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1、第九章 水蒸气性质和蒸汽动力循环,内容要求:掌握水蒸气的定压产生过程；分析确定水蒸气的状态；了解水蒸气的热力过程；掌握蒸汽热力性质图表的结构和应用,蒸气：泛指刚刚脱离液态或比较接近液态的 气态物质。是一种实际气体。,常用蒸气：水蒸气，氨蒸气，氟里昂蒸气。,水蒸气特点：人类在热力发动机中最早广泛使用的工质。来源丰富，无毒无味，比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能，不污染环境。,热工计算：不能按理想气体处理。状态方程式，比热的函数关系以及有关热工计算的经验公式都比较复杂。采用查图查表方法 蒸气的热力性质图表。,91 水蒸气的产生过程,1.汽化(vaporation)：物质由液态转变为气态的过程
2、。汽化的方式有两种：蒸发和沸腾。,9-1-1 基本概念,2.液化(liquefaction)：物质由气态转变为液态的过程（凝结）。,3.蒸发(boil-off)：在液体表面较缓慢地进行的汽化过程。,蒸发速度取决于液体的性质，液体的温度，蒸发表面积和液面上气流速度。,4.沸腾(boiling):在特定的温度下发生，在液体内部和表面同时 进行的强烈的汽化过程。,沸腾的温度与液体所受的压力有关。,特点,沸点(boiling point)：在某一压力下，液体沸腾时的温度。与液体的性质有关。同种液体，沸点还随压力的升高而增大。,沸腾状态的水总是烫手的。,5.饱和状态(saturation state)：
3、气液两相处于动态平衡的状态。,饱和液体(saturated liquid)：饱和状态下的液体；饱和蒸气(saturated vapor)：饱和状态下的蒸气；饱和温度和饱和压力：,特点：（1）汽液共存；（2）汽液同温；（3）饱和压力随饱和温度的升高而增大，两者一一对应。,6.湿饱和蒸汽(wet vapor)：是饱和蒸汽与饱和液体的混合物 二者处于两相平衡。,7.干饱和蒸汽：不含有液体的饱和蒸汽。,8.过热蒸汽(superheated vapor)；在一定压力下，温度大于饱和温度时的蒸汽。,过热度：过热蒸汽温度t 饱和蒸汽温度ts。,9.过冷液体(subcooled liquid)：在一定压力下，
4、温度低于相应饱和温度的液体。,过冷度：饱和蒸汽温度ts 过冷液体温度t。,9-1-2 水蒸气的定压产生过程,假设：汽缸中有1kg，初温为0C的水，水面上有一个可以移动的活塞，施加一定 的压力p（不同实验序号下维持恒定压力），在容器底部对水加热。,1.水蒸气产生过程的三个阶段,未饱和水,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,饱和水,吸热，温度升高，比体积略增,水定压预热：,参数：ps，ts，v，h，s,饱和水定压汽化,继续加热，水开始汽化，饱和温度不变，比体积增大，水量逐渐减少，汽量逐渐增加,参数：ps，ts，vx，hx，sx,继续加热，温度不变，比体积增大，至汽缸中的最后一滴水变成蒸汽,参数：ps
5、，ts，v”，h”，s”,参数：ps，ts，v，h，s,干蒸汽定压过热,继续加热，比体积继续增大，蒸汽温度开始上升，温度大于相应压力下的饱和温度,参数：ps，ts，v”，h”，s”,2.水蒸气定压形成过程在p-v图和T-s图表示,某一压力下,3.水蒸气定压形成过程的能量关系,（1）未饱和水的定压预热阶段,液体热用焓差表示,（2）饱和水的定压（定温）汽化阶段,用汽化潜热表示：,或用熵来计算汽化潜热：,表示湿蒸汽的干燥程度；饱和水 x=0，干饱和蒸汽 x=1;汽轮机运行时，干度规定x=0.86-0.88,干度(quality)：湿蒸汽中所含有的干饱和蒸汽的质量分数。,说明,（3）干饱和蒸汽的定压过
6、热阶段,水蒸气定压产生过程中所需的热量：,过热热量(heat of superheating)用焓差表示：,9-1-3 不同压力下水蒸气定压形成过程的 p-v图和T-s图,临界点(critical point),下临界线(saturation liquid line)：不同压力下饱和水状态,上临界线(saturation vapor line)：不同压力下干饱和蒸汽状态,液相区(liquid region)汽液两相区(liquid-vapor region)汽相区(vapor region),未饱和水，饱和水，湿饱和蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽,是否有400 C的水？0C或-10 C的水蒸气,水
7、的p-T相图,p,T,液,气,固,水,三相点,临界点,超流体,升华线,凝固线,汽化线,a,b,c,d,超过临界温度没有液体。超过临界压力，定压加热过程不存在气化段。（水由不饱和直接到过热）Pt图上饱和水的定压吸热过程为一点（c)。（定温过程）低于三相点压力没有液体。饱和温度和饱和压力一一对应。,92 水蒸气的状态参数,9-2-1 零点的规定：,选择水的三相点（273.16K）的液相水为基准点。规定该状态下，液相水的热力学能和熵为零。,即：,焓：,9-2-2 水与水蒸气表(steam tables for water),饱和水与饱和水蒸气的热力性质表（附表5，6）未饱和水与过热水蒸气的热力性质表
8、（附表7）,按温度排列（附表5）按压力排列（附表6）,粗黑线上方：未饱和水参数 粗黑线下方：过热水蒸气参数,两种,饱和水与饱和水蒸气的热力性质表温度排序,饱和水与饱和水蒸气的热力性质表压力排序,1.饱和水和饱和水蒸气,压力ps或温度ts,饱和水：已知 ps/ts，确定 v,h,s,u=h-psv,饱和水蒸气：已知 ps/ts，确定 v,h,s,u”=h”-psv”,2.湿饱和蒸汽,压力ps/温度ts，干度x,湿饱和蒸汽,未饱和水与过热水蒸气的热力性质表,2.未饱和水与过热水蒸气,压力p,和温度t,利用水蒸气表，确定下列各点的状态（1）t=45 C,v=0.00100993 m3/kg;（2）t
9、=200 C,x=0.9;（3）p=0.5 MPa,t=165C;（4）p=0.5 MPa,v=0.545 m3/kg,例题,已知（p,t）查饱和蒸汽图表，确定蒸汽状态。,若已知p(或 t),及某一比参数 v,h,s,先查饱和蒸汽表,确定蒸汽状态。,思考题,1.临界点时，饱和液体的焓等于干饱和蒸汽的焓。2.某液体的温度为T，若其压力大于T 对应的饱和 压力，则该液体一定处于未饱和液体状态。3.干饱和蒸汽被定熵压缩，将变为（）。4.知道了温度和压力，就可以确定水蒸气的状态。5.水蒸气的定温膨胀过程满足 Q=W。,实际气体,过热蒸汽,s,p-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程,一点，二线，三区，
10、五态,水蒸气焓熵图,水蒸气的绝热过程,汽轮机,q=0,2,1,2,不可逆过程：,p1,p2,水蒸气的绝热过程,汽轮机,q=0,不可逆过程,p1,p2,2,1,h1,h2,h2,2,内效率,水蒸气的定温过程,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,可逆过程：,水蒸气的定容过程,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,2023/3/28,39,热机：将热能转换为机械能的 设备。热机的工作循环称为动力循环。,动力循环：蒸汽动力循环 燃气动力循环,9-3 基本的蒸汽动力循环朗肯循环,2023/3
11、/28,40,水蒸汽的卡诺循环,局限：(1)热效率低。(2)干度小。(3)压缩过程很难稳定。,2023/3/28,41,水蒸气动力循环系统的简化,锅炉,汽轮机,给水泵,凝汽器,1,2,3,4,简化（理想化）：,2023/3/28,42,1,3,4,2,p,v,朗肯循环pv图,2023/3/28,43,h,s,1,3,2,4,朗肯循环Ts和hs图,2023/3/28,44,朗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：,4,3,2,1,T,s,2023/3/28,45,朗肯循环热效率的计算,一般很小，占0.81%，忽略泵功,4,3,2,1,T
12、,s,2023/3/28,46,s,p1,t1,p2,6,5,4,3,2,1,如何提高朗肯循环的热效率,影响热效率的参数？,T,2023/3/28,47,s,T,6,5,4,3,2,1,9-4 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响,初始压力的影响,2023/3/28,48,s,T,6,5,4,3,2,1,蒸汽初温的影响,2023/3/28,49,s,T,6,5,4,3,2,1,乏汽压力的影响,缺点：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.00350.005MPa，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,2023/3/28,50,9-5 蒸汽再热循环,再热循环的提出定
13、义将高温高压的过热蒸汽引入汽轮机的高压部分做功；将做功后降温降压的蒸汽全部抽出引回到锅炉的再热器中吸热，而使其温度提高；再将温度升高后的过热蒸汽引入汽轮机的中、低压部分继续做功，直至膨胀到排汽压力，排入凝汽器中。在原来朗肯循环的基础上，引入再热过程，就称为再热循环。目的(1)提高汽轮机的排汽干度；(2)提高循环的热效率。,2023/3/28,51,T,s,6,5,4,3,1,b,2023/3/28,52,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效率提高 23.5。,T,s,6,5,4,3,1
14、,b,2023/3/28,53,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,2023/3/28,54,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：,T,s,6,5,4,3,1,b,2023/3/28,55,9-6 抽汽回热循环,回热循环的提出定义对于朗肯循环，其循环热效率较低的原因之一是工质的吸热平均温度不高。虽然，通过提高进汽参数，如提高进汽温度和压力，可以提高吸热平均温度，进而提高循环的热效
15、率，但由于受水蒸汽的热力 性质和热设备材料性能的限制，吸热的上限温度不能提高得很多。因此，如果提高吸热的下限温度，吸热平均温度也将会提高，进而使循环热效率提高。目的 提高循环的热效率,2023/3/28,56,蒸汽抽汽回热循环,(1-)kg,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,2023/3/28,57,回热循环的抽汽量计算,以混合式回热器为例,热一律,忽略泵功,(1-)kg,kg,6,5,a,s,4,3,2,1,1kg,T,2023/3/28,58,回热循环热效率的计算,吸热量：,放热量：,净功：,热效率：,(1-)kg,kg,
16、6,5,a,s,4,3,2,1,1kg,T,2023/3/28,59,为什么抽汽回热热效率提高？,简单朗肯循环：,物理意义：kg工质100%利用 1-kg工质效率未变,(1-)kg,kg,6,5,a,s,4,3,2,1,1kg,T,2023/3/28,60,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,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,2023/3/28,61,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
17、力,改变循环形式,回热循环,再热循环,2023/3/28,62,9-7 热电联产循环,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),2023/3/28,63,背压式热电联产循环,背压式缺点：热电互相影响 供热参数单一,2023/3/28,64,热电联产循环的经济性评价,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,热电联产、集中供热是发展方向，经济环保,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
