水蒸汽的飽和與過熱

2021-02-23 張健講安全閥

  水蒸汽作為最常見的動力介質，廣泛的用於發電、熱力等相關工況中，通過對水進行加熱，再使用氣化後的蒸汽進行做功，就能夠將熱能轉化為動能，進而轉化成其他形式的能源。通過加熱就能夠獲得相應的壓力，使水的氣化成為了一種獲得壓力的途徑，所以蒸汽是一種非常常見的高溫高壓介質，也是我們安全閥防護中非常大的一個門類。

  本期我們就簡單認識一下蒸汽的兩個概念-過熱和飽和。

  在我們日常生活中水的氣化過程也非常常見，0.1MPa情況下100℃的水就會出現氣化現象，這裡的溫度和壓力就是水的飽和溫度和飽和壓力，在溫度一定情況下壓力低於飽和壓力水出現氣化；在壓力一定的情況下，溫度高於飽和溫度水出現氣化（當然這只是個概念，實際工況可能有很大的不同）。

圖1.水的飽和溫度、壓力曲線

  但這樣的規律並不在所有溫度、壓力範圍內適用，蒸汽還有一個臨界溫度、臨界壓力的概念，在這個臨界溫度以上，無論壓力多高，蒸汽都不會被液化；在臨界壓力之上無論溫度多高，水也不會氣化。如果溫度壓力都超過了臨界點，此時的水就不是我們通常意義上的水了，而稱為臨界狀態水\水蒸汽，這個狀態下的水將不再有我們常規意義上的水或氣的一些特性。水的臨界溫度為374.3℃，臨界壓力為22.12MPa，看到「臨界」大家馬上可能就會想到現在大批上馬的超超臨界火電，如下是火電按溫度壓力的一個簡單劃分（不同的劃分體系具體數值可能會略有不同）

火電分類

壓力MPa

溫度℃

低壓電廠

1.4

350

中溫中壓

3.92

450

高溫高壓

9.9

540

超高壓

13.83

540

亞臨界

16.77

540

超臨界

22.11

550

超超臨界

31

600

  不難看出隨著技術的進步，電廠的蒸汽參數在不斷提高，也能夠發現無論如何蒸汽的溫度都要在臨界溫度以上，以保證蒸汽的氣化狀態、滿足汽輪機的需求。從表中也可以看出在亞臨界之前蒸汽的溫度都高於相應壓力下對應的飽和溫度，這裡就引出一個概念-「過熱」。這個也比較好理解，液體加熱先氣化，如果氣體繼續加熱就過熱了，過熱的過程中蒸汽的壓力不發生改變，只要蒸汽的溫度高於其對應壓力下的飽和溫度，那麼蒸汽就處於過熱狀態（過熱狀態時通過溫度、壓力可以確定該蒸汽的所有物性）。

飽和

與過熱相對應的還有一個飽和的概念，如果水蒸汽的溫度壓力均為飽和狀態時，蒸汽的狀態不能通過溫度壓力進行直接確定，還需要使用另外一個參數-幹度。可以理解為：在飽和狀態的時候，蒸汽實際上是由比較小的霧狀水滴和氣體狀態的水分子共同組成的，幹度表示的是兩者之間的比例，數值越高氣相的比例越大。飽和狀態必須通過溫度、壓力、幹度三個參數才能夠確定介質屬性，例如，下表同樣是溫度200℃壓力15.5Bar的飽和水蒸汽，幹度不同密度和焓值可能存在很大的差別，這也是為什麼在安全閥熱態試驗過程中需要進行蒸汽品質控制的主要原因。

幹度

密度

KG/M^3

焓值

KJ/KG

0.9

8.7

2598

0.5

15

1822

 

而與此同時，如果同等壓力的過熱蒸汽，溫度的升高實際對密度影響相對較小。下圖為同一壓力下不同溫度下介質的密度

溫度

℃

200

飽和

250

375

450

壓力

Bar

15.5

15.5

15.5

15.5

密度

kg/m^3

7.8

6.8

5.3

4.7

 

（這裡在附帶的說一下，對於蒸汽我們有時候會受到水的誤導，感覺蒸汽是一個比較重的介質，實際上水蒸汽要輕於空氣，15.5Bar的空氣密度約為17 KG/M^3，遠大於幹飽和狀態下水蒸汽的密度7.8 KG/M^3。通常認為閥門的升力在很大程度上受到介質密度的影響，所以理論上同樣的結構，從慣性力的角度蒸汽的升力要小於空氣的升力）

（本期內容就是這些，大家有問題可進行留言）

（歡迎大家關注、轉發、來稿，大家的意見和建議是我們進步的動力）

 


                                                                                                                                             

 

 

 

 

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