水蒸气及蒸汽动力循环

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1、第 十 章 水 蒸 气 及 蒸 汽 动 力 循 环 二 、 水 蒸 气 发 生 过 程 中 的 能 量 关 系 水 蒸 气 定 压 发 生 过 程 的 三 个 阶 段 ： 水 的 预 热 过 程 未 饱 和 水 (0.01 ) 饱 和 水 (ts)； 水 的 汽 化 过 程 饱 和 水 (ts) 干 饱 和 水 蒸 气 (ts)； 水 蒸 气 的 过 热 过 程 饱 和 水 蒸 气 （ ts） 过 热 水 蒸 气 (t)。 水 的 预 热 过 程 使 水 由 三 相 点 温 度 0.01 升 高 到 饱 和 温 度 ts所 需 的热 量 ， 称 为 水 的 液 体 热 q。 p ts ， q

2、定 压 预 热 过 程 的 能 量 转 换 关 系 为 )()( 01.001.001.0 vvpuuhhq 因 vv0.01， 所 以 )( 01.001.0 uuhhq 热 工 计 算 仅 需 计 算 h及 u， 故 可 任 取 某 个 状 态 作 为 计 算 的 零点 。 国 际 水 蒸 气 性 质 会 议 规 定 ， 水 的 三 相 点 状 态 下 u 0。 一 般 情 况 下 ， 对 温 度 为 0.01 时 不 同 压 力 的 水 ， 取 u0.010。 压力 不 高 时 ， 对 0.01 时 水 ， 也 可 取 h0.010。 水 的 定 压 汽 化 过 程 中 ， 1kg饱 和

3、 水 汽 化 成 为 干 饱 和 水 蒸 气 所 需的 热 量 称 为 汽 化 潜 热 L。 汽 化 过 程 的 压 力 越 高 ， 汽 化 潜 热 的 数 值 越 小 。 在 临 界 压 力 下 ，汽 化 潜 热 为 零 。 定 压 汽 化 过 程 中 的 热 量 转 换 关 系 为 )()( vvpuuhhL LLL hhq 定 义 ： 内 汽 化 潜 热 汽 化 潜 热 中 转 变 为 热 力学 能 的 部 分 ； 外 汽 化 潜 热 用 于 对 外 作 功 的部 分 。 则 有 L L 定 压 过 热 过 程 中 所 需 的 热 量 称 为 过 热 热 量 q。 按 能 量 转 换 关

4、 系 ，有 显 然 ， 将 0.01 的 水 加 热 变 为 过 热 水 蒸 气 所 需 的 热 量 ， 等 于 液体 热 、 汽 化 潜 热 与 过 热 热 量 三 者 之 和 。 而 且 整 个 水 蒸 气 定 压 发 生 过程 及 各 个 阶 段 中 的 加 热 量 ， 均 可 用 水 和 水 蒸 气 的 焓 值 变 化 来 计 算 。 三 、 水 蒸 气 的 p-v图 和 T-s图 分 析 水 蒸 气 的 相 变 图 线 可 见 ， 上 、 下 界 线 表 明 了 水 汽 化 的 始 末 界 线 ，二 者 统 称 饱 和 曲 线 ， 它 把 p-v和 T-s图 分 为 三 个 区 域

5、， 即 液 态 区 (下界 线 左 侧 )、 湿 蒸 汽 区 (饱 和 曲 线 内 )、 汽 态 区 (上 界 线 右 侧 )。 此 外 ，习 惯 上 常 把 压 力 高 于 临 界 点 的 临 界 温 度 线 作 为 “ 永 久 ” 气 体 与 液 体的 分 界 线 。 所 以 ， 水 蒸 气 的 相 变 图 线 ， 可 以 总 结 为 一 点 (临 界 点 )、二 线 (上 界 线 、 下 界 线 )、 三 区 (液 态 区 、 湿 蒸 汽 区 、 气 态 区 )和 五 态(未 饱 和 水 状 态 、 饱 和 水 状 态 、 湿 饱 和 蒸 汽 状 态 、 干 饱 和 蒸 汽 状 态 、过

6、 热 蒸 汽 状 态 ) 四 、 水 蒸 气 的 饱 和 状 态 饱 和 状 态 饱 和 区 内 ， 饱 和 水 和 饱 和 水 蒸 气 共 存 的 平 衡 状 态 。 在 饱 和 状 态 下 ， 饱 和 水 与 饱 和 水 蒸 气 的 平 衡 是 动 态 的 平 衡 。 饱 和 温 度 与 饱 和 压 力 之 间 有 确 定 的 对 应 关 系 。 压 力 越 高 ， 饱和 温 度 也 越 高 。 如 ， p 0.0108kPa时 ， ts 0 ； 当 p 101.325 kPa 时 ， ts 100 。 ts和 ps之 间 的 关 系 ， 由 实 验 或 经 验 公 式确 定 。 由 于

7、饱 和 区 内 的 湿 饱 和 蒸 汽 的 温 度 ts与 压 力 ps具 有 一 定 的 函数 关 系 ， 所 以 两 者 只 能 作 为 一 个 独 立 参 数 。 要 确 定 湿 饱 和 蒸 汽 的状 态 ， 还 须 另 一 个 独 立 参 数 ， 一 般 采 用 “ 干 度 ” 作 为 参 数 ， 但 也可 以 是 其 它 的 状 态 参 数 ， 如 焓 、 熵 、 比 体 积 中 的 任 何 一 个 。 干 度 x 湿 饱 和 蒸 汽 中 干 饱 和 蒸 汽 的 质 量 分 数 ， 即 wv vmm mx UUUx HHH x SSSx VVVx )()1( uuxuuxuxux x

8、Lhhhxhhxhxhx )()1( )()1( ssxssxsxsx )()1( vvxvvxvxvx 由 于 湿 饱 和 蒸 汽 实 质 上 是 干 饱 和 蒸 汽 与 饱 和 水 的 混 合 物 ， 因 此其 热 力 学 能 、 焓 、 熵 及 容 积 可 表 示 为引 入 干 度 的 关 系 式 ， 可 得 即 ， 如 已 知 湿 饱 和 蒸 汽 干 度 x， 即 可 利 用 饱 和 水 及 干 饱 和 蒸 汽 的 状态 参 数 ， 求 得 湿 饱 和 蒸 汽 的 相 应 状 态 参 数 的 数 值 。 10-2 水 蒸 气 热 力 性 质 表 和 图 水 蒸 气 的 热 力 性 质

9、比 较 复 杂 ， 用 水 蒸 气 状 态 方 程 式 计 算比 较 困 难 。 水 蒸 气 的 热 力 性 质 表 和 相 应 的 图 线 ， 提 供 了 计 算所 需 的 各 种 状 态 下 水 蒸 气 参 数 的 详 尽 数 据 。 工 程 中 只 需 计 算 水 蒸 气 u、 h、 s的 变 化 量 ， 因 此 可 任 选 一个 基 准 点 。 国 际 会 议 规 定 ， 水 蒸 气 热 力 性 质 表 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p 0.611 2 kPa， v 0.001 000 22 m3/kgT 2

10、73.16K此 状 态 下 液 相 水 的 热 力 学 能 和 熵 被 规 定 为 零 ， 即u 0.01 0 kJ/kg， s0.01 0 kJ/(kg K)而 其 焓 值 为 h0.01 u0.01+pv 0 kJ/kg+0.611 2 kPa 0.001 000 22 m3/kg 0.000 611 kJ/kg0 kJ/kg工 程 上 视 其 为 零 。 未 饱 和 水 及 过 热 蒸 汽 表 饱 和 水 及 干 饱 和 蒸 汽 表 h-s图 上 可 直 接 读 出 焓 值 ， 便 于 求 取 焓 变 。 h-s图 的 结 构 ： C 临 界 点 ， x 0线 ， x 1线 ； 定 压

11、线 、 定 温 线 和 定 容 线 ， 在 饱 和 区 内 还有 定 干 度 线 。 定 压 线 在 h-s图 上 呈 发 散 分 布 。 由 Tdsdh-vdp可 知 ， 定 压 线 在 h-s图 上 的 斜 率 为Tsh p )(饱 和 区 内 ， p const const， 所 以 定 压 线 为 一 簇 斜 率 不 同 的 直线 。 在 过 热 区 ， 随 着 温 度 的 增 高 ， 定 压 线 趋 于 陡 峭 。 定 温 线 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 。 即 p 蒸 汽 性 质

12、趋 近 理 想 气 体 。 定 容 线 走 向 与 定 压 线 相 同 ， 但 比 定 压 线 稍 陡 (图 中 虚 线 )。 定 干 度 线 一 组 干 度 等 于 常 数 的 曲 线 。 x0.5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 h-s图 线 中 不 包 括 这 一 区 域 。 10-3 水 蒸 气 的 热 力 过 程 分 析 水 蒸 气 热 力 过 程 的 目 的 确 定 过 程 的 能 量 转 换 关 系 ，包 括 w、 q以 及 u和 h等 。 因 此 ， 需 确 定 状 态 参 数 的 变 化 。

13、确 定 过 程 的 能 量 转 换 关 系 的 依 据 为 热 力 学 第 一 、 二 定 律 ：可 用 水 蒸 气 表 及 图 ， 依 照 过 程 的 特 点 来 确 定 各 状 态 的 参 数 。 212121 dvpuq 2121 dsTq 一 、 定 容 过 程 v1=v2,于 是 可 得 ： 0d2121 vpw )()( 121122,121 ppvhhuq 二 、 定 压 过 程 p1=p2,于 是 可 得 ： )( 12121 vvpw )( 1221 hhq 三 、 定 温 过 程 T1=T2,于 是 可 得 ： 四 、 定 熵 过 程 s1=s2,于 是 可 得 ： 2,1

14、2121 uqw )()()( 112212121 vpvphhssT )( 12121 ssTq )()( 1122122121 vpvphhuuw 0 21 q 10-4 朗 肯 循 环 简 单 蒸 汽 动 力 装 置 的 主 要 热 力 设 备 ：蒸 汽 锅 炉 、 汽 轮 机 、 给 水 泵 和 冷 凝 器 。 蒸 汽 动 力 装 置 的 工 作 循 环 可 以 理 想 化为 由 两 个 可 逆 定 压 过 程 和 两 个 可 逆 绝 热 过程 组 成 的 理 想 循 环 。即 0-1 定 压 吸 热 过 程 ， 1-2 绝 热 膨 胀 过 程 ， 2-3 定 压 放 热 过 程 ，

15、3-4 绝 热 加 压 过 程 。该 循 环 称 为 朗 肯 循 环 ， 也 称 为 简 单 蒸 汽 动 力 装 置 循 环 。 朗 肯 循 环 热 效 率 分 析 循 环 工 质 吸 热 q1 h1 h0工 质 放 热汽 轮 机 所 作 轴 功 (ws,T)1-2 h1 h2水 泵 耗 功 循 环 净 功朗 肯 循 环 热 效 率水 泵 耗 功 很 少 ， 约 占 汽 轮 机 轴 功 的 2%， 可 忽 略 ， 即 认 为 则 朗 肯 循 环 的 热 效 率 可 近 似 地 表 示 为322 hhq 3003ps, )( hhw )()()()( 302103ps,21Ts,0 hhhhww

16、w 01 302110t )()( hh hhhhqw 0)( 3003ps, hhw 31 121 21Ts,t )( hh hhqw 一 、 提 高 蒸 汽 初 温 对 热 效 率 的 影 响 设 初 压 p1 const， 乏 汽 压 力 p2 const, T1 T1 (Tm1 Tm1 ) 。 过 程 2-3和 原 过 程 2-3放 热 温 度 相 同 ， 即 Tm2 Tm2 T2 于 是 ， 由 等 效 卡 诺 循 环 的 热 效 率 公 式 t 1 (T2/Tm1)可 知 ，蒸 汽 初 温 由 T1提 高 到 T1 时 ， 朗 肯 循 环 的 热 效 率 提 高 。 此 外 ， 当

17、 蒸 汽 的 初 温 提 高 时 ， 如 果 蒸 汽 的 初 压 不 变 ， 绝热 膨 胀 终 了 状 态 比 原 状 态 2有 较 大 的 干 度 。 乏 汽 的 干 度 增 大 说明 乏 汽 中 含 有 的 水 分 减 少 ， 这 有 利 于 减 少 汽 轮 机 内 部 的 功 耗散 ， 也 有 利 于 改 善 汽 轮 机 叶 片 的 工 作 条 件 。 但 另 一 方 面 ， 为提 高 蒸 汽 的 初 温 ， 则 要 求 锅 炉 过 热 器 所 用 材 料 具 有 较 好 的 耐热 性 。 二 、 提 高 蒸 汽 初 压 对 热 效 率 的 影 响 设 初 温 T1 const， 乏 汽

18、 压 力 p2 const。p1 p1 (Tm1 Tm1 ) 。 过 程 2-3和 原 过 程 2-3放 热 温 度 相 同 ， 即 Tm2 Tm2 T2 于 是 ， 根 据 等 效 卡 诺 循 环 的 热 效 率 公 式 t 1 (T2/Tm1)可知 ， 提 高 蒸 汽 初 压 p1， 可 使 朗 肯 循 环 的 热 效 率 提 高 。 当 提 高 蒸 汽 的 初 压 时 ， 如 果 蒸 汽 的 初 温 不 变 ， 则 绝 热 膨胀 终 了 状 态 2比 原 状 态 2有 较 小 的 干 度 。 干 度 减 小 说 明 乏 汽 中含 有 的 水 分 增 加 ， 这 会 引 起 汽 轮 机 内

19、 部 的 耗 散 增 加 。 特 别 是干 度 较 低 而 水 分 过 多 时 ， 由 于 水 滴 的 冲 击 ， 汽 轮 机 叶 片 的 表面 受 破 坏 ， 甚 至 引 起 叶 片 振 动 ， 影 响 叶 片 的 使 用 寿 命 。 因 此， 一 般 同 时 提 高 蒸 汽 的 初 温 及 初 压 ， 既 能 提 高 热 效 率 ， 又 能保 证 汽 轮 机 内 部 良 好 的 工 作 条 件 三 、 降 低 乏 汽 压 力 对 热 效 率 的 影 响 设 初 温 T1 const， 初 压 p1 const 降 低 乏 汽 的 压 力 p2 与 乏 汽 压 力 相 应的 饱 和 温 度

20、也 随 着 降 低 ， 放 热 过 程 2-3要 比原 过 程 2-3有 较 低 的 放 热 温 度 ， 即 T2 T2。虽 然 这 时 加 热 过 程 的 起 点 T0也 降 低 为 T0，但 它 对 整 个 加 热 过 程 的 平 均 加 热 温 度 影 响很 小 。 因 而 ， 由 等 效 卡 诺 循 环 的 热 效 率 公 式可 知 ， 降 低 乏 汽 的 压 力 p2， 可 以 提 高 朗 肯 循环 的 热 效 率 。 乏 汽 的 凝 结 温 度 主 要 取 决 于 自 然 环 境中 冷 却 介 质 的 温 度 。 当 乏 汽 的 凝 结 温 度 降低 到 28 时 ， 乏 汽 的

21、压 力 相 应 地 降 低 为0.0039MPa左 右 。 10-5 再 热 循 环 为 了 提 高 热 效 率 ， 可 以 采 用 再 热 的 方 法 来 提 高 加热 过 程 的 平 均 加 热 温 度 。 由 于 平 均 加 热 温 度 提 高 ， 而 平 均 放 热 温 度 不 变 ， 按 等 效 卡 诺 循环 热 效 率 公 式 ， 可 知 再 热 循 环 具 有 比 朗 肯 循 环 高 的 热 效 率 。 再 热 循 环 的 热 效 率 可 表 示 为 )()(1 101 3212t ahhhh hhqq )()( )()(1 101 2232t ahhhh hhhh 01 32t

22、 1 hh hh 01 321 32 hh hhhh hh a 对 比 朗 肯 循 环 热 效 率循 环 的 热 效 率 ） ， 再 热 循 环 具 有 比 朗 肯 循 环 高 的 热 效 率 。则 只 有 当 时 （ 即 循 环 a-1-2-2-a的 热 效 率 大 于 朗 肯dcdb cabadbdcba 同号，则、，且不等式性质：设 采 用 再 热 措 施 时 ， 乏 汽 的 干 度 显 著 的 提 高 。 因 此 在 一 定的 蒸 汽 初 温 的 限 制 条 件 下 ， 采 用 再 热 循 环 就 可 应 用 更 高 的 蒸汽 初 压 ， 使 循 环 的 热 效 率 得 到 进 一 步

23、 提 高 。 现 代 蒸 汽 动 力 装置 中 ， 蒸 汽 初 压 高 于 13MPa的 大 型 装 置 都 采 用 再 热 措 施 。 10-6 回 热 循 环 从 汽 轮 机 中 某 个 部 位 抽 取 经 过 适 当 膨 胀 后 的 蒸 汽 ， 其 温 度总 高 于 凝 结 水 的 温 度 ， 用 来 预 热 锅 炉 给 水 ， 使 得 水 的 加 热 过 程从 较 高 温 度 开 始 ， 使 平 均 加 热 温 度 增 高 ， 从 而 提 高 循 环 热 效 率 。 抽 汽 量 的 确 定 )(kg ba hhQ )(kg)1( 0hhQ b QQ 00hh hhab 回 热 器 中

24、kg水 蒸 气 放 出 的 热 量 ：(1-)kg水 在 回 热 器 中 得 到 的 热 量 ：因 为所 以由 于 hbha， 所 以 是 一 个 很 小 的 数 值 。 功 量 ：1-a过 程 中 ， 1kg水 蒸 气 所 作 的 轴 功aa hhw 11s)( )(kg)1()( 22s hhw aa a-2过 程 中 ， (1 )kg水 蒸 气 所 作 的 轴 功汽 轮 机 所 作 的 轴 功 )(kg)1()(kg1 21Ts, hhhhW aa )(kg)(kg)1( 121Ts, ahhhhW 或 功 量 与 热 量 的 关 系 ：过 程 2-3中 (1 )kg的 放 热 量 ：

25、)(kg)1( 322 hhQ ps,Ts,21 WWQQ 由 一 定 律 有 ：忽 略 水 泵 的 耗 功 ， 有 ： Ts,21 WQQ )(kg)(kg)1( 1311 ahhhhQ 即 )(kg)(kg)1( 121Ts, ahhhhW 一 级 抽 汽 回 热 循 环 的 热 效 率 ： )()(1( )(1(1 131 3212 at hhhh hhQQ )1()()(1 131 32 at hhhh hh即与 朗 肯 循 环 热 效 率 相 比 ， 由 于 恒 为 正 31 32t 1 hh hh 1)( 1 ahh所 以 抽 汽 循 环 的 热 效 率 高 于 朗 肯 循 环 热

26、 效 率 。 现 代 大 型 蒸 汽 动 力 装 置 大 部 分 采 用 回 热 措 施 。 一 般 抽 汽 回 热 的级 数 为 3 8级 ， 而 且 往 往 回 热 和 再 热 同 时 并 用 ， 以 求 使 蒸 汽 动 力 装置 得 到 尽 可 能 高 的 热 效 率 。 但 这 将 使 装 置 的 复 杂 性 大 为 增 加 ， 装 置的 投 资 成 本 也 大 为 增 加 。 10-1 若 以 饱 和 状 态 下 的 湿 饱 和 蒸 汽 为 工 质 进 行 一 个 卡 诺 循环 ， 试 分 析 对 比 具 有 相 同 的 蒸 汽 初 压 及 乏 汽 压 力 时 ， 卡 诺 循 环 和

27、朗 肯 循 环 在 理 论 热 效 率 及 实 际 可 用 性 方 面 何 者 优 越 ？ 10-2 蒸 汽 动 力 装 置 中 ， 乏 汽 在 冷 凝 器 中 向 冷 却 水 放 出 的 热量 比 装 置 输 出 的 轴 功 要 大 得 多 。 如 设 想 直 接 利 用 压 缩 机 把 乏 汽 加压 后 送 回 锅 炉 ， 这 样 做 岂 不 是 可 节 省 许 多 燃 料 而 提 高 装 置 的 热 效率 了 吗 ？ 试 分 析 这 种 想 法 错 在 哪 里 ？ 10-3 蒸 汽 动 力 装 置 再 热 循 环 具 有 比 朗 肯 循 环 高 的 热 效 率 ，试 说 明 其 实 质 所 在 。 10-4 蒸 汽 动 力 装 置 回 热 循 环 具 有 比 朗 肯 循 环 高 的 热 效 率 ，试 说 明 其 实 质 所 在 。 思 考 题 10-5 蒸 汽 动 力 装 置 的 蒸 汽 初 温 及 再 热 终 了 温 度 两 者相 同 且 固 定 时 ， 是 否 再 热 过 程 的 压 力 越 高 ， 再 热 循 环 的 热效 率 也 越 高 ？ 10-6 试 分 析 ， 回 热 循 环 中 汽 轮 机 的 轴 功 小 于 朗 肯 循环 而 热 效 率 却 高 于 朗 肯 循 环 的 原 因 (参 阅 习 题 10-10)。