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文檔簡(jiǎn)介

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)1第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)11-1

水蒸氣的發(fā)生過(guò)程11-2

水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖11-3

水蒸氣的熱力過(guò)程11-4

朗肯循環(huán)11-5

再熱循環(huán)11-6

回?zé)嵫h(huán)11-7

熱電聯(lián)產(chǎn)及蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)211-1

水蒸氣的發(fā)生過(guò)程

b-d—ts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-e—ts干飽和水蒸汽→t過(guò)熱水蒸汽。t↑,v↑。

過(guò)熱度D=t-ts一、水蒸氣的定壓發(fā)生過(guò)程

a-b—0.01℃未飽和水→ts飽和水。t↑,v↑。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)3二、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——未飽和水(0.01℃)→飽和水(ts);②水的汽化——飽和水(ts)→干飽和水蒸氣(ts);③水蒸氣的過(guò)熱——飽和水蒸氣(ts)→過(guò)熱水蒸氣(t)。

水的液體熱q‘——水的預(yù)熱過(guò)程中,使水由三相點(diǎn)溫度0.01℃升高到飽和溫度ts所需的熱量。

定壓預(yù)熱過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為因v'≈v0.01,所以

定壓預(yù)熱過(guò)程的壓力越高,對(duì)應(yīng)的飽和溫度也越高,水的液體熱就越大。

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)4熱工計(jì)算僅需計(jì)算Δh及Δu,故可任取某狀態(tài)作為計(jì)算基點(diǎn)。規(guī)定水的三相點(diǎn)狀態(tài)u=0kJ/kg

。一般情況下,對(duì)溫度為0.01℃時(shí)不同壓力的水,取u0.01≈0kJ/kg。壓力不高時(shí),對(duì)0.01℃時(shí)水,也可取h0.01≈0kJ/kg。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)5汽化潛熱水的定壓汽化過(guò)程中,1kg飽和水汽化成為干飽和水蒸氣所需的熱量稱(chēng)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

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)6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。

——定壓過(guò)熱過(guò)程中所需的熱量。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)7三、水蒸氣的p-v圖和T-s圖

在p-v圖和T-s圖上,連接各定壓線上所有開(kāi)始汽化的各點(diǎn),形成下界線BC(飽和水線)。連接各定壓線上所有汽化完畢的各點(diǎn),形成上界線AC(干飽和水蒸氣線)。臨界點(diǎn)C——飽和水狀態(tài)與干飽和蒸汽狀態(tài)重合點(diǎn),為水、汽不分的狀態(tài)。水蒸氣的臨界參數(shù)為tc=374.15℃,pc=22.120MPa,vc=0.00317m3/kg

下界線和上界線在臨界點(diǎn)C相交,形成了為飽和曲線ACB所包圍的飽和區(qū),在該區(qū)域內(nèi)飽和水和飽和水蒸氣共存,稱(chēng)為濕飽和蒸汽,因此飽和區(qū)又稱(chēng)為濕蒸汽區(qū)。

當(dāng)壓力高于臨界壓力pc時(shí),便不再發(fā)生水的定壓汽化過(guò)程。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)8水蒸氣相變圖線的分析

上、下界線表明了水汽化的始末界線,二者統(tǒng)稱(chēng)飽和曲線,它將p-v圖和T-s圖分為三個(gè)區(qū)域: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))。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。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))。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)9四、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)。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關(guān)系確定。壓力↑→飽和溫度↑。如:

p=0.0108kPa時(shí)ts=0℃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。飽和區(qū)內(nèi)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?xún)烧咧荒茏鳛橐粋€(gè)獨(dú)立參數(shù)。要確定濕飽和蒸汽的狀態(tài),還需另一個(gè)獨(dú)立參數(shù),一般采用“干度”作為參數(shù),但也可以是其他的狀態(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,,2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)10

濕飽和蒸汽是干飽和蒸汽與飽和水的混合物,其熱力學(xué)能、焓、熵及容積可表示為引入干度的關(guān)系式,可得即干度x確定時(shí),可用飽和水及干飽和蒸汽的狀態(tài)參數(shù),求得濕飽和蒸汽相應(yīng)狀態(tài)的參數(shù)。飽和狀態(tài)下?tīng)顟B(tài)參數(shù)的計(jì)算,,2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)1111-2

水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖p=0.6112kPa,v=0.00100022m3/kgT=273.16K在此狀態(tài)下?kJ/kg,

?kJ/(kgK)而其焓值為

=0kJ/kg+0.6112kPa×0.00100022m3/kg

=0.000611kJ/kg≈0kJ/kg工程中不需計(jì)算水蒸氣u、h、s的絕對(duì)值,只需確定其變量,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)表圖的編制以三相點(diǎn)狀態(tài)的液相水為基準(zhǔn)點(diǎn)。

水的三相點(diǎn)的參數(shù)為

水蒸氣熱力性質(zhì)復(fù)雜,有關(guān)水蒸氣的各種工程計(jì)算,常依賴(lài)各種專(zhuān)用的水蒸氣熱力性質(zhì)表和相應(yīng)的圖線。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)12常用水蒸氣熱力性質(zhì)表

未飽和水及過(guò)熱蒸汽表:按溫度、壓力分別作為行、列,列出比體積、焓和熵的數(shù)值。利用該表可按給定的任意兩個(gè)狀態(tài)參數(shù),確定該狀態(tài)下的其他三個(gè)參數(shù)。

飽和水及干飽和蒸汽表通常分為:①按溫度排列;②按壓力排列。列出飽和溫度、飽和壓力、飽和水以及干飽和蒸氣的比體積、焓和熵的數(shù)值。利用這兩個(gè)表還可以根據(jù)給定的參數(shù)和干度x,確定濕飽和蒸汽的各參數(shù)。

應(yīng)用水蒸氣熱力性質(zhì)表時(shí),經(jīng)常需要進(jìn)行插值計(jì)算來(lái)確定表列兩數(shù)據(jù)中間的數(shù)值。

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)13

特征點(diǎn)與特征線:C——臨界點(diǎn),x=0線,x=1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圖上的斜率為在飽和區(qū)內(nèi),p一定時(shí)T亦為定值,所以區(qū)內(nèi)的定壓線為一簇斜率不同的直線。在過(guò)熱區(qū),隨溫度的增高,定壓線趨于陡峭。h-s圖

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(kāi)后逐漸趨于平坦。即隨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。

定干度線——一組干度等于常數(shù)的曲線。

x<0.5區(qū)域圖線過(guò)密,工程中不經(jīng)常使用這部分?jǐn)?shù)據(jù),故通常所用的h-s圖線不包括這一區(qū)域。用h-s圖確定蒸汽狀態(tài)簡(jiǎn)便、直觀,但讀數(shù)欠準(zhǔn)確?!魵夤こ逃?jì)算中,應(yīng)用最廣泛的線圖

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)1411-3

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2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)15二、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

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)1611-4

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。水在鍋爐中吸收熱量形成過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽被送至汽輪機(jī)絕熱膨脹作功。作功后的乏汽被送至冷凝器內(nèi)凝結(jié)成水。再由給水泵加壓后送回鍋爐加熱而完成一個(gè)循環(huán)。蒸汽動(dòng)力裝置理想循環(huán)的組成:0-1為定壓吸熱過(guò)程;1-2為絕熱膨脹過(guò)程;2-3為定壓放熱過(guò)程;3-4為絕熱加壓過(guò)程。該循環(huán)稱(chēng)為朗肯循環(huán)(簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán))。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)17朗肯循環(huán)熱效率分析0-1過(guò)程,工質(zhì)吸熱:q1=h1-h(huán)0

2-3過(guò)程,工質(zhì)放熱:絕熱膨脹過(guò)程1-2,工質(zhì)在汽輪機(jī)中所作的軸功為(ws,T)1-2=h1-h(huán)2

絕熱加壓過(guò)程3-0,給水泵消耗的軸功為循環(huán)凈功:

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)18朗肯循環(huán)熱效率因此,有水泵的耗功約為汽輪機(jī)軸功的2%,可忽略,即則循環(huán)熱效率可近似表示為

定壓吸熱過(guò)程0-1中,工質(zhì)的吸熱量為q1=h1-h(huán)0

循環(huán)凈功為汽輪機(jī)軸功和水泵耗功之差,即

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)19一、提高蒸汽初溫對(duì)熱效率的影響

設(shè)初壓p1、乏汽壓力p2不變。蒸汽的初溫由T1→→平均加熱溫度提高,即>Tm1。放熱過(guò)程-3與原過(guò)程2-3的放熱溫度T2相同。

于是,由等效卡諾循環(huán)熱效率公式ηt=1-(T2/Tm1)可知,蒸汽初溫由T1提高到

時(shí),朗肯循環(huán)熱效率提高。蒸汽初溫提高時(shí),如蒸汽初壓不變,膨脹終狀態(tài)

比原狀態(tài)2的干度大,即乏汽中含有的水分減少,這利于減少汽輪機(jī)內(nèi)部的功耗散,也利于汽輪機(jī)葉片工作條件的改善。另外,為提高蒸汽初溫,要求鍋爐過(guò)熱器材料具有較好的耐熱性。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)20二、提高蒸汽初壓對(duì)熱效率的影響

設(shè)初溫T1及乏汽的壓力p2不變。蒸汽初壓由p1提高到→平均加熱溫度提高,即>Tm1。放熱過(guò)程-3和原過(guò)程2-3放熱溫度T2相同。于是,根據(jù)等效卡諾循環(huán)的熱效率公式ηt=1-(T2/Tm1)可知,提高蒸汽初壓可使朗肯循環(huán)的熱效率提高。蒸汽初壓提高時(shí),如蒸汽初溫不變,則膨脹終了狀態(tài)比原狀態(tài)2的干度小,即乏汽中的水分增加,這會(huì)引起汽輪機(jī)內(nèi)部的耗散增加。當(dāng)水分過(guò)多時(shí),由于水滴的沖擊,汽輪機(jī)葉片表面受破壞,甚至引起葉片振動(dòng),影響葉片使用壽命。因此,一般同時(shí)提高蒸汽的初溫及初壓,保證既能提高熱效率,又能使汽輪機(jī)內(nèi)部具有良好的工作條件。

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)21三、降低乏汽壓力對(duì)熱效率的影響

設(shè)初溫T1及初壓力p1不變。↓乏汽壓力p2→與乏汽壓力相應(yīng)的飽和溫度↓→放熱過(guò)程

-比原過(guò)程2-3有更低的放熱溫度,即<T2。雖這時(shí)加熱過(guò)程的起點(diǎn)T0也降低為,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)熱效率公式可知,↓乏汽壓力p2→朗肯循環(huán)熱效率↑。

乏汽凝結(jié)溫度主要取決于自然環(huán)境中冷卻介質(zhì)溫度。當(dāng)乏汽凝結(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。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)2211-5

再熱循環(huán)

工作過(guò)程:蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功而壓力降低到某個(gè)中間壓力時(shí),將蒸汽從汽輪機(jī)引出,送至再熱器重新加熱,使蒸汽溫度再次達(dá)到較高溫度,然后送回汽輪機(jī)低壓汽缸,進(jìn)一步膨脹作功。

再熱可提高循環(huán)的平均加熱溫度,進(jìn)而提高循環(huán)熱效率

再熱循環(huán)的組成:0-1為定壓吸熱;1-a為絕熱膨脹;a-

為定壓再熱;

-為絕熱膨脹;-3為定壓放熱;3-0為絕熱加壓。

要使整個(gè)加熱過(guò)程的平均加熱溫度比沒(méi)有再熱時(shí)高,應(yīng)該使過(guò)程a-

的平均加熱溫度高于過(guò)程0-1的平均加熱溫度。即a點(diǎn)的溫度不宜過(guò)低。當(dāng)再熱過(guò)程a-

的平均加熱溫度高于加熱過(guò)程0-1的平均加熱溫度時(shí),循環(huán)平均加熱溫度得以提高,熱效率也提高。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)23再熱循環(huán)的熱效率對(duì)比朗肯循環(huán)熱效率可見(jiàn),只有當(dāng)時(shí)(即循環(huán)a-1'-2-2-a的熱效率大于朗肯循環(huán)的熱效率),再熱循環(huán)才具有比朗肯循環(huán)高的熱效率??杀硎緸?/p>

將其改寫(xiě)為

采用再熱措施時(shí),乏汽干度顯著提高。因此在一定蒸汽初溫條件下,采用再熱循環(huán)可應(yīng)用更高的蒸汽初壓,使熱效率進(jìn)一步提高?,F(xiàn)代蒸汽動(dòng)力裝置中,初壓高于13MPa的大型裝置都采用再熱措施。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)2411-6

回?zé)嵫h(huán)當(dāng)蒸汽在汽輪機(jī)中經(jīng)初步膨脹作功而壓力降低到某個(gè)中間壓力時(shí),從中抽出少量蒸汽送至回?zé)崞髯骰責(zé)嵊?,其余蒸汽繼續(xù)在汽輪機(jī)中膨脹到乏汽壓力作出軸功。當(dāng)乏汽在冷凝器中凝結(jié)成水后用水泵加壓到等于中間抽汽的壓力,送入回?zé)崞骱蛷钠啓C(jī)抽出的蒸汽采用回?zé)岬姆椒商岣哐h(huán)的平均加熱溫度,達(dá)到提高熱效率的目的。

從汽輪機(jī)中抽取適當(dāng)膨脹后的蒸汽,用于預(yù)熱鍋爐給水,使鍋爐中水的加熱過(guò)程從較高的溫度開(kāi)始,使平均加熱溫度增高。相接觸,兩者混合回?zé)岫纬膳c中間抽汽壓力相對(duì)應(yīng)的飽和水,最后經(jīng)給水泵加壓后重新送入鍋爐。

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)253-0——(1-α

)kg水的絕熱加壓過(guò)程;0'-1——1kg水蒸氣的定壓吸熱過(guò)程;1-a——1kg水蒸氣的絕熱膨脹過(guò)程;a-b——從汽輪機(jī)中抽出的αkg蒸汽在回?zé)崞髦械亩▔夯責(zé)徇^(guò)程;回?zé)嵫h(huán)的工作過(guò)程2-3——(1-α)kg乏汽的定壓放熱過(guò)程;0-b——(1-α)kg水在回?zé)崞髦械亩▔侯A(yù)熱過(guò)程;b-0——回?zé)岷笾匦聟R合的1kg水的絕熱加壓過(guò)程。a-2——抽汽后剩余的(1-α)kg水蒸氣的絕熱膨脹過(guò)程;2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)26抽汽量α的確定

=回?zé)嶂笑羕g水蒸氣的放熱量:(1-α)kg水在回?zé)崞髦形鼰崃浚篞'=α(ha-h(huán)b)Q"=(1-α)(hb-h(huán)0)二者相等,所以有因hb比ha小得多,所以α是個(gè)很小的數(shù)值。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)27抽汽循環(huán)的功量分析

絕熱膨脹過(guò)程1-a中,1kg水蒸氣所作軸功為

于是,汽輪機(jī)所作軸功為(ws)1-a=h1-h(huán)a絕熱膨脹過(guò)程a-2中,(1-α)kg水蒸氣所作的軸功為(Ws)a-2=(1-α)(ha-h(huán)2)Ws,T=(h1-h(huán)a)+(1-α)(ha-h(huán)2)

Ws,T=(1-α)(h1-h(huán)2)+α(h1-h(huán)a)

或2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)28抽汽循環(huán)的熱量分析Q1=(1-α)(h1-h(huán)3)+α(h1-h(huán)a)即

忽略泵功,有

定壓放熱過(guò)程2-3中為(1-α)kg水蒸氣所放出的熱量為

按的能量守恒原理,循環(huán)中有

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)29回?zé)嵫h(huán)熱效率按熱效率定義式,可得一級(jí)抽汽回?zé)嵫h(huán)的熱效率為與朗肯循環(huán)熱效率對(duì)比,因總為正,故抽汽回?zé)嵫h(huán)的熱效率高于朗肯循即

環(huán)的熱效率。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)3011-7

熱電聯(lián)產(chǎn)及蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)

熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)——同時(shí)供電又供熱的熱力循環(huán)。背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)——蒸汽動(dòng)力裝置中,裝設(shè)背壓式汽輪機(jī)。調(diào)節(jié)抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)——蒸汽動(dòng)力裝置中,裝設(shè)調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)。

蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)——利用蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)和燃?xì)鈩?dòng)力裝置循環(huán)的各自特性,擴(kuò)大熱力循環(huán)的工作溫度范圍,達(dá)到提高循環(huán)熱效率的目的。

一般蒸汽動(dòng)力裝置的冷凝過(guò)程中,乏汽向冷卻水放出大量的熱量,占其在鍋爐中所吸收熱量的50%以上。同時(shí),由于溫度低,這部分熱量難以利用。提高汽輪機(jī)排汽壓力,其溫度也得以提高,使得汽輪機(jī)的排汽可用于生產(chǎn)和生活用熱;此外,在汽輪機(jī)中作了一定數(shù)量功的蒸汽也可作為生產(chǎn)和生活的供熱熱源。這些措施大大提高了熱力系統(tǒng)的熱能利用效率。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán)31一、背

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