1、第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環1第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環11-1 水蒸氣的發生過程11-2 水蒸氣熱力性質表和圖11-3 水蒸氣的熱力過程11-4 朗肯循環11-5 再熱循環11-6 回熱循環11-7 熱電聯產及蒸汽-燃氣聯合循環2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環211-1 水蒸氣的發生過程 b-dts飽和水 ts干飽和水蒸汽。v， t和p均不變。 其間為汽液混合的濕飽和蒸汽。 d-ets干飽和水蒸汽 t過熱水蒸汽。t，v。 過熱度D= t- ts一、水蒸氣的定壓發生過程 a-b0.01未飽和水ts飽和水。t，v。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環3二、水蒸氣

2、發生過程中的能量關系 水蒸氣定壓發生過程的三個階段： 水的預熱未飽和水(0.01)飽和水(ts)； 水的汽化飽和水(ts)干飽和水蒸氣(ts)； 水蒸氣的過熱飽和水蒸氣（ts）過熱水蒸氣(t)。 水的液體熱q水的預熱過程中，使水由三相點溫度0.01升高到飽和溫度ts所需的熱量。 定壓預熱過程的能量轉換關系為因vv0.01，所以 定壓預熱過程的壓力越高，對應的飽和溫度也越高，水的液體熱就越大。 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環4 熱工計算僅需計算h及u，故可任取某狀態作為計算基點。規定水的三相點狀態u0 kJ/kg 。 一般情況下，對溫度為0.01時不同壓力的水，取u0.010

3、kJ/kg。壓力不高時，對0.01時水，也可取h0.010 kJ/kg。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環5汽化潛熱 水的定壓汽化過程中，1kg飽和水汽化成為干飽和水蒸氣所需的熱量稱為汽化潛熱L。 汽化過程的壓力越高，汽化潛熱的數值越小。在臨界壓力下，汽化潛熱為零。 定壓汽化過程中的熱量轉換關系為 定義：內汽化潛熱 汽化潛熱中轉變為熱力學能的部分； 外汽化潛熱 用于對外作功的部分。則有 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環6過熱熱量q 按能量轉換關系，有 顯然，將0.01的水加熱變為過熱水蒸氣所需的熱量，等于液體熱、汽化潛熱與過熱熱量三者之和。而且整個水蒸氣定壓發生過

4、程及各個階段中的加熱量，均可用水和水蒸氣的焓值變化來計算。 定壓過熱過程中所需的熱量。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環7三、水蒸氣的p-v圖和T-s圖 在p-v圖和T-s圖上，連接各定壓線上所有開始汽化的各點，形成下界線BC(飽和水線)。連接各定壓線上所有汽化完畢的各點，形成上界線AC(干飽和水蒸氣線)。 臨界點C 飽和水狀態與干飽和蒸汽狀態重合點，為水、汽不分的狀態。水蒸氣的臨界參數為tc374.15 , pc22.120MPa , vc0.00317m3/kg 下界線和上界線在臨界點C相交，形成了為飽和曲線ACB所包圍的飽和區，在該區域內飽和水和飽和水蒸氣共存，稱為濕飽和蒸

5、汽，因此飽和區又稱為濕蒸汽區。 當壓力高于臨界壓力pc時，便不再發生水的定壓汽化過程。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環8水蒸氣相變圖線的分析 上、下界線表明了水汽化的始末界線，二者統稱飽和曲線，它將p-v圖和T-s圖分為三個區域：液態區(下界線左側)、濕蒸汽區(飽和曲線內)、汽態區(上界線右側)。 常把壓力高于臨界點的臨界溫度線作為“永久”氣體與液體的分界線。 水蒸氣的相變圖線，可以總結為一點(臨界點)、二線(上界線、下界線)、三區(液態區、濕蒸汽區、氣態區)和五態(未飽和水狀態、飽和水狀態、濕飽和蒸汽狀態、干飽和蒸汽狀態、過熱蒸汽狀態) 。2022/7/17第十一章 水蒸氣及

6、蒸汽動力循環9四、水蒸氣的飽和狀態 飽和狀態飽和區內，飽和水和飽和水蒸氣共存的平衡狀態。 飽和狀態下，飽和水與飽和水蒸氣的平衡是動態的平衡。 飽和溫度與飽和壓力關系確定。壓力飽和溫度。如： p0.010 8 kPa時 ts0 p101.325 kPa時 ts100 ts和ps之間的關系由實驗或經驗公式確定。 飽和區內濕飽和蒸汽的溫度ts與壓力ps具有一定的函數關系，所以兩者只能作為一個獨立參數。要確定濕飽和蒸汽的狀態，還需另一個獨立參數，一般采用“干度”作為參數，但也可以是其他的狀態參數，如焓、熵、比體積中的任何一個。 干度x 濕飽和蒸汽中干飽和蒸汽的質量分數，即，2022/7/17第十一章

7、水蒸氣及蒸汽動力循環10 濕飽和蒸汽是干飽和蒸汽與飽和水的混合物，其熱力學能、焓、熵及容積可表示為引入干度的關系式，可得 即干度x確定時，可用飽和水及干飽和蒸汽的狀態參數，求得濕飽和蒸汽相應狀態的參數。 飽和狀態下狀態參數的計算，2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環1111-2 水蒸氣熱力性質表和圖p0.611 2 kPa， v0.001 000 22 m3/kgT273.16 K在此狀態下 kJ/kg， kJ/(kg K)而其焓值為 0 kJ/kg+0.611 2 kPa0.001 000 22 m3/kg 0.000 611 kJ/kg0 kJ/kg 工程中不需計算水蒸氣u、h

8、、s的絕對值，只需確定其變量，因此可任選一個基準點。國際會議規定，水蒸氣熱力性質表圖的編制以三相點狀態的液相水為基準點。 水的三相點的參數為 水蒸氣熱力性質復雜，有關水蒸氣的各種工程計算，常依賴各種專用的水蒸氣熱力性質表和相應的圖線。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環12常用水蒸氣熱力性質表 未飽和水及過熱蒸汽表：按溫度、壓力分別作為行、列，列出比體積、焓和熵的數值。利用該表可按給定的任意兩個狀態參數，確定該狀態下的其他三個參數。 飽和水及干飽和蒸汽表通常分為：按溫度排列；按壓力排列。列出飽和溫度、飽和壓力、飽和水以及干飽和蒸氣的比體積、焓和熵的數值。 利用這兩個表還可以根據給定

9、的參數和干度x，確定濕飽和蒸汽的各參數。 應用水蒸氣熱力性質表時，經常需要進行插值計算來確定表列兩數據中間的數值。 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環13 特征點與特征線：C臨界點，x0線，x1線。 定壓線在h-s圖上呈發散分布。由Tdsdh-vdp可知，定壓線在h-s圖上的斜率為 在飽和區內，p一定時T亦為定值，所以區內的定壓線為一簇斜率不同的直線。在過熱區，隨溫度的增高，定壓線趨于陡峭。 h-s圖 定溫線飽和區內與定壓線重合，在過熱區與定壓線自上界線處分開后逐漸趨于平坦。即隨p蒸汽性質趨近理想氣體。 定容線走向與定壓線相同，但比定壓線稍陡。 定干度線一組干度等于常數的曲線。

10、x0.5區域圖線過密，工程中不經常使用這部分數據，故通常所用的h-s圖線不包括這一區域。 用h-s圖確定蒸汽狀態簡便、直觀，但讀數欠準確。 水蒸氣工程計算中，應用最廣泛的線圖 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環1411-3 水蒸氣的熱力過程 分析水蒸氣熱力過程的目的確定過程的能量轉換關系，包括w、q以及u和h等。因此，需確定狀態參數的變化。 確定過程的能量轉換關系的依據為熱力學第一定律：可用水蒸氣表及圖，依照過程的特點來確定各狀態的參數。 一、定容過程 v1=v2,于是可得2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環15 二、定壓過程 p1=p2,于是可得 三、定溫過程 T1

11、=T2,于是可得 四、定熵過程 s1=s2,于是可得 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環1611-4 朗肯循環 簡單蒸汽動力裝置的主要熱力設備：蒸汽鍋爐、汽輪機、給水泵和冷凝器。 水在鍋爐中吸收熱量形成過熱蒸汽。過熱蒸汽被送至汽輪機絕熱膨脹作功。作功后的乏汽被送至冷凝器內凝結成水。再由給水泵加壓后送回鍋爐加熱而完成一個循環。 蒸汽動力裝置理想循環的組成：0-1為定壓吸熱過程；1-2為絕熱膨脹過程；2-3為定壓放熱過程；3-4為絕熱加壓過程。 該循環稱為朗肯循環(簡單蒸汽動力裝置循環)。 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環17朗肯循環熱效率分析 0-1過程，工質吸熱：

12、 q1h1h0 2-3過程，工質放熱： 絕熱膨脹過程1-2，工質在汽輪機中所作的軸功為 (ws,T)1-2h1h2 絕熱加壓過程3-0，給水泵消耗的軸功為 循環凈功： 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環18朗肯循環熱效率因此，有水泵的耗功約為汽輪機軸功的2%，可忽略，即則循環熱效率可近似表示為 定壓吸熱過程0-1中，工質的吸熱量為q1h1h0 循環凈功為汽輪機軸功和水泵耗功之差，即 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環19一、提高蒸汽初溫對熱效率的影響 設初壓p1、乏汽壓力p2不變。 蒸汽的初溫由T1 平均加熱溫度提高，即 Tm1。 放熱過程 -3與原過程2-3的放熱

13、溫度T2相同。 于是，由等效卡諾循環熱效率公式t1(T2/Tm1)可知，蒸汽初溫由T1提高到 時，朗肯循環熱效率提高。 蒸汽初溫提高時，如蒸汽初壓不變，膨脹終狀態 比原狀態2的干度大，即乏汽中含有的水分減少，這利于減少汽輪機內部的功耗散，也利于汽輪機葉片工作條件的改善。另外，為提高蒸汽初溫，要求鍋爐過熱器材料具有較好的耐熱性。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環20二、提高蒸汽初壓對熱效率的影響 設初溫T1及乏汽的壓力p2不變。 蒸汽初壓由p1提高到 平均加熱溫度提高，即 Tm1。 放熱過程 -3和原過程2-3放熱溫度T2相同。 于是，根據等效卡諾循環的熱效率公式t1(T2/Tm1

14、)可知，提高蒸汽初壓 可使朗肯循環的熱效率提高。 蒸汽初壓提高時，如蒸汽初溫不變，則膨脹終了狀態 比原狀態2的干度小，即乏汽中的水分增加，這會引起汽輪機內部的耗散增加。當水分過多時，由于水滴的沖擊，汽輪機葉片表面受破壞，甚至引起葉片振動，影響葉片使用壽命。因此，一般同時提高蒸汽的初溫及初壓，保證既能提高熱效率，又能使汽輪機內部具有良好的工作條件。 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環21三、降低乏汽壓力對熱效率的影響 設初溫T1及初壓力p1不變。 乏汽壓力p2與乏汽壓力相應的飽和溫度放熱過程 - 比原過程2-3有更低的放熱溫度，即 T2。雖這時加熱過程的起點T0也降低為 ，但它對整

15、個加熱過程的平均加熱溫度影響很小。 因而，由等效卡諾循環熱效率公式可知，乏汽壓力p2朗肯循環熱效率。 乏汽凝結溫度主要取決于自然環境中冷卻介質溫度。當乏汽凝結溫度降低到28時，乏汽的壓力相應地降低為0.0039MPa左右。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環2211-5 再熱循環 工作過程：蒸汽在汽輪機中膨脹作功而壓力降低到某個中間壓力時，將蒸汽從汽輪機引出，送至再熱器重新加熱，使蒸汽溫度再次達到較高溫度，然后送回汽輪機低壓汽缸，進一步膨脹作功。 再熱可提高循環的平均加熱溫度，進而提高循環熱效率 。 再熱循環的組成：0-1為定壓吸熱；1-a為絕熱膨脹；a- 為定壓再熱； - 為絕熱

16、膨脹； -3為定壓放熱；3-0為絕熱加壓。 要使整個加熱過程的平均加熱溫度比沒有再熱時高，應該使過程a- 的平均加熱溫度高于過程0-1的平均加熱溫度。即a點的溫度不宜過低。當再熱過程a- 的平均加熱溫度高于加熱過程0-1的平均加熱溫度時，循環平均加熱溫度得以提高 ，熱效率也提高。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環23再熱循環的熱效率對比朗肯循環熱效率可見，只有當 時（即循環a-1-2-2-a的熱效率大于朗肯循環的熱效率），再熱循環才具有比朗肯循環高的熱效率?？杀硎緸?將其改寫為 采用再熱措施時，乏汽干度顯著提高。因此在一定蒸汽初溫條件下，采用再熱循環可應用更高的蒸汽初壓，使熱效率

17、進一步提高?，F代蒸汽動力裝置中，初壓高于13MPa的大型裝置都采用再熱措施。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環2411-6 回熱循環 當蒸汽在汽輪機中經初步膨脹作功而壓力降低到某個中間壓力時，從中抽出少量蒸汽送至回熱器作回熱用，其余蒸汽繼續在汽輪機中膨脹到乏汽壓力作出軸功。當乏汽在冷凝器中凝結成水后用水泵加壓到等于中間抽汽的壓力，送入回熱器和從汽輪機抽出的蒸汽 采用回熱的方法可提高循環的平均加熱溫度，達到提高熱效率的目的。 從汽輪機中抽取適當膨脹后的蒸汽，用于預熱鍋爐給水，使鍋爐中水的加熱過程從較高的溫度開始，使平均加熱溫度增高 。相接觸，兩者混合回熱而形成與中間抽汽壓力相對應的

18、飽和水，最后經給水泵加壓后重新送入鍋爐。 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環25 3-0 (1 )kg水的絕熱加壓過程； 0-11kg水蒸氣的定壓吸熱過程； 1-a 1kg水蒸氣的絕熱膨脹過程； a-b 從汽輪機中抽出的kg蒸汽在回熱器中的定壓回熱過程；回熱循環的工作過程 2-3 (1)kg乏汽的定壓放熱過程； 0-b (1)kg水在回熱器中的定壓預熱過程； b-0回熱后重新匯合的1kg水的絕熱加壓過程。 a-2 抽汽后剩余的(1)kg水蒸氣的絕熱膨脹過程；2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環26抽汽量的確定 = 回熱中kg水蒸氣的放熱量：(1-)kg水在回熱器中吸熱

19、量：Q(hahb)Q(1)(hbh0)二者相等，所以有 因hb比ha小得多，所以是個很小的數值。 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環27抽汽循環的功量分析 絕熱膨脹過程1-a中，1kg水蒸氣所作軸功為 于是，汽輪機所作軸功為(ws)1-ah1ha絕熱膨脹過程a-2中，(1)kg水蒸氣所作的軸功為 (Ws)a-2(1)(hah2 )Ws,T(h1ha)+(1)(hah2) Ws,T(1)(h1h2)+ (h1ha) 或2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環28抽汽循環的熱量分析Q1(1-)(h1h3)+(h1ha)即 忽略泵功，有 定壓放熱過程2-3中為(1)kg水蒸氣所

20、放出的熱量為 按的能量守恒原理，循環中有 2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環29回熱循環熱效率 按熱效率定義式，可得一級抽汽回熱循環的熱效率為與朗肯循環熱效率對比，因 總為正，故抽汽回熱循環的熱效率高于朗肯循即 環的熱效率。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環3011-7 熱電聯產及蒸汽-燃氣聯合循環 熱電聯產循環同時供電又供熱的熱力循環。 背壓式熱電聯產循環蒸汽動力裝置中，裝設背壓式汽輪機。 調節抽汽式熱電聯產循環蒸汽動力裝置中，裝設調節抽汽式汽輪機。 蒸汽-燃氣聯合循環利用蒸汽動力裝置循環和燃氣動力裝置循環的各自特性，擴大熱力循環的工作溫度范圍，達到提高循環熱效率的目的。 一般蒸汽動力裝置的冷凝過程中，乏汽向冷卻水放出大量的熱量，占其在鍋爐中所吸收熱量的50%以上。同時，由于溫度低，這部分熱量難以利用。提高汽輪機排汽壓力，其溫度也得以提高，使得汽輪機的排汽可用于生產和生活用熱；此外，在汽輪機中作了一定數量功的蒸汽也可作為生產和生活的供熱熱源。這些措施大大提高了熱力系統的熱能利用效率。2022/7/17第十一章 水蒸氣及蒸汽動力循環31一、背壓式熱電聯產循環 背壓式汽輪機：排汽壓力高于大氣壓力。 由于汽輪機排汽壓力的提高，汽輪機輸出功量相應減少，所以相同蒸