2.1 大气压力下饱和蒸汽的性质

例 2.2.1

在大气压力（0 bar g）下，水在 100 °C 沸腾，需要 419 kJ 的能量将 1 kg 的水从 0 °C 加热到其饱和温度 100 °C。因此，0 bar g 和 100 °C 下水的比焓为 419 kJ/kg，如蒸汽表所示（见表 2.2.2）。

然而，大气压力下的蒸汽实际用途有限。这是因为它无法在其自身压力下通过蒸汽管输送到使用点。

注意：由于蒸汽的压力/体积关系（压力增加时体积减小），蒸汽通常在锅炉中以至少 7 bar g 的压力产生。在较高压力下产生蒸汽可以使蒸汽分配管道保持在合理的尺寸。 随着蒸汽压力增加，蒸汽的密度也将增加。由于比容与密度成反比，比容将随压力增加而减小。 图 2.2.2 显示了比容与压力的关系。这突出表明比容的最大变化发生在较低压力下，而在压力范围的高端，比容的变化要小得多。

表 2.2.2 所示的蒸汽表摘录显示了比容及与饱和蒸汽相关的其他数据。

在 7 bar g 下，水的饱和温度为 170 °C。 与大气压力下的水相比，将水的温度升高到 7 bar g 下的饱和点需要更多的热能。该表给出的值为 721 kJ 将 1 kg 的水从 0 °C 加热到其饱和温度 170 °C。 7 bar g 下水转变为蒸汽所需的热能（蒸发焓）实际上小于大气压力下所需的热能。这是因为蒸发比焓随蒸汽压力增加而降低。 然而，由于比容也随压力增加而降低，相同体积中传递的热能实际上随蒸汽压力增加而增加。

表 2.2.2 饱和蒸汽表摘录

温度等于该压力下沸点的蒸汽称为干饱和蒸汽。然而，在设计用于产生饱和蒸汽的工业锅炉中，要产生 100% 干燥的蒸汽几乎是不可能的，蒸汽通常会含有水滴。

在实践中，由于湍流和飞溅，当蒸汽气泡穿过水面时，蒸汽空间含有水滴和蒸汽的混合物。 在任何壳式锅炉中（见第 3 章），热量仅供给水，且蒸汽与水面保持接触，产生的蒸汽通常含有约 5%（按质量计）的水分。 如果蒸汽中水分含量为 5%（按质量计），则称蒸汽为 95% 干燥，干度为 0.95。 湿蒸汽的实际蒸发焓是干度（c）和蒸汽表中比焓（hfg）的乘积。湿蒸汽比干饱和蒸汽具有更低的可用热能。 因此： 由于水的比容比蒸汽低几个数量级，湿蒸汽中的水滴将占据可忽略的空间。因此湿蒸汽的比容将小于干蒸汽： 其中 vg 是干饱和蒸汽的比容。

例 2.2.2

6 bar g 压力下干度为 0.94 的蒸汽仅含有 6 bar g 下干饱和蒸汽蒸发焓的 94%。以下计算使用蒸汽表中的数据：

蒸汽相图 蒸汽表中提供的数据也可以用图形形式表示。图 2.2.3 说明了水和蒸汽各状态的焓和温度之间的关系；这被称为相图。

当水从 0 °C 加热到其饱和温度时，其状态沿饱和水线变化，直到接收到所有的液体焓 hf（A - B）。

如果继续加入更多的热量，水变为水/蒸气混合物，并在保持饱和温度的同时继续增加焓 hfg（B - C）。 随着水/蒸气混合物的干度增加，其状态从饱和液体线移向饱和蒸气线。因此，在这两个状态之间正中间的点，干度（c）为 0.5。同样，在饱和蒸汽线上，蒸汽为 100% 干燥。 一旦接收到所有的蒸发焓，它就到达饱和蒸汽线。如果在此点之后继续加热，压力保持不变，但蒸汽温度将开始升高，因为加入了过热（C - D）。 饱和水线和饱和蒸汽线围成一个区域，其中存在水/蒸气混合物 - 湿蒸汽。在饱和水线左侧的区域中只存在水，在饱和蒸汽线右侧的区域中只存在过热蒸汽。 饱和水线和饱和蒸汽线相遇的点称为临界点。当压力向临界点增加时，蒸发焓降低，直到在临界点变为零。这表明水在临界点直接转变为饱和蒸汽。 在临界点之上，蒸汽可以被视为气体。气态是最扩散的状态，分子具有几乎不受限制的运动，体积随压力降低而无限增加。 临界点是水能够存在的最高温度。在临界点以上在恒温下的任何压缩不会产生相变。 然而，在临界点以下在恒温下的压缩，将导致蒸气液化，因为它从过热区域进入湿蒸汽区域。 蒸汽的临界点出现在 374.15 °C 和 221.2 bar a。高于此压力的蒸汽被称为超临界蒸汽，没有明确的沸点。

术语”闪蒸”传统上用于描述从冷凝水接收器排气口和疏水阀开口冷凝水排放管排出的蒸汽。如何在不加热的情况下从水形成蒸汽？

闪蒸发生在高压水（温度高于低压液体的饱和温度）被允许降至较低压力时。反之，如果高压水的温度低于较低压力下的饱和温度，则无法形成闪蒸。对于通过疏水阀的冷凝水，通常上游温度足够高以形成闪蒸。 见图 2.2.4。

考虑 1 公斤 5 bar g、饱和温度 159 °C 的冷凝水通过疏水阀降至 0 bar g 的较低压力。5 bar g 下饱和温度时 1 公斤冷凝水中的能量为 671 kJ。根据热力学第一定律，疏水阀低压侧流体中包含的能量必须等于高压侧的能量，这构成了能量守恒原理。

因此，1 公斤低压流体中包含的热量也是 671 kJ。然而，0 bar g 的水只能容纳 419 kJ 的热量，因此低压侧似乎出现了热量不平衡：671 – 419 = 252 kJ，就水而言，可以认为是多余的热量。 这部分多余的热量将一些冷凝水沸腾为闪蒸，沸腾过程称为闪蒸。因此，在疏水阀高压侧以 1 公斤液体水存在的冷凝水，现在在低压侧部分以水和蒸汽两种形式存在。 在最终压力（P2）下产生的闪蒸量可以使用公式 2.2.5 确定：

例 2.2.3

高压冷凝水温度高于低压饱和温度的情况。 考虑一定量的水在 5 bar g 压力下，在其饱和温度 159 °C 时含有 671 kJ/kg 的热能。如果压力随后降至大气压力（0 bar g），水只能在 100 °C 下存在，并含有 419 kJ/kg 的热能。 671 - 419 = 252 kJ/kg 的热能差将在大气压力下产生闪蒸。

产生的闪蒸比例可以认为是多余能量与最终压力下蒸发焓的比值。

例 2.2.4

高压冷凝水温度低于低压饱和温度的情况。 ****考虑与例 2.2.3 相同的条件，但高压冷凝水温度为 90 °C，即低于大气饱和温度 100 °C 的过冷状态。 注意：通常冷凝水温度从其饱和温度下降如此之多（在本例中从 159 °C 降到 90 °C）是不现实的；这里仅用于说明在这种情况下不会产生闪蒸。 在这种情况下，未饱和水表将显示 5 bar g 和 90 °C 下 1 公斤冷凝水的液体焓为 377 kJ。由于该焓低于大气压力下 1 公斤饱和水的焓（419 kJ），没有多余的热量可用于产生闪蒸。冷凝水只是通过疏水阀，以相同温度但较低压力（在本例中为大气压力）保持液态。 见图 2.2.5。

90 °C 下水的蒸气压为 0.7 bar 绝对压力。如果较低的冷凝水压力低于此值，则会产生闪蒸。

两个工艺状态之间的能量和质量守恒原理

能量守恒和质量守恒原理允许从不同方向来理解闪蒸现象。

考虑例 2.2.3 中的条件。 5 bar g 和 159 °C 下的 1 kg 冷凝水在大气压力下产生 0.112 kg 的闪蒸。这可以用图 2.2.6 示意说明。闪蒸和冷凝水的总质量保持为 1 kg。

能量守恒原理指出，低压状态下的总能量必须等于高压状态下的总能量。因此，闪蒸和冷凝水中的热量必须等于初始冷凝水中的 671 kJ。

蒸汽表提供以下信息：

因此，根据蒸汽表，低压状态下预期的焓与高压状态下的焓相同，从而证明了能量守恒原理。