水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)

水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日二、水蒸氣發(fā)生過程中的能量關(guān)系水蒸氣定壓發(fā)生過程的三個階段：①水的預(yù)熱過程—未飽和水(0.01℃)→飽和水(ts)；②水的汽化過程—飽和水(ts)→干飽和水蒸氣(ts)；③水蒸氣的過熱過程—飽和水蒸氣（ts）→過熱水蒸氣(t)。

水的預(yù)熱過程使水由三相點溫度0.01℃升高到飽和溫度ts所需的熱量，稱為水的液體熱q'。

p↑→ts↑，q'↑定壓預(yù)熱過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為因v’≈v0.01，所以熱工計算僅需計算Δh及Δu，故可任取某個狀態(tài)作為計算的零點。國際水蒸氣性質(zhì)會議規(guī)定，水的三相點狀態(tài)下u＝0。一般情況下，對溫度為0.01℃時不同壓力的水，取u0.01≈0。壓力不高時，對0.01℃時水，也可取h0.01≈0。第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日水的定壓汽化過程中，1kg飽和水汽化成為干飽和水蒸氣所需的熱量稱為汽化潛熱L。汽化過程的壓力越高，汽化潛熱的數(shù)值越小。在臨界壓力下，汽化潛熱為零。

定壓汽化過程中的熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系為定義：內(nèi)汽化潛熱—汽化潛熱中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能的部分；外汽化潛熱

—用于對外作功的部分。則有定壓過熱過程中所需的熱量稱為過熱熱量q。按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，有顯然，將0.01℃的水加熱變?yōu)檫^熱水蒸氣所需的熱量，等于液體熱、汽化潛熱與過熱熱量三者之和。而且整個水蒸氣定壓發(fā)生過程及各個階段中的加熱量，均可用水和水蒸氣的焓值變化來計算。

第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日三、水蒸氣的p-v圖和T-s圖

分析水蒸氣的相變圖線可見，上、下界線表明了水汽化的始末界線，二者統(tǒng)稱飽和曲線，它把p-v和T-s圖分為三個區(qū)域，即液態(tài)區(qū)(下界線左側(cè))、濕蒸汽區(qū)(飽和曲線內(nèi))、汽態(tài)區(qū)(上界線右側(cè))。此外，習(xí)慣上常把壓力高于臨界點的臨界溫度線作為“永久”氣體與液體的分界線。所以，水蒸氣的相變圖線，可以總結(jié)為一點(臨界點)、二線(上界線、下界線)、三區(qū)(液態(tài)區(qū)、濕蒸汽區(qū)、氣態(tài)區(qū))和五態(tài)(未飽和水狀態(tài)、飽和水狀態(tài)、濕飽和蒸汽狀態(tài)、干飽和蒸汽狀態(tài)、過熱蒸汽狀態(tài))第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日四、水蒸氣的飽和狀態(tài)

飽和狀態(tài)—飽和區(qū)內(nèi)，飽和水和飽和水蒸氣共存的平衡狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，飽和水與飽和水蒸氣的平衡是動態(tài)的平衡。飽和溫度與飽和壓力之間有確定的對應(yīng)關(guān)系。壓力越高，飽和溫度也越高。如，p＝0.0108kPa時，ts＝0℃；當(dāng)p＝101.325kPa時，ts＝100℃。ts和ps之間的關(guān)系，由實驗或經(jīng)驗公式確定。

由于飽和區(qū)內(nèi)的濕飽和蒸汽的溫度ts與壓力ps具有一定的函數(shù)關(guān)系，所以兩者只能作為一個獨立參數(shù)。要確定濕飽和蒸汽的狀態(tài)，還須另一個獨立參數(shù)，一般采用“干度”作為參數(shù)，但也可以是其它的狀態(tài)參數(shù)，如焓、熵、比體積中的任何一個。

干度x—濕飽和蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即

第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日

由于濕飽和蒸汽實質(zhì)上是干飽和蒸汽與飽和水的混合物，因此其熱力學(xué)能、焓、熵及容積可表示為引入干度的關(guān)系式，可得即，如已知濕飽和蒸汽干度x，即可利用飽和水及干飽和蒸汽的狀態(tài)參數(shù)，求得濕飽和蒸汽的相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值。第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日10-2

水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖

水蒸氣的熱力性質(zhì)比較復(fù)雜，用水蒸氣狀態(tài)方程式計算比較困難。水蒸氣的熱力性質(zhì)表和相應(yīng)的圖線，提供了計算所需的各種狀態(tài)下水蒸氣參數(shù)的詳盡數(shù)據(jù)。工程中只需計算水蒸氣u、h、s的變化量，因此可任選一個基準(zhǔn)點。國際會議規(guī)定，水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖以三相點狀態(tài)的液相水為基準(zhǔn)點編制。水的三相點的參數(shù)為p＝0.6112kPa，v＝0.00100022m3/kgT＝273.16?K此狀態(tài)下液相水的熱力學(xué)能和熵被規(guī)定為零，即u'0.01＝0kJ/kg，s'0.01＝0kJ/(kgK)而其焓值為

h'0.01＝u'0.01+pv＝0kJ/kg+0.6112kPa×0.00100022m3/kg＝0.000611kJ/kg≈0kJ/kg工程上視其為零。第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日未飽和水及過熱蒸汽表第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日飽和水及干飽和蒸汽表第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日

h-s圖上可直接讀出焓值，便于求取焓變。

h-s圖的結(jié)構(gòu)：C—臨界點，x＝0線，x＝1線；定壓線、定溫線和定容線，在飽和區(qū)內(nèi)還有定干度線。

定壓線—在h-s圖上呈發(fā)散分布。由Tds＝dh-vdp可知，定壓線在h-s圖上的斜率為飽和區(qū)內(nèi)，p＝const→＝const，所以定壓線為一簇斜率不同的直線。在過熱區(qū)，隨著溫度的增高，定壓線趨于陡峭。

定溫線—飽和區(qū)內(nèi)與定壓線重合；在過熱區(qū)與定壓線自上界線處分開后逐漸趨于平坦。即p↓→蒸汽性質(zhì)趨近理想氣體。

定容線—走向與定壓線相同，但比定壓線稍陡(圖中虛線)。

定干度線—一組干度等于常數(shù)的曲線。

x<0.5的區(qū)域圖線過密，工程中也不經(jīng)常使用這部分?jǐn)?shù)據(jù)，所以通常所用的h-s圖線中不包括這一區(qū)域。第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日10-3

水蒸氣的熱力過程分析水蒸氣熱力過程的目的—確定過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，包括w、q以及Δu和Δh等。因此，需確定狀態(tài)參數(shù)的變化。確定過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的依據(jù)為熱力學(xué)第一、二定律：可用水蒸氣表及圖，依照過程的特點來確定各狀態(tài)的參數(shù)。一、定容過程

v1=v2,于是可得：

第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日二、定壓過程

p1=p2,于是可得：

三、定溫過程

T1=T2,于是可得：四、定熵過程

s1=s2,于是可得：

第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日10-4朗肯循環(huán)簡單蒸汽動力裝置的主要熱力設(shè)備：蒸汽鍋爐、汽輪機、給水泵和冷凝器。

蒸汽動力裝置的工作循環(huán)可以理想化為由兩個可逆定壓過程和兩個可逆絕熱過程組成的理想循環(huán)。即0-1—定壓吸熱過程，1-2—絕熱膨脹過程，2-3—定壓放熱過程，3-4—絕熱加壓過程。該循環(huán)稱為朗肯循環(huán)，也稱為簡單蒸汽動力裝置循環(huán)。第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日朗肯循環(huán)熱效率分析

循環(huán)工質(zhì)吸熱q1＝h1－h(huán)0工質(zhì)放熱汽輪機所作軸功(ws,T)1-2＝h1－h(huán)2水泵耗功

循環(huán)凈功朗肯循環(huán)熱效率水泵耗功很少，約占汽輪機軸功的2%，可忽略，即認(rèn)為則朗肯循環(huán)的熱效率可近似地表示為

第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日一、提高蒸汽初溫對熱效率的影響設(shè)初壓p1＝const，乏汽壓力p2＝const,

↑T1→T1’→(Tm1’

＞Tm1)

。過程2'-3和原過程2-3放熱溫度相同，即

Tm2’

＝Tm2＝T2

于是，由等效卡諾循環(huán)的熱效率公式ηt＝1－(T2/Tm1)可知，蒸汽初溫由T1提高到T1’時，朗肯循環(huán)的熱效率提高。此外，當(dāng)蒸汽的初溫提高時，如果蒸汽的初壓不變，絕熱膨脹終了狀態(tài)比原狀態(tài)2有較大的干度。乏汽的干度增大說明乏汽中含有的水分減少，這有利于減少汽輪機內(nèi)部的功耗散，也有利于改善汽輪機葉片的工作條件。但另一方面，為提高蒸汽的初溫，則要求鍋爐過熱器所用材料具有較好的耐熱性。第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日

二、提高蒸汽初壓對熱效率的影響設(shè)初溫T1＝const，乏汽壓力p2＝const?！黳1→p1’→(Tm1’

＞Tm1)

。過程2'-3和原過程2-3放熱溫度相同，即

Tm2’

＝Tm2＝T2于是，根據(jù)等效卡諾循環(huán)的熱效率公式ηt＝1－(T2/Tm1)可知，提高蒸汽初壓p1，可使朗肯循環(huán)的熱效率提高。當(dāng)提高蒸汽的初壓時，如果蒸汽的初溫不變，則絕熱膨脹終了狀態(tài)2'比原狀態(tài)2有較小的干度。干度減小說明乏汽中含有的水分增加，這會引起汽輪機內(nèi)部的耗散增加。特別是干度較低而水分過多時，由于水滴的沖擊，汽輪機葉片的表面受破壞，甚至引起葉片振動，影響葉片的使用壽命。因此，一般同時提高蒸汽的初溫及初壓，既能提高熱效率，又能保證汽輪機內(nèi)部良好的工作條件第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日三、降低乏汽壓力對熱效率的影響

設(shè)初溫T1＝const，初壓p1＝const降低乏汽的壓力p2→與乏汽壓力相應(yīng)的飽和溫度也隨著降低，放熱過程2'-3'要比原過程2-3有較低的放熱溫度，即T2‘＜T2。雖然這時加熱過程的起點T0也降低為T0’，但它對整個加熱過程的平均加熱溫度影響很小。因而，由等效卡諾循環(huán)的熱效率公式可知，降低乏汽的壓力p2，可以提高朗肯循環(huán)的熱效率。乏汽的凝結(jié)溫度主要取決于自然環(huán)境中冷卻介質(zhì)的溫度。當(dāng)乏汽的凝結(jié)溫度降低到28℃時，乏汽的壓力相應(yīng)地降低為0.0039MPa左右。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日10-5再熱循環(huán)

為了提高熱效率，可以采用再熱的方法來提高加熱過程的平均加熱溫度。第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日由于平均加熱溫度提高，而平均放熱溫度不變，按等效卡諾循環(huán)熱效率公式，可知再熱循環(huán)具有比朗肯循環(huán)高的熱效率。

再熱循環(huán)的熱效率可表示為

對比朗肯循環(huán)熱效率循環(huán)的熱效率），再熱循環(huán)具有比朗肯循環(huán)高的熱效率。則只有當(dāng)時（即循環(huán)a-1‘-2-2-a的熱效率大于朗肯第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日采用再熱措施時，乏汽的干度顯著的提高。因此在一定的蒸汽初溫的限制條件下，采用再熱循環(huán)就可應(yīng)用更高的蒸汽初壓，使循環(huán)的熱效率得到進(jìn)一步提高?，F(xiàn)代蒸汽動力裝置中，蒸汽初壓高于13MPa的大型裝置都采用再熱措施。第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日10-6回?zé)嵫h(huán)從汽輪機中某個部位抽取經(jīng)過適當(dāng)膨脹后的蒸汽，其溫度總高于凝結(jié)水的溫度，用來預(yù)熱鍋爐給水，使得水的加熱過程從較高溫度開始，使平均加熱溫度增高，從而提高循環(huán)熱效率。第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日抽汽量α的確定

回?zé)崞髦笑羕g水蒸氣放出的熱量：(1-α)kg水在回?zé)崞髦械玫降臒崃浚阂驗樗杂捎趆b<<ha，所以α是一個很小的數(shù)值。第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日功量：1-a過程中，1kg水蒸氣所作的軸功a-2過程中，

(1－α)kg水蒸氣所作的軸功汽輪機所作的軸功或第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日功量與熱量的關(guān)系：過程2-3中(1－α)kg的放熱量：由一定律有：忽略水泵的耗功，有：即第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日一級抽汽回?zé)嵫h(huán)的熱效率：即與朗肯循環(huán)熱效率相比，由于