11水蒸气及蒸汽动力循环

第十一章
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水蒸气及蒸汽动力循环
水蒸气的发生过程
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11-3 11-4 11-5 11-6 11-7
水蒸气热力性质表和图
水蒸气的热力过程 朗肯循环 再热循环 回热循环 热电联产及蒸汽-燃气联合循环
第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环
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水蒸气的发生过程
一、水蒸气的定压发生过程
a-b—0.01℃未饱和水→ts饱和水。t↑，v↑。
w ( w ) ( w ) ( h h ) ( h h ) 0 s, T 1 2 s, p 3 0 1 2 0 3
因此，有
w h h ) ( h h ) 0 ( 1 2 0 3 t q h h 1 1 0
( w ) h h 0 s, p 3 0 0 3
p＝0.611 2 kPa， v＝0.001 000 22 m3/kg T＝273.16 K 在此状态下 u' kJ/kg， s' kJ/(kg K) 0 .010 0 .010 而其焓值为 h' u' pv 0 . 01 0 . 01 ＝0 kJ/kg+0.611 2 kPa×0.001 000 22 m3/kg ＝0.000 611 kJ/kg≈0 kJ/kg
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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。 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关系确定。压力↑→饱和温度↑。如： p＝0.010 8 kPa时， ts＝0 ℃ 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。
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常用水蒸气热力性质表 未饱和水及过热蒸汽表：按温度、压力分别作为行、列，列出 比体积、焓和熵的数值。利用该表可按给定的任意两个状态参数， 确定该状态下的其他三个参数。 饱和水及干饱和蒸汽表通常分为：①按温度排列；②按压力排 列。列出饱和温度、饱和压力、饱和水以及干饱和蒸气的比体积、 焓和熵的数值。 利用这两个表还可以根据给定的参数和干度x，确定湿饱和蒸 汽的各参数。 应用水蒸气热力性质表时，经常需要进行插值计算来确定表列 两数据中间的数值。
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水蒸气相变图线的分析 上、下界线表明了水汽化的始末界线，二者统称饱和曲线， 它将p-v图和T-s图分为三个区域：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)。 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。 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、 过热蒸汽状态) 。
循环净功： w ( w ) ( w ) ( h h ) ( h h ) 0 s T , 1 2 s p , 3 0 1 2 0 3
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朗肯循环热效率 定压吸热过程0-1中，工质的吸热量为 q1＝h1－h0 循环净功为汽轮机轴功和水泵耗功之差，即
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h-s图 ——水蒸气工程计算中，应用最广泛的线图
特征点与特征线：C——临界点，x＝0线，x＝1线。 定压线——在h-s图上呈发散分布。由Tds＝dh-vdp可知，定压线在hs图上的斜率为 h T s p
在饱和区内，p一定时T亦为定值，所以区内的定压线为一簇斜率不 同的直线。在过热区，随温度的增高，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。即随p↓蒸汽性质趋近理想气体。 定容线——走向与定压线相同，但比定压线稍陡。 定干度线——一组干度等于常数的曲线。 x<0.5区域图线过密，工程中不经常使用这部分数据， 故通常所用的h-s图线不包括这一区域。 用h-s图确定蒸汽状态简便、直观，但读数欠准确。
tc＝374.15℃ ,
pc＝22.120MPa ,
vc＝0.00317m3/kg
下界线和上界线在临界点C相交，形成了为饱和曲线ACB所包 围的饱和区，在该区域内饱和水和饱和水蒸气共存，称为湿饱和蒸 汽，因此饱和区又称为湿蒸汽 区。 当压力高于临界压力pc时， 便不再发生水的定压汽化过程。
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h ( 1 x ) h x h h x ( h h ) h xL x
s ( 1 x ) s x s s x ( s s ) x
v ( 1 x ) v x v v x ( v v ) x
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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。 水在锅炉中吸收热量形成过热蒸汽。过热蒸汽被送至汽轮机绝 热膨胀作功。作功后的乏汽被送至冷凝器内凝结成水。再由给水泵 加压后送回锅炉加热而完成一个循环。 蒸汽动力装置理想循环的组成：0-1为定压 吸热过程；1-2为绝热膨胀过程；2-3为定压放 热过程；3-4为绝热加压过程。 该循环称为 朗肯循环(简单蒸 汽动力装置循环)。
饱和区内湿饱和蒸汽的温度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，还需 另一个独立参数，一般采用“干度”作为参数，但也可以是其他的 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
mv x mv mw
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可用水蒸气表及图，依照过程的特点来确定各状态的参数。 一、定容过程 v1=v2,于是可得
w d v 0 1 2 p
1 2
q u ( h h ) v ( p p ) 1 2 1 , 2 2 1 1 2 1
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二、定压过程 p1=p2,于是可得 w p ( v v ) 1 2 1 2 1 q ( h h ) 1 2 2 1
定义：内汽化潜热L ——汽化潜热中转变为热力学能的部分； 外汽化潜热 L ——用于对外作功的部分。 则有
LL L
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过热热量q ——定压过热过程中所需的热量。 按能量转换关系，有
q h h
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。
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朗肯循环热效率分析 0-1过程，工质吸热： 2-3过程，工质放热： q1＝h1－h0
q 2 h 2 h 3
绝热膨胀过程1-2，工质在汽轮机中所作的轴功为 (ws,T)1-2＝h1－h2 绝热加压过程3-0，给水泵消耗的轴功为
( w ) h h s, p 3 0 0 3
定压预热过程的压力越高，对应的饱和温 度也越高，水的液体热就越大。
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热工计算仅需计算 Δh 及 Δu，故可任取某状态作为计算基点。 规定水的三相点状态u＝0 kJ/kg 。
一般情况下，对温度为0.01℃时不同压力的水，取u0.01≈0 kJ/kg。 压力不高时，对0.01℃时水，也可取h0.01≈0 kJ/kg。
水的液体热q‘——水的预热过程中，使水由三相点温度0.01℃ 升高到饱和温度ts所需的热量。 定压预热过程的能量转换关系为
q h h ( u u ) p ( v v ) 0 . 01 0 . 01 0 . 01
因v'≈v0.01，所以
q h h ( u u ) 0 . 01 0 . 01
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饱和状态下状态参数的计算
湿饱和蒸汽是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，其热力学能、焓、 熵及容积可表示为 ， U U U S S S x x
， H H H x
V V V x
引入干度的关系式，可得
u ( 1 x ) u x u u x ( u u ) x
b-d—ts饱和水→ ts干饱和水蒸 汽。v↑， t和p均不变。 其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。 d-e—ts干饱和水蒸汽→ t过热 水蒸汽。t↑，v↑。
过热度D= t- ts
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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： ①水的预热——未饱和水(0.01℃)→饱和水(ts)； ②水的汽化——饱和水(ts)→干饱和水蒸气(ts)； ③水蒸气的过热——饱和水蒸气（ts）→过热水蒸气(t)。
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三、水蒸气的p-v图和T-s图 在p-v图和T-s图上，连接各定压线上所有开始汽化的各点， 形成下界线BC(饱和水线)。连接各定压线上所有汽化完毕的各点， 形成上界线AC(干饱和水蒸气线)。 临界点C —— 饱和水状态与干饱和蒸汽状态重合点，为水、 汽不分的状态。水蒸气的临界参数为
三、定温过程 T1=T2,于是可得
w q u 1 2 1 2 1 , 2
T ( s s ) [( h h ) ( p v p v )] 1 2 1 2 1 2 2 1 1
q T ( s s ) 1 2 1 2 1
四、定熵过程 s1=s2,于是可得 w u u ( h h ) ( p v p v ) 1 2 1 2 2 1 2 2 1 1 q12 0
水泵的耗功约为汽轮机轴功的2%，可忽略，即
则循环热效率可近似表示为
( w ) h h s, T 1 2 1 2 t q h h 1 1 3
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一、提高蒸汽初温对热效率的影响
设初压p1、乏汽压力p2不变。 蒸汽的初温由T1→ T 1 ' →平均加热温度提高，即
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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Δu和Δh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定律：
q u d v 1 2 1 2 p
1
2
q d s 1 2 T
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汽化潜热 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
L h h ( u u ) p ( v v )
T m 1' ＞Tm1。
' 放热过程2 -3与原过程2-3的放热温度T2相同。
于是，由等效卡诺循环热效率公式ηt＝1－(T2/Tm1)可知，蒸汽 初温由T1提高到 T 1 ' 时，朗肯循环热效率提高。 蒸汽初温提高时，如蒸汽初压不变，膨胀终状态 2 比原状态2 的干度大，即乏汽中含有的水分减少，这利于减少汽轮机内部的功 耗散，也利于汽轮机叶片工作条件的改善。另外，为提高蒸汽初温 ，要求锅炉过热器材料具有较好的耐热性。
即干度x确定时，可用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿饱 和蒸汽相应状态的参数。
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水蒸气热力性质表和图
水蒸气热力性质复杂，有关水蒸气的各种工程计算，常依赖各 种专用的水蒸气热力性质表和相应的图线。 工程中不需计算水蒸气u、h、s的绝对值，只需确定其变量， 因此可任选一个基准点。国际会议规定，水蒸气热力性质表图的编 制以三相点状态的液相水为基准点。 水的三相点的参数为