热工与流体力学基础-第5章

2020/7/16第五章水蒸气和蒸汽动力循环2020/7/16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。2020/7/16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。2020/7/16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。2020/7/16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2020/7/16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。2020/7/162.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2020/7/16饱和压力ps饱和温度tsss()pft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。2020/7/164.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。2020/7/16基本概念wvvmmmx干度x的取值范围为0～1。x0，饱和液体0﹤x﹤1，湿(饱和)蒸汽x1，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2020/7/16二、水蒸气定压发生过程的三个阶段和五种状态pttsvpttsv0ptsv'ptsvxptsv''(,,)vhs(,,)vhs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/kgrhh过热度stt过冷度stt预热阶段汽化阶段过热阶段凝结潜热同工质同温度下2020/7/16三、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pc22.064MPatc373.99℃vc0.003106m3/kg临界点C饱和水线(x0)、饱和蒸汽线(x1）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。2020/7/16例5-110kg水处于0.1MPa下时饱和温度ts99.634℃，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t120℃，ts99.634℃，t＞ts，此时处于过热蒸汽状态。其过热度为：tstts12099.63420.366（℃）（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tts99.634℃，其干度为4.0644wvvmmmx2020/7/16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＝0.01C，p0＝611.659Pa，v0＝0.00100021ｍ3∕kｇ，u0=0kJ/kg；s0=0kJ/（kgK）ｈ0＝u0＋p0v0＝0.611J∕kg≈0kJ∕kg制冷剂蒸气图表常将零点规定于0℃以下2020/7/16二、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:)()1(vvxvvxvxvxxrhhhxhhxhxhx)()1(Trxsssxssxsxsx)()1(xxxpvhu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pps，tts2020/7/16u可通过uhpv求得表中未列出的参数用线性插值法求得2020/7/162020/7/16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）p0.1MPa，t50℃；（2）p0.5MPa，t200℃；（3）p0.8MPa，v=0.22m3/kg；（4）p1MPa，t179.916℃。解：（1）查附表5，p0.1MPa，ts99.634℃。而t＜ts，故第一种情况为未饱和水状态。查附表6，当p0.1MPa，t50℃时用线性插值法求得未饱和水的其它参数为v0.00101245m3/kg，h209.405kJ/kg，s0.70175kJ/（kgK），uhpv209.4050.11030.00101245209.304（kJ/kg）2020/7/16（2）查附表5，p0.5MPa，ts151.867℃，而t＞ts，故第二种情况为过热水蒸气状态。查附表6，当p0.5MPa，t200℃时，过热水蒸气的其它参数为v0.42487m3/kg，h2854.9kJ/kg，s7.0585kJ/（kgK），uhpv2854.90.51030.424872642.465（kJ/kg）（3）查附表5，当p0.8MPa时，v0.0011148m3/kg，v0.24037m3/kg；h721.2kJ/kg，h2768.86kJ/kg；s2.0464kJ/（kgK），s6.6625kJ/（kgK）因为v0.22m3/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。2020/7/16由式可得干度该状态下的其它参数为txts170.444℃hxh+x（hh）721.2+0.915（2768.68721.2）2594.64（kJ/kg）sxs+x（ss）2.0464+0.915（6.66252.0464）6.2701[kJ/（kgK）]uxhxpvx2594.640.81030.222418.64（kJ/kg）（4）查附表5，p1MPa，ts179.916℃，tts。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。915.00011148.024037.00011148.022.0vvvvxx)(vvxvvx2020/7/16三、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2020/7/16•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（x0）上界线（x1）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P4P3P1P2χ1χ2χ=1t1t2t3t4v1v2v3oShχ=0c2020/7/16四、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。2020/7/161.定压过程21()wpvv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12hhhq121212vvphhuuu0dtpvwuqw或1—2:定压吸热膨胀升温2—1:定压放热被压缩降温2020/7/162.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0dvpw21tdppvpvwvpphhuuuq1212122020/7/163.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12ssTq112212vpvphhuuqw1212thhssThqw2020/7/164.绝热过程忽略散热及不可逆因素0q11221212vpvphhuuuuw21thhhw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hS12χ=1χ2t2P1P2t1(a)可逆绝热过程hSs2s1P1t112χ=1χ2t2P22020/7/16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p0.2MPa的定压线与t1150℃的定温线相交得初状态点1，与t2250℃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）2012772297312hhq44122.1102.0)(312vvpw15744201wqu2020/7/16例5-4