02 第二章 水蒸汽及其动力循环

4．喷管的选择 要选择喷管，所用气流的性质和初压力P1是已 知的，喷管出口外的环境压力值P2，要由设计 人员设定。
第二章 水蒸汽及其 动力循环
第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用 第二节 水蒸气典型热力过程 第三节 水蒸气动力循环
第三节
水蒸气动力循环
一、以水蒸气为工质的卡诺循环设想
定温吸热 T 4 绝热压缩 x=0 0 定温放热 3 2 x=1 s 1 P2 P1 绝热膨胀
第二章 水蒸汽及其 动力循环
第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用 第二节 水蒸气典型热力过程 第三节 水蒸气动力循环
动力循环：以获得功为目的 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
为什么用水蒸气而不用别的工质？
流动性好 易于膨胀 极易获得 价格低廉 无毒副作用
第一节 水蒸气的定压形成过 程及图表应用
(7)随压力升高，汽化潜热量↓，这是 ↑↑水变汽的汽化用于克服分子间内聚力 做功量↓的结果。 (8)在湿蒸汽区，和相互不独立，欲知湿 蒸汽的能量参数，须求知干度x值，故在 p-v与T-s图上，能依试验结果分别做出一 簇处处与上下边界线平行的干度线。
通过水蒸汽定压形成过程的认识和分 析要牢记：一点、二线、三区、五态 的概念。
3．喷管的压力比 喷管的压力比：工质在喷管出口外的背压 力（即环境压力）Pb与工质进口压力P1之比。
Pb β= P1
临界压力比：
β cr =
Pcr P1
工程热力学推导知，临界压力比：
β cr
Pcr 2 = =( ) P1 k +1
k k −1
注：式中“k”是标志 气体工质性质的系 数——绝热指数。
⒈可逆定温加热过程4→1，只能在湿饱和蒸汽区实现，过程 超过1点，必要求锅炉逐步降低压力，电厂锅炉无法实现。 ⒉可逆绝热膨胀做功过程，全部在湿蒸汽区进行，湿蒸汽膨 胀程度小，双相流损失很大，引发汽轮机震动，冲蚀等对汽 轮机提出了技术上巨大困难，这一点将在汽轮机部分讲到。 ⒊可逆定温放热过程只能进行到3点（湿蒸汽状态），否则将 得不到封闭的卡诺循环。 ⒋可逆绝热压缩过程，由于汽态工质的可压缩性（低压下 0.005Mpa下，汽、水比容差２万８千倍—— v w =0.0010052m3/kg， vv =28.196 m3/kg），必使压汽机巨大 而且消耗巨大的压缩功。 ⒌湿蒸汽区可资利用的温差范围太小。 T1不大于Tc =647.15K(374.15+273) T2不小于T大气=273.15K否则找不到第二热源。
第二节 水蒸气典型热力过程
一、换热器内的定压流动过程 火力发电厂的锅炉、冷凝器，各回热加热 器，都属开口的稳定流动换热过程。忽略工 质的流动阻力时，皆属定压流动过程。 由开口系统热力学第一定律解析式：
1 q = Δh + Δc + gΔz + w 2
2
s
1 2 2 q = (h2 − h1 ) + (c2 − c1 ) + g ( Z 2 − Z1 ) + Ws 2
一、水蒸气的基本概念和有关术语
固态 液态 气态 ⒈汽化：水变成蒸汽的现象。从微观上讲，汽化指液体中的 分子克服周围液体分子的引力和液体表面张力而逸出液面的 现象 。
蒸发 汽化 沸腾 整体沸腾 局部沸腾（过冷沸腾）
蒸发：在液面进行的汽化过程； 沸腾：在液体容积空间内的汽化过程。 局部沸腾：当液体整体温度较低时，如果 存在局部温度较高，产生小汽泡，而这些 小汽泡不能上升到液面就被淹灭。此时液 体的温度上升速率很大。 整体沸腾：当液体温度上升到与压力相应 确定的温度时，整个水空间产生汽泡，汽 泡不再淹灭而集汇上升到液面逸出。
c3
b3
c3 c2
(1)由于水的不可压缩性，各压力下0℃的过冷水，具 有相同的比容v0=0.001m3/kg。 (2)各定压下饱和水点的光滑连接曲线A—C，称作水蒸 汽的下边界线（饱和水线），A—C线上任一状态点都 是对应各不同压力下的饱和水。A—C线是一条向右偏 斜的曲线，随压力↑、ts↑使水的膨胀性增大的结果。 (3)各定压力下干饱和蒸汽点的光滑连接曲线C—B，称 作水蒸汽的上边界线（干饱和蒸汽线），C—B线上任 一状态点都是对应各不同压下的干饱和蒸汽。C—B线 是一条向左偏斜的曲线，这是由于干蒸汽的可压缩性 大于其ts↑的膨胀性的结果。在T-s图上，饱和水温度 ts↑，汽化用于克服水分子内聚力和克服外力做出膨 胀功所需热量↓熵增↓。
⒉液化：蒸汽变成水的现象。 从微观上讲，处于容器汽空间的汽态分子进入 容器液体空间的现象称为液化。 ⒊饱和状态：对于一个汽液共存系统，微观意 义上的汽化速度等于液化速度相等时，系统内 的液体量和汽体量达到平衡的状态。即汽化和 液化还在同时进行，但汽液两相分子数量都不 再增加或减少。
系统处于饱和状态时的压力、温度就称之 为饱和压力、饱和温度。 饱和压力与饱和温度不是彼此独立的，它 们有一定的函数关系。－－－－因为液体 的汽化速度取决于液体的温度，而汽体的 液化速度取决于蒸汽的压力。 ts=f(Ps)
1 2 ∴ Δc ≈ , gΔZ ≈ , Ws = 0 0 0 2
q = ( h − h ) kJ / kg
2 1
系统加入热量=工质在系统出口焓值—工质在系 统进口焓值。
二、汽轮机及水泵内绝热流动过程 1．对于汽轮机：由于绝热，由
1 q = ( h − h ) + (c − c ) + g ( Z − Z ) + W 2
s
1 2 ∵ q = 0 , Δc ≈ , gΔZ ≈ 0 0 2
∴W = h − h
p 2
1
kJ / kg
——外界对系统做功
三、绝热节流 ——工质流经管道内的阀门、孔板，使之 在局部阻力作用下，流体压力明显降低的 热力过程。
1 0 2
1
0
2
由
1 2 2 q = (h2 − h1 ) + (c2 − c1 ) + g ( Z 2 − Z1 ) + Ws 2
4．水蒸气的常用术语及表示参数：
（1）过冷水：在定压下，未达到饱和状态的水。 P，t，v ，h ，s （2）饱和水：在定压下，达到饱和状态的水，也就是只 需再上一点热量，就会产生水蒸汽。 P，ts，v’ ，h’ ，s’，x=0 P≈0.004Mpa ， ts =28.6℃; P≈0.031161Mpa ， ts =70℃;P≈0.1Mpa ， ts =100℃; P≈0.2Mpa， ts =120℃;P≈0.5Mpa ， ts =151℃; （3）湿饱和蒸汽：在定压下，饱和水与饱和蒸汽的机械 混合物。 P，ts，vx ，hx ，sx，0<x<1 干度：在饱和蒸汽这种汽——水混合物中，干饱和蒸 汽所占的质量百分比。用“x”表示。 则 (1-x)即为 “湿度”
(4) 干饱和蒸汽：在定压下，纯饱和水蒸汽。 P，ts，v”，h” ，s”，x=1 (5) 过热蒸汽：在定压下，对干饱和蒸汽进一步 加热。 P，t，v ，h ，s (6) 过冷度：过冷水的温度低于同压力下饱和温 度的差。用“D”表示。 D= ts –t 过热度：过热蒸汽温度高于同压力下饱和温 度的差。用“D”表示。 D=t- ts
a = 1.4 × 287 × 288.15 = 340m / s
当温度T=(15+273.15)k时， 当Ma<1,即流速小于当地音速，称亚音速流动。 当Ma=1,即流速等于当地音速，称等音速流动。 当Ma>1,即流速大于当地音速，称超音速流动。
压力与速度的关系：
dp dp c 2 dc dc = −vp ⇒ = −kM a p p c c
蒸汽烫伤
3、水蒸汽的p-v与T-s图
显然，定压力ps可以是任意的，为了了解水 蒸汽不同定压下的综合特性规律，我们取： p1<p2<p3<p4<pc为定压值时的p-v与T-s图
M P b3 a2 b2 a2 b1 a1 c1 C T N d3 c2 d2 d1 a1 A x=0.1 0 v x=0.9 B A a2 0 s x=0.1 x=0.9 B b1 b2 M C N d3 d2 d1 c1
二、水蒸汽定压形成过程：
我们取1kg，0℃的过冷水，置于一个带 有活塞的封闭汽缸内，进行定压力Ps下 加热，观察一个近似可逆的定压水蒸汽 形成过程如下：
P t0=0℃ v0 h0 s0
P ts v’ h’ s’
P ts vx hx sx
P ts v” h” s”
Pt vh s
1.定压加热过程分析：vx
定压力ps，水定压加热经历五种物理状态变化。 加热分为三个阶段，分别加入三部分热量：
总加热量=预热热量qpre+汽化潜热r(qrap)+ 过热热量q过（qsup） q=(h’-h0)+(h”-热面。
2.将上述定压加热过程描述在p-v，T-s图 上：
2 2 2 1 2 1 2 1
t
1 2 ∵ q = 0 , Δc ≈ , gΔZ ≈ 0 0 2
∴W = ( h − h ) kJ / kg
t 1 2
——对外做出正功
2．对于水泵：由
1 q = ( h − h ) + (c − c ) + g ( Z − Z ) + W 2
2 2 2 1 2 1 2 1
三、水蒸气图、 表应用 ⒈饱和水与干饱 和蒸汽表（压力 排列）P236、 237页。 ⒉饱和水与干饱 和蒸汽表（温度 排列）P237、 238页。 ⒊未饱和水与过 热蒸汽表P239、 240页。 ⒋水蒸气图。 P18、22页
C B
A
第二章 水蒸汽及其 动力循环
第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用 第二节 水蒸气典型热力过程 第三节 水蒸气动力循环
比容与速度的关系：