工程熱力學蒸汽的流動課件

第六章蒸汽的流動第一篇工程熱力學106蒸汽的流動--宋長華第六章蒸汽的流動第一篇工程熱力學106蒸汽的流動-新課引入

前面討論的熱力系中所實施的熱力過程，一般都沒有考慮工質(zhì)流動狀況(如流速)的改變。但在有些熱力設備中，能量轉(zhuǎn)換是在工質(zhì)的流速和熱力狀態(tài)同時變化的熱力過程中實現(xiàn)的。如蒸汽在汽輪機中噴管內(nèi)的流動過程；氣體在葉輪式壓氣機中擴壓管內(nèi)的流動過程等，其能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律需專門研究，為以后汽輪機專業(yè)課的學習奠定一定的理論基礎知識。噴管：用來使氣流降壓增速的短管。擴壓管：用來使氣流降速增壓的短管。206蒸汽的流動--宋長華新課引入前面討論的熱力系中所實施的熱力過程，一般本章主要內(nèi)容穩(wěn)定流動基本方程式工質(zhì)在噴管中的定熵流動噴管的計算絕熱節(jié)流及其應用3本章主要內(nèi)容穩(wěn)定流動基本方程式36-1穩(wěn)定流動的基本方程式穩(wěn)定流動：流體在流經(jīng)空間任何一點時，其全部參數(shù)（狀態(tài)參數(shù)和運動參數(shù)）都不隨時間而變化的流動過程。假設：流動中能量轉(zhuǎn)換過程是可逆的，流動無摩擦，且絕熱（即為定熵流動）。46-1穩(wěn)定流動的基本方程式穩(wěn)定流動：流體在流經(jīng)空間任何一點分析流動過程所依據(jù)的基本方程式：①連續(xù)性方程式；②能量方程式；③過程方程式。5分析流動過程所依據(jù)的基本方程式：①連續(xù)性方程式；5一、連續(xù)性方程式：

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，在穩(wěn)定流動過程中，通道內(nèi)各截面處的質(zhì)量流量相等，并且不隨時間而變化，即

qm1=qm2=qm3=……=qm=定值適用于任何介質(zhì)的穩(wěn)定流動過程qm─流體的質(zhì)量流量，kg/s；A─管道截面積，m2；v─流體的比體積，m3/kg；c─流體的平均流速，m/s.6一、連續(xù)性方程式：根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，在穩(wěn)定流動1）對于不可壓縮流體（v1=v2），如液體等，流體速度的改變?nèi)Q于截面的改變，截面積A與流速c成反比，即

A1C1=A2C2=AC=常數(shù)2）對于氣體等可壓縮流體，流速的變化則取決于截面積和比體積的綜合變化。分析：71）對于不可壓縮流體（v1=v2），如液體等，流體速度的改變二、能量方程式：一般的管道流動中z1≈z2

，ws=0，又在絕熱狀態(tài)下，q=0，則可表示為：即：上式適用于絕熱又不對外作功的穩(wěn)定流動過程由穩(wěn)流能量方程：8二、能量方程式：一般的管道流動中z1≈z2，ws=0，又微分形式：由熱力學第一定律，對絕熱過程有：則有：結(jié)論：①流速增加，必有壓力下降；反之壓力升高，必有流速降低。②壓差是提高工質(zhì)流速的必要條件，也是流體流動的動力。9微分形式：由熱力學第一定律，對絕熱過程有：則有：結(jié)論：①流氣體在管道內(nèi)進行的絕熱流動過程，如果是可逆的，就是定熵流動過程。定熵過程方程式為：

pvk=定值

（k——絕熱指數(shù)）對于理想氣體，k＝cp/cv，當比熱容取定值時，其大小與組成氣體分子的原子數(shù)有關(guān)（如空氣：k＝1.4）；三、過程方程式：對于水蒸氣，k為一經(jīng)驗數(shù)據(jù)，其值為:

過熱蒸汽：k=1.3干飽和蒸汽：k=1.135濕飽和蒸汽：k=1.035十0.1x

10氣體在管道內(nèi)進行的絕熱流動過程，如果是可逆的，就是定熵流動過6-2工質(zhì)在噴管中的定熵流動特征噴管——dc>0，dp<0

（熱能→動能）噴管在工程中應用：如：①蒸汽在汽輪機的噴管中流動；②蒸汽在射汽式抽氣器中的流動；③噴咀流量計等。擴壓管——dp>0，dc<0（動能→熱能）擴壓管在工程中應用：如：①蒸汽在射汽式抽氣器中的流動；②氣體在葉輪式壓氣機中擴壓管內(nèi)的流動等。116-2工質(zhì)在噴管中的定熵流動特征噴管——dc>0，dp<0射汽式抽氣器工作原理圖12射汽式抽氣器工作原理圖121.聲速：由微弱擾動所引起的壓力波在介質(zhì)中的傳播速度，用a表示。理想氣體一、聲速與馬赫數(shù)：2.馬赫數(shù)：當?shù)芈曀伲汗べ|(zhì)在某一狀態(tài)下的聲速。（聲速是狀態(tài)參數(shù)?。┊擬a<1時（即c<a)——為亞聲速流動；當Ma=1時（即c=a)——為聲速流動；當Ma>1時（即c>a)——為超聲速流動.Ma=c/a131.聲速：由微弱擾動所引起的壓力波在介質(zhì)中的傳播速度，用a表分析：（1）當Ma<1時，dc>0→dA<0，采用漸縮噴管；（2）當Ma>1時，dc>0→dA>0，采用漸擴噴管；（3）當Ma<1→Ma=1→Ma>1時，dA<0→dA=0→dA>0，采用前段漸縮和后段漸擴的組合噴管，稱為縮放噴管（或拉伐爾噴管）。二、噴管截面積的變化規(guī)律：由絕熱穩(wěn)流的三個基本方程式可推得如下關(guān)系:管內(nèi)流動的特征方程14分析：二、噴管截面積的變化規(guī)律：由絕熱穩(wěn)流的三個基本方程式可工程中常用的噴管型式為：漸縮噴管和縮放噴管15工程中常用的噴管型式為：漸縮噴管和縮放噴管15臨界截面：臨界參數(shù)：氣流從亞聲速轉(zhuǎn)變?yōu)槌曀俚霓D(zhuǎn)折點，即Ma=1（c=a）處。pcr、vcr、hcr、ccr……漸縮噴管的降壓增速能力：p2≥pcr，c2≤ccr縮放噴管的降壓增速能力：p2<pcr，c2>ccr16臨界截面：臨界參數(shù)：氣流從亞聲速轉(zhuǎn)變?yōu)槌曀俚霓D(zhuǎn)折點，即結(jié)論（1）在噴管中隨著氣體流速的增加，即dc＞0，氣體的焓降低dh＜0、壓力降低dp＜0、比體積增大dv＞0，而截面積可能增大，也可能減小，這與馬赫數(shù)有關(guān)：Ma＜1時，dA＜0；

Ma＞1時，dA＞0。（2）熱力工程中常用的噴管類型為漸縮噴管和縮放噴管。在漸縮噴管的出口處氣體速度一般為亞聲速，最高可達到聲速；而縮放噴管的出口處氣體速度一定為超聲速。（3）擴壓管內(nèi)氣體的流動特性與噴管剛好相反。

能否只根據(jù)一段管道的形狀來判斷其是作噴管用還是擴壓管用？17結(jié)論（1）在噴管中隨著氣體流速的增加，即dc＞0，氣噴管與擴壓管的流動情況比較18噴管與擴壓管的流動情況比較186-3噴管的計算一、流速計算：通常噴管進口流速和出口流速相比很小，取c1＝0，則出口流速為：根據(jù)絕熱流動的能量方程式，對噴管有：1.出口流速（c2）：2.臨界流速（ccr）：式中,h1、h2可根據(jù)p1、t1及p2在h-s圖上查得196-3噴管的計算一、流速計算：通常噴管進口流速和出口流速相二、流量計算：根據(jù)穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程，可取任意截面來計算，通常取最小截面或出口截面的參數(shù)來計算。

上式中v2和vcr如何確定？20二、流量計算：根據(jù)穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程，可取任意截面來計算，三、噴管內(nèi)有摩擦的絕熱流動：由于流體存在粘性，往往不可避免地存在摩擦，所以氣體在噴管中的實際流動過程是不可逆絕熱過程，而不是定熵過程。（如圖1-2′所示）有阻流動的特點：①s2′>s2②h2′>h2③c2′<c2

噴管速度系數(shù)：21三、噴管內(nèi)有摩擦的絕熱流動：由于流體存在粘性，往往不可避免地6-4絕熱節(jié)流及其應用一、絕熱節(jié)流的概念

流體流經(jīng)閥門、孔板等裝置時，由于局部阻力較大，使流體壓力明顯下降，稱為節(jié)流現(xiàn)象。如果節(jié)流過程是絕熱的，則為絕熱節(jié)流，簡稱節(jié)流。226-4絕熱節(jié)流及其應用一、絕熱節(jié)流的概念22二、節(jié)流過程的特點1、過程的基本特性：（2）絕熱節(jié)流前后焓值相等。（1）節(jié)流過程是典型的不可逆過程；能否說“絕熱節(jié)流過程是等焓過程”？23二、節(jié)流過程的特點1、過程的基本特性：（2）絕熱節(jié)流前后焓值?p<0,?v>0,?h=0,?s>0,一般情況?T<0

2、水蒸氣絕熱節(jié)流前后的參數(shù)變化：節(jié)流可使：濕蒸汽→干蒸汽→過熱蒸汽24?p<0,?v>0,?h=0,?s>0,一3、絕熱節(jié)流后蒸汽作功能力的變化：雖然蒸汽絕熱節(jié)流后，焓不變，1kg蒸汽的總能量的數(shù)量沒變，但其作功能力降低了。節(jié)流前汽輪機按1-2進行：

wt=h1-h2節(jié)流后汽輪機按1′-2′進行：

wt′=h1′-h2′由于h1=h1′及h2′>h2，則有

wt′<wt253、絕熱節(jié)流后蒸汽作功能力的變化：雖然蒸汽絕熱節(jié)流后，焓不變?nèi)?、絕熱節(jié)流的電廠中應用(1）利用節(jié)流降低工質(zhì)的壓力；利用調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)氣體的壓力（如減壓閥）.(2）利用節(jié)流測定蒸汽流量；利用流體經(jīng)節(jié)流裝置(孔板等)后壓力下降的原理可測得流體的流量,如孔板流量計.(3）利用節(jié)流減少汽輪機汽封漏汽；汽輪機的齒形汽封系統(tǒng)中利用節(jié)流減壓原理可減少漏汽量.(4）利用節(jié)流調(diào)節(jié)汽輪機功率；通過調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)速汽門的開