工程热力学学-11 水蒸气及蒸汽动力循环

第十一章
水蒸气及蒸汽动力循环
能源与动力工程学院 新能源与科学工程系
吉恒松
11-1 水蒸气的发生过程
工程热力学
一、蒸气的定压发生过程
锅炉中的水蒸气发生过程都可看作定压加热过程。
取初始状态水的压力为 p ，温度为 t（三相点温度0.01℃）。
p
t < p所对应的ts
未饱和水状态
pC p
B
tC 374.15 oC
1
T
汽轮机
锅
炉
1 1’
0
a
2’
0
1’
冷凝器பைடு நூலகம்
3
给水泵
3
a
2 2’
x2’ > x2 s
22
T
0 3
1 1’
a 2 2’
s
工程热力学
0-1 定压吸热过程（锅炉） 1-a 绝热膨胀过程（高压汽轮机） a-1’ 定压再热过程（锅炉中再热） 1’-2’绝热膨胀过程（低压汽轮机） 2’-3 定压放热过程（冷凝器） 3-0 绝热加压过程（给水泵）
p=0.6112kPa v 0.001 000 22 m3/kg T =273.16K
u'0.01=0 kJ/kg s'0.01=0 kJ/kg h '0.01 u '0.01 pv 0 0.6112 0.00100022 0.000611 0 kJ/kg
9
p
1、常用的水蒸气热力性质表：
3-0：抽汽后剩余的(1-α)kg水在水泵中的绝热加压过程
0-b：抽汽后剩余的(1-α)kg水在回热器中的定压吸热过程 b-0’：回热后重新汇合的1kg水在水泵中的绝热加压过程
x2’ > x2，说明乏气中液态水分减
0
少，这有利于减少气轮机的功耗散，
3
有利于改善气轮机叶片工作条件。
2、提高蒸汽初压 p1
T
当蒸汽初温T1和乏气压力p2不变时， 提高初压p1 。
x2’ < x2 ，说明气轮机中水分增加，
这会增加气轮机功耗散，影响气轮机
0’
工作条件，因此一般同时提高蒸汽的
0
初温及初压。
pC 22.12 MPa
C
tC
vC 0.00317 m3 /kg
ts
注意：压力越大，饱和温度越高！
t
A
v
2
水的定压加热过程
工程热力学
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
t < ts
未饱和水
t = ts
饱和水
t = ts
t = ts
t > ts
干湿饱饱饱和和和蒸水蒸汽汽 干饱和蒸汽 过热蒸汽
p
T
pC
工程热力学
ux (1 x)u'xu" u'x(u"u') hx (1 x)h ' xh" h ' x(h" h ') h' xL sx (1 x)s'xs" s'x(s"s') vx (1 x)v'xv" v'x(v"v')
8
11-2 水蒸气热力性质表和图
再热循环
t1

1
(h2 (h1

h3 ) h0 )

(h2 (h1
' h2 ) ' ha )
1 AC BD
T
朗肯循环
t 2
1
h2 h1
h3 h0
1 A B
0
3
何时 t1 t 2 ?
工程热力学
1 1’ a 2 2’
s
当
A

C
A
时，有

AC

C
（C、D同号），即有 1
0
定压放热过程2-3，放热量： q2 h2 h3
3
绝热膨胀过程1-2，汽轮机作功：(ws,T )12 h1 h2
2 s
0 绝热加压过程3-0，给水泵消耗功： (ws, p )30 h0 h3
w0 (ws,T )12 (ws, p )30 (h1 h2 ) (h0 h3 )
在饱和曲线（AC、BC）所包围的饱和区内，饱和水和干饱
和水蒸气共存而处于平衡的状态，称为饱和状态。
在饱和状态下，饱和水和干饱和水蒸气的平衡是动态平衡。
湿饱和蒸汽中干饱和水蒸气的质量分数称为干度：x mv mv m w
7
x mv mv m w
U x U 'U" H x H 'H" Sx S'S" Vx V 'V"
（2）在过热蒸汽区内，定温 线较为平坦，定压线较陡。
（3）在过热蒸汽区内，定容 线和定压线走向大致相同， 但较定压线稍陡。
s
13
工程热力学
第六届国际水蒸汽性质会议成立的国际公式化委员会 IFC(International Formulation Committee)制定了用于计算水和 水蒸汽热力性质的IFC公式，并在此基础上不断制定新的计算公 式，为大家所熟悉的就是“工业用1967年IFC公式”（简称IFC67公式） 。
干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态。
4
三、水蒸气发生过程中的能量关系
p
pC
C
abc d
tC
e
B v’
A v
v ’’
T
p
e
ts a
bc d
t
s s’ s ’’
1、预热过程：未饱和水转变为饱和水的过程；
工程热力学
q ' hb ha h ' h0.01 (u ' u0.01) p(v ' v0.01)
24
11-6 回热循环
工程热力学
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），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。
1
汽轮机
T
锅
炉
0’
a2
冷凝器
b 回热器
给水泵
3
0
水泵
0’ 0b 3
1 kg α kg 1-α kg
1 a
v ' v0.01
q ' h ' h0.01 u ' u0.01 液体热
5
p
T
pC
C
abc d
tC
e
e
bc d
tC a
B v’
A v
v ’’
s s’ s ’’
2、汽化过程：饱和水转变为干饱和水蒸气的过程。
L h h (u u) p(v v) 汽化潜热
四、定熵过程 s1 = s2
2
q12
Tds
1
0
w12 q12 u1,2
u1 u2 (h1 h2 ) ( p1v1 p2v2 )
h x=0
工程热力学
p1
p2
2 t1 = t2
1
x
x=1
s
p1 1 t1
p2
t2
2 x x=1
s 17
11-4 朗肯循环
工程热力学
C
p a bc d
B
tC
e
ts t
A v
pe
bcd
ts ta
s 3
二、水蒸气的p-v图和T-s图
p
T
pC
C
t > tC
tC
tC
t < tC
工程热力学
p > pC pC p < pC
C
B
A
B
v
A s
一点：临界点（C） 两线：干饱和水蒸气线（AC） 、饱和水线（BC） 三区：液态区、湿蒸汽区、气态区 五态：未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、
3
工程热力学
p1
1’ T1’
1
T1
p2
2 2’
s
p1’ p1 1’
1 T1 p2
2’ 2 s 20
二、提高朗肯循环热效率的方法
3、降低乏气压力 p2 当蒸汽初温T1和初压p1不变时，降
低乏气压力p2 。 乏气的凝结温度主要取决于自然环
境中冷却介质的温度 。
T
0 0’
3 3’
工程热力学
p1
1 T1
p2
一、朗肯循环（Rankine Cycle）
1
1、过程分析
锅
0-1：定压吸热过程（蒸汽锅炉） 0 炉
1-2：绝热膨胀过程（汽轮机）
2-3：定压放热过程（冷凝器）
3-0：绝热加压过程（给水泵）
p
给水泵 T
汽轮机
冷凝器
2 乏气
3
h
1
0
1
1
0
0
2
3
2
3
2
3
v
s
s
18
2、效率分析
T
工程热力学
1
定压吸热过程0-1，吸热量：q1 h1 h0
t

w0 q1
(h1 h2 ) (h0 h3) h1 h0
t

(ws,T )12 q1
h1 h2 h1 h3
wp v3( p0 p3) v3( p1 p2 )
19
二、提高朗肯循环热效率的方法
T
1、提高蒸汽初温 T1
当蒸汽初压p1和乏气压力p2不变 时，提高初温T1。
2 s
25
1、热力过程：
1
汽轮机
锅
T
炉
0’
a
b 回热器
给水泵
0
2
冷凝器
3
水泵
0’-1：1kg水在锅炉中的定压吸热过程
1 kg 0’
α kg
0
b 1-α kg
3
工程热力学
1 a
2 s
1-a：1kg过热蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程
a-b：从汽轮机中抽出的αkg蒸汽在回热器中的定压放热过程 a-2：抽汽后剩余的(1-α)kg水蒸气在汽轮机中的绝热膨胀过程 2-3：抽汽后剩余的(1-α)kg乏汽在冷凝器中的定压放热过程
h x=0
工程热力学
p2 2 t2
p1 t1
1
x x=1
s
p1 =p2 2 t2
t1
1 x x=1 s 16
三、定温过程 t1 = t2
h
q12
2
Tds
1
T1(s2 s1)
w12 q12 u1,2
T1(s2 s1) [(h2 h1) ( p2v2 p1v1)] x=0
T2
2
p2’
T2’
2’
s
21
11-5 再热循环
工程热力学
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。采用再热措施的理想循环称为再热循环。
当蒸汽在汽轮机中膨胀作功而压力降低到某个中间压力时，把蒸 汽从汽轮机引出，送至再热器重新加热，使蒸汽的温度再次达到较高 的温度，然后送回汽轮机的低压汽缸，进一步膨胀作功。
只有当Tm,a-1’ > Tm,0-1 时，则循环的平均加热温度才会得以提高 。
即a点的温度不宜过低。
t
1
q2 q1
1
h2 ' h3
1 (h2 h3) (h2 ' h2 )
(h1 h0 ) (h1 ' ha )
(h1 h0 ) (h1 ' ha )
23
B
A
s
10
2、水蒸气热力性质线图（h - s图）
工程热力学
11
2、水蒸气热力性质线图（h - s图）
工程热力学
C为临界点，BC为饱和水线，AC为干饱和水蒸气线 ACB线下面是湿蒸汽区，AC右上方是过热蒸汽区
h
定压线群
p
vT
定温线群
定容线群
C
定干度线群
A
B
s
12
h
p
C
B
工程热力学
vT A
（1）在湿蒸汽区内有定压线、 定温线和等干度线，此区域 内，定压线即为定温线；
气化过程的压力越高，气化潜热的数值越小！
3、过热过程：干饱和水蒸气转变为过热水蒸气的过程。
q he hd h h
过热热量
工程热力学
6
四、水蒸气的饱和状态
p
T
pC
C
t > tC
tC
tC
t < tC
工程热力学
p > pC pC p < pC
C
B x=0
x=1 A
Bx=0
v
x=1A s
14
11-3 水蒸气的热力过程
工程热力学
分析水蒸气热力过程的目的：确定能量转换关系，即计算 和分析功、热量、热力学能、焓的变化。
q12 u1,2 w12
2
2
q12
Tds
1
w12 1 pdv
2
q12 h1,2
vdp
1
15
一、定容过程 v1 = v2
未饱和水及过热蒸汽表（表11－1）
pc
温度&压力 v、s、h
B
饱和水及干饱和蒸汽表（表11－2）
T
按温度排列 饱和压力 v ’、s ’ 、h ’ 按压力排列 饱和温度 v’’ 、s’’ 、h’’ tc
工程热力学
c
t
> tc
tc
t < tc
A v
p > pc pc p < pc
c
hx (1 x)h ' xh"
在1997年德国Erlangen召开的水和水蒸汽性质国际联合会 （IAPWS）通过并发表了由德、俄、英、加等7国12位科学家组 成的联合研究小组提出的一个全新的水和水蒸汽计算模型，即 IAPWS-IF97公式。
自1999年1月1日后，水和水蒸汽性质国际联合会（IAPWS） 要求在商业合同中采用新型的水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97 公式。
2
w12 1 pdv 0
q12 u1,2 w12 u2 u1
(h2 h1) v1( p2 p1)
二、定压过程 p1 = p2
2
w12 1 pdv p1(v2 v1)
2
q12 h1,2
vdp
1
h2 h1
h x=0
A 1
AC
BD
B BD D
B BD
当
h2 h3 h1 h0

h2 ' h2 h1 ' ha
时，有 1
h2 h3 h1 h0
1 (h2 h3) (h2 ' h2 ) (h1 h0 ) (h1 ' ha )
即
t 2
t1
采用再热措施后，乏气的干度可以有显著提高，因此在一 定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 汽初压，使循环的热效率得到进一步提高。
工程热力学
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图，提供了计算所需的各种状态下 水蒸气参数的详尽数据。
工程中只需计算水蒸气u、h、s的变化量，因此可任选一个基 准点。国际会议规定，水蒸气热力性质表和图以三相点状态的液 相水为基准点编制。此状态下液相水的热力学能和熵被规定为零!