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1、第十章第十章 水蒸气及蒸汽动力循环水蒸气及蒸汽动力循环10-1 水蒸气的发生过程水蒸气的发生过程一、水蒸气的定压发生过程一、水蒸气的定压发生过程0.01tstststts a-b0.01未饱和水未饱和水ts饱饱和水和水。t，v。 b-dts饱和水饱和水 ts干饱和水饱和水蒸汽。蒸汽。v， t和和p均不变均不变。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。 d-ets干饱和水蒸汽干饱和水蒸汽 t过过热水蒸汽。热水蒸汽。t，v。过热度过热度D= t- ts二、水蒸气发生过程中的能量关系二、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：水蒸气定压发生过程的三个阶段： 水的水的
2、预热过程预热过程未饱和水未饱和水(0.01)饱和水饱和水(ts)； 水的水的汽化过程汽化过程饱和水饱和水(ts)干饱和水蒸气干饱和水蒸气(ts)； 水蒸气的水蒸气的过热过程过热过程饱和水蒸气饱和水蒸气（ts）过热水蒸气过热水蒸气(t)。 水的预热过程使水由三相点温度水的预热过程使水由三相点温度0.01升高到饱和温度升高到饱和温度ts所需的所需的热量，称为热量，称为水的液体热水的液体热q q 。 pts，q q 定压预热过程的能量转换关系为定压预热过程的能量转换关系为因因vv0.01，所以所以 热热工工计计算算仅仅需需计计算算h及及u，故故可可任任取取某某个个状状态态作作为为计计算算的的零零点。
3、国际水蒸气性质会议规定，水的三相点状态下点。国际水蒸气性质会议规定，水的三相点状态下u0。 一一般般情情况况下下，对对温温度度为为0.01时时不不同同压压力力的的水水，取取u0.010。压压力不高时，对力不高时，对0.01时水，也可取时水，也可取h0.010。 水的定压汽化过程中，水的定压汽化过程中，1kg饱和水汽化成为干饱和水蒸气所需饱和水汽化成为干饱和水蒸气所需的热量称为的热量称为汽化潜热汽化潜热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。汽化潜热为零。 定压汽化过程中的热量转换关系为定压汽化过程中的热量转
4、换关系为 定义：定义：内汽化潜热内汽化潜热 汽化潜热中转变为热力汽化潜热中转变为热力学能的部分；学能的部分；外汽化潜热外汽化潜热 用于对外作功的用于对外作功的部分。则有部分。则有 定定压压过过热热过过程程中中所所需需的的热热量量称称为为过过热热热热量量q q。按按能能量量转转换换关关系系，有有 显然，将显然，将0.01的水加热变为过热水蒸气所需的热量，等于液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
5、用水和水蒸气的焓值变化来计算。 三、水蒸气的三、水蒸气的p-v图和图和T-s图图 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，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，它把二者统称饱和曲线，它把p p- -v v和和T T- -s s图分为三个区域，即液态区图分为三个区域，即液态区( (下下界线左侧界线左侧) )、湿蒸汽区、湿蒸汽区( (饱和曲线内饱和曲线内) )、汽态区、汽态区( (上界线右侧上界线右侧) )。此外，。此外，习惯上常把压力高于临界点的临界温度线作为习惯上常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久永久”气体与液体气体与液体的分界
6、线。所以，水蒸气的相变图线，可以总结为一点的分界线。所以，水蒸气的相变图线，可以总结为一点( (临界点临界点) )、二线二线( (上界线、下界线上界线、下界线) )、三区、三区( (液态区、湿蒸汽区、气态区液态区、湿蒸汽区、气态区) )和五态和五态( (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、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、过热蒸汽状态过热蒸汽状态) ) 四、水蒸气的饱和状态四、水蒸气的饱和状态 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。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在饱和状态
7、下，饱和水与饱和水蒸气的平衡是动态的平衡动态的平衡。 饱和温度与饱和压力之间有确定的对应关系。饱和温度与饱和压力之间有确定的对应关系。压力越高，饱压力越高，饱和温度也越高。如，和温度也越高。如，p0.0108kPa时，时，ts0；当；当p101.325 kPa 时，时， ts100 。 ts和和ps之间的关系，由实验或经验公式确之间的关系，由实验或经验公式确定。定。 由由于于饱饱和和区区内内的的湿湿饱饱和和蒸蒸汽汽的的温温度度ts与与压压力力ps具具有有一一定定的的函函数数关关系系，所所以以两两者者只只能能作作为为一一个个独独立立参参数数。要要确确定定湿湿饱饱和和蒸蒸汽汽的的状状态态，还还须须
8、另另一一个个独独立立参参数数，一一般般采采用用“干干度度”作作为为参参数数，但但也也可以是其它的状态参数，如焓、熵、比体积中的任何一个。可以是其它的状态参数，如焓、熵、比体积中的任何一个。 干度干度x湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即 由由于于湿湿饱饱和和蒸蒸汽汽实实质质上上是是干干饱饱和和蒸蒸汽汽与与饱饱和和水水的的混混合合物物，因因此此其热力学能、焓、熵及容积可表示为其热力学能、焓、熵及容积可表示为引入干度的关系式，可得引入干度的关系式，可得 即，如已知湿饱和蒸汽干度即，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即可利用饱和水及干饱和蒸汽的
9、状态参数，求得湿饱和蒸汽的相应状态参数的数值。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热力性质表和图 水蒸气的热力性质比较复杂，用水蒸气状态方程式计算比水蒸气的热力性质比较复杂，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。需的各种状态下水蒸气参数的详尽数据。 工工程程中中只只需需计计算算水水蒸蒸气气u、h、s的的变变化化量量，因因此此可可任任选选一一个个基基准准点点。国国际际会会议议规规定定，水水蒸蒸气气热热力力性性质质表表和和图图以
10、以三三相相点点状态的液相水为基准点编制。水的三相点的参数为状态的液相水为基准点编制。水的三相点的参数为p0.611 2 kPa， v0.001 000 22 m3/kgT273.16K此状态下液相水的热力学能和熵被规定为零，即此状态下液相水的热力学能和熵被规定为零，即u0.010 kJ/kg， s0.010 kJ/(kg K)而其焓值为而其焓值为 h0.01u0.01+pv 0 kJ/kg+0.611 2 kPa0.001 000 22 m3/kg 0.000 611 kJ/kg0 kJ/kg工程上视其为零。工程上视其为零。未饱和水及过热蒸汽表未饱和水及过热蒸汽表 饱和水及干饱和蒸汽表饱和水及
11、干饱和蒸汽表 h-s图图上可直接读出焓值，便于求取焓变。上可直接读出焓值，便于求取焓变。 h-s图图的的结结构构：C临临界界点点，x0线线，x1线线；定定压压线线、定定温温线线和和定定容容线线，在在饱饱和和区区内内还还有定干度线。有定干度线。 定定压压线线在在h-s图图上上呈呈发发散散分分布布。由由Tdsdh-vdp可知，定压线在可知，定压线在h-s图上的斜率为图上的斜率为饱和区内，饱和区内，pconst const，所以定压线为一簇斜率不同的直，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。线。在过热区，随着温度的增高，定压线趋于陡峭。 定温线定温线饱和区内与定压
12、线重合；在过热区与定压线自上界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。即线处分开后逐渐趋于平坦。即p蒸汽性质趋近理想气体。蒸汽性质趋近理想气体。 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( (图中虚线图中虚线) )。 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。 x0.5的的区区域域图图线线过过密密，工工程程中中也也不不经经常常使使用用这这部部分分数数据据，所所以通常所用的以通常所用的h-s图线中不包括这一区域。图线中不包括这一区域。10-3 水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程 分析水蒸气热力过程的分析水蒸气热力
13、过程的目的目的确定过程的能量转换关系，确定过程的能量转换关系，包括包括w、q以及以及u和和h等。因此，需确定状态参数的变化。等。因此，需确定状态参数的变化。 确定过程的能量转换关系的依据为热力学第一、二定律：确定过程的能量转换关系的依据为热力学第一、二定律：可用水蒸气表及图可用水蒸气表及图，依照过程的特点来确定各状态的参数依照过程的特点来确定各状态的参数。 一、一、定容过程定容过程 v1=v2, ,于是可得：于是可得： 二、二、定压过程定压过程 p1=p2, ,于是可得：于是可得： 三、三、定温过程定温过程 T1=T2, ,于是可得：于是可得： 四、四、定熵过程定熵过程 s1=s2, ,于是可
14、得：于是可得： 10-4 10-4 朗肯循环朗肯循环 简简单单蒸蒸汽汽动动力力装装置置的的主主要要热热力力设设备备：蒸汽锅炉、汽轮机、给水泵和冷凝器。蒸汽锅炉、汽轮机、给水泵和冷凝器。 蒸蒸汽汽动动力力装装置置的的工工作作循循环环可可以以理理想想化化为为由由两两个个可可逆逆定定压压过过程程和和两两个个可可逆逆绝绝热热过过程组成的理想循环。程组成的理想循环。即即 0-1 0-1定压吸热过程，定压吸热过程， 1-2 1-2绝热膨胀过程，绝热膨胀过程， 2-3 2-3定压放热过程，定压放热过程， 3-4 3-4绝热加压过程。绝热加压过程。该循环称为该循环称为朗肯循环朗肯循环，也称为，也称为简单蒸汽动
15、力装置循环简单蒸汽动力装置循环。 朗肯循环热效率分析朗肯循环热效率分析 循环循环工质吸热工质吸热 q1h1h0工质放热工质放热汽轮机所作轴功汽轮机所作轴功 (ws,T)1-2h1h2水泵耗功水泵耗功 循环净功循环净功朗肯循环热效率朗肯循环热效率水泵耗功很少，约占汽轮机轴功的水泵耗功很少，约占汽轮机轴功的2%，可忽略，即认为，可忽略，即认为 则朗肯循环的热效率可近似地表示为则朗肯循环的热效率可近似地表示为 一、一、提高蒸汽初温对热效率的影响提高蒸汽初温对热效率的影响 设设初初压压p1const，乏乏汽汽压压力力p2const, T1 T1 ( (Tm1 Tm1 ) ) 。 过过程程2-3和和原原
16、过过程程2-3放放热热温温度度相相同同，即即 Tm2 Tm2 T2 于是，由等效卡诺循环的热效率公式于是，由等效卡诺循环的热效率公式t1(T2/Tm1)可知，可知，蒸汽初温由蒸汽初温由T1提高到提高到T1时，朗肯循环的时，朗肯循环的热效率提高热效率提高。 此外，当蒸汽的初温提高时，如果蒸汽的初压不变，绝此外，当蒸汽的初温提高时，如果蒸汽的初压不变，绝热膨胀终了状态比原状态热膨胀终了状态比原状态2有较大的干度。有较大的干度。乏汽的干度增大乏汽的干度增大说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。
17、但另一方面，为散，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，则提高蒸汽的初温，则要求要求锅炉过热器所用锅炉过热器所用材料具有较好的耐材料具有较好的耐热性热性。 二、二、提高蒸汽初压对热效率的影响提高蒸汽初压对热效率的影响 设设初初温温T1 const，乏乏汽汽压压力力p2 const。p1p1(Tm1 Tm1 ) ) 。 过过程程2-3和和原原过过程程2-3放放热热温温度度相相同同，即即 Tm2 Tm2 T2 于是，根据等效卡诺循环的热效率公式于是，根据等效卡诺循环的热效率公式t1(T2/Tm1)可可知，提高蒸汽初压知，提高蒸汽初压p1，可使朗肯循环的可使朗肯循环的热效率
18、提高热效率提高。 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胀终了状态2比原状态比原状态2有较小的干度。有较小的干度。干度减小干度减小说明乏汽中说明乏汽中含有的水分增加，这会引起汽轮机内部的含有的水分增加，这会引起汽轮机内部的耗散增加耗散增加。特别是。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，面受破坏，甚至引起叶片振动，影响叶片的使用寿命影响叶片的使用寿命。因此，。因此，一般同时提高蒸汽的初温及初压一般同时提高蒸汽的初温及初压，既能提高
19、热效率，又能保，既能提高热效率，又能保证汽轮机内部良好的工作条件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三、降低乏汽压力对热效率的影响 设初温设初温T1const，初压初压p1const 降降低低乏乏汽汽的的压压力力p2与与乏乏汽汽压压力力相相应应的的饱饱和和温温度度也也随随着着降降低低，放放热热过过程程2-3要要比比原原过过程程2-3有有较较低低的的放放热热温温度度，即即T2T2。虽虽然然这这时时加加热热过过程程的的起起点点T0也也降降低低为为T0，但但它它对对整整个个加加热热过过程程的的平平均均加加热热温温度度影影响响很很小。小。 因因而而，由由等等效效卡卡诺诺循循环环的
20、的热热效效率率公公式式可可知知，降降低低乏乏汽汽的的压压力力p2，可可以以提提高高朗朗肯肯循循环的热效率环的热效率。 乏乏汽汽的的凝凝结结温温度度主主要要取取决决于于自自然然环环境境中中冷冷却却介介质质的的温温度度。当当乏乏汽汽的的凝凝结结温温度度降降低低到到28时时，乏乏汽汽的的压压力力相相应应地地降降低低为为0.0039MPa左右。左右。10-5 10-5 再热循环再热循环 为了提高热效率，可以采用再热的方法来提高加为了提高热效率，可以采用再热的方法来提高加热过程的平均加热温度。热过程的平均加热温度。 由由于于平平均均加加热热温温度度提提高高，而而平平均均放放热热温温度度不不变变，按按等等
21、效效卡卡诺诺循循环热效率公式，可知再热循环具有比朗肯循环高的热效率。环热效率公式，可知再热循环具有比朗肯循环高的热效率。 再热循环的热效率再热循环的热效率可表示为可表示为 对比朗肯循环热效率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。循环的热效率），再热循环具有比朗肯循环高的热效率。则只有当则只有当 时（即循环时（即循环a-1-2-2-a的热效率大于朗肯的热效率大于朗肯 采用再热措施时，乏汽的采用再热措施时，乏汽的干度显著的提高干度显著的提高。因此在一定。因此在一定的蒸汽初温的限制条件下，采用再热循环就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可应用更高的蒸汽
22、初压汽初压，使循环的热效率得到进一步提高。现代蒸汽动力装，使循环的热效率得到进一步提高。现代蒸汽动力装置中，蒸汽初压高于置中，蒸汽初压高于13MPa的大型装置都采用再热措施。的大型装置都采用再热措施。10-6 10-6 回热循环回热循环 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，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。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。抽汽量抽汽量的确定的确定 回热器中回热器中
23、kg水蒸气放出的热量：水蒸气放出的热量：(1-(1-)kg水在水在回热器中得到回热器中得到的热量：的热量：因为因为所以所以由于由于hbha，所以所以是一个很小的数值。是一个很小的数值。功量：功量：1-a过程中，过程中，1kg水蒸气所作的轴功水蒸气所作的轴功a-2过程中，过程中， (1)kg水蒸气所作的轴功水蒸气所作的轴功汽轮机汽轮机所作的轴功所作的轴功或或功量与热量的关系：功量与热量的关系：过程过程2-3中中(1)kg的的放热量：放热量：由一定律有：由一定律有：忽略水泵的耗功，有：忽略水泵的耗功，有：即即一级抽汽回热循环的热效率：一级抽汽回热循环的热效率：即即与朗肯循环热效率与朗肯循环热效率
24、相比，由于相比，由于 恒为正恒为正 所以抽汽循环的热效率高于朗肯循环热效率。所以抽汽循环的热效率高于朗肯循环热效率。 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级数为38级，而且往往回热和再热同时并用，以求使蒸汽动力装级，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。的投资成本也大为增加。 10-1 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若以饱和状态下的湿饱和蒸汽为工质进
25、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，卡诺循环和朗肯循环在理论热效率及实际可用性方面何者优越？朗肯循环在理论热效率及实际可用性方面何者优越？ 10-2 10-2 蒸蒸汽汽动动力力装装置置中中，乏乏汽汽在在冷冷凝凝器器中中向向冷冷却却水水放放出出的的热热量量比比装装置置输输出出的的轴轴功功要要大大得得多多。如如设设想想直直接接利利用用压压缩缩机机把把乏乏汽汽加加压压后后送送回回锅锅炉炉，这这样样做做岂岂不不是是可可节节省省许许多多燃燃料料而而提提高高装装置置的的热热效效率了吗？试分析这种想法错在哪里？率了吗？试分析这种想
26、法错在哪里？ 10-3 10-3 蒸蒸汽汽动动力力装装置置再再热热循循环环具具有有比比朗朗肯肯循循环环高高的的热热效效率率，试说明其实质所在。试说明其实质所在。 10-4 10-4 蒸蒸汽汽动动力力装装置置回回热热循循环环具具有有比比朗朗肯肯循循环环高高的的热热效效率率，试说明其实质所在。试说明其实质所在。 思思 考考 题题 10-5 10-5 蒸汽动力装置的蒸汽初温及再热终了温度两者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？效率也越高？ 10-6 10-6 试分析，回热循环中汽轮机的轴功小于朗肯循试分析，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环而热效率却高于朗肯循环的原因( (参阅习题参阅习题10-10)10-10)。
