汽轮机原理设备及运行之工程热力学基础

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1、热力发电厂的分类 分 类 方 法热热 力力 发发 电电 厂厂 类类 型型一 次 能 源化石燃料电厂，原子能发电厂，地热发电厂，太阳能发电厂，磁流体发电厂化石燃料电厂，原子能发电厂，地热发电厂，太阳能发电厂，磁流体发电厂能 量 供 应供应电能的凝汽式电厂，供应电能、热能的热电站供应电能的凝汽式电厂，供应电能、热能的热电站原动机 类型汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂、蒸汽燃气轮机发电厂汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂、蒸汽燃气轮机发电厂电厂 总容量小容量发电厂、中容量发电厂、大容量发电厂小容量发电厂、中容量发电厂、大容量发电厂蒸汽 初参数中、低压发电厂，高压发电厂，超高压发电厂

2、，亚临界发电厂，超临界、超超临中、低压发电厂，高压发电厂，超高压发电厂，亚临界发电厂，超临界、超超临界发电厂界发电厂电 厂 位 置坑口、港口、路口电厂，负荷中心电厂，位于煤源与负荷中心间电厂坑口、港口、路口电厂，负荷中心电厂，位于煤源与负荷中心间电厂承 担 负 荷带基本负荷、带中间负荷、带尖峰负荷电厂带基本负荷、带中间负荷、带尖峰负荷电厂机 炉 配 合非单元机组、单元机组电厂非单元机组、单元机组电厂服 务 范 围系统中发电厂，区域性电厂，自备电厂，列车电站，孤立电厂系统中发电厂，区域性电厂，自备电厂，列车电站，孤立电厂现代汽轮机发电厂的组成及生产过程现代汽轮机发电厂的组成及生产过程 现代热力发

3、电厂的主要组成部分包括热现代热力发电厂的主要组成部分包括热力和电气两大部分，锅炉、汽轮机和发力和电气两大部分，锅炉、汽轮机和发电机为发电厂的三大核心设备。电机为发电厂的三大核心设备。现代汽轮机发电厂的生产过程现代汽轮机发电厂的生产过程 从能量的观点看，热力发电厂的基本过程是：从能量的观点看，热力发电厂的基本过程是：燃料的化学能燃料的化学能 热能热能 机械能机械能 电能电能 （锅炉）（汽轮机）（发电机）（锅炉）（汽轮机）（发电机）火力发电厂生产系统示意图火力发电厂生产系统示意图制粉及燃烧系统制粉及燃烧系统 制粉系统制粉系统煤煤 皮带运送机皮带运送机 原煤仓原煤仓 给煤机给煤机 磨煤机磨煤机粗粉分

4、离器粗粉分离器 旋风分离器旋风分离器 煤粉仓煤粉仓 给粉机给粉机输粉管输粉管 喷燃器喷燃器 炉膛炉膛 燃烧系统燃烧系统燃料在炉膛内燃烧，以辐射换热方式将热量传燃料在炉膛内燃烧，以辐射换热方式将热量传递给炉墙内壁四周的水冷壁内的介质；燃烧递给炉墙内壁四周的水冷壁内的介质；燃烧产物为高温烟气和灰渣。产物为高温烟气和灰渣。高温烟气：高温烟气：依次经过过热依次经过过热器、省煤器、空气预热器、器、省煤器、空气预热器、除尘器、引风机、烟囱，除尘器、引风机、烟囱，排入大气。排入大气。灰渣、飞灰：灰渣、飞灰：用水冲入冲用水冲入冲渣沟和冲灰沟。渣沟和冲灰沟。汽水系统 锅炉给水由给水箱锅炉给水由给水箱 给水泵给水

5、泵 高压回热加热器高压回热加热器 省煤器省煤器 汽包汽包 下降管下降管 下联箱下联箱 水冷壁管水冷壁管 汽包汽包 过热器过热器 主蒸汽管主蒸汽管 汽轮机汽轮机 凝汽器凝汽器 热井热井 凝结水泵凝结水泵 低压回热低压回热 加热器加热器 除氧器除氧器 给水箱给水箱冷却水系统冷却水系统江河（或冷却水池）中的水江河（或冷却水池）中的水 吸水滤网吸水滤网 循环水泵循环水泵 冷却水进水管冷却水进水管 凝汽器凝汽器 冷却水出水管冷却水出水管 江河（或冷却水池）江河（或冷却水池）工程热力学基础工程热力学是研究热现象的学科。工程热力学是热力学的一工程热力学是研究热现象的学科。工程热力学是热力学的一个分支，主要研

6、究个分支，主要研究热能热能与与机械能机械能之间相互转换时的之间相互转换时的量量与与质质的关的关系，着重研究系，着重研究热能转变为机械能热能转变为机械能的基本规律，并寻求进行这种的基本规律，并寻求进行这种转换的最有利的条件转换的最有利的条件。工程热力学为人们正确理解发电厂中的能量转换过程，正确工程热力学为人们正确理解发电厂中的能量转换过程，正确理解热力设备的原理等提供了必要的基础理论知识。理解热力设备的原理等提供了必要的基础理论知识。工质工质是指参与热功转换的媒介物质。是指参与热功转换的媒介物质。如：汽轮机是以水蒸汽作为工质的。如：汽轮机是以水蒸汽作为工质的。工质及其基本状态参数工质及其基本状态

7、参数状态参数状态参数描述工质在某一给定瞬间的物理特性的各个宏观物描述工质在某一给定瞬间的物理特性的各个宏观物理量。理量。基本状态参数基本状态参数可以直接测量得到的状态参数可以直接测量得到的状态参数,如如温度、压力、温度、压力、比容。比容。温度：温度：表示物体冷热程度的物理量。与物体内部大量分子的不表示物体冷热程度的物理量。与物体内部大量分子的不规则运动有关。温度越高，分子热运动就越剧烈，用符号规则运动有关。温度越高，分子热运动就越剧烈，用符号T或或t表示。表示。热力学中，温度的量度采用热力学温标热力学中，温度的量度采用热力学温标(T)，单位是开尔文，单位是开尔文(K)。温度计：温度计：测量温度

8、的仪表。测量温度的仪表。如：水银玻璃杆温度计；如：水银玻璃杆温度计；热电偶和热电阻；热电偶和热电阻；光学温度计等。光学温度计等。压力压力(P)：大量分子对容器壁面频繁撞击的平均结果。以单位面积大量分子对容器壁面频繁撞击的平均结果。以单位面积承受的垂直作用力的大小来表示。物理中的压强承受的垂直作用力的大小来表示。物理中的压强压力的国际标准（压力的国际标准（SI）单位：）单位：Pa，kPa，MPa。(1 Pa=1 N/m2，1MPa=106 Pa，1kPa=103 Pa)非非SI单位：单位：bar、mmHg、mmH2O、kgf/cm2等。等。1 bar=105 Pa;1 atm(标准大气压标准大气

9、压)=760 mmHg=1.013*105 Pa;1at(工程大气压工程大气压)=1kgf/cm2=735.6 mmHg=0.98067*105 Pa;1mmHg=133.321Pa;1mmH2O=9.8067Pa.绝对压力：气体的实际压力绝对压力：气体的实际压力P P相对压力的测量：相对压力的测量：当实际压力当实际压力P P高于当地大气压高于当地大气压PbPb时，压力测量表的读数为时，压力测量表的读数为表压力表压力PgPg；当实际压力低于当地大气压时，压力测量表的读数为；当实际压力低于当地大气压时，压力测量表的读数为真空度真空度Pv Pv。比容比容(v)(v)：单位质量的工质所占有的容积。单

10、位质量的工质所占有的容积。单位：单位：m m3 3/kg/kg密度密度()：比容的倒数。单位容积内工质的质量。比容的倒数。单位容积内工质的质量。单位：单位：kg/mkg/m3 3mVv vVm1热力学的几个概念热力学的几个概念热力系统热力系统：工程热力学中把所要研究的，为一定界面所包围：工程热力学中把所要研究的，为一定界面所包围的物质系统，称为热力系统。的物质系统，称为热力系统。外界外界：热力系统以外的其它物体统称外界。：热力系统以外的其它物体统称外界。开口系开口系：与外界有物质交换的热力系。：与外界有物质交换的热力系。闭口系闭口系：与外界无物质交换的热力系。：与外界无物质交换的热力系。绝热系

11、绝热系：与外界无热量交换的热力系。：与外界无热量交换的热力系。平衡状态平衡状态：在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，：在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，系统的宏观特性仍不发生变化，这种状态称为平衡状态。系统的宏观特性仍不发生变化，这种状态称为平衡状态。热力系统、外界和边界热力系统、外界和边界热力系统热力系统就是就是人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。热力系统统。热力系统简称简称系统系统、体系体系。与热力系统发生质、能交换的物系与热力系统发生质、能交换的物系称为称为外界外界。热力系统与外界的分界线（面）称为。热力系统与外界的分

12、界线（面）称为边界边界。为分析问题方便起见，把热力学分析的对象从周围物体中隔离出来。为分析问题方便起见，把热力学分析的对象从周围物体中隔离出来。AB 1）热力系统的分割完全是热力系统的分割完全是“人为人为”的，因此对于不同的问题，的，因此对于不同的问题，甚至对于同一问题可取不同的系统。甚至对于同一问题可取不同的系统。例如研究向容器充气，可以取容器为系统，也可取充入容器的例如研究向容器充气，可以取容器为系统，也可取充入容器的气体和原在容器内的气体一起为系统。气体和原在容器内的气体一起为系统。若没有质量越过边界，则系统称为若没有质量越过边界，则系统称为闭口系闭口系（又称又称控制质控制质量量，用，用

13、CM表示）；表示）；若通过边界系统与外界有质量交换，则称为若通过边界系统与外界有质量交换，则称为开口系开口系（又又称称控制体积控制体积，用，用CV表示）；表示）；与外界无热量交换的系统称为与外界无热量交换的系统称为绝热系绝热系；本课程研究最多的是由可压缩物质组成的，无化学反应本课程研究最多的是由可压缩物质组成的，无化学反应、与外界有能量交换的有限物质系统，称为、与外界有能量交换的有限物质系统，称为简单可压缩简单可压缩系统。系统。理想气体理想气体与与实际气体实际气体理想气体：理想气体：它的分子是不占有容积的质点，分子之间也不它的分子是不占有容积的质点，分子之间也不存在相互作用的内聚力。存在相互作

14、用的内聚力。常见气体，其性质大致接近于理想气体。那些离液态常见气体，其性质大致接近于理想气体。那些离液态不远的气体（如：水蒸汽）除外。不远的气体（如：水蒸汽）除外。热力发动机中用来作为工热力发动机中用来作为工质的质的水蒸汽水蒸汽和制冷机中的和制冷机中的制冷剂距液态不远，而且制冷剂距液态不远，而且工作过程中有物质的集态工作过程中有物质的集态变化。因此，这些工质一变化。因此，这些工质一般不能作为理想气体看待。般不能作为理想气体看待。饱和状态是这类工质的重饱和状态是这类工质的重要性质要性质对对蒸汽动力循环蒸汽动力循环、制冷循环和湿空气过程的制冷循环和湿空气过程的理解和分析有重要作用。理解和分析有重要

15、作用。理想气体状态方程理想气体状态方程 物理学告诉我们：物理学告诉我们：P P 气体的绝对压力（气体的绝对压力（N/mN/m2 2 or Pa or Pa）；）；v v 气体的比容（气体的比容（m m3 3/kg/kg）；）；T T 气体的热力学温度（气体的热力学温度（K K）；）；R R 气体常数（气体常数（N.m/kg.KN.m/kg.K）。）。RTpvRTpv 热力学状态热力学状态平衡状态：平衡状态：只要不受外界环只要不受外界环境的影响，工质境的影响，工质的状态就不会随的状态就不会随时间而变化，并时间而变化，并且在工质的内部且在工质的内部各处都具有相应各处都具有相应相同的压力、温相同的压

16、力、温度和比容等状态度和比容等状态参数。参数。第四节第四节热力学第一定律热力学第一定律26热力学第一定律表述为：热力学第一定律表述为：热可以变为功，功也可以变为热。一热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生数量与之相当的功；消耗一定量的功时，定量的热消失时，必产生数量与之相当的功；消耗一定量的功时，必产生数量与之相当的热。热力学第一定律也称为必产生数量与之相当的热。热力学第一定律也称为能量守恒与转能量守恒与转换定律换定律工质的内能工质的内能内能是指内能是指工质在某种状态下内部所蕴藏的总能量，包括内动能工质在某种状态下内部所蕴藏的总能量，包括内动能和内势能。和内势能。热力学第一定律

17、解析式热力学第一定律解析式1（）：）：q=u+w上式表明：加给工质的热量，一部分用来改变工质的上式表明：加给工质的热量，一部分用来改变工质的内能内能，另，另一部分则用来使工质膨胀而对外作功。一部分则用来使工质膨胀而对外作功。内动能内动能分子运动的动能。工质内部分子运动的动能愈大，工质的温度分子运动的动能。工质内部分子运动的动能愈大，工质的温度愈高，内动能是温度愈高，内动能是温度T T的单值函数的单值函数；内势能内势能分子之间由于相互作用力而具有的能量。工质的内势能与工质的分子之间由于相互作用力而具有的能量。工质的内势能与工质的比容有关，是比容比容有关，是比容v v的函数。理想气体由于不存在内聚

18、力，故内势的函数。理想气体由于不存在内聚力，故内势能为零。能为零。工质的内能，决定于工质的热力学温度和比容，即：工质的内能，决定于工质的热力学温度和比容，即：u=f(T,v)u=f(T,v)。这表明：工质内能的大小完全取决于它所处的热力学状态。这表明：工质内能的大小完全取决于它所处的热力学状态。内能内能u u是工质的一个是工质的一个状态参数状态参数。理想气体的内能，是温度的单值函数。理想气体的内能，是温度的单值函数。膨胀功膨胀功是气体体积变是气体体积变化而与外界交换的功。化而与外界交换的功。功与压容图功与压容图功功被定义为力及沿力方向所产生位移的乘积。气缸中有气缸中有1kg1kg气体，压力为气

19、体，压力为p p，内装一，内装一无摩擦可移动活塞，截面积为无摩擦可移动活塞，截面积为f f，作用于，作用于活塞里侧的力活塞里侧的力pfpf稍大于作用于活塞外侧稍大于作用于活塞外侧的力的力FoutFout，则气体将发生膨胀而使活塞，则气体将发生膨胀而使活塞向右移动向右移动dxdx的距离的距离,则缸内气体对活塞所则缸内气体对活塞所作的微元功为：作的微元功为：dwpfdxpdv当此当此1kg1kg气体从状态气体从状态1 1变化到状态变化到状态2 2时，时，所作的膨胀功为：所作的膨胀功为：（J/kgJ/kg）21vvwpdv功在功在p-vp-v图上可用过程线与图上可用过程线与v v轴包围轴包围的面积表

20、示。的面积表示。功功与与热量热量在热力学研究工质的热功转换规律时：在热力学研究工质的热功转换规律时：功功是过程的函数；是过程的函数；热量热量也也是如此。是如此。作功作功 与与 传热传热 是能量传递的两种基本方式是能量传递的两种基本方式“功功”是由压力差的作用而传递的能量；是由压力差的作用而传递的能量；“热量热量”是由温差的作用而传递的能量。是由温差的作用而传递的能量。二者都是能量在传递过程中的度量，且可相互转换。二者都是能量在传递过程中的度量，且可相互转换。热量与温熵图热量是由温度差的作用而产生的能量。热量是由温度差的作用而产生的能量。可逆过程（工质与热源无温差换热，可理可逆过程（工质与热源无

21、温差换热，可理解为有温差但是温差无穷小，解为有温差但是温差无穷小，T T工质温度）工质温度）中，过程中的微元传热量可表示如下：中，过程中的微元传热量可表示如下：过程总传热量可表示如下：过程总传热量可表示如下：由此得到由此得到熵的定义式熵的定义式：21ssqTdsdqdsTdqTdsp-v图和图和T-s图图功可用功可用p-vp-v图上过程线与图上过程线与v v轴包围的面积表示；热量可用轴包围的面积表示；热量可用T-sT-s图图上过程线与上过程线与s s轴包围的面积表示，所以轴包围的面积表示，所以p-vp-v图和图和T-sT-s图是分析气体图是分析气体热力过程的能量变化的有力工具。热力过程的能量变

22、化的有力工具。在在p-vp-v图能够确定过程图能够确定过程功的正或负；功的正或负；在在T-sT-s图上能够确定过程热量的正或负，对过程能量转换分析带图上能够确定过程热量的正或负，对过程能量转换分析带来极大的方便。来极大的方便。稳定流动：稳定流动：工质的流动情况不随时间而变化，即工质在设备任何工质的流动情况不随时间而变化，即工质在设备任何截面上的所有截面上的所有状态参数和流速的平均值状态参数和流速的平均值不随时间而改变，而且在同不随时间而改变，而且在同一时刻流经任何截面的流量均相同。一时刻流经任何截面的流量均相同。稳定流动能量方程式稳定流动能量方程式如图所示，如图所示，1kg1kg工质从工质从1

23、-11-1截面进截面进入系统，从入系统，从2-22-2截面流出系统。当该截面流出系统。当该工质从工质从1-11-1截面进入系统时，带入系截面进入系统时，带入系统中的总能量为：统中的总能量为：11121121vpgZcu22222221vpgZcu该工质从该工质从2-22-2截面流出系统时，传出截面流出系统时，传出系统的总能量为：系统的总能量为：考虑到考虑到 和和 ，根据能量守恒与转换定律可得出下列方程式，根据能量守恒与转换定律可得出下列方程式 ：可写成：可写成：令：令：，则：则：适用于开口系适用于开口系qiwiwvpgZcuqvpgZcu2222221112112121 iwZZgccvpvp

24、uuq12212211221221pvuhitwZZgccw1221222121ttqhhwhw 焓焓(h)(h)：h=u+pvh=u+pv(J/kg)(J/kg)；因为因为 u u、p p、v v 都是状态参数，所以都是状态参数，所以焓焓也也是状态参数是状态参数。代表每代表每kgkg工质沿流动方向往前传递的总能量中直工质沿流动方向往前传递的总能量中直接取决于热力状态的部分。接取决于热力状态的部分。技术功（技术功（w wt t）：从热力设备中流出来的技术上可资利用的功量。）：从热力设备中流出来的技术上可资利用的功量。itwZZgccw12212221在在p-vp-v图上可用过程线与图上可用过程

25、线与p p轴包围的面积表示。轴包围的面积表示。技术功又等于工质膨胀功与流动功的代数和：技术功又等于工质膨胀功与流动功的代数和：221 12 211twpdvp vp vvdp 流动功流动功是开口系输出和输入的推动功的差，是开口系输出和输入的推动功的差，等于等于p p2 2v v2 2-p-p1 1v v1 1，是开口系维持流动必须付出，是开口系维持流动必须付出的代价。流动功的代价。流动功0,0,0,需要消耗机械功，需要消耗机械功，比如泵。比如泵。因此蒸汽流过汽轮机时，输出轴功由实质两部分组成：因此蒸汽流过汽轮机时，输出轴功由实质两部分组成：1 1、工质本、工质本身降压膨胀时的膨胀功；身降压膨胀

26、时的膨胀功；2 2、出口压力很低，所需推动功、出口压力很低，所需推动功p p2 2v v2 2远小于远小于带入推动功带入推动功p p1 1v v1 1，多余的推动功即流动功可以转化为轴功。，多余的推动功即流动功可以转化为轴功。因此蒸汽在汽轮机中开始膨胀做功时的压力越高，流出汽轮机时因此蒸汽在汽轮机中开始膨胀做功时的压力越高，流出汽轮机时压力越低，则膨胀功和流动功越大，输出轴功越多。压力越低，则膨胀功和流动功越大，输出轴功越多。当工质在进出口处的流速变化不大、进出口高度差也可不考虑时，当工质在进出口处的流速变化不大、进出口高度差也可不考虑时，则动能变化及位能变化均可忽略不计，比如蒸汽轮机。此时，

27、轴功则动能变化及位能变化均可忽略不计，比如蒸汽轮机。此时，轴功就等于技术功就等于技术功 tiww稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用0q0212122cc012 zzg12itwwhh工质流过汽轮机时工质流过汽轮机时:21ttqhhwhw itwZZgccw12212221上式表明上式表明,工质在流过汽轮机时输出到外界的轴功等于工质焓的工质在流过汽轮机时输出到外界的轴功等于工质焓的减小。减小。水蒸汽在定压下的形成过程水蒸汽在定压下的形成过程未饱和水未饱和水 饱和水饱和水 湿蒸汽湿蒸汽 干蒸汽干蒸汽 过热蒸汽过热蒸汽 水蒸汽的形成过程在水蒸汽的形成过程在T-sT-s图上的表示图上的表

28、示McMc饱和水线；饱和水线；NcNc干饱和蒸汽线；干饱和蒸汽线；液体热；液体热；r r汽化潜热；汽化潜热；过热热量；过热热量；cc临界点临界点lqsuq过热度：过热度：过热蒸汽温度过热蒸汽温度t t超过蒸汽压力对应的饱和温度超过蒸汽压力对应的饱和温度t ts s的数值。的数值。水的临界点参数：水的临界点参数：t tc c=374.15=374.15；p pc c=22.129MPa=22.129MPa；v vc c=0.00326 m=0.00326 m3 3/kg/kg干度：干度：湿蒸汽中所含干蒸汽的质量百分数。湿蒸汽中所含干蒸汽的质量百分数。设零度水的焓为设零度水的焓为0 0，液体热：，

29、液体热：q ql l=h=h，汽化潜热：汽化潜热：r=h-hr=h-h，过热热量：过热热量：q qsusu=h-h=h-h。所以：所以：h=qh=ql l；h=qh=ql l+r+r；h=qh=ql l+r+q+r+qsusu。温熵图上任一点的焓值都可。温熵图上任一点的焓值都可以用通过该点的定压线、垂直线、纵坐标轴和横坐标轴这样四条线以用通过该点的定压线、垂直线、纵坐标轴和横坐标轴这样四条线为界线的一块面积来表示为界线的一块面积来表示为什么用图表？1 1、工程中需要这些数据：、工程中需要这些数据：h,v,sh,v,s等等已知：汽轮机蒸汽进出口参数，怎样求作功？已知：汽轮机蒸汽进出口参数，怎样求

30、作功？可由图表根据可由图表根据p p1 1 t t1 1 p p2 2 t t2 2 求出焓降，从而求出焓降，从而得出作功的大小得出作功的大小2、水蒸汽不同于理想气体，其状态方程极其复杂。所以一般按温度和压力编排成类似于数据库的表所以一般按温度和压力编排成类似于数据库的表格，以便查取不同热力状态下水蒸汽的多种热力格，以便查取不同热力状态下水蒸汽的多种热力参数参数(焓、熵、比容焓、熵、比容 )水和水蒸汽表水和水蒸汽表(离散的点离散的点)或将这些数据拟合成曲线或将这些数据拟合成曲线 焓熵图焓熵图(离散与连续的结合离散与连续的结合)来源：实验数据 整理水蒸汽表目的：目的：t p t p h r t

31、h r ts s p ps s v v查取方法查取方法:插值法插值法饱和水、干蒸汽、未饱和水、过热蒸汽可通过水蒸汽表直接查出。湿蒸汽参数可按下式计算：温熵图线算图、莫里尔线算图、莫里尔(德德)来源：水蒸汽表来源：水蒸汽表目的：直接查取目的：直接查取 hha a 定压加热定压加热 b b 绝热流动绝热流动 定压线群、定温线群定压线群、定温线群定容线群、干度线定容线群、干度线 工程中只需计算水蒸汽工程中只需计算水蒸汽u u、h h、s s的变化量，因此可的变化量，因此可任选一个基准点。国际会议规定，水蒸汽热力性任选一个基准点。国际会议规定，水蒸汽热力性质表和图以三相点状态的液相水为基准点编制。质表

32、和图以三相点状态的液相水为基准点编制。水的三相点的参数为水的三相点的参数为p p611.2 Pa611.2 Pa，v v0.00100022 m3/kg0.00100022 m3/kgT T273.16273.16K t=0.01K t=0.01此状态下液相水的热力学能和熵被规定为零，而此状态下液相水的热力学能和熵被规定为零，而其焓值工程上近似为零。其焓值工程上近似为零。定压线定压线在在h-sh-s图上呈发散分布。定压线任一点的图上呈发散分布。定压线任一点的斜率等于该点的热力学温度，饱和区内，定压线斜率等于该点的热力学温度，饱和区内，定压线为一簇斜率不同的直线。在过热区，随着温度的为一簇斜率不

33、同的直线。在过热区，随着温度的增高，定压线趋于陡峭。增高，定压线趋于陡峭。h-sh-s图：图：C C临界点，干度临界点，干度x x0 0线，线，x x1 1线；定压线；定压线、定温线和定容线，在饱和区内还有定干度线。线、定温线和定容线，在饱和区内还有定干度线。定温线定温线饱和区内与定压线重合；在过热区与定饱和区内与定压线重合；在过热区与定压线自上界线处分开后逐渐趋于平坦。压线自上界线处分开后逐渐趋于平坦。定容线定容线走向与定压线相同，但比定压线稍陡。走向与定压线相同，但比定压线稍陡。定干度线定干度线一组干度等于常数的曲线。一组干度等于常数的曲线。xx0.50.5的区域图线过密，工程中也不经常使

34、用这的区域图线过密，工程中也不经常使用这部分数据，所以通常所用的部分数据，所以通常所用的h-sh-s图线中不包括这图线中不包括这一区域。一区域。焓熵图（焓熵图（h-s h-s 图）图）12hhq21hhwt1.定压流动过程定压流动过程 工质在设备中进行定压流动时所吸入（或放出）工质在设备中进行定压流动时所吸入（或放出）的热量等于其焓的增加（或减小）。的热量等于其焓的增加（或减小）。2.绝热流动的作功过程绝热流动的作功过程 水蒸汽在绝热情况下流经汽轮机时乃是依靠它水蒸汽在绝热情况下流经汽轮机时乃是依靠它的焓降转变为技术功。的焓降转变为技术功。3.通过喷管的绝热流动喷管就是通过流道截面积的变化，喷

35、管就是通过流道截面积的变化，使流体的速度和压力产生相应变化的设备。使流体的速度和压力产生相应变化的设备。一般喷管可分为渐缩喷管、渐扩喷管一般喷管可分为渐缩喷管、渐扩喷管和缩放喷管等。和缩放喷管等。能量方程式：能量方程式：工质流经喷管时，如果发生绝热膨胀，则其动能必将增大。工质流经喷管时，如果发生绝热膨胀，则其动能必将增大。2221121()2cchh210ttqhhwhwq 满足可压缩流体一元定常流动的连续性方程满足可压缩流体一元定常流动的连续性方程(质量守恒质量守恒)：G=Ac/v气体介质中的音速气体介质中的音速 akpvkRT 马赫数马赫数MacMaa1 1 1 超音速超音速2(1)dAd

36、cMaAcdAdvdcAvc渐缩喷管：渐缩喷管：dA,渐缩喷管只能在渐缩喷管只能在Ma1范围内加速流体。范围内加速流体。渐扩喷管：渐扩喷管：dA 渐扩喷管只能在渐扩喷管只能在Ma1范围内加速流体。范围内加速流体。缩放喷管（缩放喷管（Laval喷管）：喷管）：dAdA缩放喷管能将亚音速缩放喷管能将亚音速(MaMa1 1)流动加速到超音速流动加速到超音速(Ma1)流动。流动。喷管型式的选取：喷管型式的选取：喷管压比喷管压比 p2/p1，p2喷管后压力，喷管后压力，P1喷管前压力喷管前压力当当p2/p1c 时，采用渐缩喷管，喷管出口（称为喉部）时，采用渐缩喷管，喷管出口（称为喉部）能获得亚音速或音速

37、流动；能获得亚音速或音速流动；当当p2/p1c 时，采用缩放喷管，喷管出口能获得超音时，采用缩放喷管，喷管出口能获得超音速流动，在最小界面（喉部）处的流速理论上等于速流动，在最小界面（喉部）处的流速理论上等于当地音速。当地音速。注：注：c=pc/p1,喷管出口恰好达到喷管出口恰好达到音速流动时的喷管压比，称临界压音速流动时的喷管压比，称临界压比，此时喷管后的压力比，此时喷管后的压力Pc称为临界称为临界压力压力扩压管扩压管使流体压力升高，流速降低的管道称为扩压管。使流体压力升高，流速降低的管道称为扩压管。参数变化规律（与喷管相反）参数变化规律（与喷管相反）dc，dv，dh，ds种类种类渐缩扩压管

38、：渐缩扩压管：Ma1；渐扩扩压管：渐扩扩压管：Ma1；渐缩渐扩扩压管：渐缩渐扩扩压管：Ma1 Ma1。不能以截面变化趋势来判断通道是喷管还是扩压管！不能以截面变化趋势来判断通道是喷管还是扩压管！绝热节流绝热节流气体在管道中流过突然缩小的截面，气体在管道中流过突然缩小的截面，如阀门、孔板、节如阀门、孔板、节流圈等部件流圈等部件流体则产生涡流和摩擦，即产生局部阻力损流体则产生涡流和摩擦，即产生局部阻力损失，因而引起压力显著下降，这种现象，称为节流。失，因而引起压力显著下降，这种现象，称为节流。又未及与外界进行热量交换的过程称为绝热节流。又未及与外界进行热量交换的过程称为绝热节流。电站电站中用到的流

39、量变送器就是利用节流孔板产生的压力差来中用到的流量变送器就是利用节流孔板产生的压力差来进行流量测量的。进行流量测量的。流动特性流动特性绝热节流是一个典型不可逆过程。其绝热节流是一个典型不可逆过程。其特点是：绝热节流前后焓不变。特点是：绝热节流前后焓不变。h h2 2=h=h1 1p p2 2p p1 1s s2 2s s1 1对理想气体：焓不变、温度不变、压力下降、比容增加、对理想气体：焓不变、温度不变、压力下降、比容增加、熵增加。熵增加。注注:理想气体的焓是温度的单值函数。理想气体的焓是温度的单值函数。对实际气体：节流前后焓不变，温度不一定不变。对实际气体：节流前后焓不变，温度不一定不变。绝

40、热节流后，工质的作功能力将下降。绝热节流后，工质的作功能力将下降。绝热节流在绝热节流在 h-s 图上表示图上表示热力学第二定律的表述 克劳修斯说法：克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。低温物体传到高温物体。开尔文开尔文-浦朗克说法：浦朗克说法：任何发动机都不可能只从任何发动机都不可能只从单一的热源吸热，并把它连续不断地转变为功。单一的热源吸热，并把它连续不断地转变为功。热力学第二定律实质：热力学第二定律实质：“客观世界发生的一切过程都具有方向性和客观世界发生的一切过程都具有方向性和不可逆性不可逆性”。层次一：方向性。实际过程总是朝着一个方

41、向（趋向平衡的方向）层次一：方向性。实际过程总是朝着一个方向（趋向平衡的方向）自发地进行而不能自发地反向进行。自发地进行而不能自发地反向进行。层次二：不可逆性。自发过程的反向过程即非自发过程不能自发进层次二：不可逆性。自发过程的反向过程即非自发过程不能自发进行。行。注意：非自发过程不能自发进行，并不意味着不能够进行，而是它注意：非自发过程不能自发进行，并不意味着不能够进行，而是它的发生必须以某种条件的发生必须以某种条件(另一个自发过程另一个自发过程)为补偿。为补偿。层次三：能质衰贬原理（层次三：能质衰贬原理（The Principle of Degradation of Energy）正是由于

42、上述过程的方向性和不可逆性说明能量有正是由于上述过程的方向性和不可逆性说明能量有“品位品位”即作功即作功能力或转换能力高低之分能力或转换能力高低之分循环及其热效率 循环：工质从某一状态出发，经过一连串的状态变化，而重新回到原来的状态，工质所经历的这些热力过程的综合，称为热力循环，简称循环。若循环的膨胀功大于压缩功，则循环的效果是使热能在一定的条件下连续不断地转变为机械能，这种循环称为“正向循环”或“热力循环”。（如右图所示）每一个循环热机所作的净功为：012210bawww 0du0021wwduqq12121101qqqqqqwt 循环的热效率 若工质经过一个循环，从高温热源吸收的热量为q1

43、而向低温热源放出的热量为q2，则 根据热力学第一定律：则循环的热效率：卡诺循环 卡诺循环是在一定温度界限内热效率最高的循环，它是由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程组成的。12：定温吸热过程；23：绝热膨胀作功过程；34：定温放热过程；41：绝热压缩过程。卡诺循环的热效率 12121122121)()(11TTssTssTqqtc卡诺定理卡诺循环的热效率仅取决于热源温度卡诺循环的热效率仅取决于热源温度T T1 1和和冷源温度冷源温度T T2 2而与工质的性质无关，而与工质的性质无关，T T1 1愈高、愈高、T T2 2愈低时，热效率愈高；愈低时，热效率愈高；任何热能动力装置的循环效率都不可

44、能达任何热能动力装置的循环效率都不可能达到到100%100%；当当T T2 2=T=T1 1时，卡诺循环的热效率等于零，这时，卡诺循环的热效率等于零，这说明，只有单一热源的热力发动机是不可说明，只有单一热源的热力发动机是不可能存在的。能存在的。简单蒸汽动力装置的理想可逆循环称为朗肯循环。朗肯循环的组成 实现朗肯循环所需的热力设备包括：锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵等。朗肯循环是由以下热力过程组成的：12：过热蒸汽在汽轮机内的绝热膨胀作功过程23：乏汽在凝汽器中的定压放热过程 34：凝结水在给水泵中的绝热压缩过程4561：给水在省煤器、汽锅和过热器中定压吸热过程 21hhwt322hhq34hhw

45、p411hhq)()(34210hhhhwwwpt213241)()(qqhhhhpptwhhwhhhhhhhhhhqw)()()()()()(312134313421102121212222213121212111tqhhhhhhhhhhhhhhhhhhq 朗肯循环的热效率朗肯循环的热效率 则朗肯循环的热效率为：则朗肯循环的热效率为：当当p110MPa时，水泵功可忽略不计，此时：时，水泵功可忽略不计，此时：提高朗肯循环热效率的途径提高朗肯循环热效率的途径 提高初温、初压；提高初温、初压；降低背压。降低背压。1、提高初压p1 提高初压，可以提高平均吸热温度，从而提高循环热效率，但却使乏汽干度降

46、低，对汽轮机内效率、安全运行不利(x0.850.88)发展方向：越来越高中压高压超高压亚临界超临界超超临界211xTpt，但2、提高初温t1 提高初温可以提高平均吸热温度，并提高乏汽干度，但受到材料耐温性能的限制。发展方向：不易提高 537-620211xTTt，3、降低终压p2 降低终压可以降低平均放热温度，从而提高效率限制：环境温度(真空如何形成?)；循环泵电耗全厂经济性(凝汽器中的乏汽压力，即汽轮机背压)tTp22 朗肯循环由于工质的平均吸热温度比循环的最高温度低得多，因而其循环热效率低。火力发电厂都不直接采用上述简单的朗肯循环，而是采用平均吸热温度比较高的回热循环和再热循环。朗肯循环朗肯循环现代蒸汽动力装置现代蒸汽动力装置 的的基本基本循环循环实际中对朗肯循环做实际中对朗肯循环做改进改进回热循环回热循环+再热循环再热循环演讲完毕，谢谢观看！