水蒸气及蒸汽动力循环

水蒸气及蒸汽动力循环第1页，共27页，2023年，2月20日，星期一二、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水的预热过程—未饱和水(0.01℃)→饱和水(ts)；②水的汽化过程—饱和水(ts)→干饱和水蒸气(ts)；③水蒸气的过热过程—饱和水蒸气（ts）→过热水蒸气(t)。

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

p↑→ts↑，q'↑定压预热过程的能量转换关系为因v’≈v0.01，所以热工计算仅需计算Δh及Δu，故可任取某个状态作为计算的零点。国际水蒸气性质会议规定，水的三相点状态下u＝0。一般情况下，对温度为0.01℃时不同压力的水，取u0.01≈0。压力不高时，对0.01℃时水，也可取h0.01≈0。第2页，共27页，2023年，2月20日，星期一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。则有定压过热过程中所需的热量称为过热热量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。

第3页，共27页，2023年，2月20日，星期一三、水蒸气的p-v图和T-s图

分析水蒸气的相变图线可见，上、下界线表明了水汽化的始末界线，二者统称饱和曲线，它把p-v和T-s图分为三个区域，即液态区(下界线左侧)、湿蒸汽区(饱和曲线内)、汽态区(上界线右侧)。此外，习惯上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。所以，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)第4页，共27页，2023年，2月20日，星期一四、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。在饱和状态下，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之间有确定的对应关系。压力越高，饱和温度也越高。如，p＝0.0108kPa时，ts＝0℃；当p＝101.325kPa时，ts＝100℃。ts和ps之间的关系，由实验或经验公式确定。

由于饱和区内的湿饱和蒸汽的温度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，还须另一个独立参数，一般采用“干度”作为参数，但也可以是其它的状态参数，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

第5页，共27页，2023年，2月20日，星期一

由于湿饱和蒸汽实质上是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，因此其热力学能、焓、熵及容积可表示为引入干度的关系式，可得即，如已知湿饱和蒸汽干度x，即可利用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿饱和蒸汽的相应状态参数的数值。第6页，共27页，2023年，2月20日，星期一10-2

水蒸气热力性质表和图

水蒸气的热力性质比较复杂，用水蒸气状态方程式计算比较困难。水蒸气的热力性质表和相应的图线，提供了计算所需的各种状态下水蒸气参数的详尽数据。工程中只需计算水蒸气u、h、s的变化量，因此可任选一个基准点。国际会议规定，水蒸气热力性质表和图以三相点状态的液相水为基准点编制。水的三相点的参数为p＝0.6112kPa，v＝0.00100022m3/kgT＝273.16 K此状态下液相水的热力学能和熵被规定为零，即u'0.01＝0kJ/kg，s'0.01＝0kJ/(kgK)而其焓值为

h'0.01＝u'0.01+pv＝0kJ/kg+0.6112kPa×0.00100022m3/kg＝0.000611kJ/kg≈0kJ/kg工程上视其为零。第7页，共27页，2023年，2月20日，星期一未饱和水及过热蒸汽表第8页，共27页，2023年，2月20日，星期一饱和水及干饱和蒸汽表第9页，共27页，2023年，2月20日，星期一

h-s图上可直接读出焓值，便于求取焓变。

h-s图的结构：C—临界点，x＝0线，x＝1线；定压线、定温线和定容线，在饱和区内还有定干度线。

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图上的斜率为饱和区内，p＝const→＝const，所以定压线为一簇斜率不同的直线。在过热区，随着温度的增高，定压线趋于陡峭。

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(图中虚线)。

定干度线—一组干度等于常数的曲线。

x<0.5的区域图线过密，工程中也不经常使用这部分数据，所以通常所用的h-s图线中不包括这一区域。第10页，共27页，2023年，2月20日，星期一10-3

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、二定律：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：

第11页，共27页，2023年，2月20日，星期一二、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：

第12页，共27页，2023年，2月20日，星期一10-4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。

蒸汽动力装置的工作循环可以理想化为由两个可逆定压过程和两个可逆绝热过程组成的理想循环。即0-1—定压吸热过程，1-2—绝热膨胀过程，2-3—定压放热过程，3-4—绝热加压过程。该循环称为朗肯循环，也称为简单蒸汽动力装置循环。第13页，共27页，2023年，2月20日，星期一朗肯循环热效率分析

循环工质吸热q1＝h1－h0工质放热汽轮机所作轴功(ws,T)1-2＝h1－h2水泵耗功

循环净功朗肯循环热效率水泵耗功很少，约占汽轮机轴功的2%，可忽略，即认为则朗肯循环的热效率可近似地表示为

第14页，共27页，2023年，2月20日，星期一一、提高蒸汽初温对热效率的影响设初压p1＝const，乏汽压力p2＝const,

↑T1→T1’→(Tm1’

＞Tm1)

。过程2'-3和原过程2-3放热温度相同，即

Tm2’

＝Tm2＝T2

于是，由等效卡诺循环的热效率公式ηt＝1－(T2/Tm1)可知，蒸汽初温由T1提高到T1’时，朗肯循环的热效率提高。此外，当蒸汽的初温提高时，如果蒸汽的初压不变，绝热膨胀终了状态比原状态2有较大的干度。乏汽的干度增大说明乏汽中含有的水分减少，这有利于减少汽轮机内部的功耗散，也有利于改善汽轮机叶片的工作条件。但另一方面，为提高蒸汽的初温，则要求锅炉过热器所用材料具有较好的耐热性。第15页，共27页，2023年，2月20日，星期一

二、提高蒸汽初压对热效率的影响设初温T1＝const，乏汽压力p2＝const。↑p1→p1’→(Tm1’

＞Tm1)

。过程2'-3和原过程2-3放热温度相同，即

Tm2’

＝Tm2＝T2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p1，可使朗肯循环的热效率提高。当提高蒸汽的初压时，如果蒸汽的初温不变，则绝热膨胀终了状态2'比原状态2有较小的干度。干度减小说明乏汽中含有的水分增加，这会引起汽轮机内部的耗散增加。特别是干度较低而水分过多时，由于水滴的冲击，汽轮机叶片的表面受破坏，甚至引起叶片振动，影响叶片的使用寿命。因此，一般同时提高蒸汽的初温及初压，既能提高热效率，又能保证汽轮机内部良好的工作条件第16页，共27页，2023年，2月20日，星期一三、降低乏汽压力对热效率的影响

设初温T1＝const，初压p1＝const降低乏汽的压力p2→与乏汽压力相应的饱和温度也随着降低，放热过程2'-3'要比原过程2-3有较低的放热温度，即T2‘＜T2。虽然这时加热过程的起点T0也降低为T0’，但它对整个加热过程的平均加热温度影响很小。因而，由等效卡诺循环的热效率公式可知，降低乏汽的压力p2，可以提高朗肯循环的热效率。乏汽的凝结温度主要取决于自然环境中冷却介质的温度。当乏汽的凝结温度降低到28℃时，乏汽的压力相应地降低为0.0039MPa左右。第17页，共27页，2023年，2月20日，星期一10-5再热循环

为了提高热效率，可以采用再热的方法来提高加热过程的平均加热温度。第18页，共27页，2023年，2月20日，星期一由于平均加热温度提高，而平均放热温度不变，按等效卡诺循环热效率公式，可知再热循环具有比朗肯循环高的热效率。

再热循环的热效率可表示为

对比朗肯循环热效率循环的热效率），再热循环具有比朗肯循环高的热效率。则只有当时（即循环a-1‘-2-2-a的热效率大于朗肯第19页，共27页，2023年，2月20日，星期一采用再热措施时，乏汽的干度显著的提高。因此在一定的蒸汽初温的限制条件下，采用再热循环就可应用更高的蒸汽初压，使循环的热效率得到进一步提高。现代蒸汽动力装置中，蒸汽初压高于13MPa的大型装置都采用再热措施。第20页，共27页，2023年，2月20日，星期一10-6回热循环从汽轮机中某个部位抽取经过适当膨胀后的蒸汽，其温度总高于凝结水的温度，用来预热锅炉给水，使得水的加热过程从较高温度开始，使平均加热温度增高，从而提高循环热效率。第21页，共27页，2023年，2月20日，星期一抽汽量α的确定

回热器中αkg水蒸气放出的热量：(1-α)kg水在回热器中得到的热量：因为所以由于hb<<ha，所以α是一个很小的数值。第22页，共27页，2023年，2月20日，星期一功量：1-a过程中，1kg水蒸气所作的轴功a-2过程中，

(1－α)kg水蒸气所作的轴功汽轮机所作的轴功或第23页，共27页，2023年，2月20日，星期一功量与热量的关系：过程2-3中(1－α)kg的放热量：由一定律有：忽略水泵的耗功，有：即第24页，共27页，2023年，2月20日，星期一一级抽汽回热循环的热效率：即与朗肯循环热效率相比，由于