严家騄版工程热力学PPT水蒸气性质和蒸汽动力循环.ppt

《严家騄版工程热力学PPT水蒸气性质和蒸汽动力循环.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《严家騄版工程热力学PPT水蒸气性质和蒸汽动力循环.ppt（93页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第七章 水蒸气性质和蒸汽动力循环,The property of vapor and vapor power cycle,水和水蒸气是实际气体的代表,水蒸气,在空气中含量极小，当作理想气体,一般情况下，为实际气体，使用图表,18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质,直到内燃机发明，才有燃气工质,目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质,优点:便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好,是其它实际气体的代表,本章主要内容,1.实际工质的物性,3.水蒸气图表的结构和应用,4.水蒸气热力过程,2.水蒸气的产生过程,水蒸气,蒸气,蒸汽,Steam,Vapor,7-1 纯物质的热力学面及相图,物质三种聚集状态：

2、固态、液态、气态,热力学面：以p,v,T表示的物质各种状态 的曲面,水的三态：,冰、水、蒸汽,Pure substance,Solid,Liquid,Gas,Ice,Water,Steam,水的热力学面,两相区,单相区,气,液,固,六个区：三个单相区、三个两相区,液-气,固-气,固-液,饱和线、三相线和临界点,p,v,四个线：三个饱和线、一个三相线,饱和气线,三相线,饱和液线,饱和固线,T,临界点,一个点：临界点,Saturation line,Triple line,临界点Critical point,水的临界点状态,饱和液线与饱和气线的交点,气液两相共存的pmax,Tmax,等温线是鞍点,

3、临界点,纯物质的p-T相图,p,p,T,T,液,液,气,气,固,固,水,一般物质,三相点,三相点,临界点,临界点,流体,流体,升华线,升华线,凝固线,凝固线,汽化线,汽化线,p-T diagram of pure substances,p,T,Liquid,Vapor,Solid,Triple point,Critical point,Fluid,Sublimation,Melting,Vaporization,思考题,没有。t374.16,有,3.有没有500C的水？,1.溜冰冰刀,2.北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相,4.有没有-3 的蒸汽？,5.一密闭容器内有水的汽液混合物，对其 加

4、热，是否一定能变成蒸汽？,纯物质的p-T相图,p,p,T,T,液,液,气,气,固,固,水,一般物质,三相点,三相点,临界点,临界点,流体,流体,饱和线、三相线和临界点,p,v,饱和气线,三相线,饱和液线,饱和固线,T,临界点,7-2 汽化与饱和,沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化,(气体和液体均处在饱和状态下),汽化:由液态变成气态的物理过程(不涉及化学变化),蒸发：汽液表面上的汽化,Boil,Vaporization,饱和状态Saturation state,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡,饱和温度Ts,饱和压力ps,一一对应,放掉一些水，Ts不变，ps？,Ts,ps,ps=1.01325b

5、ar,Ts=100,青藏ps=0.6bar,Ts=85.95,高压锅ps=1.6bar,Ts=113.32,Saturation temperature,Saturation pressure,纯物质的p-T相图,p,p,T,T,液,液,气,气,固,固,水,一般物质,三相点,三相点,临界点,临界点,流体,流体,汽化线,汽化线,7-3 水蒸气的定压发生过程,t ts,t=ts,t=ts,t=ts,t ts,v v,v=v,v=v,v v v,v v,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽,过热蒸汽,h h,h=h,h=h,h h h,h h,s s,s=s,s=s,s s s,s s,水蒸气定

6、压发生过程说明,(1),(2),(3)理想气体,实际气体汽化时，TTs不变，但h增加,汽化潜热,(4)未饱和水,过冷度,过冷水,过热蒸汽,过热度,State of Liquid and vapor,未饱和液，过冷液,饱和液,饱和湿蒸气,饱和蒸气,过热蒸气,Saturated liquid,Saturated vapor,Saturated liquid-vapor mixture,Superheated vapor,Compressed liquid,Subcooled liquid,汽化潜热,Latent heat of Vaporization,压缩液,s,p-v图，T-s图上的水蒸气定压

7、加热过程,一点，二线，三区，五态,等压线上饱和态参数,p,ts,v,(m3/kg),v,s,s,kJ/(kg.K),0.006112,0.01,0.00100022,206.175,0.0,9.1562,1.0,99.63,0.0010434,1.6946,1.3027,7.3608,5.0,151.85,0.0010928,0.37481,1.8604,6.8215,50.0,263.92,0.0012858,0.03941,2.9209,5.9712,221.29,374.15,0.00326,0.00326,4.429,4.429,(bar),(),b,d,b,d,定压加热线与饱和液线相

8、近的说明,当忽略液体cp变化，,不同的p，液体近似不可压，v不变,对每个不变的T,Incompressible substance,7-4 水和水蒸气状态参数及其图表,状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量,未饱和水及过热蒸汽，一般已知p、T即可,饱和水和干饱和蒸汽，只需确定p或T,湿饱和蒸汽，p和T不独立，汽液两相,1875年，吉布斯提出了吉布斯相律,吉布斯相律 Gibbs phase rule,无化学反应时，热力系独立参数数目为,独立强度参数数,组元数,相数,水和水蒸气状态参数确定的原则,1、未饱和水及过热蒸汽,确定任意两个独立参数，如：p、T,2、饱和水和干饱和蒸汽,确定p或T,3、湿饱

9、和蒸汽,除p或T外，其它参数与两相比例有关,两相比例由干度x确定,定义,干饱和蒸汽,饱和水,对干度x的说明：,0 x 1,在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义,Quality,湿饱和蒸汽区状态参数的确定,如果有1kg湿蒸气，干度为x,即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。,已知p或T(h,v,s,h,v,s)+干度x,h,v,s,饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）,饱和水和饱和水蒸气表（按压力排列）,未饱和水和过热蒸汽表（节录）,表的出处和零点的规定,原则上可任取零点，国际上统一规定。,但 原则上不为0，对水：,表依据1985年第十届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式

10、化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。,焓、内能、熵零点的规定：,水的三相点,查表举例（1）,查表时先要确定在五态中的哪一态。,例.1 已知：p=1MPa,试确定t=100,200 各处于哪个状态,各自h是多少？,ts(p)=179.88,t=100 ts,未饱和水,h=419.7kJ/kg,t=200 ts,过热蒸汽,h=2827.5kJ/kg,查表举例（2）,已知 t=250,5kg 蒸汽占有0.2m3容积,试问蒸汽所处状态?h=?,t=250,湿蒸汽状态,查表举例（2）,已知 t=250,5kg 蒸气占有0.2m3容积,试问蒸气

11、所处状态?h=?,t=250,湿蒸汽状态,查表举例（3）,在一刚性容器内充满p=0.1MPa，t=20的水。由于太阳照射，使其温度升为40,求容器承受的压力。,t=40,等容过程,储液罐很危险，不能装满。,查表举例（4）,已知 t=85,p=0.015MPa,试确定状态?h=?,ts=54.0,过热状态,p=0.015MPa,内插法,未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线）,如何在图上表示功和热,p-v图（示功图）：面积代表功,能否用线段表示热和功,T-s图（示热图）：面积代表热,蒸汽动力循环,定压过程,等熵过程,焓熵图的画法(1),1、零点：h=0，s=0；,2、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界

12、线）,斜直线,向上翘的发散的形线,C点为分界点，不在极值点上,焓 熵 图Enthalpy-entropy diagram,h,s,C,x=1,x=0,Mollier diagram,焓熵图的画法(2),气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体,在x=0,x=1之间，从C点出发的等分线,焓 熵 图Enthalpy-entropy diagram,h,s,C,x=1,x=0,焓熵图（下部）,焓熵图（上部）,7-5 水蒸气的热力过程,任务：确定初终态参数，计算过程中的功和热 在p-v、T-s、h-s图上表示,Thermal Process of Steam,注意与理想气体过程的区别,第一定律与第二定律

13、表达式均成立,理想气体特有的性质和表达式不能用,准静态,可逆,水蒸气的定压(Isobaric)过程,q=h wt=0,3,4,2,1,例：锅炉中，水从30，4MPa,定压加热到450,q=h2-h1,ts(4MPa)=250.33,锅炉、换热器,水蒸气的定压过程,例：水从30，4MPa,定压加热到450,q=h2-h1,2,T,s,h,s,2,h1=129.3 kJ/kg h2=3330.7 kJ/kg,h2,h1,1,3,4,1,4,3,=3201.4kJ/kg,水蒸气的绝热(Isentropic)过程,p1,2,p2,不可逆过程：,汽轮机、水泵,1,2,q=0,水蒸气的绝热过程,汽轮机、水

14、泵,q=0,2,1,2,不可逆过程：,p1,p2,水蒸气的绝热过程,汽轮机、水泵,q=0,不可逆过程,p1,p2,2,1,h1,h2,h2,2,透平内效率,水蒸气的绝热过程举例,p1,p2,2,1,h1,h2,h2,2,例：汽轮机,求：,解：由 t1、p1查表,水蒸气的绝热过程举例,p1,p2,2,1,h1,h2,h2,2,求：,由 p2查表,水蒸气的绝热过程举例,p1,p2,2,1,h1,h2,h2,2,求：,水蒸气的定温(Isothermal)过程,实际设备中很少见,C,远离饱和线，接近于理想气体,水蒸气的定温过程,1,2,T,s,h,s,1,2,2,理想气体,测量干度原理 绝热节流,可逆

15、过程：,12,水蒸气的定容(Isochoric)过程,实际设备中不常见,1,2,p,v,水蒸气的定容过程,1,T,s,h,s,p,T,2,1,2,v,p,v,蒸汽动力循环,水蒸气：火力发电、核电,低沸点工质：氨、氟里昂,太阳能、余热、地热发电,动力循环：以获得功为目的,四个主要装置：锅炉 汽轮机 凝汽器 给水泵,7-6 郎肯循环Rankine Cycle,水蒸气动力循环系统,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,水蒸气动力循环系统的简化,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,1,2,3,4,简化（理想化）：,1,3,4,2,p,v,郎肯循环pv图,4,3,2,1,T,s,h,s,1,3,2,4

16、,郎肯循环Ts和hs图,h,s,1,3,2,4,郎肯循环功和热的计算,汽轮机作功：,凝汽器中的定压放热量：,水泵绝热压缩耗功：,锅炉中的定压吸热量：,h,s,1,3,2,4,郎肯循环热效率的计算,一般很小，占0.81%，忽略泵功,工程上常用汽耗率,反映装置经济性，设备尺寸,汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h 功量所消耗的蒸汽量kg,汽耗率(Steam Rate)的概念,的单位是kJ/kg,1kW=1 kJ/s,郎肯循环与卡诺循环比较,s,T,6,4,2,1,10,9,8,7,5,3,q2相同；q1卡诺 q1朗肯 卡诺 朗肯；等温吸热41难实现,11点x太小,不利于汽机强度；12-9两相区难压

17、缩；wnet卡诺小,卡诺 朗肯；wnet卡诺 wnet 朗肯,11,12,对比同温限1234,对比5678,对比9-10-11-12,s,p1 t1 p2,6,5,4,3,2,1,如何提高郎肯循环的热效率,影响热效率的参数？,T,How can we increase the efficiency of the Rankine cycle,s,T,6,5,4,3,2,1,蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响,s,T,6,5,4,3,2,1,蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响,s,T,6,5,4,3,2,1,乏汽压力对郎肯循环热效率的影响,缺点：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.00350.005MP

18、a，相应的饱和温度约为27 33，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高,国产锅炉、汽轮机发电机组的初参数简表,7-7 实际蒸汽动力循环分析,s,T,5,3,2,2,4,1,1,1,4,非理想因素：,给水泵不可逆(3 4),汽机不可逆(1 2),汽机汽门节流(1 1),蒸汽管道摩擦降压，散热(11),实际蒸汽动力循环分析方法,热一律：热效率分析法,热二律：熵分析法 Ex分析法,实际蒸汽动力循环热效率法,s,T,5,3,2,2,4,1,1,1,4,忽略泵功,可逆循环效率,汽机相对内效率,管道和节流，管道效率,锅炉散热和排烟，锅炉效率,整个实际蒸汽动力循环热效率,s,T,5,3,2,2,4,

19、1,1,1,4,整个电厂热效率,s,T,5,3,2,2,4,1,1,1,4,机械效率,电机效率,提高循环热效率的途径,改变循环参数,提高初温度,提高初压力,降低乏汽压力,改变循环形式,回热循环,再热循环,联合循环,热电联产,燃气-蒸汽联合循环,新型动力循环,IGCC,PFBC-CC,.,Reheat,Regenerative,Cogeneration,T,s,6,5,4,3,1,b,7-8 蒸汽再热循环(reheat),T,s,6,5,4,3,1,b,蒸汽再热循环的热效率,再热循环本身不一定提高循环热效率,与再热压力有关,x2降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，一般采用一次再热可使热

20、效率提高23.5。,蒸汽再热循环的实践,再热压力 pb=pa0.20.3p1,p110MPa，一般不采用再热,我国常见机组，10、12.5、20、30万机 组，p113.5MPa，一次再热,超临界机组，t1600，p125MPa，二次再热,T,s,6,5,4,3,1,b,蒸汽再热循环的定量计算,吸热量：,放热量：,净功（忽略泵功）：,热效率：,7-9 蒸汽回热循环(regenerative),抽汽,去凝汽器,冷凝水,表面式回热器,抽汽式回热,Feedwater heater,Open Feedwater heater,Closed Feedwater heater,蒸汽抽汽回热循环,(1-)k

21、g,kg,6,5,a,s,4,3,2,1,1kg,T,由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功,抽汽回热循环的抽汽量计算,(1-)kg,kg,6,5,a,s,4,3,2,1,1kg,T,以混合式回热器为例,热一律,忽略泵功,抽汽回热循环热效率的计算,(1-)kg,kg,6,5,a,s,4,3,2,1,1kg,T,吸热量：,放热量：,净功：,热效率：,为什么抽汽回热热效率提高？,(1-)kg,kg,6,5,a,s,4,3,2,1,1kg,T,简单朗肯循环：,物理意义：kg工质100%利用 1-kg工质效率未变,蒸汽抽汽回热循环的特点,小型火力发电厂回热级数一般为13级中大型火力发电厂一

22、般为 48级。,优点 提高热效率 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 可兼作除氧器,缺点 循环比功减小，汽耗率增加 增加设备复杂性 回热器投资,缺点,提高循环热效率的途径,改变循环参数,提高初温度,提高初压力,降低乏汽压力,改变循环形式,回热循环,再热循环,联合循环,热电联产,燃气-蒸汽联合循环,新型动力循环,IGCC,PFBC-CC,.,Reheat,Regenerative,Cogeneration,7-10 热电联产(供)循环,用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用户的需要，这种作法称为热电联(产)供。,背压式机组(背压0.1MPa),热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？,Cogeneration,背压式热电联产(供)循环,背压式缺点：热电互相影响 供热参数单一,清华北门外2台背压式，5000kW电负荷,抽汽调节式热电联产(供)循环,抽汽式热电联供循环,可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。,热电联产(供)循环的经济性评价,只采用热效率 显然不够全面,能量利用系数,，但未考虑热和电的品位不同,Ex经济学评价,热电联产、集中供热是发展方向，经济环保,Utilization factor,第七章 完End of Chapter Seven,