工程熱力學B更新（有動畫）(2)ppt課件

1、第十章第十章 水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)10-1 水蒸氣的發(fā)生過程一、水蒸氣的定壓發(fā)生過程0.01tstststts a-b0.01未飽和水ts飽和水。t，v。 b-dts飽和水 ts干飽和水蒸汽。v， t和p均不變。其間為汽液混合的濕飽和蒸汽。 d-ets干飽和水蒸汽 t過熱水蒸汽。t，v。過熱度D= t- ts二、水蒸氣發(fā)生過程中的能量關(guān)系二、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：水蒸氣定壓發(fā)生過程的三個階段： 水的預(yù)熱過程水的預(yù)熱過程未飽和水未飽和水(0.01)(0.01)飽和水飽和水(ts)(ts)； 水的汽化過程水的汽化過程飽和水飽和水(ts)(ts

2、)干飽和水蒸氣干飽和水蒸氣(ts)(ts)； 水蒸氣的過熱過程水蒸氣的過熱過程飽和水蒸氣飽和水蒸氣tsts過熱水蒸氣過熱水蒸氣(t)(t)。 水的預(yù)熱過程使水由三相點溫度水的預(yù)熱過程使水由三相點溫度0.010.01升高到飽和溫度升高到飽和溫度tsts所需所需的熱量，稱為水的液體熱的熱量，稱為水的液體熱qq。 pts，q 定壓預(yù)熱過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為定壓預(yù)熱過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為)()(01. 001. 001. 0vvpuuhhq因因vv0.01，所以，所以)(01. 001. 0uuhhq 熱工計算僅需計算熱工計算僅需計算hh及及uu，故可任取某個形狀作為計算的，故可任取某個形狀作為計算的零點

3、。國際水蒸氣性質(zhì)會議規(guī)定，水的三相點形狀下零點。國際水蒸氣性質(zhì)會議規(guī)定，水的三相點形狀下u u0 0。 普通情況下，對溫度為普通情況下，對溫度為0.010.01時不同壓力的水，取時不同壓力的水，取u0.010u0.010。壓力不高時，對壓力不高時，對0.010.01時水，也可取時水，也可取h0.010h0.010。 水的定壓汽化過程中，水的定壓汽化過程中，1kg1kg飽和水汽化成為干飽和水蒸氣所需飽和水汽化成為干飽和水蒸氣所需的熱量稱為汽化潛熱的熱量稱為汽化潛熱L 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。汽

4、化潛熱為零。 定壓汽化過程中的熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系為定壓汽化過程中的熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系為 )()(vvpuuhhL LLLhhq 定義：內(nèi)汽化潛熱定義：內(nèi)汽化潛熱 汽化潛熱中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃ζ瘽摕嶂修D(zhuǎn)變?yōu)闊崃W能的部分；外汽化潛熱學能的部分；外汽化潛熱 用于對外作功的用于對外作功的部分。那么有部分。那么有 LL 定壓過熱過程中所需的熱量稱為過熱熱量定壓過熱過程中所需的熱量稱為過熱熱量q q。按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，。按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，有有 顯然，將顯然，將0.010.01的水加熱變?yōu)檫^熱水蒸氣所需的熱量，等于液的水加熱變?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)生過體熱、汽化潛熱

5、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。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。 三、水蒸氣的三、水蒸氣的p-v圖和圖和T-s圖圖 分析水蒸氣的相變圖線可見，上、下界限闡明了水汽化的始末界限，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)(下界限左側(cè))、濕蒸汽區(qū)(飽和曲線內(nèi))、汽態(tài)區(qū)(上界限右側(cè))。此外，習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限。所以，水蒸氣的相變圖線，可以總結(jié)為一點(臨界點)、二線(上界限、下界限)、三區(qū)(液態(tài)區(qū)、濕蒸汽區(qū)、氣態(tài)區(qū))和五態(tài)(未飽和水形狀、飽和水

6、形狀、濕飽和蒸汽形狀、干飽和蒸汽形狀、過熱蒸汽形狀) 四、水蒸氣的飽和形狀四、水蒸氣的飽和形狀 飽和形狀飽和形狀飽和區(qū)內(nèi)，飽和水和飽和水蒸氣共存的平衡形狀。飽和區(qū)內(nèi)，飽和水和飽和水蒸氣共存的平衡形狀。 在飽和形狀下，飽和水與飽和水蒸氣的平衡是動態(tài)的平衡。在飽和形狀下，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，和溫度也越高。如，p0.0108kPa時，時，ts0；當；當p101.325 kPa 時，時， ts100 。 ts和和ps之間的關(guān)系，由實驗或閱歷公式確之間的關(guān)系，由實

7、驗或閱歷公式確定。定。 由于飽和區(qū)內(nèi)的濕飽和蒸汽的溫度由于飽和區(qū)內(nèi)的濕飽和蒸汽的溫度ts與壓力與壓力ps具有一定的函數(shù)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形關(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形狀，還須另一個獨立參數(shù)，普通采用狀，還須另一個獨立參數(shù)，普通采用“干度作為參數(shù)，但也可干度作為參數(shù)，但也可以是其它的形狀參數(shù)，如焓、熵、比體積中的任何一個。以是其它的形狀參數(shù)，如焓、熵、比體積中的任何一個。 干度干度x濕飽和蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量分數(shù)，即濕飽和蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量分數(shù)，即 wvvmmmx UUUx HHHx SSSx VVVx )()1

8、 (uuxuuxuxux xLhhhxhhxhxhx )()1 ()()1 (ssxssxsxsx )()1 (vvxvvxvxvx 由于濕飽和蒸汽本質(zhì)上是干飽和蒸汽與飽和水的混合物，因此由于濕飽和蒸汽本質(zhì)上是干飽和蒸汽與飽和水的混合物，因此其熱力學能、焓、熵及容積可表示為其熱力學能、焓、熵及容積可表示為引入干度的關(guān)系式，可得引入干度的關(guān)系式，可得 即，如知濕飽和蒸汽干度即，如知濕飽和蒸汽干度x x，即可利用飽和水及干飽和蒸汽的形狀，即可利用飽和水及干飽和蒸汽的形狀參數(shù)，求得濕飽和蒸汽的相應(yīng)形狀參數(shù)的數(shù)值。參數(shù)，求得濕飽和蒸汽的相應(yīng)形狀參數(shù)的數(shù)值。 10-2 水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖水蒸氣熱力性質(zhì)

9、表和圖 水蒸氣的熱力性質(zhì)比較復(fù)雜，用水蒸氣形狀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形狀下水蒸氣參數(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點。國際會議規(guī)定，水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖以三相點形狀的液相水為基準點編制。水的三相點的參數(shù)為p0.611 2 kPa， v0.001 000 22 m3/kgT273.16K此形狀下液相水的熱力學能和熵被規(guī)定為零，即u0.010 kJ/kg， s0.010 kJ/(kg K)而其焓值為 h0.01u0.01+pv 0 kJ/kg+0.611 2 kPa0.001 000 22 m3/kg 0.

10、000 611 kJ/kg0 kJ/kg工程上視其為零。未飽和水及過熱蒸汽表未飽和水及過熱蒸汽表 飽和水及干飽和蒸汽表飽和水及干飽和蒸汽表 h-s圖上可直接讀出焓值，便于求取焓變。 h-s圖的構(gòu)造：C臨界點，x0線，x1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Tdsdh-vdp可知，定壓線在h-s圖上的斜率為Tshp)(飽和區(qū)內(nèi)，飽和區(qū)內(nèi)，p pconst const constconst，所以定壓線為一簇斜率不同的，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，定壓線趨于峻峭。直線。在過熱區(qū)，隨著溫度的增高，定壓線趨于峻峭。 定溫線定

11、溫線飽和區(qū)內(nèi)與定壓線重合；在過熱區(qū)與定壓線自上界飽和區(qū)內(nèi)與定壓線重合；在過熱區(qū)與定壓線自上界限處分開后逐漸趨于平坦。即限處分開后逐漸趨于平坦。即pp蒸汽性質(zhì)趨近理想氣體。蒸汽性質(zhì)趨近理想氣體。 定容線定容線走向與定壓線一樣，但比定壓線稍陡走向與定壓線一樣，但比定壓線稍陡( (圖中虛線圖中虛線) )。 定干度線定干度線一組干度等于常數(shù)的曲線。一組干度等于常數(shù)的曲線。 x0.5 x0.5的區(qū)域圖線過密，工程中也不經(jīng)常運用這部分數(shù)據(jù)，所的區(qū)域圖線過密，工程中也不經(jīng)常運用這部分數(shù)據(jù)，所以通常所用的以通常所用的h-sh-s圖線中不包括這一區(qū)域。圖線中不包括這一區(qū)域。10-3 水蒸氣的熱力過程水蒸氣的熱力

12、過程 分析水蒸氣熱力過程的目的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，確定過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，包括包括w w、q q以及以及uu和和hh等。因此，需確定形狀參數(shù)的變化。等。因此，需確定形狀參數(shù)的變化。 確定過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的根據(jù)為熱力學第一、二定律：確定過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的根據(jù)為熱力學第一、二定律：可用水蒸氣表及圖，按照過程的特點來確定各形狀的參數(shù)?？捎盟魵獗砑皥D，按照過程的特點來確定各形狀的參數(shù)。 212121dvpuq2121dsTq 一、定容過程一、定容過程 v1=v2, v1=v2,于是可得：于是可得： 0d2121vpw)()(121122, 121ppvhhuq 二、定

13、壓過程二、定壓過程 p1=p2, p1=p2,于是可得：于是可得： )(12121vvpw)(1221hhq 三、定溫過程三、定溫過程 T1=T2, T1=T2,于是可得：于是可得： 四、定熵過程四、定熵過程 s1=s2, s1=s2,于是可得：于是可得： 2, 12121uqw)()()(112212121vpvphhssT)(12121ssTq )()(1122122121vpvphhuuw021q10-4 10-4 朗肯循環(huán)朗肯循環(huán) 簡單蒸汽動力安裝的主要熱力設(shè)備：簡單蒸汽動力安裝的主要熱力設(shè)備：蒸汽鍋爐、汽輪機、給水泵和冷凝器。蒸汽鍋爐、汽輪機、給水泵和冷凝器。 蒸汽動力安裝的任務(wù)循環(huán)

14、可以理想化蒸汽動力安裝的任務(wù)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)。程組成的理想循環(huán)。即即 0-1 0-1定壓吸熱過程，定壓吸熱過程， 1-2 1-2絕熱膨脹過程，絕熱膨脹過程， 2-3 2-3定壓放熱過程，定壓放熱過程， 3-4 3-4絕熱加壓過程。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安裝循環(huán)。該循環(huán)稱為朗肯循環(huán)，也稱為簡單蒸汽動力安裝循環(huán)。 朗肯循環(huán)熱效率分析朗肯循環(huán)熱效率分析 循環(huán)工質(zhì)吸熱 q1h1h0工質(zhì)放熱汽輪機所作軸功 (ws,T)1-2h1h2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

15、功的2%，可忽略，即以為 那么朗肯循環(huán)的熱效率可近似地表示為322hhq 3003ps,)(hhw)()()()(302103ps,21Ts,0hhhhwww01302110t)()(hhhhhhqw 0)(3003ps,hhw3112121Ts,t)(hhhhqw一、提高蒸汽初溫對熱效率的影響一、提高蒸汽初溫對熱效率的影響 設(shè)初壓設(shè)初壓p1p1constconst，乏汽壓力，乏汽壓力p2p2const, const, T1 T1T1 T1 (Tm1 (Tm1 Tm1 ) Tm1 ) 。 過程過程2-32-3和原過程和原過程2-32-3放熱溫度一樣，放熱溫度一樣，即即 Tm2 Tm2 Tm2

16、Tm2 T2 T2 于是，由等效卡諾循環(huán)的熱效率公式于是，由等效卡諾循環(huán)的熱效率公式tt1 1(T2/Tm1)(T2/Tm1)可知，蒸汽初溫由可知，蒸汽初溫由T1T1提高到提高到T1T1時，朗肯循環(huán)的熱效率提高。時，朗肯循環(huán)的熱效率提高。 此外，當蒸汽的初溫提高時，假設(shè)蒸汽的初壓不變，絕此外，當蒸汽的初溫提高時，假設(shè)蒸汽的初壓不變，絕熱膨脹終了形狀比原形狀熱膨脹終了形狀比原形狀2 2有較大的干度。乏汽的干度增大闡有較大的干度。乏汽的干度增大闡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任務(wù)條件。但另一方面，

17、為散，也有利于改善汽輪機葉片的任務(wù)條件。但另一方面，為提高蒸汽的初溫，那么要求鍋爐過熱器所用資料具有較好的提高蒸汽的初溫，那么要求鍋爐過熱器所用資料具有較好的耐熱性。耐熱性。 二、提高蒸汽初壓對熱效率的影響二、提高蒸汽初壓對熱效率的影響 設(shè)初溫設(shè)初溫T1 T1 constconst，乏汽壓力，乏汽壓力p2 p2 constconst。p1p1p1p1(Tm1(Tm1 Tm1 ) Tm1 ) 。 過程過程2-32-3和原過程和原過程2-32-3放熱溫度一樣，放熱溫度一樣，即即 Tm2 Tm2 Tm2 Tm2 T2T2 于是，根據(jù)等效卡諾循環(huán)的熱效率公式于是，根據(jù)等效卡諾循環(huán)的熱效率公式tt1 1

18、(T2/Tm1)(T2/Tm1)可知，提高蒸汽初壓可知，提高蒸汽初壓p1p1，可使朗肯循環(huán)的熱效率提高。，可使朗肯循環(huán)的熱效率提高。 當提高蒸汽的初壓時，假設(shè)蒸汽的初溫不變，那么絕熱當提高蒸汽的初壓時，假設(shè)蒸汽的初溫不變，那么絕熱膨脹終了形狀膨脹終了形狀22比原形狀比原形狀2 2有較小的干度。干度減小闡明乏汽有較小的干度。干度減小闡明乏汽中含有的水分添加，這會引起汽輪機內(nèi)部的耗散添加。特別中含有的水分添加，這會引起汽輪機內(nèi)部的耗散添加。特別是干度較低而水分過多時，由于水滴的沖擊，汽輪機葉片的是干度較低而水分過多時，由于水滴的沖擊，汽輪機葉片的外表受破壞，甚至引起葉片振動，影響葉片的運用壽命。因

19、外表受破壞，甚至引起葉片振動，影響葉片的運用壽命。因此，普通同時提高蒸汽的初溫及初壓，既能提高熱效率，又此，普通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)部良好的任務(wù)條件能保證汽輪機內(nèi)部良好的任務(wù)條件 三、降低乏汽壓力對熱效率的影響三、降低乏汽壓力對熱效率的影響 設(shè)初溫T1const，初壓p1const 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T2T2。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。 因此，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

20、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。10-5 10-5 再熱循環(huán)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。 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。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)的熱效率可表示為再熱循環(huán)的熱效率可表示為 )()(11013212tahhhhhhqq)()()()(11012232tahhhhhhhh01

21、32t1hhhh0132132hhhhhhhha對比朗肯循環(huán)熱效率對比朗肯循環(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。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。那么只需當那么只需當 時即循環(huán)時即循環(huán)a-1a-1-2-2-a-2-2-a的熱效率大于朗肯的熱效率大于朗肯dcdbcabadbdcba同號，則、，且不等式性質(zhì)：設(shè) 采用再熱措施時，乏汽的干度顯著的提高。因此在一定采用再熱措施時，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)就可運用更高的蒸的蒸汽初溫的限制條件下，采用再熱循環(huán)就可運用更高的蒸汽初壓，使循環(huán)的熱效率得到進一步提高?，F(xiàn)代蒸汽動力安汽初

22、壓，使循環(huán)的熱效率得到進一步提高?，F(xiàn)代蒸汽動力安裝中，蒸汽初壓高于裝中，蒸汽初壓高于13MPa13MPa的大型安裝都采用再熱措施。的大型安裝都采用再熱措施。10-6 10-6 回熱循環(huán)回熱循環(huán) 從汽輪機中某個部位抽取經(jīng)過適當膨脹后的蒸汽，其溫度從汽輪機中某個部位抽取經(jīng)過適當膨脹后的蒸汽，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場，使平均加熱溫度增高，從而提高循環(huán)熱效率。從較高溫度開場，使平均加熱溫度增高，從而提高循環(huán)熱效率。抽汽量抽汽量確實定確實定 )(kgbahhQ)(kg)1 (0hhQb QQ 00hh

23、hhab回熱器中回熱器中kgkg水蒸氣放出的熱量：水蒸氣放出的熱量：(1-)kg(1-)kg水在回熱器中得到的熱量：水在回熱器中得到的熱量：由于由于所以所以由于由于hbha，所以，所以是一個很小的數(shù)值。是一個很小的數(shù)值。功量：功量：1-a過程中，1kg水蒸氣所作的軸功aahhw11s)()(kg)1 ()(22shhwaaa-2過程中， (1)kg水蒸氣所作的軸功汽輪機所作的軸功汽輪機所作的軸功)(kg)1 ()(kg121Ts,hhhhWaa)(kg)(kg)1 (121Ts,ahhhhW或或功量與熱量的關(guān)系：功量與熱量的關(guān)系：過程過程2-3中中(1)kg的放熱量：的放熱量：)(kg)1 (

24、322hhQps,Ts,21WWQQ由一定律有：由一定律有：忽略水泵的耗功，有：忽略水泵的耗功，有：Ts,21WQQ)(kg)(kg)1 (1311ahhhhQ即即)(kg)(kg)1 (121Ts,ahhhhW一級抽汽回熱循環(huán)的熱效率：一級抽汽回熱循環(huán)的熱效率：)()(1 ()(1 (11313212athhhhhhQQ)1 ()()(113132athhhhhh即即與朗肯循環(huán)熱效率與朗肯循環(huán)熱效率 相比，由于相比，由于 恒為正恒為正 3132t1hhhh1)(1ahh所以抽汽循環(huán)的熱效率高于朗肯循環(huán)熱效率。所以抽汽循環(huán)的熱效率高于朗肯循環(huán)熱效率。 現(xiàn)代大型蒸汽動力安裝大部分采用回熱措施。普通抽汽回熱的現(xiàn)代大型蒸汽動力安裝大部分采用回熱措施。普通抽汽回熱的級數(shù)為級數(shù)為3 38 8級，而且往往回熱和再熱同時并用，以求使蒸汽動力安級，而且往往回熱和再熱同時并用，以求使蒸汽動力安裝得到盡能夠高的熱