节能新技术之蒸汽热力系统原理

蒸汽热力系统原理及技术应用,主讲人：陈贵军大连理工大学能源与动力学院电话箱：cgj8489,主要内容,第一章：蒸汽热力系统原理第二章:蒸汽锅炉第二章：蒸汽热力系统节能技术,第一章蒸汽热力系统原理,第一节概念,1.热力系统2.工质的热力学状态及其基本状态参数3.平衡状态、状态方程式、坐标图4.工质的状态变化过程5.过程功和热量6.热力循环,1.热力系统,热力系统（thermodynamicsystem）人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质外界（surrounding）与体系发生能量和物质交换的物质边界（boundary）系统与外界的分界线（面）,1.1实际边界和虚拟边界,热力系统：汽轮机中的工质（蒸汽）实际边界：工质和汽轮机之间虚拟边界：工质进口前后或出口前后,1.2固定边界和移动边界,热力系统：内燃机中的工质（燃气）固定边界：工质和汽缸壁之间移动边界：工质和活塞之间,1.3闭口系统和开口系统,闭口系（closesystem）控制质量（CM）一个热力系统如果和外界只有能量交换而无物质交换。开口系（opensystem）控制体积（CV）热力系统和外界不仅有能量交换而且有物质交换。绝热系（adiabaticsystem）热力系统和外界间无热量交换孤立系（isolatedsystem）热力系统与外界既无能量交换也无物质交换,第一节概念,1.热力系统2.工质的热力学状态及其基本状态参数3.平衡状态、状态方程式、坐标图4.工质的状态变化过程5.过程功和热量6.热力循环,2.1温度,温度物体冷热程度的标志经验告诉我们，若令冷热程度不同的两个物体A和B相互接触，它们之间将发生能量交换，净能流将从较热的物体流向较冷的物体。在不受外界影响的条件下，两物体会同时发生变化：热物体逐渐变冷，冷物体逐渐变热。经过一段时间后，它们达到相同的冷热程度，不再有净能量的交换，这时物体A和物体B达到热平衡。当物体C同时和物体A和物体B接触而达到热平衡时，物体A和B也一定平衡。这一事实说明物质具备某种宏观性质。当各物体的这一性质不同时，它们若相互接触，其间将有净能流传递；当这一性质相同时，它们之间达到热平衡。我们把这一宏观性质成为温度。,2.1温度,对于气体，热力学关系式为：,式中：T热力学温度B=3/2k，k为玻尔兹曼常数k=（1.3800580.000012）10-23J/KC分子移动的均方根速度,2.1温度,温度计测量温度的仪器温度计的感应元件应随物体的冷热程度不同有显著的变化温标温度的数值表示法摄氏温标规定：在标准大气下纯水的冰点是0，汽点是100，而其他温度的数值由作为温度标志的物理量（金属丝电阻、水银柱高度等）的线性函数来确定。热力学温标：单位开尔文（K)，把水的三相点的温度，即为水的固相、液相、气相平衡共存状态的温度作为单一基准点，并规定为273.16K,2.1温度,热力学温标：1960年，国际计量大会通过决议，规定摄氏温度由热力学温度移动零点来获得，t=T-273.15K摄氏温标和热力学温标无实质性差异，仅仅是零点取值不同。热力学温度不能直接测定，国际上建立了一种既实施方便又使得所测温度尽可能接近热力学温度的新型温标，称为国际实用温标，即1990年国际温标（ITS-90)。,2.2压力,压力（压强）单位面积上所受的垂直作用力压力计测量工质压力的仪器由于压力计的测压原件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力（或称绝对压力）与环境介质压力之差，叫做表压力或真空度,2.2压力,pe,p,pb,pv,p,0,图1：绝对压力、表压力、真空度和大气压力之间的关系,p工质绝对压力；pb大气压力；pe表压力；pv真空度。,2.2压力,当绝对压力大于大气压力时，P=pb+pepe表压力当绝对压力小于大气压力时，P=pb-pvpv真空度,2.3比体积和密度,比体积：单位质量物质所占的体积,密度：单位体积物质的质量,式中：v为比体积，m3/；m物质的质量，；V物质的体积，m3；p物质的密度，/m3。,两者的关系：,第一节概念,1.热力系统2.工质的热力学状态及其基本状态参数3.平衡状态、状态方程式、坐标图4.工质的状态变化过程5.过程功和热量6.热力循环,3.1平衡状态,定义：如果在外界对其影响不变的条件下，系统的状态能够始终保持不变，则系统处于平衡状态。,处于平衡状态的系统，其状态参数不随时间改变。,系统处于平衡状态的条件：,系统与外界之间，系统内部各部分之间同时达到热和力的平衡(相平衡、化学平衡等)。,热平衡(thermalequilibrium)温差为零力平衡(mechanicalequilibrium)和力均为零。,3.2状态方程式,状态方程：基本状态参数p，v，T之间的关系式称为状态方程。,T=T(p,v),p=p(T,v),v=v(p,T)隐含数的形式：F=F(p,v,T),这种关系是否一定存在呢？状态公理能回答此问题。,状态公理：,3.2状态方程式,例.1)单组分气体系统：2=1-1+2如p和T，当p一定时，T不同则状态不同。2)液或汽态的水：2=1-1+2。饱和水和饱和水蒸汽：1=1-2+2;3)水的三相点：0132,3.3状态参数坐标图,简单可压缩系只有两个独立的状态参数，故可以在平面上以独立状态参数为坐标轴画坐标图，如：,p,v,T,s,坐标图上的点与系统的平衡状态一一对应。非平衡态不能用点在坐标图上表示。因无确定的状态参数。,压容图,温熵图,第一节概念,1.热力系统2.工质的热力学状态及其基本状态参数3.平衡状态、状态方程式、坐标图4.工质的状态变化过程5.过程功和热量6.热力循环,准平衡过程（准静态过程）,4.1准平衡过程,定义：若过程进行得相对缓慢，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，则这样的过程叫准平衡过程。,特点：相对弛豫时间来说，准平衡过程是进行得无限缓慢的过程，偏离平衡态无穷小，随时都能恢复到平衡状态，准平衡过程又叫准静态过程。,4.1准平衡过程,进行条件：不平衡势p，T无穷小；过程进行得无限缓慢；工质有恢复平衡的能力。,准静态过程可以在状态图上用连续实线表示。,气体准平衡膨胀过程图,4.2可逆过程和不可逆过程,可逆过程当完成某一过程之后，如果有可能使工质沿相同的路径你行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及的相关的外界也回复到原来的状态而不留下任何改变。不可逆过程不满足上述条件的过程。,例：气缸活塞系统,正,逆,正,逆,摩擦的影响：,a)无摩擦,正过程,逆过程,b)有摩擦,正过程,逆过程,逆过程使系统复原，但外界多耗功。,结论：摩擦使过程不可逆。,温差的影响：,a)无温差,b)有温差(假设),结论：温差使过程不可逆。,但，Q不能传回。,同理，压力差的影响：压力差使过程不可逆。,正,逆,正,逆,无耗散效应(如摩擦、电阻等)的准静态过程是可逆过程。即可逆过程=准静态过程+无耗散过程；,2.准平衡过程只从系统内部平衡的角度考虑问题；可逆过程除考虑平衡外，还考虑了耗散效应的问题(更全面)；,讨论：,3.一切实际过程均不可逆；,4.内部可逆过程；外部可逆过程,5.可逆过程可用状态参数坐标图上的实线表示。,第一节概念,1.热力系统2.工质的热力学状态及其基本状态参数3.平衡状态、状态方程式、坐标图4.工质的状态变化过程5.过程功和热量6.热力循环,p,功的定义：对微元过程(状态发生微小变化),式中：,叫微元功；,叫折合压力，是考虑外界得到的效果。,5.1功的热力学定义,当状态有限变化时，过程功为：,这里：1初始状态，2终了状态,功的单位：焦(J);功率的单位：瓦(W)。,工程中常用的单位：千焦(KJ)和千瓦(KW)。,5.1功的热力学定义,当过程为可逆过程时，,，故,可见：可逆过程的功，可由过程中工质状态参数的变化来进行计算。,示功图如右：则有，,可逆过程功可用示功图上过程线下的面积表示。,5.2可逆过程的功,功是过程量。某一状态时没有功的概念。(无),功的“正”与“负”的意义：,膨胀，,压缩，,定容，,系统对外界作功，如1-2；,系统不作功，如1-4；,外界对系统作功，如1-3。,5.2可逆过程的功,约定：正值代表气体膨胀对外做功；（+）负值代表外力压缩气体做功；（）,热量(heat),系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。,单位：焦耳(J)。正负：系统吸热为“正”，放热为“负”。,计算式及其在T-S图上的表示：,所以，热是过程量。,5.3过程热量,功与热量的相同与区别：,1.二者均为过程量，是传递的能量；,2.只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量；,3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵的变化是传热标志；,4.功的传递改变宏观运动状态，往往伴随着能量形式的变化；热量传递改变微观粒子热运动状态，不出现能量形态的转化。,5.功,热量,无条件,有条件和限度,第一节概念,1.热力系统2.工质的热力学状态及其基本状态参数3.平衡状态、状态方程式、坐标图4.工质的状态变化过程5.过程功和热量6.热力循环,循环(thermodynamiccycle),定义：系统经一定的过程之后，又回到原来的状态。,特性：系统一切状态参数复原。,可逆循环(reversiblecycle)：全部由可逆过程组成的循环；不可逆循环(irreversiblecycle)：其中有部分过程或全部过程是不可逆的循环。,6.1循环概述,正向循环(directcycle)热动力循环,在p-v图上和T-s图上为顺时针方向进行,正向循环：系统净吸热，对外作净功。膨胀线在压缩线之上吸热线在放热线之上,6.2正向循环,逆向循环(reversecycle)(图中红箭头方向),在p-v图和T-s图上为逆时针方向进行,系统消耗净功，向外界放出净热。,6.3逆向循环,第二节热力学第一定律,1.热力学第一定律的实质2.热力学能和总能3.能量的传递和转化4.焓5.热力学第一定律的基本能量方程式6.开口系统能量方程7.能量方程式的应用,1.热力学第一定律的实质,实质：能量传递和形态转化以及总量的守恒。,热力学第一定律表述为：热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们间的比值是一定的。或热可以变为功，功也可变为热。一定量的热消失时必产生相应量的功；消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。,第二节热力学第一定律,1.热力学第一定律的实质2.热力学能和总能3.能量的传递和转化4.焓5.热力学第一定律的基本能量方程式6.开口系统能量方程7.能量方程式的应用,2.1热力学能,热力学能：物体内部的能量。,微观上，内能包括,分子动能（平动、转动、振动）,分子间势能,化学能,核能,热力学能是状态参数气体的热力状态由两个独立状态参数决定，所以热力学能一定是两个独立状态参数的函数，如：,总=内+动+势,2.2总能,第二节热力学第一定律,1.热力学第一定律的实质2.热力学能和总能3.能量的传递和转化4.焓5.热力学第一定律的基本能量方程式6.开口系统能量方程7.能量方程式的应用,3.1做功和传热,能量传递的两种方式：,作功,热传递,功和热的不同点和相同点：,1)相同点：功和热均为系统和外界通过边界传递的能量，都是过程量；2)不同点：功的传递改变宏观运动状态；热的传递改变微观的运动状态。,x,活塞右移，工质进入气缸。实质是外界压力p把工质压入气缸，故推动功为：,p，v,推动功作用在质量m上。m被推入系统内，所以推动功随质量m一起进入系统。,推动功的意义：工质m流入系统带入的功(外界对系统作功)；工质m流出系统带出的功(系统对外界作功)。,推动功：因工质在开口系统中流动而传递的功。,3.2推动功和流动功,入口1,出口2,意义：维持开系流动，工质所作的功；,流动功：出口和进口推动功之差。,3.2推动功和流动功,4.技术功：,式中：,维持流动工质所作的功。,可见：技术功=膨胀功-流动功，它是膨胀功的一部分。,技术功的意义：是开系对外界作的功。这是因为：工质作功是膨胀功W，它一部份用于维持开系流动Wf,剩下的部分才是开系作的功。故：开系作的功，不是膨胀功，而是技术功。,定义：,工质由入口1流动到出口2所作的膨胀功；,第二节热力学第一定律,1.热力学第一定律的实质2.热力学能和总能3.能量的传递和转化4.焓5.热力学第一定律的基本能量方程式6.开口系统能量方程7.能量方程式的应用,定义：H=U+pV叫焓h=u+pv叫比焓,单位：J(焦耳),焓是状态参数。,因为：内能U和pV推动功都随m流动带走。,流动工质携带的总能：,工质宏观运动决定,焓的物理意义是：随工质移动而转移的能量；或：流动工质携带的由热力状态决定的能量。,单位：J/kg(焦耳/千克),4焓,第二节热力学第一定律,1.热力学第一定律的实质2.热力学能和总能3.能量的传递和转化4.焓5.热力学第一定律的基本能量方程式6.开口系统能量方程7.能量方程式的应用,进入系统的能量总和离开系统的能量总和=系统总储存能的增量,E,E+dE,5热力学第一定律的基本能量方程,进入：,离开：,内部贮能的增量：dE,带入基本能量方程式并整理得：,基本能量方程式,热变功的基本关系：工质吸热Q，一部分增加内能dU，另一部分对外作W。,忽略宏观动能Uk和位能Up，,第一定律定第一表达式,5热力学第一定律的基本能量方程,热功的基本表达式,第一定律第一解析式,1）对于可逆过程,2）对于循环,3）对于一定量的工质，吸热与升温关系，还取决于W的“+”，“”和大小。,5热力学第一定律的基本能量方程,第二节热力学第一定律,1.热力学第一定律的实质2.热力学能和总能3.能量的传递和转化4.焓5.热力学第一定律的基本能量方程式6.开口系统能量方程7.能量方程式的应用,d时间内:进入系统物质,离开系统物质,进入系统的能量离开系统的能量=控制容积的储存能增量,6.1开口系能量方程,1.进入系统的能量：,热量：Q,2.离开系统的能量：,控制体积的容积变化微元功,微元轴功,微元内部功,微元摩擦功,6.1开口系能量方程,3.系统储存能的增量：,CV表示控制体内部。,带入一般表达式，整理得：,单位时间内(上式是d时间内的能量关系),令：=Q/d加热率(热流量)；,=dm/d质量流率(量)；,Pi=Wi/d内部功率。,则：,6.1开口系能量方程,开口系能量方程的一般表达式,稳定流动特征：,1）各截面上参数不随时间变化。,2）ECV=0，SCV=0，mCV=0,稳定流动：流动过程中开口系统内部及其边界上个点的热力参数及运动参数都不随随时间变化。,满足条件：1.进出口状态不变(热力状态)；2.进出口流量相等且不变(流动状态)；3.功和热量不随时间变化(能量状态)；,注意：各截面之间的相应参数可能不同。,6.2稳定流动能量方程,对稳定流动，开口系统能量方程式中,是流入1kg工质的吸热量；,是流入1kg工质的内部功。,6.2稳定流动能量方程,带入开口能量方程的一般表达式得,写成微量的形式：,质量为m的工质：,写成微量的形式：,6.2稳定流动能量方程,稳定流动能量方程,A式可化为：,热能转变为功的部分,机械能增量,流动功,内部功,技术功：技术上可资利用的功，用,表示：,（容积变化功或膨胀功W）,6.3稳定流动能量方程式的分析,引入技术功后，稳定流动能量方程式可写为,6.3稳定流动能量方程式的分析,对于质量为m的工质，则,第二节热力学第一定律,1.热力学第一定律的实质2.热力学能和总能3.能量的传递和转化4.焓5.热力学第一定律的基本能量方程式6.开口系统能量方程7.能量方程式的应用,稳定流动：,是因为它们远小于,内部功=焓降(工质携带能量的减少),内部储能增量：0,7.1动力机,与动力机过程相反：,内部储能增量：0,7.2压气机,工质流经压气机时，机器对工质做功，使工质升压；工质对外界略有放热；动能差和位能差可忽略不计。,7.3换热器,流入：,流出：,内增：0,若忽略动能差、位能差,能量平衡关系式,吸热,焓增,放热,焓降,流入：,流出：,内增：0,忽略位能差：,管子短或保温好q0：,7.4管道,节流工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降的流动。由于存在摩擦和涡流，节流是不可逆的，在离阀门不远的两个截面处，工质的状态趋于平衡。节流前后焓值相等,7.5节流,第三节水蒸气,1.饱和温度和饱和压力2.水的定压加热汽化过程3.水和水蒸气的状态参数4.水蒸气表和图,汽化：由液态变为汽态的过程。,沸腾：在液体内部和表面同时进行的强烈汽化过程。,（一）汽化和液化,蒸发：在液体表面进行的汽化过程；,液化(凝结)：汽,液,1饱和温度和饱和压力,水蒸气是人类在热力发动机中最早广泛应用的工质，由于水蒸气具有容易获得，事宜的热力性质及不会污染环境等优点，至今仍是热力系统中应用的只要工质。,饱和液体：处于饱和状态的液体；,饱和蒸汽：处于饱和状态的汽体；,饱和温度：饱和状态时的温度，Ts或ts；,凝结,汽化,二者速度相等平衡,（二）饱和状态,当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡饱和状态。,饱和压力：饱和状态时的压力，ps(一般指汽，液内上下有压差),注：1.Ts,Ps或Ts=f(ps),它们不独立,2.独立状态参数的个数：=n-+2=1-2+2=1不同的饱和状态用1个参数就能区别。,1饱和温度和饱和压力,水的三相点：固态、液态、汽态三相平衡共存的状态,独立状态参数个数=n-+2=1-3+2=0；说明三相点只有一个。,1饱和温度和饱和压力,（三）三相点,Ttp,p3,p,p2,p1,B,t,b,b,c,c,A,d,固态,液态,汽态,C点：临界点,TtpC线：汽液两相共存，代表ps=f(ts)；TtpB线：固液两相共存，熔点温度与压力的关系；TtpA线：固汽两相共存，升华温度与压力之关系；,Ttp点：三相点,C,三个相区：BTtpA左侧，固相；BTtpC上侧，液相；ATtpC右侧，汽相。,1饱和温度和饱和压力,Ttp,p3,p,p2,p1,B,t,b,b,c,c,A,d,固态,液态,汽态,p2时：固体加热到b点，固体溶化为液体，再加热到c点，液汽化为汽，汽化时温度不变，再加热为过热蒸汽；,定压加热：,p3时：固体加热到b时溶化，再加热到c时汽化。,p1时：固体加热到d点，固体升华为汽体，相变过程中温度不变，再加热为过热；,C,第三节水蒸气,1.饱和温度和饱和压力2.水的定压加热汽化过程3.水和水蒸气的状态参数4.水蒸气表和图,压力p一定，加热。从0.01开始(三相点温度以下有固态，工程上一般不用)，经历以下五种状态。,过冷水(未饱和水),加热Q,饱和水,Q,湿蒸汽,Q,Q,Q,干饱和蒸汽,过热蒸汽,2水的定压加热汽化过程,预热阶段,汽化阶段,过热阶段,p-v图,增加压力到p2，重复上述过程，得定压线20222,压力为p4时，汽化在C点瞬间完成，C点叫临界点。pcr=22.064Mpa，Tcr=373.99,ppc时，加热到Tc温度时，瞬间汽化。,10,1,1,2,2,1,20,2,30,3,3,50,40,v,p,C,Tc,TTp,压力为p1时，定压线10111,2水的定压加热汽化过程,注意：,10,1,1,2,2,1,20,2,30,3,3,50,40,v,p,C,Tc,TTp,下界线向右斜，说明：温度提高(同时饱和压力也提高)时，饱和液比容增加。是因为饱和液因加热而膨胀的影响大于因升压而体积减小的影响。,上界线向左斜，说明：温度提高(同时饱和压力提高)时，饱和汽比容减小。是因为饱和汽因加热而膨胀的影响小于因升压而体积减小的影响。,T-s图,p5,1,1,2,2,s,C,3,3,Tc,T-s图,T,p4,p3,p2,p1,下界线(饱和水线)：123C上界线(饱和汽线)：123C,三个相区：液相区，123CTc之内区；汽液共存区，123C321之内区；汽相区，TcC321以上区。,v,2水的定压加热汽化过程,以上所讲归纳为：一点、二线、三区、五态,过热液体：温度高于饱和温度；,过热蒸汽：温度高于饱和温度。,过热度D=tts或叫t。,另外还有：过冷液体：温度低于饱和温度(未饱和液)；,过冷蒸汽：温度低于饱和温度；,2水的定压加热汽化过程,第三节水蒸气,1.饱和温度和饱和压力2.水的定压加热汽化过程3.水和水蒸气的状态参数4.水蒸气表和图,三相点的液态水(是饱和水),实测的(注：上标“”表饱和水状态),规定的,换算的,3.1零点的规定,3.2温度为0.01，压力为p的过冷水的参数（0点）,0.01,0,1,1,零点,0,p,v,p0,v0,ts,用通过“零点（0）”的定温加热过程计算：,忽略压缩性，即dv=0，,v0v0，可推得w0，,uu00,因为u=u(T,v),T,v均不变q=u+w0,绝热,s0s0,因为q=0,h00,因为h0=u0+pv0只要p不太大，也可以看作是0点。,3.3温度为t，压力为p的饱和水（1点）,用过“0”点的定压加热过程计算：,p不太大时，水cp=4.1868kJ/kg；,因为：,0(定压),注：p较大时，cp变化较大，h0也不为零，不能这么算，要查表。,0.01,0,1,1,零点,0,v,v0,ts,p,3.4压力为p的干饱和蒸汽（1点）,仍用定压加热过程计算,汽化潜热：,可逆过程,可逆定温过程,u,h,s,r可查蒸汽参数表,0.01,0,1,1,零点,0,v,v0,ts,p,3.5压力为p的湿蒸汽（x点）,饱和水和饱和蒸汽平衡共存,干度：,mv蒸汽质量，ml液质量,即饱和蒸汽质量占总质量的百分数。,注意：1.0x1；2.未饱和水和过热蒸汽没有干度的概念。,0.01,0,1,1,零点,0,v,v0,ts,x,p,湿蒸汽的参数：1.查h-s图（部分数据）2.查饱和水和饱和蒸汽表,从饱和水和饱和蒸汽表表上可查得：饱和水v,h,s饱和蒸汽v,h,s,干度为x湿蒸汽：,mvx=mvv+mlv,vx=xv+(1-x)v=v+x(v-v),可见vvxv,Vx=Vv+Vl总体积=汽体积+液体积,3.5压力为p的湿蒸汽,类似地：,sx=s+x(s-s),而u=hpv,均为折合量。,hx=h+x(h-h),因为此时汽相中参数为“”，液相参数为“”，系统内部不均匀，没有一处参数是“x”。,3.5压力为p的湿蒸汽,3.6压力为p的过热蒸汽（D点）,如图，仍可用定压加热得到。,但因cp=f(p,t),估计算复杂，一般不计算而查表。,0.01,0,1,1,零点,0,v,v0,ts,D,第三节水蒸气,1.饱和温度和饱和压力2.水的定压加热汽化过程3.水和水蒸气的状态参数4.水蒸气表和图,查表时，先判断水蒸汽的状态。,先查出对应p的ts；如果tts,则为过热蒸汽，如图中2点；,Ts,1,1,2,2,p,ps,ps,c,c,ts,v,s,T,已知水蒸汽状态(p,t),判断方法：1.设ps=p，参见下图。,4.1水蒸汽表,2.设ts=t,先查ps=f(ts)如果pps,则为未饱和水，如图1点如果p0,当Ma0，截面增大，渐扩。,随着cf的增加，Ma=cf/c也增加(这里c减小)；当Ma1且Ma1时，要求dA1；,2.2几何条件,喷管形状：,dA0,Ma1,Ma1,出口流速受出口压力p2限制，p2=0时，cf2最大。,Ma1,dA0,Ma1,Ma=1,喉部,渐缩渐扩喷管（拉法尔喷管、缩放喷管）,临界截面(喉部截面),称为：临界压力、临界温度、临界比容,dA=0,临界流速当地音速,2.2几何条件,气流从Ma1的转变面,讨论：1）当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下：,a）收缩喷管出口截面上流速最大值cf2,max=c（出口截面上音速）b）以低于当地音速流入渐扩喷管不可能使气流可逆加速。c）使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩喷管拉法尔喷管。,2.2几何条件,2）背压pb是指喷管出口截面以外环境的压力。设计工况的喷管，其出口截面上压力p2等于背压pb，但非设计工况下p2未必等于pb。,3）对扩压管，目的是p上升，通过cf下降使动能转变成压力势能，情况与喷管相反。,2.2几何条件,2）气流的焓差（即技术功）为气流加速提供了能量；,5）背压pb未必等于p2。,1）压差是使气流加速的内在动力，几何形状是使气流加速的外部条件；,归纳：,4）拉法尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速，,3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；,2.2几何条件,第四节气体与蒸汽的流动,1.稳定流动的基本方程式2.促使流速改变的条件3.喷管的计算4.有摩阻的绝热流动5.绝热节流,3.1流速计算及其分析,（一）计算流速的公式,对定比热理想气体,3.1流速计算及其分析,（二）状态参数对流速的影响,最大流速：发生在p2=0时,3.1流速计算及其分析,临界流动：Ma=1，即cf=c的流动。,如缩放喷管喉部,3.1流速计算及其分析,（三）临界压力比,临界压力比：,3.1流速计算及其分析,3.2流量的计算,按最小截面（即收缩喷管的出口截面，缩放喷管的喉部截面）来计算流量：,喷管流速、流量与背压的关系,背压：出口以外环境压力pb；出口压力：出口截面上的压力p2。,1.流速、流量与出口压力的关系,ccr,cf2max,cf2,1,1,1,2,2,p2,pb,3.2流量的计算,qm,max,qm,1,3.2流量的计算,1.外形选择（dA的变化规律）,原则：使加速能力充分发挥出来。,计算时均取p2=pb,3.3喷管外形选择和尺寸计算,2.尺寸计算,渐缩A2缩放Amin，A2及缩放段的长度l,3.3喷管外形选择和尺寸计算,第四节气体与蒸汽的流动,1.稳定流动的基本方程式2.促使流速改变的条件3.喷管的计算4.有摩阻的绝热流动5.绝热节流,摩擦的影响：,速度分布：边界上速度为零，中心最大；,能量守恒：消耗动能，出口流速减小，摩擦产生热，加到气体上，熵要增加。,4有摩阻的绝热流动,4有摩阻的绝热流动,出口流速计算：,4有摩阻的绝热流动,4有摩阻的绝热流动,第四节气体与蒸汽的流动,1.稳定流动的基本方程式2.促使流速改变的条件3.喷管的计算4.有摩阻的绝热流动5.绝热节流,节流：流体流过孔板、阀口或堵塞物时，由局部阻力引起压力降低的现象。,孔板,堵塞物,节流阀(throttlevalve),绝热节流：节流过程中流体与外界没有热量交换。,5绝热节流,特点：节流截面积突然变化。dA太大，不可逆，加速效果不好,能量方程：取1、2截面，离节流处较远，截面上参数均匀。,1,2,不加速，cf1cf2,5绝热节流,注意：,1.节流前后焓值相等。但节流过程中h在变，故节流过程不是等焓过程；2.节流后压力降低，即p2s1，因状态变化急剧，处于非平衡态，并且摩擦也起作用。4.节流后温度可能升高、不变或降低。,5绝热节流,绝热节流（焦耳汤姆逊）系数：,理想气体：h=h(T)，因h2=h1，故T2=T1。理想气体节流只能发生零效应。,节流的温度效应：节流前后的温度变化。,5绝热节流,第五节蒸汽动力循环装置,1.朗肯循环2.再热循环3.回热循环4.热电合供循环5.蒸汽燃气联合循环,1）蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世纪后期蒸汽动力装置的大量使用，促使生产力飞速发展，促使资本主义诞生。2）目前世界75%电力，国内78%电力来自火电厂，绝大部分来自蒸汽动力。3）蒸汽动力装置可利用各种燃料。4）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。,蒸汽及蒸汽动力装置,蒸汽电厂示意图,1.1工质为水蒸汽的卡诺循环,简单蒸汽动力装置流程图,1、水蒸气的卡诺循环6ab56,水蒸气卡诺循环有可能实现，但：1）温限小；2）膨胀末端x太小；3）压缩两相物质的困难；所以，实际并不实行卡诺循环。,1.1工质为水蒸汽的卡诺循环,1.2朗肯循环及其热效率,1.循环热效率,1.2朗肯循环及其热效率,循环热效率,2.耗汽率及耗汽量,理想耗汽率d0装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量,耗汽量,1.2朗肯循环及其热效率,1、初温t1,循环1t2t3561t=循环123561+循环11t2t21,1.3蒸汽参数对热效率的影响,在相同的初压及背压下，提高新蒸汽的温度可使热效率增大。,2、初压力p1,但x2下降且p太高造成强度问题,1.3蒸汽参数对热效率的影响,3、背压p2,但受制于环境温度，不能任意降低,同时，x2下降,1.3蒸汽参数对热效率的影响,1.4有摩阻的实际朗肯循环,1、T-s图及h-s图,忽略水泵功：,汽轮机中的不可逆过程,a）汽轮机相对内效率,这样,2、实际作功(忽略泵功）,1.4有摩阻的实际朗肯循环,汽轮机内蒸汽实际做功与理论做功的比值。,b）循环内部热效率(忽略泵功）,1.4有摩阻的实际朗肯循环,3、实际内部耗汽率di和耗汽量Di,蒸汽在实际循环中所作的循环净功与循环中热源所供给的热量的比值,第五节蒸汽动力循环装置,1.朗肯循环2.再热循环3.回热循环4.热电合供循环5.蒸汽燃气联合循环,2再热循环,再热循环设备简图,再热循环的T-S图,再热对循环效率的影响忽略泵功：,再热压力取（2030）p1时，热效率提高最大,2再热循环,第五节蒸汽动力循环装置,1.朗肯循环2.再热循环3.回热循环4.热电合供循环5.蒸汽燃气联合循环,3.1抽汽回热,一级抽汽回热循环流程图,回热方式：从汽轮机的适当部位抽出尚未完全膨胀的，压力、温度相对较高的少量蒸汽，去加热低温冷凝水。这部分抽汽并未经过冷凝器，没有向冷源放热，而是加热了冷凝水，