11水蒸气及蒸汽动力循环.ppt
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1、第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环1第十一章第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环水蒸气及蒸汽动力循环11-1 水蒸气的水蒸气的发生过程发生过程11-2 水蒸气热力性质表和图水蒸气热力性质表和图11-3 水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程11-4 朗肯循环朗肯循环11-5 再热循环再热循环11-6 回热循环回热循环11-7 热电联产及蒸汽热电联产及蒸汽-燃气联合循环燃气联合循环*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环211-1 水蒸气的发生过程水蒸气的发生过程 b-dts饱和水饱和水 ts干饱和水蒸干饱和水蒸汽。汽。v,t和和p均不变均不变。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。d-ets干饱和水
2、蒸汽干饱和水蒸汽 t过热过热水蒸汽。水蒸汽。t,v。过热度过热度D=t-ts一、水蒸气的定压一、水蒸气的定压发生过程发生过程 a-b0.01未饱和水未饱和水ts饱和水饱和水。t,v。*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环3二、水蒸气发生过程中的能量关系二、水蒸气发生过程中的能量关系 水蒸气定压发生过程的三个阶段:水蒸气定压发生过程的三个阶段:水的水的预热预热未饱和水未饱和水(0.01)饱和水饱和水(t ts s);水的水的汽化汽化饱和水饱和水(t ts s)干饱和水蒸气干饱和水蒸气(t ts s);水蒸气的水蒸气的过热过热饱和水蒸气(饱和水蒸气(t ts s)过热水蒸气过热水蒸气(t t)。水水的液
3、体热的液体热q水水的预热过程中,使水由三相点温度的预热过程中,使水由三相点温度0.01升高到饱和温度升高到饱和温度ts所需的热量。所需的热量。定压预热过程的能量转换关系为定压预热过程的能量转换关系为因因vv0.01,所以所以 定压预热过程的压力越高,对应的饱和温定压预热过程的压力越高,对应的饱和温度也越高,水的液体热就越大。度也越高,水的液体热就越大。*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环4 热热工工计计算算仅仅需需计计算算h及及u,故故可可任任取取某某状状态态作作为为计计算算基基点点。规规定水的三相点状态定水的三相点状态u0 kJ/kg。一一般般情情况况下下,对对温温度度为为0.01时时不不同同压
4、压力力的的水水,取取u0.010 kJ/kg。压力不高时,对压力不高时,对0.01时水,也可取时水,也可取h0.010 kJ/kg。*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环5汽化潜热汽化潜热 水的定压汽化过程中,水的定压汽化过程中,1kg饱和水汽化成为饱和水汽化成为干饱和水蒸气所需的热量称为干饱和水蒸气所需的热量称为汽化潜热汽化潜热L。汽化过程的压力越高,汽化潜热的数值越小。汽化过程的压力越高,汽化潜热的数值越小。在临界压力下,汽化潜热为零。在临界压力下,汽化潜热为零。定压汽化过程中的热量转换关系为定压汽化过程中的热量转换关系为 定义:定义:内汽化潜热内汽化潜热 汽化潜热中转变为热力学能的部分;汽化潜
5、热中转变为热力学能的部分;外汽化潜热外汽化潜热 用于对外作功的部分。用于对外作功的部分。则有则有*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环6过热热量过热热量q 按能量转换关系,有按能量转换关系,有 显然,将显然,将0.01的水加热变为过热水蒸气所需的热量,等于液的水加热变为过热水蒸气所需的热量,等于液体热、汽化潜热与过热热量三者之和。而且整个水蒸气定压发生过体热、汽化潜热与过热热量三者之和。而且整个水蒸气定压发生过程及各个阶段中的加热量,均可程及各个阶段中的加热量,均可用水和水蒸气的焓值变化来计算用水和水蒸气的焓值变化来计算。定压过热过程中所需的热量。定压过热过程中所需的热量。*第十一章 水蒸气及蒸汽动
6、力循环7三、水蒸气三、水蒸气的的p-v图和图和T-s图图 在在p-v图和图和T-s图上,连接各定压线上所有开始汽化的各点,形图上,连接各定压线上所有开始汽化的各点,形成下界线成下界线BC(饱和水线饱和水线)。连接各定压线上所有汽化完毕的各点,形。连接各定压线上所有汽化完毕的各点,形成上界线成上界线AC(干饱和水蒸气线干饱和水蒸气线)。临界点临界点C 饱和水状态与干饱和蒸汽状态重合点,为水、饱和水状态与干饱和蒸汽状态重合点,为水、汽不分的状态。水蒸气的临界参数为汽不分的状态。水蒸气的临界参数为tc374.15,pc22.120MPa,vc0.00317m3/kg 下界线和上界线在临界点下界线和上
7、界线在临界点C相交,形成了为饱和曲线相交,形成了为饱和曲线ACB所包所包围的饱和区,在该区域内饱和水和饱和水蒸气共存,称为湿饱和蒸围的饱和区,在该区域内饱和水和饱和水蒸气共存,称为湿饱和蒸汽,因此饱和区又称为湿蒸汽汽,因此饱和区又称为湿蒸汽区。区。当压力高于临界压力当压力高于临界压力pc时,时,便不再发生水的定压汽化过程。便不再发生水的定压汽化过程。*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环8水蒸气相变图线的分析水蒸气相变图线的分析 上、下界线表明了水汽化的始末界线,二者统称饱和曲线,上、下界线表明了水汽化的始末界线,二者统称饱和曲线,它将它将p-v图和图和T-s图分图分为三个区域:液态区为三个区域:液
8、态区(下界线左侧下界线左侧)、湿蒸汽区、湿蒸汽区(饱和曲线内饱和曲线内)、汽态区、汽态区(上界线右侧上界线右侧)。常把压力高于临界点的临界温度线作为常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久永久”气体与液体的气体与液体的分界线。分界线。水蒸气的相变图线,可以总结为一点水蒸气的相变图线,可以总结为一点(临界点临界点)、二线、二线(上界线、上界线、下界线下界线)、三区、三区(液态区、液态区、湿蒸汽区、气态区湿蒸汽区、气态区)和五和五态态(未饱和水状态、饱和未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态过热蒸汽状态)。*第十一章 水蒸气及
9、蒸汽动力循环9四、水蒸气的饱和状态四、水蒸气的饱和状态 饱和状态饱和状态饱和区内,饱和水和饱和水蒸气共存的平衡状态。饱和区内,饱和水和饱和水蒸气共存的平衡状态。饱和状态下,饱和水与饱和水蒸气的平衡是饱和状态下,饱和水与饱和水蒸气的平衡是动态的平衡动态的平衡。饱和温度与饱和压力关系确定。饱和温度与饱和压力关系确定。压力压力饱和温度饱和温度。如:。如:p0.010 8 kPa时时 t ts s0 p101.325 kPa时时 t ts s100 t ts s和和p ps s之间的关系由实验或经验公式确定。之间的关系由实验或经验公式确定。饱和区内湿饱和蒸汽的温度饱和区内湿饱和蒸汽的温度t ts s与
10、压力与压力p ps s具有一定的函数关系,具有一定的函数关系,所以两者只能作为一个独立参数。要确定湿饱和蒸汽的状态,还需所以两者只能作为一个独立参数。要确定湿饱和蒸汽的状态,还需另一个独立参数,一般采用另一个独立参数,一般采用“干度干度”作为参数,但也可以是其他的作为参数,但也可以是其他的状态参数,如焓、熵、比体积中的任何一个。状态参数,如焓、熵、比体积中的任何一个。干度干度x 湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数,即湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数,即,*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环10 湿湿饱饱和和蒸蒸汽汽是是干干饱饱和和蒸蒸汽汽与与饱饱和和水水的的混混合合物物,其其热热力力学学能能、焓焓、
11、熵及容积可表示为熵及容积可表示为引入干度的关系式,可得引入干度的关系式,可得 即干度即干度x确定时确定时,可用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数,求得湿饱,可用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数,求得湿饱和蒸汽相应状态的参数。和蒸汽相应状态的参数。饱和状态下状态参数的计算饱和状态下状态参数的计算,*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环1111-2 水蒸气热力性质表和图水蒸气热力性质表和图p0.611 2 kPa,v0.001 000 22 m3/kgT273.16 K在此状态下在此状态下 kJ/kg,kJ/(kg K)而其焓值为而其焓值为 0 kJ/kg+0.611 2 kPa0.001 000 22 m3/k
12、g 0.000 611 kJ/kg0 kJ/kg 工程中不需计算水蒸气工程中不需计算水蒸气u、h、s的绝对值,只需确定其变量,的绝对值,只需确定其变量,因此可任选一个基准点。因此可任选一个基准点。国际会议规定,水蒸气热力性质表图的国际会议规定,水蒸气热力性质表图的编编制制以三相点状态的液相水为基准点。以三相点状态的液相水为基准点。水的三相点水的三相点的参数为的参数为 水蒸气热力性质复杂,有关水蒸气的各种工程计算,常依赖各水蒸气热力性质复杂,有关水蒸气的各种工程计算,常依赖各种专用的水蒸气热力性质表和相应的图线。种专用的水蒸气热力性质表和相应的图线。*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环12常用水蒸气
13、热力性质表常用水蒸气热力性质表 未饱和水及过热蒸汽表未饱和水及过热蒸汽表:按温度、压力分别作为行、列,列出:按温度、压力分别作为行、列,列出比体积、焓和熵的数值。利用该表可按给定的任意两个状态参数,比体积、焓和熵的数值。利用该表可按给定的任意两个状态参数,确定该状态下的其他三个参数。确定该状态下的其他三个参数。饱饱和水及干饱和蒸汽表和水及干饱和蒸汽表通常分为:通常分为:按温度排列按温度排列;按压力排按压力排列列。列出饱和温度、饱和压力、饱和水以及干饱和蒸气的比体积、。列出饱和温度、饱和压力、饱和水以及干饱和蒸气的比体积、焓和熵的数值。焓和熵的数值。利用这两个表还可以根据给定的参数和干度利用这两
14、个表还可以根据给定的参数和干度x,确定湿饱和蒸,确定湿饱和蒸汽的各参数。汽的各参数。应用水蒸气热力性质表时,经常需要进行插值计算来确定表列应用水蒸气热力性质表时,经常需要进行插值计算来确定表列两数据中间的数值。两数据中间的数值。*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环13 特征点与特征线:特征点与特征线:C临界点,临界点,x0线,线,x1线。线。定定压压线线在在h-s图图上上呈呈发发散散分分布布。由由Tdsdh-vdp可可知知,定定压压线线在在h-s图上的斜率为图上的斜率为 在饱和区内,在饱和区内,p一定时一定时T亦为定值,所以区内的定压线为一簇斜率不亦为定值,所以区内的定压线为一簇斜率不同的直线。在
15、过热区,随温度的增高,定压线趋于陡峭。同的直线。在过热区,随温度的增高,定压线趋于陡峭。h-s图图 定温线定温线饱和区内与定压线重合,在过热区与定压线自上界线处分饱和区内与定压线重合,在过热区与定压线自上界线处分开后逐渐趋于平坦。即随开后逐渐趋于平坦。即随p蒸汽性质趋近理想气体。蒸汽性质趋近理想气体。定容线定容线走向与定压线相同,但比定压线稍陡。走向与定压线相同,但比定压线稍陡。定干度线定干度线一组干度等于常数的曲线。一组干度等于常数的曲线。x0.5区区域域图图线线过过密密,工工程程中中不不经经常常使使用用这这部部分分数数据据,故通常所用的故通常所用的h-s图线不包括这一区域。图线不包括这一区
16、域。用用h-s图确定蒸汽状态简便、直观,但读数欠准确。图确定蒸汽状态简便、直观,但读数欠准确。水蒸气工程计算中,应用最广泛的线图水蒸气工程计算中,应用最广泛的线图*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环1411-3 水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程 分析水蒸气热力过程的分析水蒸气热力过程的目的目的确定过程的能量转换关系,包确定过程的能量转换关系,包括括w、q以及以及u和和h等。因此,需确定状态参数的变化。等。因此,需确定状态参数的变化。确定过程的能量转换关系的依据为热力学第一定律:确定过程的能量转换关系的依据为热力学第一定律:可用水蒸气表及图可用水蒸气表及图,依照过程的特点来确定各状态的参数依照过程的
17、特点来确定各状态的参数。一、定容过程一、定容过程 v1=v2,于是可得于是可得*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环15 二、定压过程二、定压过程 p1=p2,于是可得于是可得 三、定温过程三、定温过程 T1=T2,于是可得于是可得 四、定熵过程四、定熵过程 s1=s2,于是可得于是可得 *第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环1611-4 朗肯循环朗肯循环 简简单单蒸蒸汽汽动动力力装装置置的的主主要要热热力力设设备备:蒸蒸汽汽锅锅炉炉、汽汽轮轮机机、给给水水泵和冷凝器。泵和冷凝器。水水在在锅锅炉炉中中吸吸收收热热量量形形成成过过热热蒸蒸汽汽。过过热热蒸蒸汽汽被被送送至至汽汽轮轮机机绝绝热热膨膨胀胀作作功功
18、。作作功功后后的的乏乏汽汽被被送送至至冷冷凝凝器器内内凝凝结结成成水水。再再由由给给水水泵泵加压后送回锅炉加热而完成一个循环。加压后送回锅炉加热而完成一个循环。蒸汽动力装置理想循环的组成:蒸汽动力装置理想循环的组成:0-1为定压为定压吸热过程;吸热过程;1-2为绝热膨胀过程;为绝热膨胀过程;2-3为为定压放热定压放热过程;过程;3-4为为绝热加压过程。绝热加压过程。该循环称为该循环称为朗肯循环朗肯循环(简单蒸简单蒸汽动力装置循环汽动力装置循环)。*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环17朗肯循环热效率分析朗肯循环热效率分析 0-1过程过程,工质吸热:,工质吸热:q1h1h0 2-3过程,工质放热:过
19、程,工质放热:绝热膨胀过程绝热膨胀过程1-2,工质在汽轮机中所作的轴功为,工质在汽轮机中所作的轴功为(ws,T)1-2h1h2 绝热加压过程绝热加压过程3-0,给水泵消耗的轴功为,给水泵消耗的轴功为 循环净功:循环净功:*第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环18朗肯循环热效率朗肯循环热效率因此,有因此,有水泵的耗功约为汽轮机轴功的水泵的耗功约为汽轮机轴功的2%,可忽略,即可忽略,即则循环热效率可近似表示为则循环热效率可近似表示为 定压吸热过程定压吸热过程0-1中,工质的吸热量为中,工质的吸热量为q1h1h0 循环净功为汽轮机轴功和水泵耗功之差,即循环净功为汽轮机轴功和水泵耗功之差,即*第十一章 水蒸
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