工程热力学-第七章水蒸气性质和蒸汽动力循环.ppt

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1、工程热力学,彭 伟Email:手机,第七章 水蒸气性质和蒸汽动力循环,水和水蒸气是实际气体!,水蒸气,在空气中含量极小，当作理想气体,一般情况下，为实际气体，使用图表,18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质,直到内燃机发明，才有燃气工质,目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质,优点:便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好,水蒸气不能作为理想气体来对待，它的物理性质较理想气体复杂得多，它的状态方程、热力学能、焓和熵的计算式都不像理想气体的计算式那样简单。工程计算时直接查取为工程计算编制的蒸气热力性质图表或计算程序。其热力过程的计算分析也只能依据热力学基本定律和热力性质图表进行。,沸腾：表面和液体

2、内部同时发生的汽化,(气体和液体均处在饱和状态下),饱和状态：汽-液平衡共存的状态 汽化与凝结的动态平衡,汽化:由液态变成气态的物理过程(不涉及化学变化),蒸发：汽液表面上的汽化,7-1 水蒸气的饱和状态,饱和状态,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡,饱和温度Ts,饱和压力ps,一一对应,放掉一些水，Ts不变，ps？,Ts,ps,ps=1.01325bar,Ts=100,西藏ps=0.6bar,Ts=85.95,高压锅ps=1.6bar,Ts=113.32,纯物质的p-T相图,p,p,T,T,液,液,气,气,固,固,水,一般物质,三相点A,三相点,临界点C,临界点,流体,流体,升华线,升华线,凝固

3、线,凝固线,汽化线,汽化线,临界温度是最高的饱和温度；临界压力是最高的饱和压力三相点温度是最低的汽液两相平衡的饱和温度；三相点压力是最低的汽液两相平衡的饱和压力,7-2 水蒸气的产生过程,定压下水蒸气的发生过程工业生产中所用的水蒸气，一般都是在定压下（如锅炉中）产生的。为了说明方便起见，假设定量（如1kg）的水在气缸内进行定压加热，调节活塞上的砝码可改变水的压力。定压下水的发生过程可分三个阶段：定压预热过程、定压汽化过程、定压过热过程,7-2 水蒸气的产生过程,t ts,t=ts,t=ts,t=ts,t ts,v v,v=v,v=v,v v v,v v,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽

4、,过热蒸汽,h h,h=h,h=h,h h h,h h,s s,s=s,s=s,s s s,s s,假定水开始处于某一压力p，温度为0的状态，在维持压力不变的条件下，随着外界的加热，水的体积稍有膨胀，比体积略有增加，水的熵因吸热而增大。当水温升至对应压力p的饱和温度ts时，若继续加热，水就会沸腾而产生蒸气。此沸腾温度称为饱和温度ts。处于饱和温度的水称为饱和水，对其除压力和温度外的状态参数均加上一上角标“”，以示和其它状态的区别，如h、v和s等。低于饱和温度的水称为未饱和水（或过冷水）。,1水的定压预热阶段,1水的定压预热阶段,1kg 0的未饱和水加热到压力p下的饱和温度ts所需的热量称为液体

5、热，用q表示。根据热力学第一定律有,水的液体热随压力提高而增大,在维持压力不变的条件下，对饱和水继续加热，水开始沸腾发生相变而产生蒸汽。沸腾时温度保持不变，仍为饱和温度ts在这个水的液汽相变过程中，所经历的状态是液、汽两相共存的状态，称为湿饱和蒸汽，简称为湿蒸汽。随着加热过程的继续，水逐渐减少，蒸汽逐渐增加，直至水全部变为蒸汽，称为干饱和蒸汽或饱和蒸汽。对干饱和蒸汽除压力和温度外的状态参数均加上一上角标“”，如v、h和s,2.饱和水的定压汽化阶段,2.饱和水的定压汽化阶段,由饱和水定压加热为干饱和蒸汽的过程，虽然压力、温度不变，比体积却随着蒸汽增多而增大，熵值也因吸热而增大，故这个过程在图p-

6、v和图T-s上是水平线段。该过程的吸热量称为汽化热，用r表示，则此热量在T-s图上是1-1”下带阴影线的面积。,2.饱和水的定压汽化阶段,湿蒸汽是饱和水和饱和蒸汽的混合物。干度指湿蒸汽中所含饱和水蒸气的质量分数湿度指湿蒸气中所含饱和水的质量分数x+y=1饱和水：x=0,y=1饱和干蒸气：x=1,y=0湿蒸汽：0 x1,0y1,湿饱和蒸汽区状态参数的确定,如果有1kg湿蒸气，干度为x,即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。,已知p或T(h,v,s,h,v,s)干度x,h,v,s,对于饱和蒸汽继续加热，蒸汽的温度升高，比体积增加、熵值也增加，如图1”-1所示。由于此阶段的蒸汽温度高于同压下的饱

7、和温度，故称为过热蒸汽。过热蒸汽的温度与同压下饱和温度之差D=t-ts,称为过热度。在这一阶段所吸收的热量称为过热热量 q”=h-h”,式中h为过热蒸汽的焓。在T-s图上过程线1”-1下方阴影线的面积即为q”,3.水蒸气的定压过热过程,如果改变压力，再次考察水在定压下的蒸汽发生过程，可以得到类似的三个阶段，其饱和压力随着压力提高而提高。压力一定，饱和温度一定，反之亦然，对应饱和温度的压力称为饱和压力，用 表示。提高压力后定压下的蒸汽发生过程，除饱和温度提高外，其汽化阶段的 和 值减少，因此汽化热值随压力提高而减少。当压力提高到22.064MPa时，此时,即饱和水和饱和蒸汽不再有区别，成为一个状

8、态点，称为临界状态或临界点，如图C所示，临界状态的参数称为临界状态参数，如临界压力pc和临界温度Tc等。临界状态的出现说明，当压力提高到临界压力时，汽化过程不再存在两相共存的湿蒸气状态，而是在温度达到临界温度时，液体连续地由液态变为汽态，即汽化过程缩短为一点，汽化在一瞬间完成。压力再提高时也如此，在临界温度时瞬间变为汽态。由此可知，只要工质的温度大于临界温度，不论压力多高，其状态均为汽态,将TTc的气体称为永久气体。,s,水蒸气的压容图、温熵图和焓熵图,A1,A2,C,A1,A2,C,7-3 水蒸气图表,连接图p-v和图T-s上不同压力下的饱和水状态1、2、3和临界点C所得曲线称为饱和水线（或

9、下界线），连接图p-v和图T-s上不同压力下的干饱和蒸汽状态1”、2”、3”和临界点C所得曲线称为饱和蒸汽线（或上界线）。两线合在一起称为饱和线。饱和线将两图分成三个区域：水区（下界线左侧）、湿蒸汽区（又称两相区或饱和区，上下界线之间）和过热蒸汽区（上界线右侧）。水和水蒸气呈现五种状态：未饱和水、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸汽和过热蒸汽。,一点：临界点 Critical Point,两线,饱和液体线 饱和蒸汽线,三区,水区,饱和区,过热水蒸气区,五态,未饱和水,饱和水,湿蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,一点，二线，三区，五态,焓熵图的画法(1),1、零点：h=0，s=0；,2、饱和汽线（上界线）、饱和

10、液线（下界线）,斜直线,向上翘的发散的形线,C点为分界点，不在极值点上,焓 熵 图,h,s,C,x=1,x=0,焓熵图的画法(2),气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体,在x=0,x=1之间，从C点出发的等分线,焓 熵 图,h,s,C,x=1,x=0,水蒸气热力性质表(两类),2、未饱和水和过热蒸汽表,1、饱和水和干饱和蒸汽表,7-3 水蒸气图表,表的出处和零点的规定,原则上可任取零点，国际上统一规定。,但 原则上不为0，对水：,表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上

11、还主要依靠图表。,焓、热力学能、熵零点的规定：,水的三相点T=273.16K,p=611.66Pa时，u=0,s=0,7-4 水蒸气的热力过程,蒸气热力过程的分析与计算只能利用热力学第一定律和第二定律的基本方程，以及蒸气热力性质图表。其一般步骤如下：,（1）由已知初态的两个独立参数，在蒸气热力性质图表上查算出其余各初态参数之值；,（2）根据过程特征和终态的一已知参数，由蒸气热力性质图表查取终态状态参数值；,（3）由查算得到的初、终态参数，应用热力学第一定律和第二定律的基本方程计算q、w(wt)、h、u 和sg等。,1定容过程,2定压过程 蒸气的加热（如锅炉中水和水蒸气的加热）和冷却（如冷凝器中

12、蒸气的冷却冷凝）过程，在忽略流动压损的条件下均可视为定压过程。当可逆时有,3定温过程,4绝热过程 蒸气的膨胀（如水蒸气经汽轮机膨胀对外作功）和压缩（如制冷压缩机中对制冷工质的压缩）过程，在忽略热交换的条件下可视为绝热过程，有,在可逆条件下是定熵过程 s=0,7-5 基本的蒸汽动力循环朗肯循环,简化（理想化）,凝汽器,1,3,0,2,p,v,朗肯循环p-v图,0,3,2,1,T,s,h,s,1,3,2,0,朗肯循环T-s和h-s图,朗肯循环功和热的计算,汽轮机作功,凝汽器中的定压放热量,水泵绝热压缩耗功,锅炉中的定压吸热量,朗肯循环热效率的计算,一般很小，占0.81%，有时忽略泵功,实际蒸汽动力循环热效率,汽机相对内效率,新汽温度对循环热效率的影响,7-6 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响,提高新汽温度T1，使得朗肯循环平均吸热温度提高，循环热效率提高,s,3,2,0,1,1,T,T1,蒸汽初压（新汽压力）对循环热效率的影响,7-6 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响,提高新汽压力p1，使得朗肯循环平均吸热温度提高，循环热效率提高,但增大了乏汽的湿度,1,0,3,2,s,s1,s3,s3,T0,T1,T,背压（乏汽压力）对循环热 效率的影响,7-6 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响,降低乏汽压力p2，使得朗肯循环平均放热温度降低，循环热效率提高,但降低幅度有限,