第九章热力学.doc

第9章 水蒸气的热力性质和蒸汽动力循环9-1水蒸气的饱和状态什么叫饱和状态饱和状态就是汽-液平衡共存的状态就是饱和状态。假定有一容器，灌进一定量的水（不装满），然后设法将留在容器中水面上方的空气抽出，并将容器封闭。空气抽出后，水面上方不可能是真空状态，而是充满水蒸气（有水汽化而来）。水蒸气的分子处于紊乱的热运动中，它们相互碰撞，和容器壁碰撞，也和水面碰撞。在和水面碰撞时，有的仍然返回到蒸汽空间，有的进入了水面变成水的分子。水蒸气的压力愈高，密度愈大，水蒸气分子与水面碰撞愈频繁，在单位时间内水进入水面变成水分子的水蒸气分子数也愈多。 在一定的温度下，水蒸气的压力总会自动稳定在一定的数值上。这时进入水面和脱离水面的分子数相等，水蒸气和水处于平衡状态，也就是饱和状态。饱和状态下的水称为饱和水；饱和状态下的水蒸气称为饱和水蒸气；饱和状态下的压力称为饱和压力ps；与此相应的饱和蒸汽（或饱和液体）的温度称为饱和温度ts。 如图可知一定的饱和温度总是对应着一定的饱和压力；一定的饱和压力也总是对应着一定的饱和温度。饱和温度愈高，饱和压力也愈高。 当温度超过ts时，液相不可能存在，而只可能存在气相。Ts称为临界温度。与临界温度相对应的饱和压力Pc称为临界压强。所以，临界温度是最高的饱和温度；临界压力是最高的饱和压力。水（或水蒸气）的临界参数值为 当压力低于一定数值PA时，液相也不可能存在，而只可能是气相或固相。PA称为三相点压力。与三相点压力相对应的饱和温度tA称为三相点温度。所以，三相点压力是最低的汽-液两相平衡的饱和压力；三相点温度是最低的汽-液两相平衡的饱和温度。水的三相点温度和三相点压力为 9-2水蒸气的产生过程 将1kg、0度的水装在带有活塞的容器中（如图）。从外界向容器中加热，同时保持容器内的压力为P不变。起初，水的温度逐渐升高，比体积也稍有增加（如a-b过程）。但当温度升高到相应于P的饱和温度ts而变成饱和水以后（b），继续加热，饱和水便逐渐变成饱和水蒸气（即所谓汽化），直到汽化完毕。在整个汽化过程中，温度始终保持为饱和温度ts不变。在汽化过程中，由于饱和温度和水蒸气的量不断增加，比体积一般增大很多（过程b到d）。再继续加热，温度又开始上升，比体积继续增大（过程d到e）， 饱和水蒸气变成了过热水蒸气（即温度高于当时压力所应对的饱和温度的水蒸气）。过程d到e和一般气体的定压加热过程没有什么区别。水蒸气的产生分为三个阶段：1、 水的定压预热过程（不饱和水到饱和水为止）2、 饱和水的定压汽化过程（从不饱和水到完全变成为饱和水蒸汽）3、 水蒸气的定压过热过程（从饱和水蒸气到任意温度的过热水蒸气）9-5、基本的蒸气动力循环朗肯循环蒸汽动力装置所采用的工质一般都是水蒸气。蒸汽动力装置包括四部分主要设备蒸汽锅炉、蒸汽轮机、疑汽器、水泵。水在蒸汽锅炉中预热、汽化并过热，变成过热水蒸气。 从蒸汽锅炉出来的水蒸汽进入蒸汽轮机膨胀做功。因为大量水蒸气很快流过蒸汽轮机，平均每千克蒸汽散失的热量相对来说很少，因此可以认为过程是绝热过程（过程1到2）。从蒸汽轮机排出的水蒸气进入疑汽器，疑结为水（过程2到3）。疑结水经过水泵，提高压力后再进入蒸汽锅炉。水在水泵中被压缩时散失到外界的热量很少。可以认为是绝热过程（过程3到0）。经过上述四个过程后，工质回到了原来状态，这样便完成了一个循环。由两个定压过程（或者说由个不做技术工的过程）和两个绝热过程组成的最简单的蒸汽循环称为朗肯循环。朗肯循环的热效率为：卡诺循环与朗肯循环的区别：卡诺循环为要保证热机所进行的循环是可逆的，首先工质内部必须是平衡的。另外，当工质从热源吸收热时，工质的温度必须等于热源的温度（传热无温差），工质在心热膨胀时无摩擦，也我就是说，工质必须进行一个可逆的定温吸热（膨胀）过程。同样，在向冷源放热时，工质的温度必须等于冷源温度，工质必须进行一个可逆的定温放热（压缩）过程。然而，朗肯循环考虑了这些问题的存在。9-6、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响，也就是指初温、初压和终压对对朗肯循环热效率的影响。如果新汽和乏汽压力保持不变为P1和P2不变，将新汽的温度从T1提高到T2结果朗肯循环的平均吸热温度有所提高，而平均放热温度未变，因而循环效率也就提高了。再假定新汽温度和乏汽压力保持在T1和P2不变，将新汽压力由P1提高到P2.在通常情况下，这也能提高朗肯循环的平均吸热温度，而平衡放热温度不变，因而可以提循环的热效率。 虽然提高新汽的温度和压力能提高朗肯循环的热效率，但是要指出的是单独提高初压会使膨胀终了时乏汽的湿度增大。乏汽湿度过大，不仅影响蒸汽轮机最末几级的工作效率，而且危及安全。提高初温可将一降低膨胀终了时乏汽的湿度。所以，蒸汽的初温和初压一般都是同时提高的，这样既可避免单独提高初压带来的乏汽湿度增大的问题，又可使循环效率的增长更为显著。随着乏汽压力的降低，朗肯循环的热效率有显著地提高。但是由于乏汽温度充其量也只能降低到和天然冷源的温度相等，因此乏汽压力的降低时有限度的。一、温度对热效率的影响1、 在相同的初压及背压下，提高初温可使热效率增大；因为提高了平均吸热温度。2、 可使终态的干度增大，对提高汽轮机相对内效率和延长汽轮机的使用寿命，增加运行安全及设备安全性有利。3、 受材料耐热性能的限度。二、初压对热效率的影响1、 在相同的的初度及背压下，提高初压可热效率增大，因为提高了平均吸热温度。2、 必须考虑设备的强度问题。3、 初压提高会使乏汽干度迅速降低，乏汽中所含的水分增加，将引起汽轮机内部效率降低，且水分超出某一限度时（通常不低于88%）将引起汽轮机最后几级叶片侵蚀，缩短汽轮机的设备的使用寿命，并能引起汽轮机的危险震动，但提高P，的同时提高T，可以抵消因初压而引起的乏汽干度的降低。3、 背压对热效率的影响1、 在相同的初温初压下，降低背压也能使效率提高。2、 受环境温度的影响。3、 降低背压若不提高初压也会引起乏汽干度降低。9-7、蒸汽再热循环 蒸汽再热循环的利弊： 1、由于再热循环所的平均吸热温度高于朗肯循环的平均吸热温度，平均放热温度相同，因此循环热效率得到提高。 2、采用再热循环可显著提高乏气干度，有利于机组运行。 3、由于每千克蒸汽所作的功增加了，故汽消耗较低，通过设备的水和水蒸汽的质量减少，可减轻水泵和冷凝器的负荷。 4、但因管道、阀门及换热面增多，增加了投资费用，且使管理运行复杂化。9-8、抽气回热循环 回热循环的利弊： 1、提高了循环热效率。 2、由于工质吸热量减小，锅炉热负荷减低，因而减少受热面，节省金属材料。 3、由于汽耗率增大，使汽轮机高压端的蒸汽量增加，而低压端因抽气流量减小，这样有利于汽轮机设计中解决第一级叶片太短和最末级叶片太长的矛盾，提高单机效率。 4、由于进入冷凝器的乏气量减小，可减少冷凝器的换热面积，节省钢材。 5、但因管道、阀门、回热器及水泵等设备增多，增加了投资费用，且使管理复杂化。