水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)

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

水的預(yù)熱過(guò)程使水由三相點(diǎn)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(guò)程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為因v’≈v0.01，所以熱工計(jì)算僅需計(jì)算Δh及Δu，故可任取某個(gè)狀態(tài)作為計(jì)算的零點(diǎn)。國(guó)際水蒸氣性質(zhì)會(huì)議規(guī)定，水的三相點(diǎn)狀態(tài)下u＝0。一般情況下，對(duì)溫度為0.01℃時(shí)不同壓力的水，取u0.01≈0。壓力不高時(shí)，對(duì)0.01℃時(shí)水，也可取h0.01≈0。第二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日水的定壓汽化過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)外作功的部分。則有定壓過(guò)熱過(guò)程中所需的熱量稱為過(guò)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^(guò)熱水蒸氣所需的熱量，等于液體熱、汽化潛熱與過(guò)熱熱量三者之和。而且整個(gè)水蒸氣定壓發(fā)生過(guò)程及各個(gè)階段中的加熱量，均可用水和水蒸氣的焓值變化來(lái)計(jì)算。

第三頁(yè)，共二十七頁(yè)，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(gè)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(diǎn)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(diǎn)(臨界點(diǎn))、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(guò)熱蒸汽狀態(tài))第四頁(yè)，共二十七頁(yè)，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(dòng)態(tài)的平衡。飽和溫度與飽和壓力之間有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。壓力越高，飽和溫度也越高。如，p＝0.0108kPa時(shí)，ts＝0℃；當(dāng)p＝101.325kPa時(shí)，ts＝100℃。ts和ps之間的關(guān)系，由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)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(gè)獨(dú)立參數(shù)。要確定濕飽和蒸汽的狀態(tài)，還須另一個(gè)獨(dú)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(gè)。

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(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日

由于濕飽和蒸汽實(shí)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(yè)，共二十七頁(yè)，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(jì)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(jì)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(jì)算水蒸氣u、h、s的變化量，因此可任選一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。國(guó)際會(huì)議規(guī)定，水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖以三相點(diǎn)狀態(tài)的液相水為基準(zhǔn)點(diǎn)編制。水的三相點(diǎn)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(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日未飽和水及過(guò)熱蒸汽表第八頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日飽和水及干飽和蒸汽表第九頁(yè)，共二十七頁(yè)，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(diǎn)，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(guò)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(guò)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(guò)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(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日10-3

水蒸氣的熱力過(guò)程分析水蒸氣熱力過(guò)程的目的—確定過(guò)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(guò)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(guò)程的特點(diǎn)來(lái)確定各狀態(tài)的參數(shù)。一、定容過(guò)程

v1=v2,于是可得：

第十一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日二、定壓過(guò)程

p1=p2,于是可得：

三、定溫過(guò)程

T1=T2,于是可得：四、定熵過(guò)程

s1=s2,于是可得：

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

蒸汽動(dòng)力裝置的工作循環(huán)可以理想化為由兩個(gè)可逆定壓過(guò)程和兩個(gè)可逆絕熱過(guò)程組成的理想循環(huán)。即0-1—定壓吸熱過(guò)程，1-2—絕熱膨脹過(guò)程，2-3—定壓放熱過(guò)程，3-4—絕熱加壓過(guò)程。該循環(huán)稱為朗肯循環(huán)，也稱為簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)。第十三頁(yè)，共二十七頁(yè)，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(jī)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(jī)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(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日一、提高蒸汽初溫對(duì)熱效率的影響設(shè)初壓p1＝const，乏汽壓力p2＝const,

↑T1→T1’→(Tm1’

＞Tm1)

。過(guò)程2'-3和原過(guò)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(shí)，朗肯循環(huán)的熱效率提高。此外，當(dāng)蒸汽的初溫提高時(shí)，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(shuō)明乏汽中含有的水分減少，這有利于減少汽輪機(jī)內(nèi)部的功耗散，也有利于改善汽輪機(jī)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(guò)熱器所用材料具有較好的耐熱性。第十五頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日

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

＞Tm1)

。過(guò)程2'-3和原過(guò)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(shí)，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(shuō)明乏汽中含有的水分增加，這會(huì)引起汽輪機(jī)內(nèi)部的耗散增加。特別是干度較低而水分過(guò)多時(shí)，由于水滴的沖擊，汽輪機(jī)葉片的表面受破壞，甚至引起葉片振動(dòng)，影響葉片的使用壽命。因此，一般同時(shí)提高蒸汽的初溫及初壓，既能提高熱效率，又能保證汽輪機(jī)內(nèi)部良好的工作條件第十六頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日三、降低乏汽壓力對(duì)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(guò)程2'-3'要比原過(guò)程2-3有較低的放熱溫度，即T2‘＜T2。雖然這時(shí)加熱過(guò)程的起點(diǎn)T0也降低為T0’，但它對(duì)整個(gè)加熱過(guò)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(shí)，乏汽的壓力相應(yīng)地降低為0.0039MPa左右。第十七頁(yè)，共二十七頁(yè)，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(lái)提高加熱過(guò)程的平均加熱溫度。第十八頁(yè)，共二十七頁(yè)，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(duì)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(shí)（即循環(huán)a-1‘-2-2-a的熱效率大于朗肯第十九頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日采用再熱措施時(shí)，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(dòng)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(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日10-6回?zé)嵫h(huán)從汽輪機(jī)中某個(gè)部位抽取經(jīng)過(guò)適當(dāng)膨脹后的蒸汽，其溫度總高于凝結(jié)水的溫度，用來(lái)預(yù)熱鍋爐給水，使得水的加熱過(guò)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(yè)，共二十七頁(yè)，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(yàn)樗杂捎趆b<<ha，所以α是一個(gè)很小的數(shù)值。第二十二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日功量：1-a過(guò)程中，1kg水蒸氣所作的軸功a-2過(guò)程中，

(1－α)kg水蒸氣所作的軸功汽輪機(jī)所作的軸功或第二十三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日功量與熱量的關(guān)系：過(guò)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(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日一級(jí)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