大一学年化工专业课件水蒸气及蒸汽动力循环配套

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环1第十一章水蒸气及蒸汽动力循环11-1

水蒸气的发生过程11-2

水蒸气热力性质表和图11-3

水蒸气的热力过程11-4

朗肯循环11-5

再热循环11-6

回热循环11-7

热电联产及蒸汽-燃气联合循环2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环211-1

水蒸气的发生过程

b-d—ts饱和水→ts干饱和水蒸汽。v↑，t和p均不变。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。

d-e—ts干饱和水蒸汽→t过热水蒸汽。t↑，v↑。

过热度D=t-ts一、水蒸气的定压发生过程

a-b—0.01℃未饱和水→ts饱和水。t↑，v↑。2023年2月7日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水蒸气定压发生过程的三个阶段：①水的预热——未饱和水(0.01℃)→饱和水(ts)；②水的汽化——饱和水(ts)→干饱和水蒸气(ts)；③水蒸气的过热——饱和水蒸气（ts）→过热水蒸气(t)。

水的液体热q‘——水的预热过程中，使水由三相点温度0.01℃升高到饱和温度ts所需的热量。

定压预热过程的能量转换关系为因v'≈v0.01，所以

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。

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环4热工计算仅需计算Δh及Δu，故可任取某状态作为计算基点。规定水的三相点状态u＝0kJ/kg

。一般情况下，对温度为0.01℃时不同压力的水，取u0.01≈0kJ/kg。压力不高时，对0.01℃时水，也可取h0.01≈0kJ/kg。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环5汽化潜热水的定压汽化过程中，1kg饱和水汽化成为干饱和水蒸气所需的热量称为汽化潜热L。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。

定压汽化过程中的热量转换关系为定义：内汽化潜热

——汽化潜热中转变为热力学能的部分；

外汽化潜热

——用于对外作功的部分。则有

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环6过热热量q按能量转换关系，有显然，将0.01℃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。

——定压过热过程中所需的热量。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环7三、水蒸气的p-v图和T-s图

在p-v图和T-s图上，连接各定压线上所有开始汽化的各点，形成下界线BC(饱和水线)。连接各定压线上所有汽化完毕的各点，形成上界线AC(干饱和水蒸气线)。临界点C——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tc＝374.15℃,pc＝22.120MPa,vc＝0.00317m3/kg

下界线和上界线在临界点C相交，形成了为饱和曲线ACB所包围的饱和区，在该区域内饱和水和饱和水蒸气共存，称为湿饱和蒸汽，因此饱和区又称为湿蒸汽区。

当压力高于临界压力pc时，便不再发生水的定压汽化过程。2023年2月7日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

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p-v图和T-s图分为三个区域：液态区(下界线左侧)、湿蒸汽区(饱和曲线内)、汽态区(上界线右侧)。常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久”气体与液体的分界线。水蒸气的相变图线，可以总结为一点(临界点)、二线(上界线、下界线)、三区(液态区、湿蒸汽区、气态区)和五态(未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态)。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环9四、水蒸气的饱和状态

饱和状态——饱和区内，饱和水和饱和水蒸气共存的平衡状态。饱和状态下，饱和水与饱和水蒸气的平衡是动态的平衡。饱和温度与饱和压力关系确定。压力↑→饱和温度↑。如：

p＝0.0108kPa时ts＝0℃p＝101.325kPa时ts＝100℃

ts和ps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ts与压力ps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，还需另一个独立参数，一般采用“干度”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。

干度x

—湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即，，2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环10

湿饱和蒸汽是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，其热力学能、焓、熵及容积可表示为引入干度的关系式，可得即干度x确定时，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。饱和状态下状态参数的计算，，2023年2月7日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p＝0.6112kPa，v＝0.00100022m3/kgT＝273.16K在此状态下 kJ/kg，

 kJ/(kgK)而其焓值为

＝0kJ/kg+0.6112kPa×0.00100022m3/kg

＝0.000611kJ/kg≈0kJ/kg工程中不需计算水蒸气u、h、s的绝对值，只需确定其变量，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编制以三相点状态的液相水为基准点。

水的三相点的参数为

水蒸气热力性质复杂，有关水蒸气的各种工程计算，常依赖各种专用的水蒸气热力性质表和相应的图线。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环12常用水蒸气热力性质表

未饱和水及过热蒸汽表：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，确定该状态下的其他三个参数。

饱和水及干饱和蒸汽表通常分为：①按温度排列；②按压力排列。列出饱和温度、饱和压力、饱和水以及干饱和蒸气的比体积、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x，确定湿饱和蒸汽的各参数。

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两数据中间的数值。

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环13

特征点与特征线：C——临界点，x＝0线，x＝1线。

定压线——在h-s图上呈发散分布。由Tds＝dh-vdp可知，定压线在h-s图上的斜率为在饱和区内，p一定时T亦为定值，所以区内的定压线为一簇斜率不同的直线。在过热区，随温度的增高，定压线趋于陡峭。h-s图

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开后逐渐趋于平坦。即随p↓蒸汽性质趋近理想气体。

定容线——走向与定压线相同，但比定压线稍陡。

定干度线——一组干度等于常数的曲线。

x<0.5区域图线过密，工程中不经常使用这部分数据，故通常所用的h-s图线不包括这一区域。用h-s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

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环1411-3

水蒸气的热力过程分析水蒸气热力过程的目的——确定过程的能量转换关系，包括w、q以及Δu和Δh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：可用水蒸气表及图，依照过程的特点来确定各状态的参数。

一、定容过程

v1=v2,于是可得2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环15二、定压过程

p1=p2,于是可得

三、定温过程

T1=T2,于是可得

四、定熵过程

s1=s2,于是可得

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环1611-4

朗肯循环简单蒸汽动力装置的主要热力设备：蒸汽锅炉、汽轮机、给水泵和冷凝器。水在锅炉中吸收热量形成过热蒸汽。过热蒸汽被送至汽轮机绝热膨胀作功。作功后的乏汽被送至冷凝器内凝结成水。再由给水泵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：0-1为定压吸热过程；1-2为绝热膨胀过程；2-3为定压放热过程；3-4为绝热加压过程。该循环称为朗肯循环(简单蒸汽动力装置循环)。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环17朗肯循环热效率分析0-1过程，工质吸热：q1＝h1－h0

2-3过程，工质放热：绝热膨胀过程1-2，工质在汽轮机中所作的轴功为(ws,T)1-2＝h1－h2

绝热加压过程3-0，给水泵消耗的轴功为循环净功：

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环18朗肯循环热效率因此，有水泵的耗功约为汽轮机轴功的2%，可忽略，即则循环热效率可近似表示为

定压吸热过程0-1中，工质的吸热量为q1＝h1－h0

循环净功为汽轮机轴功和水泵耗功之差，即

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环19一、提高蒸汽初温对热效率的影响

设初压p1、乏汽压力p2不变。蒸汽的初温由T1→→平均加热温度提高，即＞Tm1。放热过程-3与原过程2-3的放热温度T2相同。

于是，由等效卡诺循环热效率公式ηt＝1－(T2/Tm1)可知，蒸汽初温由T1提高到

时，朗肯循环热效率提高。蒸汽初温提高时，如蒸汽初压不变，膨胀终状态

比原状态2的干度大，即乏汽中含有的水分减少，这利于减少汽轮机内部的功耗散，也利于汽轮机叶片工作条件的改善。另外，为提高蒸汽初温，要求锅炉过热器材料具有较好的耐热性。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环20二、提高蒸汽初压对热效率的影响

设初温T1及乏汽的压力p2不变。蒸汽初压由p1提高到→平均加热温度提高，即＞Tm1。放热过程-3和原过程2-3放热温度T2相同。于是，根据等效卡诺循环的热效率公式ηt＝1－(T2/Tm1)可知，提高蒸汽初压可使朗肯循环的热效率提高。蒸汽初压提高时，如蒸汽初温不变，则膨胀终了状态比原状态2的干度小，即乏汽中的水分增加，这会引起汽轮机内部的耗散增加。当水分过多时，由于水滴的冲击，汽轮机叶片表面受破坏，甚至引起叶片振动，影响叶片使用寿命。因此，一般同时提高蒸汽的初温及初压，保证既能提高热效率，又能使汽轮机内部具有良好的工作条件。

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环21三、降低乏汽压力对热效率的影响

设初温T1及初压力p1不变。↓乏汽压力p2→与乏汽压力相应的饱和温度↓→放热过程

-比原过程2-3有更低的放热温度，即＜T2。虽这时加热过程的起点T0也降低为，但它对整个加热过程的平均加热温度影响很小。因而，由等效卡诺循环热效率公式可知，↓乏汽压力p2→朗肯循环热效率↑。

乏汽凝结温度主要取决于自然环境中冷却介质温度。当乏汽凝结温度降低到28℃时，乏汽的压力相应地降低为0.0039MPa左右。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环2211-5

再热循环

工作过程：蒸汽在汽轮机中膨胀作功而压力降低到某个中间压力时，将蒸汽从汽轮机引出，送至再热器重新加热，使蒸汽温度再次达到较高温度，然后送回汽轮机低压汽缸，进一步膨胀作功。

再热可提高循环的平均加热温度，进而提高循环热效率

。

再热循环的组成：0-1为定压吸热；1-a为绝热膨胀；a-

为定压再热；

-为绝热膨胀；-3为定压放热；3-0为绝热加压。

要使整个加热过程的平均加热温度比没有再热时高，应该使过程a-

的平均加热温度高于过程0-1的平均加热温度。即a点的温度不宜过低。当再热过程a-

的平均加热温度高于加热过程0-1的平均加热温度时，循环平均加热温度得以提高，热效率也提高。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环23再热循环的热效率对比朗肯循环热效率可见，只有当时（即循环a-1'-2-2-a的热效率大于朗肯循环的热效率），再热循环才具有比朗肯循环高的热效率。可表示为

将其改写为

采用再热措施时，乏汽干度显著提高。因此在一定蒸汽初温条件下，采用再热循环可应用更高的蒸汽初压，使热效率进一步提高。现代蒸汽动力装置中，初压高于13MPa的大型装置都采用再热措施。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环2411-6

回热循环当蒸汽在汽轮机中经初步膨胀作功而压力降低到某个中间压力时，从中抽出少量蒸汽送至回热器作回热用，其余蒸汽继续在汽轮机中膨胀到乏汽压力作出轴功。当乏汽在冷凝器中凝结成水后用水泵加压到等于中间抽汽的压力，送入回热器和从汽轮机抽出的蒸汽采用回热的方法可提高循环的平均加热温度，达到提高热效率的目的。

从汽轮机中抽取适当膨胀后的蒸汽，用于预热锅炉给水，使锅炉中水的加热过程从较高的温度开始，使平均加热温度增高。相接触，两者混合回热而形成与中间抽汽压力相对应的饱和水，最后经给水泵加压后重新送入锅炉。

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环253-0——(1－α

)kg水的绝热加压过程；0'-1——1kg水蒸气的定压吸热过程；1-a——1kg水蒸气的绝热膨胀过程；a-b——从汽轮机中抽出的αkg蒸汽在回热器中的定压回热过程；回热循环的工作过程2-3——(1－α)kg乏汽的定压放热过程；0-b——(1－α)kg水在回热器中的定压预热过程；b-0——回热后重新汇合的1kg水的绝热加压过程。a-2——抽汽后剩余的(1－α)kg水蒸气的绝热膨胀过程；2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环26抽汽量α的确定

=回热中αkg水蒸气的放热量：(1-α)kg水在回热器中吸热量：Q'＝α(ha－hb)Q"＝(1－α)(hb－h0)二者相等，所以有因hb比ha小得多，所以α是个很小的数值。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环27抽汽循环的功量分析

绝热膨胀过程1-a中，1kg水蒸气所作轴功为

于是，汽轮机所作轴功为(ws)1-a＝h1－ha绝热膨胀过程a-2中，(1－α)kg水蒸气所作的轴功为(Ws)a-2＝(1－α)(ha－h2)Ws,T＝(h1－ha)+(1－α)(ha－h2)

Ws,T＝(1－α)(h1－h2)+α(h1－ha)

或2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环28抽汽循环的热量分析Q1＝(1-α)(h1－h3)+α(h1－ha)即

忽略泵功，有

定压放热过程2-3中为(1－α)kg水蒸气所放出的热量为

按的能量守恒原理，循环中有

2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环29回热循环热效率按热效率定义式，可得一级抽汽回热循环的热效率为与朗肯循环热效率对比，因总为正，故抽汽回热循环的热效率高于朗肯循即

环的热效率。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环3011-7

热电联产及蒸汽-燃气联合循环

热电联产循环——同时供电又供热的热力循环。背压式热电联产循环——蒸汽动力装置中，装设背压式汽轮机。调节抽汽式热电联产循环——蒸汽动力装置中，装设调节抽汽式汽轮机。

蒸汽-燃气联合循环——利用蒸汽动力装置循环和燃气动力装置循环的各自特性，扩大热力循环的工作温度范围，达到提高循环热效率的目的。

一般蒸汽动力装置的冷凝过程中，乏汽向冷却水放出大量的热量，占其在锅炉中所吸收热量的50%以上。同时，由于温度低，这部分热量难以利用。提高汽轮机排汽压力，其温度也得以提高，使得汽轮机的排汽可用于生产和生活用热；此外，在汽轮机中作了一定数量功的蒸汽也可作为生产和生活的供热热源。这些措施大大提高了热力系统的热能利用效率。2023年2月7日第十一章水蒸气及蒸汽动力循环31一、背