大一學(xué)年化工專業(yè)課件水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)配套

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

水蒸氣的發(fā)生過程11-2

水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖11-3

水蒸氣的熱力過程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力循環(huán)211-1

水蒸氣的發(fā)生過程

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過熱水蒸汽。t↑，v↑。

過熱度D=t-ts一、水蒸氣的定壓發(fā)生過程

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力循環(huán)3二、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——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水蒸氣的過熱——飽和水蒸氣（ts）→過熱水蒸氣(t)。

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

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

定壓預(yù)熱過程的壓力越高，對應(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力循環(huán)4熱工計算僅需計算Δh及Δu，故可任取某狀態(tài)作為計算基點。規(guī)定水的三相點狀態(tài)u＝0kJ/kg

。一般情況下，對溫度為0.01℃時不同壓力的水，取u0.01≈0kJ/kg。壓力不高時，對0.01℃時水，也可取h0.01≈0kJ/kg。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)5汽化潛熱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

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)6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。

——定壓過熱過程中所需的熱量。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(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始汽化的各點，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，形成上界線AC(干飽和水蒸氣線)。臨界點C——飽和水狀態(tài)與干飽和蒸汽狀態(tài)重合點，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，稱為濕飽和蒸汽，因此飽和區(qū)又稱為濕蒸汽區(qū)。

當(dāng)壓力高于臨界壓力pc時，便不再發(fā)生水的定壓汽化過程。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(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)稱飽和曲線，它將p-v圖和T-s圖分為三個區(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(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))。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(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ts＝0℃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。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)，還需另一個獨立參數(shù)，一般采用“干度”作為參數(shù)，但也可以是其他的狀態(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，，2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(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，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)下狀態(tài)參數(shù)的計算，，2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(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工程中不需計算水蒸氣u、h、s的絕對值，只需確定其變量，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)表圖的編制以三相點狀態(tài)的液相水為基準(zhǔn)點。

水的三相點的參數(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算，常依賴各種專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力循環(huán)12常用水蒸氣熱力性質(zhì)表

未飽和水及過熱蒸汽表：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狀態(tài)參數(shù)，確定該狀態(tài)下的其他三個參數(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，經(jīng)常需要進(jìn)行插值計算來確定表列兩數(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力循環(huán)13

特征點與特征線：C——臨界點，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，在過熱區(qū)與定壓線自上界線處分開后逐漸趨于平坦。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)簡便、直觀，但讀數(shù)欠準(zhǔn)確?！魵夤こ逃嬎阒校瑧?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力循環(huán)1411-3

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2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)15二、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

2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)1611-4

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(jī)、給水泵和冷凝器。水在鍋爐中吸收熱量形成過熱蒸汽。過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循環(huán)。蒸汽動力裝置理想循環(huán)的組成：0-1為定壓吸熱過程；1-2為絕熱膨脹過程；2-3為定壓放熱過程；3-4為絕熱加壓過程。該循環(huán)稱為朗肯循環(huán)(簡單蒸汽動力裝置循環(huán))。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)17朗肯循環(huán)熱效率分析0-1過程，工質(zhì)吸熱：q1＝h1－h(huán)0

2-3過程，工質(zhì)放熱：絕熱膨脹過程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力循環(huán)19一、提高蒸汽初溫對熱效率的影響

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。放熱過程-3與原過程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，朗肯循環(huán)熱效率提高。蒸汽初溫提高時，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力循環(huán)20二、提高蒸汽初壓對熱效率的影響

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。放熱過程-3和原過程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，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，這會引起汽輪機(jī)內(nèi)部的耗散增加。當(dāng)水分過多時，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，影響葉片使用壽命。因此，一般同時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力循環(huán)21三、降低乏汽壓力對熱效率的影響

設(shè)初溫T1及初壓力p1不變?！ζ麎毫2→與乏汽壓力相應(yīng)的飽和溫度↓→放熱過程

-比原過程2-3有更低的放熱溫度，即＜T2。雖這時加熱過程的起點T0也降低為，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)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，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力循環(huán)2211-5

再熱循環(huán)

工作過程：蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功而壓力降低到某個中間壓力時，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。

要使整個加熱過程的平均加熱溫度比沒有再熱時高，應(yīng)該使過程a-

的平均加熱溫度高于過程0-1的平均加熱溫度。即a點的溫度不宜過低。當(dāng)再熱過程a-

的平均加熱溫度高于加熱過程0-1的平均加熱溫度時，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力循環(huán)23再熱循環(huán)的熱效率對比朗肯循環(huán)熱效率可見，只有當(dāng)時（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>

將其改寫為

采用再熱措施時，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。現(xiàn)代蒸汽動力裝置中，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中間壓力時，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程從較高的溫度開始，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力循環(huán)253-0——(1－α

)kg水的絕熱加壓過程；0'-1——1kg水蒸氣的定壓吸熱過程；1-a——1kg水蒸氣的絕熱膨脹過程；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^程；回?zé)嵫h(huán)的工作過程2-3——(1－α)kg乏汽的定壓放熱過程；0-b——(1－α)kg水在回?zé)崞髦械亩▔侯A(yù)熱過程；b-0——回?zé)岷笾匦聟R合的1kg水的絕熱加壓過程。a-2——抽汽后剩余的(1－α)kg水蒸氣的絕熱膨脹過程；2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(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是個很小的數(shù)值。2023年2月7日第十一章水蒸氣及蒸汽動力循環(huán)27抽汽循環(huán)的功量分析

絕熱膨脹過程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力循環(huán)29回?zé)嵫h(huán)熱效率按熱效率定義式，可得一級抽汽回?zé)嵫h(huán)的熱效率為與朗肯循環(huán)熱效率對比，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)——利用蒸汽動力裝置循環(huán)和燃?xì)鈩恿ρb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。

一般蒸汽動力裝置的冷凝過程中，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，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力循環(huán)31一、背