第七章水蒸气性质和蒸汽动力循环

第七章

水蒸气性质和蒸汽动力循环Thepropertyofvaporandvaporpowercycle水和水蒸气是实际气体的代表水蒸气在空气中含量极小，当作理想气体一般情况下，为实际气体，使用图表18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质直到内燃机发明，才有燃气工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质优点:便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好是其它实际气体的代表本章主要内容1.

实际工质的物性3.

水蒸气图表的结构和应用4.

水蒸气热力过程2.

水蒸气的产生过程水蒸气蒸气蒸汽SteamVapor§7-1纯物质的热力学面及相图物质三种聚集状态：固态、液态、气态热力学面：以p,v,T表示的物质各种状态的曲面水的三态：冰、水、蒸汽Puresubstance

Solid

Liquid

Gas

Ice

Water

Steam

水的热力学面两相区单相区气液固pvT六个区：三个单相区、三个两相区液--气固--气固--液pvT饱和线、三相线和临界点pv四个线：三个饱和线、一个三相线饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点一个点：临界点SaturationlineTripleline临界点Criticalpoint水的临界点状态饱和液线与饱和气线的交点气液两相共存的pmax,Tmax等温线是鞍点临界点纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水一般物质三相点三相点临界点临界点流体流体升华线升华线凝固线凝固线汽化线汽化线p-Tdiagram

ofpuresubstancespTLiquidVaporSolidTriplepointCriticalpointFluidSublimationMeltingVaporization思考题没有。t>374.16℃有3.有没有500ºC的水？1.溜冰冰刀2.北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相4.有没有-3℃

的蒸汽？5.一密闭容器内有水的汽液混合物，对其加热，是否一定能变成蒸汽？纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水一般物质三相点三相点临界点临界点流体流体饱和线、三相线和临界点pv饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点§7-2汽化与饱和沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化(气体和液体均处在饱和状态下)汽化:

由液态变成气态的物理过程

(不涉及化学变化)蒸发：汽液表面上的汽化BoilVaporization饱和状态Saturationstate饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和温度Ts饱和压力ps一一对应放掉一些水，Ts不变，

ps？Tspsps=1.01325barTs=100℃青藏ps=0.6barTs=85.95℃高压锅ps=1.6barTs=113.32℃SaturationtemperatureSaturationpressure纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水一般物质三相点三相点临界点临界点流体流体汽化线汽化线§7-3水蒸气的定压发生过程t<tst=tst=tst=tst>tsv<v’v=v’v=v’’v’<v<v’’v>v’’未饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽h<h’h=h’h=h’’h’<h<h’’h>h’’s<s’s=s’s=s’’s’<s<s’’s>s’’水预热汽化过热水蒸气定压发生过程说明(1)(2)(3)理想气体实际气体汽化时，T＝Ts不变，但h增加汽化潜热(4)未饱和水过冷度过冷水过热蒸汽过热度只有熵加热时永远增加StateofLiquidandvapor未饱和液，过冷液饱和液饱和湿蒸气饱和蒸气过热蒸气SaturatedliquidSaturatedvaporSaturatedliquid-vapormixtureSuperheatedvaporCompressedliquidSubcooledliquid汽化潜热LatentheatofVaporization压缩液sp-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程一点，二线，三区，五态等压线上饱和态参数ptsv’(m3/kg)v’’s’s’’kJ/(kg.K)0.0061120.010.00100022206.1750.09.15621.099.630.00104341.69461.30277.36085.0151.850.00109280.374811.86046.821550.0263.920.00128580.039412.92095.9712221.29374.150.003260.003264.4294.429(bar)(℃)bdbd定压加热线与饱和液线相近的说明当忽略液体cp变化，不同的p，液体近似不可压，v不变对每个不变的Tpressiblesubstance§7-4水和水蒸气状态参数及其图表状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量未饱和水及过热蒸汽，一般已知p、T即可饱和水和干饱和蒸汽，只需确定p或T湿饱和蒸汽，

p和T不独立，汽液两相1875年，吉布斯提出了吉布斯相律吉布斯相律Gibbsphaserule无化学反应时，热力系独立参数数目为独立强度参数数组元数相数对于水单元系单相2个（

p和T）两相1个（

p或T）三相0个（

p和T定值）四相不可能水和水蒸气状态参数确定的原则1、未饱和水及过热蒸汽确定任意两个独立参数，如：p、T2、饱和水和干饱和蒸汽确定p或T3、湿饱和蒸汽除p或T外，其它参数与两相比例有关两相比例由干度x确定定义干饱和蒸汽饱和水对干度x的说明：x=0

饱和水x=1

干饱和蒸汽0

≤x

≤1在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义Quality湿饱和蒸汽区状态参数的确定如果有1kg湿蒸气，干度为x,即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。已知p或T(h’,v’,s’,h’’,v’’,s’’)+干度xh

,v

,s饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）饱和水和饱和水蒸气表（按压力排列）饱和参数未饱和水和过热蒸汽表（节录）表的出处和零点的规定原则上可任取零点，国际上统一规定。但原则上不为0，对水：

表依据1985年第十届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。焓、内能、熵零点的规定：水的三相点查表举例（1）查表时先要确定在五态中的哪一态。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)=179.88℃t=100℃

<

ts,

未饱和水h=419.7kJ/kgt=200℃

>

ts,

过热蒸汽h=2827.5kJ/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℃

,

湿蒸汽状态查表举例（2）已知t=250℃,5kg

蒸气占有0.2m3容积,试问蒸气所处状态?h=?t=250℃,

湿蒸汽状态查表举例（3）

在一刚性容器内充满p=0.1MPa，t=20℃的水。由于太阳照射，使其温度升为40℃,求容器承受的压力。p=0.1MPat=20℃t=40℃等容过程储液罐很危险，不能装满。

查表举例（4）已知t=85℃,p=0.015MPa,试确定状态?h=?ts=54.0℃,

过热状态p=0.015MPa内插法p=0.01MPat=85℃p=0.02MPat=85℃p=0.015MPat=85℃饱和参数未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线）如何在图上表示功和热p-v图（示功图）：面积代表功能否用线段表示热和功T-s图（示热图）：面积代表热蒸汽动力循环锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器定压过程等熵过程焓熵图的画法(1)1、零点：h=0，s=0；2、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线）3、等压线群：p两相区pT=Const斜直线单相区sT向上翘的发散的形线C点为分界点，不在极值点上焓熵图Enthalpy-entropydiagramhsCpx=1x=0pCMollierdiagram焓熵图的画法(2)气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体两相区：T、p一一对应，T

线即p线在x=0,x=1之间，从C点出发的等分线同理想气体一样，v

线比p

线陡4、定温线T5、等容线v6、等干度线x焓熵图Enthalpy-entropydiagramhsCx=1x=0pvTx焓熵图（下部）焓熵图（上部）§7-5水蒸气的热力过程任务：确定初终态参数，计算过程中的功和热在p-v、T-s、h-s图上表示热力过程：

ps

T

v

ThermalProcessofSteam注意与理想气体过程的区别第一定律与第二定律表达式均成立理想气体特有的性质和表达式不能用准静态可逆水蒸气的定压(Isobaric)过程q=hwt=0342pv1例：锅炉中，水从30℃

，4MPa,定压加热到450℃

q=h2-h1ts(4MPa)=250.33℃锅炉、换热器水蒸气的定压过程例：水从30℃

，4MPa,定压加热到450℃

q=h2-h12Tshs2h1=129.3kJ/kgh2=3330.7kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kg水蒸气的绝热(Isentropic)过程p12’pvp2不可逆过程：

汽轮机、水泵12可逆过程：

s12

12’q=0水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵q=02’12Ts不可逆过程：

可逆过程：

sp1p2水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵q=0hs不可逆过程

可逆过程：

sp1p221h1h2h2’2’透平内效率

水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h2’2’例：汽轮机

求：解：由

t1、p1查表

水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h2’2’求：由p2查表水蒸气的绝热过程举例hsp1p221h1h2h2’2’求：水蒸气的定温(Isothermal)过程pv实际设备中很少见TCTcT远离饱和线，接近于理想气体水蒸气的定温过程12Tshs122’理想气体

测量干度原理

绝热节流可逆过程：12’水蒸气的定容(Isochoric)过程实际设备中不常见12pv水蒸气的定容过程1TshspT212vpv蒸汽动力循环水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电动力循环：以获得功为目的

四个主要装置：

锅炉

汽轮机

凝汽器

给水泵§7-6

郎肯循环RankineCycle水蒸气动力循环系统

锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器水蒸气动力循环系统的简化锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器郎肯循环1234简化（理想化）：12汽轮机s

膨胀23凝汽器p

放热34给水泵s

压缩41

锅炉p

吸热1342pv郎肯循环pv图12汽轮机s

膨胀23凝汽器p

放热34给水泵s

压缩41

锅炉p

吸热4321Tshs1324郎肯循环Ts和hs图12汽轮机s

膨胀23凝汽器p

放热34给水泵s

压缩41

锅炉p

吸热hs1324郎肯循环功和热的计算

汽轮机作功：凝汽器中的定压放热量：水泵绝热压缩耗功：锅炉中的定压吸热量：hs1324郎肯循环热效率的计算

一般很小，占0.8~1%，忽略泵功

工程上常用汽耗率,反映装置经济性，设备尺寸汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h

功量所消耗的蒸汽量kg汽耗率(SteamRate)的概念的单位是kJ/kg1kW=1

kJ/s郎肯循环与卡诺循环比较sT64211098753

q2相同；

q1卡诺>

q1朗肯

卡诺>

朗肯；

等温吸热4’1难实现

11点x太小,不利于汽机强度；

12-9两相区难压缩；

wnet卡诺小

卡诺<

朗肯；

wnet卡诺<wnet

朗肯1112对比同温限1234’对比5678对比9-10-11-12sp1t1p2654321如何提高郎肯循环的热效率影响热效率的参数？THowcanweincreasetheefficiencyoftheRankinecyclesT654321蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响t1

,p2不变，p1优点：

，汽轮机出口尺寸小缺点：

对强度要求高

不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于0.85~0.88sT654321蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响优点：

，有利于汽机安全。缺点：

对耐热及强度要求高，目前初温一般在550℃左右汽机出口尺寸大p1

,p2不变，t1sT654321乏汽压力对郎肯循环热效率的影响优点：

缺点：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.0035~0.005MPa，相应的饱和温度约为27~33℃

，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高p1

,t1不变，p2国产锅炉、汽轮机发电机组的初参数简表§7-7

实际蒸汽动力循环分析sT5322’4’1’’1’14非理想因素：给水泵不可逆(34’)汽机不可逆(12

’)汽机汽门节流(1’

1

)

蒸汽管道摩擦降压，散热(1’’1’)

实际蒸汽动力循环分析方法热一律：热效率分析法热二律：熵分析法

Ex分析法√√实际蒸汽动力循环热效率法sT5322’4’1’’1’14忽略泵功可逆循环效率汽机相对内效率管道和节流，管道效率锅炉散热和排烟，锅炉效率整个实际蒸汽动力循环热效率sT5322’4’1’’1’14整个电厂热效率sT5322’4’1’’1’14机械效率电机效率实际蒸汽动力装置的Ex分析法对于稳定流动进入设备的Ex总和离开设备的Ex总和Ex损失之和焓Ex锅炉的Ex分析sT5322’4’1’’1’14排烟过热汽1’’水4’（3）渣燃料空气锅炉的Ex分析（燃烧）排烟过热汽1’’水4’（3）渣燃料空气空气燃料设燃料完全是Ex（1）燃烧，烟气热量以环境为基准平均燃烧温度锅炉的Ex分析（散热）排烟过热汽1’’水4’（3）渣燃料空气（2）排烟，渣，散热后，可传给水的ex锅炉的Ex分析（传热）排烟过热汽1’’水4’（3）渣燃料空气（3）传热，水的温度远比燃气低，温差传热水得到的ex管道和汽机主汽门节流的Ex分析sT5322’4’1’’1’141’’1管道和汽机主汽门节流的Ex分析1’’1汽机入口ex管道和主汽门的ex损失汽轮机的Ex分析sT5322’4’1’’1’1412’wnet’绝热汽轮机的Ex分析汽轮机最大可能作功汽轮机的ex损失12’wnet’汽轮机实际输出功冷凝器的Ex分析sT5322’4’1’’1’1432’冷凝器的ex损失两种分析方法的比较锅炉qB/qf=10%

B/ex,qf=56.7%(燃烧14.1%排烟及散热

8.6%传热34%)管道

qtu/qf=

0.6%

tu/ex,qf=

0.5%汽轮机qt/qf=

0

t/ex,qf=

5.6%凝汽器qc/qf=

55.7%

c/ex,qf=3.5%

Ex经济学分析方法热效率法Ex分析法Ex损失的表示sT5322’4’1’’1’14T0提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环联合循环热电联产燃气-蒸汽联合循环新型动力循环IGCCPFBC-CC…...ReheatRegenerativeCogenerationTs65431b§7-8蒸汽再热循环(reheat)Ts65431b蒸汽再热循环的热效率

再热循环本身不一定提高循环热效率

与再热压力有关

x2降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，一般采用一次再热可使热效率提高2％～3.5％。蒸汽再热循环的实践再热压力

pb=pa0.2~0.3p1

p1<10MPa，一般不采用再热

我国常见机组，10、12.5、20、30万机组，p1>13.5MPa，一次再热

超临界机组，t1>600℃，p1>25MPa，二次再热Ts65431b蒸汽再热循环的定量计算吸热量：放热量：净功（忽略泵功）：热效率：§7-9蒸汽回热循环(regenerative)抽汽去凝汽器冷凝水表面式回热器抽汽冷凝水给水混合式回热器抽汽式回热FeedwaterheaterOpenFeedwaterheaterClosedFeedwaterheater蒸汽抽汽回热循环(1-)kg

kg65as43211kg