热工与流体力学基础-热工篇 第5章

第九章

水蒸气和蒸汽动力循环2/6/2023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。2/6/2023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。2/6/2023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。2/6/2023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2/6/2023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、基本概念如湿衣服的晾干

蒸汽是由液体汽化而产生的。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。

物质由液态转变为气态的过程称为汽化。

2/6/20232.凝结——物质由气态转变为液态的过程称为凝结。

基本概念液态物质(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2/6/2023饱和压力ps饱和温度ts如水蒸气：ps＝0.101325MPa，ts=100ºC3.饱和状态——液面上蒸气空间中的蒸气和液体两相达到动态平衡的状态就称为饱和状态。

基本概念饱和蒸汽

——饱和液体

——在饱和状态下,有:饱和温度和饱和压力一一对应。2/6/20234.干度饱和液体和饱和蒸汽的混合物称为湿饱和蒸汽，简称为湿蒸汽。相应地，不含有饱和液体的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽，简称干蒸汽。为了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，必须引入湿蒸汽特有的重要参数，即干度x。基本概念——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。2/6/2023基本概念干度x的取值范围为0～1。

x0，饱和液体0﹤x﹤1，湿(饱和)蒸汽x1，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-湿蒸气中饱和液体的质量

2/6/2023二、水蒸气定压发生过程的三个阶段和五种状态pt>tsvpt<tsv0ptsv'ptsvxptsv''

未饱和水a

饱和水b

湿(饱和)蒸气c

干饱和蒸气d

过热蒸气e汽化潜热J/kg过热度过冷度预热阶段

汽化阶段

过热阶段

凝结潜热同工质同温度下2/6/2023三、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pc22.064MPatc373.99℃vc0.003106m3/kg

临界点C饱和水线

(x0)、饱和蒸汽线(x1）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。

2/6/2023

例5-1

10kg水处于0.1MPa下时饱和温度ts99.634℃，

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t120℃，ts99.634℃，t＞ts，此时处于过热蒸汽状态。其过热度为：tstts12099.63420.366（℃）（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tts99.634℃，其干度为

2/6/2023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＝0.01C，p0＝611.659Pa，v0＝0.00100021ｍ3∕kｇ，u0=0kJ/kg；s0=0kJ/（kgK）

ｈ0＝u0＋p0v0＝0.611J∕kg≈0kJ∕kg

制冷剂蒸气图表常将零点规定于0℃以下2/6/2023二、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）

湿蒸汽参数的确定: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单位注意粗黑线pps，tts

2/6/2023u可通过uhpv求得

表中未列出的参数用线性插值法求得

2/6/20232/6/2023

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）p0.1MPa，t50℃；（2）p0.5MPa，t200℃；（3）p0.8MPa，v=0.22m3/kg；（4）p1MPa，t179.916℃。

解：（1）查附表5，p0.1MPa，ts99.634℃。而t＜ts，故第一种情况为未饱和水状态。查附表6，当p0.1MPa，t50℃时用线性插值法求得未饱和水的其它参数为v0.00101245m3/kg，h209.405kJ/kg，s0.70175kJ/（kgK），uhpv209.4050.11030.00101245209.304（kJ/kg）

2/6/2023（2）查附表5，p0.5MPa，ts151.867℃，而t＞ts，故第二种情况为过热水蒸气状态。查附表6，当p0.5MPa，t200℃时，过热水蒸气的其它参数为

v0.42487m3/kg，h2854.9kJ/kg，s7.0585kJ/（kgK），

uhpv2854.90.51030.424872642.465（kJ/kg）

（3）查附表5，当p0.8MPa时，v0.0011148m3/kg，v0.24037m3/kg；h721.2kJ/kg，h2768.86kJ/kg；s2.0464kJ/（kgK），s6.6625kJ/（kgK）因为v0.22m3/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。

2/6/2023由式

可得干度该状态下的其它参数为txts170.444℃hxh+x（hh）721.2+0.915（2768.68721.2）

2594.64（kJ/kg）sxs+x（ss）2.0464+0.915（6.66252.0464）

6.2701[kJ/（kgK）]uxhxpvx2594.640.81030.222418.64（kJ/kg）（4）查附表5，p1MPa，ts179.916℃，tts。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。

2/6/2023三、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)

方便、直观,但不够精确精确度高,但往往不太方便、且不直观2/6/2023

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

定温线t

临界点C

下界线（x0）

上界线（x1）

定压线p

定比体积线v

定干度线x

定焓线h

定熵线s

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2/6/2023四、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。2/6/20231.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或

1—2:定压吸热膨胀升温2—1:定压放热被压缩降温2/6/20232.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

2/6/20233.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2/6/20234.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

2/6/2023

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p0.2MPa的定压线与t1150℃的定温线相交得初状态点1，与t2250℃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）

2/6/2023

例5-4水蒸气由压力p11MPa，温度t1300℃，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p11MPa的定压线与t1300℃的定温线相交得点1，如图5-4（d）所示。查得h13050kJ/kg，v10.26m3/kg并求得u1h1p1v1305011030.262790（kJ/kg）过点1作定熵线与p20.1MPa的定压线相交得点2，查得h22590kJ/kg，v21.65m3/kg求得u2h2p2v225900.11031.652425（kJ/kg）故膨胀功和技术功为（kJ/kg）（kJ/kg）

2/6/2023（2）用蒸气表计算根据p11MPa、t1300℃，查附表6未饱和水和过热蒸汽表，得

h13050.4kJ/kg，v10.25793m3/kg，s17.1216kJ/（kgK）所以

u1h1p1v13050.411030.257932792.5（kJ/kg） 根据终压p20.1MPa，查附表5按压力排列的饱和水与饱和水蒸气表，得

ts99.634℃；v0.0010432m3/kg，

v1.6943m3/kg；h417.52kJ/kg，

h2675.14kJ/kg；s1.3028kJ/（kgK），

s7.3589kJ/（kgK）2/6/2023故

h2h+x2(hh)417.52+0.96(2675.14417.52)2584.8（kJ/kg）v2v+x2(vv)0.0010432+0.96(1.69430.0010432)1.6266（m3/kg）u2h2pv22584.840.11031.62662422.2（kJ/kg）故膨胀功和技术功为（kJ/kg）（kJ/kg）因为s2s17.1216kJ/（kgK），s＜s2＜s，所以状态2是湿蒸汽。先求x2。根据2/6/2023第三节蒸汽动力循环

动力循环是将热能转变为机械能的循环。

动力循环

蒸汽动力循环

燃气动力循环

以水蒸气为工质

混合气体（也称为燃气）为工质

一、朗肯循环及热效率

朗肯循环是在实际蒸汽动力循环的基础上经简化处理得到的最简单、最基本的理想蒸汽动力循环，是研究其它复杂的蒸汽动力循环的基础。

2/6/2023

一般蒸汽动力装置主要设备包括四部分：蒸汽锅炉、蒸汽轮机、凝汽器、水泵。

图5-7朗肯循环

朗肯循环由四个过程组成。

2/6/2023图5-7朗肯循环

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作功。膨胀终了的状态2为低压下的湿蒸汽，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。

4—5—6—1定压加热过程

在锅炉中的水定压吸热，经预热过程4—5，汽化过程5—6，过热过程6—1最后成为过热蒸汽。

2/6/2023在朗肯循环中，每千克蒸汽对外所作出的净功w0应等于蒸汽流过汽轮机所作的功ws,t与给水在给水泵内被绝热压缩所消耗的功ws,p之差。根据稳定流动能量方程式ws,th1h2，ws,p=h4h3

w0（h1h2）（h4h3）

锅炉（包括过热器）中每千克蒸汽的定压吸热量为

q1h1h4

凝汽器中，每千克蒸汽的定压放热量为

q2h2h3

均取其绝对值

均取其绝对值

2/6/2023朗肯循环的热效率为

由于给水泵消耗的功与汽轮机做的功相比甚小，一般情况下可忽略不计，即h4h30

2/6/2023实际上由于水的不可压缩性，经水泵压缩后水的温度变化极小，在T-s图上点4与点3非常接近，水的定压加热过程线4—5与下界线也非常接近。通常可认为点4与点3重合、朗肯循环在T-s图上可表示为图5-7（b）中的1—2—3—5—6—1。

2/6/2023二、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响

朗肯循环热效率很低，实际上大、中型蒸汽动力装置均不直接采用朗肯循环，而是采用对朗肯循环加以改造后得到的实用循环。这些实用循环所采取的改进措施，是根据朗肯循环热效率分析得到的，所以研究蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响十分重要。

蒸汽的初温和初压以及乏汽的终压确定后，整个朗肯循环也就确定了。蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响，也就是指初温、初压和终压对朗肯循环热效率的影响。

2/6/20231.蒸汽初温对热效率的影响

在相同的初压及终压下，提高蒸汽的初始温度T1可以使朗肯循环的热效率提高。图5-8蒸汽初温的影响

输出循环净功增加（面积12211），吸热量也增加（面积1aa11），但后者的增加比率小于前者，循环热效率必然提高。

提高蒸汽初温可使乏汽干度得以提高，即x2＞x2，这对汽轮机的安全运行有利。

2/6/20232.蒸汽初压对热效率的影响

在相同的初温及终压下，提高蒸汽的初压p1可以使朗肯循环的热效率提高。

图5-9蒸汽初压的影响

输出循环净功增加不大（面积1654456c1与面积122c1的差值），但吸热量有明显减少（面积1aac1与面积1654456c1的差值），其循环热效率有明显提高。

2/6/20232.蒸汽初压对热效率的影响

图5-9蒸汽初压的影响

但随蒸汽初压的提高，乏汽的干度将降低，即x2＜x2。因而乏汽中所含水分增加，这将会冲击和腐蚀汽轮机最后几级叶片，同时使汽轮机内部摩擦损失增大，影响汽轮机安全运行和使用寿命。可见，单纯地提高初压弊大于利，如果在提高初压的同时提高初温，可以避免乏汽干度下降或下降太多。

2/6/20233.乏汽压力的影响

在相同的初温及初压下，降低乏汽压力p2可以使朗肯循环的热效率提高。

图5-10乏汽压力的影响

输出循环净功增加较大（面积2344322），吸热量增加很少（面积4bb44），其循环热效率有所提高。

降低乏汽压力会使乏汽的干度减小，同时还受到冷源温度及凝汽器传热温差的限制，所以，乏汽压力不能随意降低。2/6/2023三、提高蒸汽动力循环热效率的其他途径

初态参数的提高取决于金属材料耐高温高压的性能，同时要考虑设备投资和运行费用的增加；而降低终态参数又受环境温度的限制。为了提高蒸汽动力循环的热效率和改善运行效果，在朗肯循环的基础上，人们开发了一些较复杂的循环，如再热循环、回热循环和热电合供循环等。

2/6/20231.采用再热循环

将汽轮机中膨胀到某中间压力的蒸汽又引回锅炉再热器中或其它换热设备，重新加热升温，然后送回汽轮机中继续膨胀作功，这就是再热循环。

2/6/20231.采用再热循环

图5-11再热循环

显然只要选择适当的再热压力，就可增加高温段的吸热过程，使再热循环的平均吸热温度高于朗肯循环，从而提高循环的热效率。

2/6/20231.采用再热循环

若忽略水泵所消耗的功量，其循环净功为

循环中总吸热量为

再热循环的热效率为

2/6/20231.采用再热循环

最初采用再热循环的主要目的是为了提高汽轮机乏汽干度，以改善汽轮机的运行条件。现在实现再热已经成为大型蒸汽动力装置提高热效率的必要措施。高参数的大型现代蒸汽动力厂均毫无例外地采用再热循环，一般再热压力为初态压力的20％～30％；再热温度等于初态温度，即tbt1。通常一次再热可使热效率提高2％～3.5％。由于实现再热循环的实际设备和管路都比较复杂，投资费用也很大，一般只有大型火力发电厂且蒸汽初压p1在13MPa以上时才采用。现代大型机组很少采用二次再热，因为再热次数增多，不仅增加设备费用，且给运行带来不便。

2/6/20232.回热循环回热循环是利用蒸汽的回热对水进行加热，消除朗肯循环中4—5段（如图5-7）在较低温度下预热的不利影响，以提高热效率。如果利用蒸汽来加热给水，显然可以有效地提高平均吸热温度而使热效率提高。

2/6/20232.回热循环工程上实际采用的蒸汽回热循环是分级抽汽吸热循环。即在不同压力下，从汽轮机中抽出部分已经在一定程度上作过功的蒸汽，分别在不同的回热器中加热给水，以提高给水温度，减少水在低温时从高温热源的吸热量。现代蒸汽动力循环中普遍采用了回热循环。2/6/20232.回热循环图5-12所示为一级抽汽蒸汽回热循环的原理图和理论循环的T-s图。1kg压力为p1的过热蒸汽进入汽轮机膨胀作功，当其压力降到p6时，从汽轮机中抽出kg（＜1）蒸汽引入回热加热器，凝结放热；其余（1）kg蒸汽在汽轮机中继续膨胀作功直至乏汽压力p2，然后进入凝汽器被冷凝成水，经凝结水泵升压进入回热加热器，接受kg抽汽凝结时放出的潜热并与之混合成为抽汽压力下的1kg饱和水。最后经给水泵加压后，送入锅炉，吸收热量又成为1kg新的过热蒸汽，从而完成一个循环。

2/6/20232.回热循环一级抽汽回热循环的理论循环T-