5第五章 水蒸气与蒸汽动力循环.ppt

第五章水蒸气和蒸汽动力循环 学习导引 本章介绍了水蒸气的定压发生过程 水蒸气图表及其应用 蒸汽动力循环的系统组成 工作原理及循环在T s图上的表示方法 学习要求 1 掌握有关蒸汽的各种术语及其意义 如 汽化 凝结 饱和状态 未饱和液体 饱和液体 湿蒸汽 干饱和蒸汽 过热蒸汽 干度等概念及不同蒸汽状态的特征和关系 2 了解蒸汽定压发生过程及其在p v图与T s图上的一点 二线 三区和五态 3 了解水蒸气图表的结构 能够熟练利用水蒸气图表查出水蒸气状态参数 4 掌握水蒸气基本热力过程的特点和热量 功量 热力学能的计算 5 掌握朗肯循环的基本装置 热力过程及热效率 了解蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 6 了解再热循环和回热循环的基本装置 热力过程及热效率 了解热电合供循环的基本思想和经济性指标 本章难点 1 本章的基本概念较多 也比较抽象 较难理解 学习中应反复深入地思考 正确理解这些概念的物理意义 找出其间有机的联系 并在应用中加深理解 2 熟练利用水蒸气图表进行相关工程计算在初始阶段会有一定难度 应结合例题与习题加强练习 3 朗肯循环的热效率计算有一定难度 分析蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 以及提高其热效率的方法理解起来也有一定难度 气态工质 气体 蒸汽 远离液态 一般可作为理想气体处理 如空气 燃气 刚脱离或接近液态 一般不能作为理想气体处理 如水蒸气 制冷剂蒸气等 水蒸气具有良好的热力性质 来源丰富 易于获得 比热容大 传热性能好 且无毒无味 无污染 在热力工程中的使用极为广泛 第一节水蒸气的定压发生过程 如水蒸气在热电厂和空调工程中的应用 蒸发 沸腾 在任何温度条件下发生在液体表面的汽化过程 温度越高 蒸发表面积越大 蒸发越强烈 在一定温度 沸点 下 液体内部和表面同时发生的剧烈汽化过程 沸腾可通过加热或减压的方法实现 相同压力下 不同的液体沸点不同 一 基本概念 如敞口杯子中的酒精变少了 湿衣服的晾干 1 汽化 液体开始沸腾的温度 如在0 1MPa时 水的沸点为99 634 氨的沸点为 32 汽化过程是吸热过程 两种形式 物质由液态变为气态的过程 定义 2 凝结 物质由气态转变为液态的过程称为凝结 液态物质 放热 凝结 吸热 汽化 气态物质 汽相空间蒸汽分子越多 蒸汽压力越大 凝结速度越快 如水蒸汽冷凝为水 同压力下蒸汽的凝结温度与液体的沸点相等 定义 饱和压力ps 饱和状态下汽液的压力 饱和温度ts 饱和状态下汽液的压力 如水蒸气 ps 0 101325MPa ts 100 C 3 饱和状态 汽化和凝结达到动态平衡的状态或者气液两相动态平衡的状态 在饱和状态下 有 饱和温度和饱和压力一一对应 定义 封闭真空容器 ps和Ts互为单值函数 ps f Ts 饱和液体 湿饱和蒸汽 湿蒸汽 干饱和蒸汽 干蒸汽 过热蒸汽 蒸汽温度T 其压力对应的Ts 过热度 T T Ts 未饱和液 液体温度T 其压力对应Ts 过冷度 T Ts T 0 1MPa 109 的水蒸汽处于何状态 杯中30 的水呢 处于饱和状态下的液体 立刻沸腾产生蒸汽 饱和蒸汽与饱和液体的混合物 不含饱和液体的饱和蒸汽 4 干度 单位质量湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量称为湿蒸汽的干度 表示式为 饱和液体和饱和蒸汽的混合物 干度x的取值范围为0 1 x 0 饱和液体 0 x 1 湿 饱和 蒸汽 x 1 干饱和蒸汽 引入干度x可确定湿蒸汽中所含饱和液体和饱和蒸汽的量 或确定湿蒸汽的状态 mv 湿蒸气中干饱和蒸气的质量 mw 湿蒸气中饱和水的质量 定义 二 水蒸气定压发生过程的三个阶段和五种状态 汽化潜热kJ kg 预热阶段 汽化阶段 过热阶段 凝结潜热 同工质同温度下 三 水蒸气定压发生过程在p v图和T s图上的表示 水的临界状态pc 22 064MPatc 373 99 vc 0 003106m3 kg 临界点C饱和水线 x 0 饱和蒸汽线 x 1 末饱和水区 汽液两相共存区 过热蒸汽区末饱和水 饱和水 湿蒸汽 干饱和蒸汽 过热蒸汽 一点二线三区五态 在临界点C汽液两相差异完全消失 汽液相变将在瞬间完成 在临界温度以上不能用压缩的方法使蒸汽液化 例5 110kg水处于0 1MPa下时饱和温度ts 99 634 当压力不变时 1 若其温度变为120 处于何种状态 2 若测得10kg工质中含蒸汽4kg 含水6kg则又处于何种状态 此时的温度与干度应为多少 解 1 因t 120 ts 99 634 t ts 此时处于过热蒸汽状态 其过热度为 ts t ts 120 99 634 20 366 2 10kg工质中既含有蒸汽又含有水 处于汽 液共存状态 为湿蒸汽 其温度为饱和温度t ts 99 634 其干度为 第二节水蒸气表和图 工程上将水基准点的焓视为零已足够精确 水蒸气不同于理想气体 其参数通过实验和分析的方法求得 将不同温度和不压力下的未饱和水 饱和水 干饱和蒸汽和过热蒸汽的状态参数列成数据表或绘成线算图 以供工程计算查用 一 零点的规定 水蒸气图表选定水的三相点 即273 16K的液相水 作为基准点 规定在该点的液相水的u s值为零 此时有 t0 0 01 C p0 611 659Pa v 0 0 00100021 3 k u 0 0kJ kg s 0 0kJ kg K 0 u 0 p0v 0 0 611J kg 0kJ kg 制冷剂蒸气图表常将零点规定于0 以下 p ps t ts 二 水和水蒸气表 饱和水与饱和蒸汽表 未饱和水与过热蒸汽表 附表6 按温度排列 附表4 按压力排列 附表5 湿 饱和 蒸汽区状态参数的确定 根据温度或压力 查出相应的状态参数 参数右上角加 表示饱和液体参数 加 表示饱和蒸汽参数 注意 粗黑线上方是未饱和水的参数值 下方是过热蒸汽的参数值 两类 如有1kg湿蒸气 干度为x 即有xkg干饱和蒸汽 1 x kg饱和水 已知p或T 可查出h v s h v s 干度x h v s 约定 饱和水参数加上标 h 干饱和蒸汽 h 注意单位 u可通过u h pv求得 表中未列出的参数用线性插值法求得 查表举例 1 查表时先要确定在五态中的哪一态 然后根据对应的状态查询对应的附表 例 1已知 p 1MPa 试确定t 100 200 各处于哪个状态 各自h是多少 ts p 179 916 t 100 ts 未饱和水 h 419 74kJ kg t 200 ts 过热蒸汽 h 2827 3kJ kg 查表举例 2 已知t 250 5kg蒸汽占有0 2m3容积 试问蒸汽所处状态 h T 250 查附表13 湿蒸汽状态 v 0 00125145m3 kg v 0 050112m3 kg 而该蒸汽 v 0 2 5 0 04m3 kg t 250 例5 2试判断下列情况下水处于什么状态 并确定其它各参数的值 1 p 0 1MPa t 50 2 p 0 5MPa t 200 3 p 0 8MPa v 0 22m3 kg 4 p 1MPa t 179 916 解 1 查附表5 p 0 1MPa ts 99 634 而t ts 故第一种情况为未饱和水状态 查附表6 当p 0 1MPa t 50 时用线性插值法求得未饱和水的其它参数为v 0 00101245m3 kg h 209 405kJ kg s 0 70175kJ kg K u h pv 209 405 0 1 103 0 00101245 209 304 kJ kg 2 查附表5 p 0 5MPa ts 151 867 而t ts 故第二种情况为过热水蒸气状态 查附表6 当p 0 5MPa t 200 时 过热水蒸气的其它参数为v 0 42487m3 kg h 2854 9kJ kg s 7 0585kJ kg K u h pv 2854 9 0 5 103 0 42487 2642 465 kJ kg 3 查附表5 当p 0 8MPa时 v 0 0011148m3 kg v 0 24037m3 kg h 721 2kJ kg h 2768 86kJ kg s 2 0464kJ kg K s 6 6625kJ kg K 因为v 0 22m3 kg 介于饱和水与干饱和水蒸气之间 即v v v 故第三种情况为湿蒸汽状态 由式可得干度该状态下的其它参数为tx ts 170 444 hx h x h h 721 2 0 915 2768 68 721 2 2594 64 kJ kg sx s x s s 2 0464 0 915 6 6625 2 0464 6 2701 kJ kg K ux hx pvx 2594 64 0 8 103 0 22 2418 64 kJ kg 4 查附表5 p 1MPa ts 179 916 t ts 故第四种情况是饱和状态 但无法确定是饱和水 干饱和水蒸气还是湿蒸汽 其余参数也无法确定 三 水蒸气的焓熵图 欲获得水蒸汽的状态参数 可查 水蒸气表 水蒸气的焓熵图 莫里尔图 P242附图1 方便 直观 但不够精确 精确度高 但往往不太方便 且不直观 h s图上的一条线表示一个确定的热力过程 查取初 终态的参数值 就可对该过程进行热工计算 水蒸气的焓熵图 工程上常用蒸汽为图中方框部分 附图1 湿蒸汽区的定压线就是定温线 查h s图举例 1 已知t 360 p 0 5MPa 确定状态 h 在过热区 过热状态 h 3200kJ kg 四 水蒸气的基本热力过程 水蒸气的热力过程分析计算步骤 1 根据已知初态的两个独立参数 在图上 或水蒸气表上 找到代表初态的点 并查出其它初态参数值 2 根据过程条件 沿定压线 定容线 定温线 定熵线 和终态的一个参数值 找到终态的点 并查出终态的其它参数值 见图5 4 3 根据已求的初 终态参数 应用热力学第一和第二定律等基本方程计算工质与外界传递的能量 即q w等 1 定压过程 工程计算中最常遇到 如水在锅炉中吸热形成水蒸气的过程 水蒸气通过各种换热器进行热交换的过程 忽略流动阻力等不可逆因素 1 2 定压吸热膨胀升温2 1 定压放热被压缩降温 2 定容过程 1 2过程 定容吸热升压升温 吸收的热量全部转化为热力学能 3 定温过程 1 2过程 定温膨胀 蒸汽状态由湿蒸汽变为干饱和蒸汽 再变为过热蒸汽 4 绝热过程 忽略散热及不可逆因素 对过热蒸汽 经绝热膨胀 过热度减小 变为干饱和蒸汽 若继续膨胀 则变为湿蒸汽 同时干度会随之减小 工程计算中最常遇到 如水蒸气通过汽轮机膨胀而对外作功 又如水蒸气通过喷管的过程等 例5 3水蒸气在0 2MPa压力下从150 定压加热到250 试求1kg水蒸气的吸热量 所作的膨胀功及热力学能增量 解 在h s图上 由p 0 2MPa的定压线与t1 150 的定温线相交得初状态点1 与t2 250 的定温线相交得终状态点2 如图5 6所示 查得h1 2772kJ kg v1 1m3 kgh2 2973kJ kg v2 1 22m3 kg吸热量 kJ kg 膨胀功 kJ kg 热力学能增量 kJ kg 例5 4水蒸气由压力p1 1MPa 温度t1 300 可逆绝热膨胀至0 1MPa 试求1kg水蒸气所作的膨胀功和技术功 分别用h s图和水蒸气表计算 解 1 用h s图计算在h s图上 由p1 1MPa的定压线与t1 300 的定温线相交得点1 如图5 4 d 所示 查得h1 3050kJ kg v1 0 26m3 kg并求得u1 h1 p1v1 3050 1 103 0 26 2790 kJ kg 过点1作定熵线与p2 0 1MPa的定压线相交得点2 查得h2 2590kJ kg v2 1 65m3 kg求得u2 h2 p2v2 2590 0 1 103 1 65 2425 kJ kg 故膨胀功和技术功为 kJ kg kJ kg 2 用蒸气表计算根据p1 1MPa t1 300 查附表6未饱和水和过热蒸汽表 得h1 3050 4kJ kg v1 0 25793m3 kg s1 7 1216kJ kg K 所以u1 h1 p1v1 3050 4 1 103 0 25793 2792 5 kJ kg 根据终压p2 0 1MPa 查附表5按压力排列的饱和水与饱和水蒸气表 得ts 99 634 v 0 0010432m3 kg v 1 6943m3 kg h 417 52kJ kg h 2675 14kJ kg s 1 3028kJ kg K s 7 3589kJ kg K 故 故 h2 h x2 h h 417 52 0 96 2675 14 417 52 2584 8 kJ kg v2 v x2 v v 0 0010432 0 96 1 6943 0 0010432 1 6266 m3 kg u2 h2 pv2 2584 84 0 1 103 1 6266 2422 2 kJ kg 故膨胀功和技术功为 kJ kg kJ kg 因为s2 s1 7 1216kJ kg K s s2 s 所以状态2是湿蒸汽 先求x2 根据 一 朗肯循环 T s图 主要设备包括 蒸汽锅炉 蒸汽轮机 凝汽器 水泵 1 2 绝热膨胀过程 过热蒸汽在汽轮机中进行绝热膨胀并对外做功 膨胀终了的状态2为抵压下的湿蒸汽 称为乏汽 2 3 定压定温放热过程 乏汽在凝汽器中定压定温对冷却水放热凝结为饱和水 3 4 绝热压缩过程 水在给水泵中被绝热压缩 压力提高 进入锅炉