第二章 水蒸汽及其动力循环第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用第二节 水蒸气典型热力过程第三节 水蒸气动力循环水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电动力循环：以获得功为目的为什么用水蒸气而不用别的工质？
? 流动性好
? 易于膨胀
? 极易获得
? 价格低廉
? 无毒副作用
? 一、水蒸气的基本概念和有关术语第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用汽化蒸发沸腾局部沸腾（过冷沸腾）
整体沸腾
⒈汽化：水变成蒸汽的现象。从微观上讲，汽化指液体中的分子克服周围液体分子的引力和液体表面张力而逸出液面的现象 。
固态 液态 气态
? 蒸发：在液面进行的汽化过程；
? 沸腾：在液体容积空间内的汽化过程。
? 局部沸腾：当液体整体温度较低时，如果存在局部温度较高，产生小汽泡，而这些小汽泡不能上升到液面就被淹灭。此时液体的温度上升速率很大。
? 整体沸腾：当液体温度上升到与压力相应确定的温度时，整个水空间产生汽泡，汽泡不再淹灭而集汇上升到液面逸出。
? ⒉液化,蒸汽变成水的现象。
? 从微观上讲，处于容器汽空间的汽态分子进入容器液体空间的现象称为液化。
? ⒊饱和状态,对于一个汽液共存系统，微观意义上的汽化速度等于液化速度相等时，系统内的液体量和汽体量达到平衡的状态。即汽化和液化还在同时进行，但汽液两相分子数量都不再增加或减少。
? 系统处于饱和状态时的压力、温度就称之为饱和压力、饱和温度。
? 饱和压力与饱和温度不是彼此独立的，它们有一定的函数关系。－－－－因为液体的汽化速度取决于液体的温度，而汽体的液化速度取决于蒸汽的压力。
t
s
=f(P
s
)
4．水蒸气的常用术语及表示参数,
（1 ）过冷水：在定压下，未达到饱和状态的水。
P，t,v,h,s
（2 ）饱和水：在定压下，达到饱和状态的水，也就是只需再上一点热量，就会产生水蒸汽。
P，t
s
，v ’,h ’,s ’，x=0
P≈0.004Mpa,t
s
=28.6℃; P ≈0.031161Mpa,
t
s
=70℃;P ≈0.1Mpa,t
s
=100℃; P ≈0.2Mpa,t
s
=120℃ ;P≈0.5Mpa,t
s
=151℃;
（3 ）湿饱和蒸汽：在定压下，饱和水与饱和蒸汽的机械混合物。
P，t
s
，v
x
，h
x
，s
x
，0<x<1
干度,在饱和蒸汽这种汽——水混合物中，干饱和蒸汽所占的质量百分比。用,x”表示。 则 (1-x)即为
“湿度,
(4) 干饱和蒸汽：在定压下，纯饱和水蒸汽。
P，t
s
，v,，h,,s,，x=1
(5) 过热蒸汽：在定压下，对干饱和蒸汽进一步加热。
P,t，v,h,s
(6) 过冷度,过冷水的温度低于同压力下饱和温度的差。用,D”表示。
D= t
s
–t
过热度：过热蒸汽温度高于同压力下饱和温度的差。用,D”表示。
D=t- t
s
二、水蒸汽定压形成过程：
? 我们取1kg,0 ℃的过冷水，置于一个带有活塞的封闭汽缸内，进行定压力Ps下加热，观察一个近似可逆的定压水蒸汽形成过程如下：
过热蒸汽
1kg
q
P
3
t v h s (1)过热蒸汽无限多个状态点
(2)加入q
过
=h-h” q
sup
(3)蒸汽有过热度 D=t-t
s
r=h”-h q
rap
过冷水 P
3
t
0
=0℃ v
0
h
0
s
0
由过冷水加热到到饱和水过程经历无数多个过冷水状态点。
1kg
饱和水
q
P
3
t
s
v
’
h
’
s
’
(1)加入预热热量q
pre
=h’-h
0
(2)预热之后达到饱和水唯一一个状态点。
湿饱和蒸汽
1kg
q
P
3
t
s
v
x
h
x
s
x
(1)v
x
=（1-x）v ’+xv”
h
x
=(1-x)h’+h”x=h’+xr
s
x
=(1-x)s’+xs”
(2)湿饱和蒸汽有无限多个状态点干饱和蒸汽
1kg
q
P
3
t
s
v
”
h
”
s
”
(1)达到饱和蒸汽唯一一个状态点
(2)加入汽化潜热量：
r=h”-h’ q
rap
? 1.定压加热过程分析,v
x
? 定压力p
s
，水定压加热经历五种物理状态变化。
? 加热分为三个阶段，分别加入三部分热量：
? 总加热量=预热热量q
pre
+汽化潜热r(q
rap
)+
? 过热热量q 过（q
sup
）
? q=(h’-h
0
)+(h”-h’)+(h-h”)
? =h-h
0
? 为此，电厂锅炉必须具备三类受热面。
? 2.将上述定压加热过程描述在 p-v,T-s
图上,
P
v
0
a d
b
c
T
s
0
x
d
c
b
a
x
汽化潜热预热过热热由于定压一条条平行于v轴的直线
v
0
<v’<v
x
<v”<v
（熵增原理）
（1）a→b 定压预热 t↑、h↑、s↑
（2）b→c 定压汽化t
s
不变、h↑、s↑
（3）c→d 定压过热t↑、h↑、s↑
烧水时不能盛的太满蒸汽烫伤
? 3、水蒸汽的p-v 与 T-s图
? 显然，定压力p
s
可以是任意的，为了了解水蒸汽不同定压下的综合特性规律，我们取：
? p
1
<p
2
<p
3
<p
4
<p
c
为定压值时的p-v 与 T-s图
P
v
M
x=0.1
0
a
1
a
2
a
2
A B
d
1
d
2
d
3
b
1
b
2
b
3
c
3
c
2
c
1
C
N
x=0.9
T
s
M
x=0.1
0
a
1
a
2
A
B
d
1
d
2
d
3
b
1
b
2
b
3
c
3
c
2
c
1
C
N
x=0.9
? (1)由于水的不可压缩性，各压力下0 ℃的过冷水，具有相同的比容v
0
=0.001m
3
/kg。
? (2)各定压下饱和水点的光滑连接曲线 A—C，称作水蒸汽的下边界线（饱和水线），A—C 线上任一状态点都是对应各不同压力下的饱和水。A—C 线是一条向右偏斜的曲线，随压力↑、t
s
↑使水的膨胀性增大的结果。
? (3)各定压力下干饱和蒸汽点的光滑连接曲线 C—B，称作水蒸汽的上边界线（干饱和蒸汽线），C —B线上任一状态点都是对应各不同压下的干饱和蒸汽。C —B线是一条向左偏斜的曲线，这是由于干蒸汽的可压缩性大于其t
s
↑的膨胀性的结果。在T-s 图上，饱和水温度
t
s
↑，汽化用于克服水分子内聚力和克服外力做出膨胀功所需热量↓熵增↓。
? (4)上、下边界线随定力值的升高，逐渐汇拢，当定压力值升高到
=22.129Mpa时，上、下过界线交汇于 C点,C点称为水蒸汽的临界点：
? 临界上有一组临界参数：
? P
cr
=22.129Mpa,t
cr
= 374.15℃,v
cr
=0.00326m
3
/kg
? (5)C点的M —N线是一条定温线。在 = 374.15℃。
? (6)在压力 P=22.129Mpa以下的压力区，上、下边界线把水蒸汽图分成了三个区域：
? 下边界线左侧 ——过冷水区；
? 上边界线右上侧—— 过热蒸汽区；
? 两边界线之间围成了 ——湿饱和蒸汽区。
? (7)随压力升高，汽化潜热量↓，这是
↑↑水变汽的汽化用于克服分子间内聚力做功量↓的结果。
? (8)在湿蒸汽区，和相互不独立，欲知湿蒸汽的能量参数，须求知干度x 值，故在
p-v与 T-s图上，能依试验结果分别做出一簇处处与上下边界线平行的干度线。
?通过水蒸汽定压形成过程的认识和分析要牢记：一点、二线、三区、五态的概念。
? 三、水蒸气图、
表应用
? ⒈饱和水与干饱和蒸汽表（压力排列）P236,
237页。
? ⒉饱和水与干饱和蒸汽表（温度排列）P237,
238页。
? ⒊未饱和水与过热蒸汽表P239,
240页。
? ⒋水蒸气图。
P18、22页第二章 水蒸汽及其动力循环第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用第二节 水蒸气典型热力过程第三节 水蒸气动力循环第二节 水蒸气典型热力过程
? 一、换热器内的定压流动过程
? 火力发电厂的锅炉、冷凝器，各回热加热器，都属开口的稳定流动换热过程。
忽略工质的流动阻力时，皆属定压流动过程。
? 由开口系统热力学第一定律解析式：
系统加入热量 =工质在系统出口焓值 —工质在系统进口焓值。
0 W,0≈Zg,0≈
2
1
s
2
=ΔΔ∴ c
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
? 二、汽轮机及水泵内绝热流动过程
? 1．对于汽轮机：由于绝热，由
0≈Zg,0≈
2
1
,0=q
2
ΔΔcQ
21s
hh=W?∴
——对外做出正功
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
? 1．对于水泵：由
0≈Zg,0≈
2
1
,0=q
2
ΔΔcQ
12p
hh=W?∴
——外界对系统做功
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
? 三、绝热节流
——工质流经管道内的阀门、孔板，使之在局部阻力作用下，流体压力明显降低的热力过程。
1
1
0 2
2
0
由
0 W,0≈Zg,0≈
2
1
,0=q
s
2
=ΔΔcQ
21
hh =∴
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
——说明：
①绝热节流是典型的不可逆过程，
是不等焓过程。
②节流前后，
△ h=0，流速略有上升，压力明显下降，熵值明显增大。
③节流使工质做功能力降低节流的工程应用：制定流量（节流孔板）；
获得流量控制（阀门）。
? 四、通过喷管的绝热流动：
? ——能使工质降压、降温，将工质携带的热能转换成流速增加所体现的动能的管道称为,喷管”,它适用于任何工质。
火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶喷管目的,压力降低，速度提高扩压管目的,速度降低，压力升高
⒈喷管的型式
? 马赫数,Ma=c/a ——流体速度
? 音速：
? k——定熵指数（或称绝热指数）
? 对空气 k=1.4，R=8.3143kJ/(kmol.K)=287kJ/(kg.K)
? 过热蒸汽k=1.3 ；对于湿饱和蒸汽k=1.035+0.1x ；
对于干饱和蒸汽k=1.135 。
? 当温度T=(15+273.15)k 时，
? 当Ma<1,即流速小于当地音速，称亚音速流动。
? 当Ma=1,即流速等于当地音速，称等音速流动。
? 当Ma>1,即流速大于当地音速，称超音速流动。
kRTkpva ==
sma /34015.2882874.1 =××=
? 截面积与速度的关系：
c
dc
kM
p
dp
p
dp
vpdc
c
c
a
2
2
==
c
dc
M
v
dv
p
dp
kcv
dv
a
2
1
==
c
dc
M
A
dA
v
dv
c
dc
A
dA
a
)1(0
2
=?=?+
比容与速度的关系：
压力与速度的关系：
? ⒉工质在喷管内的能量转换
0 W,0≈Zg,0=q
s
=ΔQ
（注：h 的标准单位,J//kg，而习惯上用kJ/kg ）
当 c
2
>>c
1
而忽略 c
1
，且h 值用,kJ/kg”表示时
2
1212
)(2 chhc +?=
21212
72.44)(2000 hhhhc?=?=
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
2112
2
1
2
2
)()(
2
1
hhhhcc?==?
? 3．喷管的压力比
? 喷管的压力比：工质在喷管出口外的背压力（即环境压力）P
b
与工质进口压力P
1
之比。
1
P
P
b
=β
临界压力比：
1
P
P
cr
cr
=β
工程热力学推导知，临界压力比：
1
1
)
1
2
(
+
==
k
k
cr
cr
kP
P
β
注：式中,k”是标志气体工质性质的系数 —
—绝热指数。
? 4．喷管的选择
? 要选择喷管，所用气流的性质和初压力 P
1
是已知的，喷管出口外的环境压力值 P
2
，要由设计人员设定。
第二章 水蒸汽及其动力循环第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用第二节 水蒸气典型热力过程第三节 水蒸气动力循环第三节 水蒸气动力循环
? 一、以水蒸气为工质的卡诺循环设想绝热压缩
T
s
4
1
0
2
3
x=0
P
2
x=1
P
1
定温吸热定温放热绝热膨胀
? ⒈可逆定温加热过程4 → 1，只能在湿饱和蒸汽区实现，
过程超过1 点，必要求锅炉逐步降低压力，电厂锅炉无法实现。
⒉可逆绝热膨胀做功过程，全部在湿蒸汽区进行，湿蒸汽膨胀程度小，双相流损失很大，引发汽轮机震动，冲蚀等对汽轮机提出了技术上巨大困难，这一点将在汽轮机部分讲到。
? ⒊可逆定温放热过程只能进行到3 点（湿蒸汽状态），否则将得不到封闭的卡诺循环。
? ⒋可逆绝热压缩过程，由于汽态工质的可压缩性（低压下0.005Mpa 下，汽、水比容差２万８千倍——
=0.0010052m
3
/kg,=28.196 m
3
/kg），必使压汽机巨大而且消耗巨大的压缩功。
? ⒌湿蒸汽区可资利用的温差范围太小。
? T
1
不大于 Tc =647.15K(374.15+273)
? T
2
不小于 T
大气
=273.15K否则找不到第二热源。
w
v
v
v
结论
? 以水蒸气为工质进行卡诺循环，尽管从理论上可实现，但：
? ①可行范围太小，无实用价值
? ②无可相适应的高效热机。
? ⒈技术改造（温差+ 压缩）：
? ①在定压力下，将41过程延伸到过热蒸汽区，提高工质吸热温度，
拓宽可资利用的温差范围，由定温加热过程改为变温加热过程。
? ②在定压力下，将汽定温放热过程进行到底，获得排汽压力下的液态饱和水，以便于利用体积小、耗功少的水泵轻而易举地对其绝热压缩，
将压缩功消耗降到最低程度。
二,水蒸汽卡诺循环的改造
-------朗肯循环
4
32
1
T
s
T
s
4
1
0
2
3
⒉相应朗肯循环装置系统锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器
1
2
3
4
1→2 汽轮机 s 膨胀
2→3 凝汽器 p 放热
3→4 给水泵 s 压缩
4→1 锅炉 p 吸热
4
32
1
T
s
1
3
4
2
p
v
郎肯循环 pv图
1→2 汽轮机 s 膨胀
2→3 凝汽器 p 放热
3→4 给水泵 s 压缩
4→1 锅炉 p 吸热
h
s
1
3
24
郎肯循环Ts和hs 图
4
32
1
T
s
1→2 汽轮机 s 膨胀 2→3 凝汽器 p 放热
3→4 给水泵 s 压缩 4→1 锅炉 p 吸热
3.朗 肯循环功和热的计算
h
s
1
3
24
汽轮机作功：
2121,
hhw
s
=
凝汽器中的定压放热量：
322
hhq?=
水泵绝热压缩耗功：
3443,
hhw
s
=
锅炉中的定压吸热量：
411
hhq?=
4
32
1
T
s
h
s
1
3
2
4.朗 肯循环热效率的计算
4
,1 2,3 4
net
t
11
ss
ww
w
qq
η
==
一般很小，
占 0.8~1%，
忽略泵功
12
13
t
hh
hh
η
≈
5.郎肯循环与卡诺循环比较
s
T
6
4
2
1
'4
109
87
5
3
q
2
相同；? q
1卡诺
> q
1朗肯
η
卡诺
> η
朗肯；?等温吸热4’1 难实现
11点 x太小,不利于汽机强度；? 12-9两相区难压缩；
w
net卡诺小
η
卡诺
< η
朗肯；
w
net卡诺
< w
net 朗肯
1112
对比同温限 1234’
对比56 78
对比9-10-11-12
s
6
5
4
3
2
1
p
1
,t
1
,p
2
6.如何提高郎肯循环的热效率影响热效率的参数？
T
)(
)(
)(
)(
'
21
21
31
21
hh
hh
hh
hh
t
=
≈η
s
6
5
4
3
2
1
T
'1
'6
'5
'4
'2
(1)蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响
t
1
,p
2
不变,p
1
优点：
,汽轮机出口尺寸小
1
T t
η
2'
v
缺点：
对强度要求高
不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于 0.85~ 0.88
2'
x
s
6
5
4
3
2
1
T
'1
'2
(2)蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响优点：
,有利于汽机安全。
1
T t
η
2'
x
缺点：
对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在 550℃
左右
汽机出口尺寸大
2'
v
p
1
,p
2
不变,t
1
s
6
5
4
3
2
1
T
'2
(3)乏汽压力对郎肯循环热效率的影响优点：
2
T t
η
缺点：
受环境温度限制，
现在大型机组 p
2
为
0.0035~0.005MPa，
相应的饱和温度约为
27~ 33℃,已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高
p
1
,t
1
不变,p
2
'4
'3
T
s
6
5
4
3
1
b
a
2
再热循环本身不一定 提高循环热效率
与再热压力有关
x
2
降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，
一般采用一次再热可使热效率提高2％～
3.5％ 。
1.一次中间再热循环T-s图三、再热循环
2.一次中间再热循环装置
4
6
1
2
3
b
a
～
T
s
6
5
4
3
1
b
a
2
? 3.一次中间再热循环的循环效率
)()(
'
211 baR
hhhhq?+?=
)()()()(
21210 baab
hhhhhhhhw?+?=?+?=
)()(
)()(
'
21
21
1
0
ba
ba
TR
hhhh
hhhh
q
w
+?
+?
==η
（注：不计泵功）
T
s
6
5
4
3
1
b
a
2
223
qhh=?
T
s
6
5
4
3
1
b
a
2
再热循环本身不一定 提高循环热效率
与再热压力有关
x
2
降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，
)()(
)()(
'
21
21
1
0
ba
ba
TR
hhhh
hhhh
q
w
+?
+?
==η
4.再热循环优缺点分析：
? ——使每kg 工质在汽轮机内做功量增加，同功率机组蒸汽耗量下降。
? ——给水泵功率↓。
? ——乏汽量↓凝汽器尺寸变小，给水泵功率↓，运行循环水量↓，初投资↓和运行费用↓。
? ——一次再热可使相对循环效率提高左右5%,采用二次再热，循环效率提高不会超过7%,而设备造价↑↑，
运行管理复杂，运行费用↑↑，综合经济分析将得不偿失，故目前大多数机组只采用一次中间再热循环。
? ——再热系统和设备的增加，运行管理工作量的增加和效率提高综合经济分析结果：——只有当压力P
1
提高到
13.7MPa及以上时，采用再热循环才是经济的。
? ——为了有适宜的排汽干度和较好的循环热效率，理论和实践都证明，取Pa=(20%~30%)P
1
最佳。如：主/再
16.7MPa/3.14(3.29MPa)
蒸汽再热循环的实践
再热压力 p
b
=p
a
≈0.2~0.3p
1
p
1
<10MPa，一般不采用再热
我国常见机组,12.5,20,30,60万机组，
p
1
>13.5MPa，一次再热
超临界机组,t
1
>600℃,p
1
>25MPa，二次 再热四,蒸汽抽汽回热循环
(1- α)kg
α kg
6
5
a
4
3
2
1
s
1kg
T
1
2
3
6
1kg
a
4
5
α kg
(1-α) kg
a
α kg
4
(1- α)kg
5
1kg
由于 T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功抽汽回热循环的抽汽量计算
(1- α)kg
α kg
6
5
a
s
4
3
2
1
1kg
T
以混合式回热器为例热一律
( )
a45
11hhhαα+?=×
忽略泵功
54
a4
hh
hh
α
=
''
a2
'
a2
hh
hh
α
=
a
α kg
4
(1- α)kg
5
1kg
抽汽回热循环热效率的计算
(1- α)kg
α kg
6
5
a
4
3
2
1
s
1kg
T
吸热量：
放热量：
'
1,RG 1 5 1 a
qhhhh=?=?
( )
( )
'
2,RG 2 2
1qhhα=
( )
()( )
RG 1 a
a2
1
whh
hhα
=?
+
净功：
热效率：
( ) ( )( )
1a a 2
t,RG
'
1a
1hh hh
hh
α
η
+
=
为什么抽汽回热热效率提高？
(1- α)kg
α kg
6
5
a
4
3
2
1
s
1kg
T
()
()
'
22
t,RG
'
12 1a
1
1
hh
hh hh
η
α
α
=?
+?
教材P.27推导
'
22
t
'
12
1
hh
hh
η
=?
简单朗肯循环：
()
1a
0
1
hh
α
α
>
∴
t,RG t
η η>
物理意义,α kg工质 100%利用
1- α kg工质效率未变
02
2
1
2
11
wq
q
q
q
TR
+
=?=η
蒸汽抽汽回热循环的特点小型火力发电厂回热级数一般为 1～ 3级，
中大型火力发电厂一般为 4～ 8级。
优点
z 提高热效率
z 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短
z 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面
z 可兼作除氧器
缺点
z 循环比功减小，汽耗率增加
z 增加设备复杂性
z 回热器投资
>缺点五,热电联产 (供 )循环
1
2'
3
4
给水泵热用户汽轮机过热器锅炉用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用户的需要，这种作法称为 热电联(产)供 。
背压式机组(背压 >0.1MPa)
热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？
抽汽调节式热电联产 (供 )循环过热器 汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵 1
水泵 2
调节阀抽汽式热电联供循环,可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。
热用户热电联产 (供 )循环的经济性评价
net
1
qw
K
q
==
供热
＋
已被利用的能量工质从热源得到的能量
net
t
1
w
q
η =
只采用热效率 显然不够全面
能量利用系数
，但未考虑热和电的品位不同
热电联产、集中供热是发展方向，经济环保提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环改变循环形式热电联产燃气- 蒸汽联合循环新型动力循环
IGCC
PFBC-CC
…...
]水蒸汽的定压形成过程
]郎肯循环图示与 计算
]郎肯循环与 卡诺循环
]蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
]再热原理
]回热原理本章重点
? 流动性好
? 易于膨胀
? 极易获得
? 价格低廉
? 无毒副作用
? 一、水蒸气的基本概念和有关术语第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用汽化蒸发沸腾局部沸腾（过冷沸腾）
整体沸腾
⒈汽化：水变成蒸汽的现象。从微观上讲，汽化指液体中的分子克服周围液体分子的引力和液体表面张力而逸出液面的现象 。
固态 液态 气态
? 蒸发：在液面进行的汽化过程；
? 沸腾：在液体容积空间内的汽化过程。
? 局部沸腾：当液体整体温度较低时，如果存在局部温度较高，产生小汽泡，而这些小汽泡不能上升到液面就被淹灭。此时液体的温度上升速率很大。
? 整体沸腾：当液体温度上升到与压力相应确定的温度时，整个水空间产生汽泡，汽泡不再淹灭而集汇上升到液面逸出。
? ⒉液化,蒸汽变成水的现象。
? 从微观上讲，处于容器汽空间的汽态分子进入容器液体空间的现象称为液化。
? ⒊饱和状态,对于一个汽液共存系统，微观意义上的汽化速度等于液化速度相等时，系统内的液体量和汽体量达到平衡的状态。即汽化和液化还在同时进行，但汽液两相分子数量都不再增加或减少。
? 系统处于饱和状态时的压力、温度就称之为饱和压力、饱和温度。
? 饱和压力与饱和温度不是彼此独立的，它们有一定的函数关系。－－－－因为液体的汽化速度取决于液体的温度，而汽体的液化速度取决于蒸汽的压力。
t
s
=f(P
s
)
4．水蒸气的常用术语及表示参数,
（1 ）过冷水：在定压下，未达到饱和状态的水。
P，t,v,h,s
（2 ）饱和水：在定压下，达到饱和状态的水，也就是只需再上一点热量，就会产生水蒸汽。
P，t
s
，v ’,h ’,s ’，x=0
P≈0.004Mpa,t
s
=28.6℃; P ≈0.031161Mpa,
t
s
=70℃;P ≈0.1Mpa,t
s
=100℃; P ≈0.2Mpa,t
s
=120℃ ;P≈0.5Mpa,t
s
=151℃;
（3 ）湿饱和蒸汽：在定压下，饱和水与饱和蒸汽的机械混合物。
P，t
s
，v
x
，h
x
，s
x
，0<x<1
干度,在饱和蒸汽这种汽——水混合物中，干饱和蒸汽所占的质量百分比。用,x”表示。 则 (1-x)即为
“湿度,
(4) 干饱和蒸汽：在定压下，纯饱和水蒸汽。
P，t
s
，v,，h,,s,，x=1
(5) 过热蒸汽：在定压下，对干饱和蒸汽进一步加热。
P,t，v,h,s
(6) 过冷度,过冷水的温度低于同压力下饱和温度的差。用,D”表示。
D= t
s
–t
过热度：过热蒸汽温度高于同压力下饱和温度的差。用,D”表示。
D=t- t
s
二、水蒸汽定压形成过程：
? 我们取1kg,0 ℃的过冷水，置于一个带有活塞的封闭汽缸内，进行定压力Ps下加热，观察一个近似可逆的定压水蒸汽形成过程如下：
过热蒸汽
1kg
q
P
3
t v h s (1)过热蒸汽无限多个状态点
(2)加入q
过
=h-h” q
sup
(3)蒸汽有过热度 D=t-t
s
r=h”-h q
rap
过冷水 P
3
t
0
=0℃ v
0
h
0
s
0
由过冷水加热到到饱和水过程经历无数多个过冷水状态点。
1kg
饱和水
q
P
3
t
s
v
’
h
’
s
’
(1)加入预热热量q
pre
=h’-h
0
(2)预热之后达到饱和水唯一一个状态点。
湿饱和蒸汽
1kg
q
P
3
t
s
v
x
h
x
s
x
(1)v
x
=（1-x）v ’+xv”
h
x
=(1-x)h’+h”x=h’+xr
s
x
=(1-x)s’+xs”
(2)湿饱和蒸汽有无限多个状态点干饱和蒸汽
1kg
q
P
3
t
s
v
”
h
”
s
”
(1)达到饱和蒸汽唯一一个状态点
(2)加入汽化潜热量：
r=h”-h’ q
rap
? 1.定压加热过程分析,v
x
? 定压力p
s
，水定压加热经历五种物理状态变化。
? 加热分为三个阶段，分别加入三部分热量：
? 总加热量=预热热量q
pre
+汽化潜热r(q
rap
)+
? 过热热量q 过（q
sup
）
? q=(h’-h
0
)+(h”-h’)+(h-h”)
? =h-h
0
? 为此，电厂锅炉必须具备三类受热面。
? 2.将上述定压加热过程描述在 p-v,T-s
图上,
P
v
0
a d
b
c
T
s
0
x
d
c
b
a
x
汽化潜热预热过热热由于定压一条条平行于v轴的直线
v
0
<v’<v
x
<v”<v
（熵增原理）
（1）a→b 定压预热 t↑、h↑、s↑
（2）b→c 定压汽化t
s
不变、h↑、s↑
（3）c→d 定压过热t↑、h↑、s↑
烧水时不能盛的太满蒸汽烫伤
? 3、水蒸汽的p-v 与 T-s图
? 显然，定压力p
s
可以是任意的，为了了解水蒸汽不同定压下的综合特性规律，我们取：
? p
1
<p
2
<p
3
<p
4
<p
c
为定压值时的p-v 与 T-s图
P
v
M
x=0.1
0
a
1
a
2
a
2
A B
d
1
d
2
d
3
b
1
b
2
b
3
c
3
c
2
c
1
C
N
x=0.9
T
s
M
x=0.1
0
a
1
a
2
A
B
d
1
d
2
d
3
b
1
b
2
b
3
c
3
c
2
c
1
C
N
x=0.9
? (1)由于水的不可压缩性，各压力下0 ℃的过冷水，具有相同的比容v
0
=0.001m
3
/kg。
? (2)各定压下饱和水点的光滑连接曲线 A—C，称作水蒸汽的下边界线（饱和水线），A—C 线上任一状态点都是对应各不同压力下的饱和水。A—C 线是一条向右偏斜的曲线，随压力↑、t
s
↑使水的膨胀性增大的结果。
? (3)各定压力下干饱和蒸汽点的光滑连接曲线 C—B，称作水蒸汽的上边界线（干饱和蒸汽线），C —B线上任一状态点都是对应各不同压下的干饱和蒸汽。C —B线是一条向左偏斜的曲线，这是由于干蒸汽的可压缩性大于其t
s
↑的膨胀性的结果。在T-s 图上，饱和水温度
t
s
↑，汽化用于克服水分子内聚力和克服外力做出膨胀功所需热量↓熵增↓。
? (4)上、下边界线随定力值的升高，逐渐汇拢，当定压力值升高到
=22.129Mpa时，上、下过界线交汇于 C点,C点称为水蒸汽的临界点：
? 临界上有一组临界参数：
? P
cr
=22.129Mpa,t
cr
= 374.15℃,v
cr
=0.00326m
3
/kg
? (5)C点的M —N线是一条定温线。在 = 374.15℃。
? (6)在压力 P=22.129Mpa以下的压力区，上、下边界线把水蒸汽图分成了三个区域：
? 下边界线左侧 ——过冷水区；
? 上边界线右上侧—— 过热蒸汽区；
? 两边界线之间围成了 ——湿饱和蒸汽区。
? (7)随压力升高，汽化潜热量↓，这是
↑↑水变汽的汽化用于克服分子间内聚力做功量↓的结果。
? (8)在湿蒸汽区，和相互不独立，欲知湿蒸汽的能量参数，须求知干度x 值，故在
p-v与 T-s图上，能依试验结果分别做出一簇处处与上下边界线平行的干度线。
?通过水蒸汽定压形成过程的认识和分析要牢记：一点、二线、三区、五态的概念。
? 三、水蒸气图、
表应用
? ⒈饱和水与干饱和蒸汽表（压力排列）P236,
237页。
? ⒉饱和水与干饱和蒸汽表（温度排列）P237,
238页。
? ⒊未饱和水与过热蒸汽表P239,
240页。
? ⒋水蒸气图。
P18、22页第二章 水蒸汽及其动力循环第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用第二节 水蒸气典型热力过程第三节 水蒸气动力循环第二节 水蒸气典型热力过程
? 一、换热器内的定压流动过程
? 火力发电厂的锅炉、冷凝器，各回热加热器，都属开口的稳定流动换热过程。
忽略工质的流动阻力时，皆属定压流动过程。
? 由开口系统热力学第一定律解析式：
系统加入热量 =工质在系统出口焓值 —工质在系统进口焓值。
0 W,0≈Zg,0≈
2
1
s
2
=ΔΔ∴ c
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
? 二、汽轮机及水泵内绝热流动过程
? 1．对于汽轮机：由于绝热，由
0≈Zg,0≈
2
1
,0=q
2
ΔΔcQ
21s
hh=W?∴
——对外做出正功
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
? 1．对于水泵：由
0≈Zg,0≈
2
1
,0=q
2
ΔΔcQ
12p
hh=W?∴
——外界对系统做功
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
? 三、绝热节流
——工质流经管道内的阀门、孔板，使之在局部阻力作用下，流体压力明显降低的热力过程。
1
1
0 2
2
0
由
0 W,0≈Zg,0≈
2
1
,0=q
s
2
=ΔΔcQ
21
hh =∴
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
——说明：
①绝热节流是典型的不可逆过程，
是不等焓过程。
②节流前后，
△ h=0，流速略有上升，压力明显下降，熵值明显增大。
③节流使工质做功能力降低节流的工程应用：制定流量（节流孔板）；
获得流量控制（阀门）。
? 四、通过喷管的绝热流动：
? ——能使工质降压、降温，将工质携带的热能转换成流速增加所体现的动能的管道称为,喷管”,它适用于任何工质。
火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶喷管目的,压力降低，速度提高扩压管目的,速度降低，压力升高
⒈喷管的型式
? 马赫数,Ma=c/a ——流体速度
? 音速：
? k——定熵指数（或称绝热指数）
? 对空气 k=1.4，R=8.3143kJ/(kmol.K)=287kJ/(kg.K)
? 过热蒸汽k=1.3 ；对于湿饱和蒸汽k=1.035+0.1x ；
对于干饱和蒸汽k=1.135 。
? 当温度T=(15+273.15)k 时，
? 当Ma<1,即流速小于当地音速，称亚音速流动。
? 当Ma=1,即流速等于当地音速，称等音速流动。
? 当Ma>1,即流速大于当地音速，称超音速流动。
kRTkpva ==
sma /34015.2882874.1 =××=
? 截面积与速度的关系：
c
dc
kM
p
dp
p
dp
vpdc
c
c
a
2
2
==
c
dc
M
v
dv
p
dp
kcv
dv
a
2
1
==
c
dc
M
A
dA
v
dv
c
dc
A
dA
a
)1(0
2
=?=?+
比容与速度的关系：
压力与速度的关系：
? ⒉工质在喷管内的能量转换
0 W,0≈Zg,0=q
s
=ΔQ
（注：h 的标准单位,J//kg，而习惯上用kJ/kg ）
当 c
2
>>c
1
而忽略 c
1
，且h 值用,kJ/kg”表示时
2
1212
)(2 chhc +?=
21212
72.44)(2000 hhhhc?=?=
s
WZZgcchhq +?+?+?= )()(
2
1
)(
12
2
1
2
212
2112
2
1
2
2
)()(
2
1
hhhhcc?==?
? 3．喷管的压力比
? 喷管的压力比：工质在喷管出口外的背压力（即环境压力）P
b
与工质进口压力P
1
之比。
1
P
P
b
=β
临界压力比：
1
P
P
cr
cr
=β
工程热力学推导知，临界压力比：
1
1
)
1
2
(
+
==
k
k
cr
cr
kP
P
β
注：式中,k”是标志气体工质性质的系数 —
—绝热指数。
? 4．喷管的选择
? 要选择喷管，所用气流的性质和初压力 P
1
是已知的，喷管出口外的环境压力值 P
2
，要由设计人员设定。
第二章 水蒸汽及其动力循环第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用第二节 水蒸气典型热力过程第三节 水蒸气动力循环第三节 水蒸气动力循环
? 一、以水蒸气为工质的卡诺循环设想绝热压缩
T
s
4
1
0
2
3
x=0
P
2
x=1
P
1
定温吸热定温放热绝热膨胀
? ⒈可逆定温加热过程4 → 1，只能在湿饱和蒸汽区实现，
过程超过1 点，必要求锅炉逐步降低压力，电厂锅炉无法实现。
⒉可逆绝热膨胀做功过程，全部在湿蒸汽区进行，湿蒸汽膨胀程度小，双相流损失很大，引发汽轮机震动，冲蚀等对汽轮机提出了技术上巨大困难，这一点将在汽轮机部分讲到。
? ⒊可逆定温放热过程只能进行到3 点（湿蒸汽状态），否则将得不到封闭的卡诺循环。
? ⒋可逆绝热压缩过程，由于汽态工质的可压缩性（低压下0.005Mpa 下，汽、水比容差２万８千倍——
=0.0010052m
3
/kg,=28.196 m
3
/kg），必使压汽机巨大而且消耗巨大的压缩功。
? ⒌湿蒸汽区可资利用的温差范围太小。
? T
1
不大于 Tc =647.15K(374.15+273)
? T
2
不小于 T
大气
=273.15K否则找不到第二热源。
w
v
v
v
结论
? 以水蒸气为工质进行卡诺循环，尽管从理论上可实现，但：
? ①可行范围太小，无实用价值
? ②无可相适应的高效热机。
? ⒈技术改造（温差+ 压缩）：
? ①在定压力下，将41过程延伸到过热蒸汽区，提高工质吸热温度，
拓宽可资利用的温差范围，由定温加热过程改为变温加热过程。
? ②在定压力下，将汽定温放热过程进行到底，获得排汽压力下的液态饱和水，以便于利用体积小、耗功少的水泵轻而易举地对其绝热压缩，
将压缩功消耗降到最低程度。
二,水蒸汽卡诺循环的改造
-------朗肯循环
4
32
1
T
s
T
s
4
1
0
2
3
⒉相应朗肯循环装置系统锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器
1
2
3
4
1→2 汽轮机 s 膨胀
2→3 凝汽器 p 放热
3→4 给水泵 s 压缩
4→1 锅炉 p 吸热
4
32
1
T
s
1
3
4
2
p
v
郎肯循环 pv图
1→2 汽轮机 s 膨胀
2→3 凝汽器 p 放热
3→4 给水泵 s 压缩
4→1 锅炉 p 吸热
h
s
1
3
24
郎肯循环Ts和hs 图
4
32
1
T
s
1→2 汽轮机 s 膨胀 2→3 凝汽器 p 放热
3→4 给水泵 s 压缩 4→1 锅炉 p 吸热
3.朗 肯循环功和热的计算
h
s
1
3
24
汽轮机作功：
2121,
hhw
s
=
凝汽器中的定压放热量：
322
hhq?=
水泵绝热压缩耗功：
3443,
hhw
s
=
锅炉中的定压吸热量：
411
hhq?=
4
32
1
T
s
h
s
1
3
2
4.朗 肯循环热效率的计算
4
,1 2,3 4
net
t
11
ss
ww
w
η
==
一般很小，
占 0.8~1%，
忽略泵功
12
13
t
hh
hh
η
≈
5.郎肯循环与卡诺循环比较
s
T
6
4
2
1
'4
109
87
5
3
q
2
相同；? q
1卡诺
> q
1朗肯
η
卡诺
> η
朗肯；?等温吸热4’1 难实现
11点 x太小,不利于汽机强度；? 12-9两相区难压缩；
w
net卡诺小
η
卡诺
< η
朗肯；
w
net卡诺
< w
net 朗肯
1112
对比同温限 1234’
对比56 78
对比9-10-11-12
s
6
5
4
3
2
1
p
1
,t
1
,p
2
6.如何提高郎肯循环的热效率影响热效率的参数？
T
)(
)(
)(
)(
'
21
21
31
21
hh
hh
hh
hh
t
=
≈η
s
6
5
4
3
2
1
T
'1
'6
'5
'4
'2
(1)蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响
t
1
,p
2
不变,p
1
优点：
,汽轮机出口尺寸小
1
T t
η
2'
v
缺点：
对强度要求高
不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于 0.85~ 0.88
2'
x
s
6
5
4
3
2
1
T
'1
'2
(2)蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响优点：
,有利于汽机安全。
1
T t
η
2'
x
缺点：
对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在 550℃
左右
汽机出口尺寸大
2'
v
p
1
,p
2
不变,t
1
s
6
5
4
3
2
1
T
'2
(3)乏汽压力对郎肯循环热效率的影响优点：
2
T t
η
缺点：
受环境温度限制，
现在大型机组 p
2
为
0.0035~0.005MPa，
相应的饱和温度约为
27~ 33℃,已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高
p
1
,t
1
不变,p
2
'4
'3
T
s
6
5
4
3
1
b
a
2
再热循环本身不一定 提高循环热效率
与再热压力有关
x
2
降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，
一般采用一次再热可使热效率提高2％～
3.5％ 。
1.一次中间再热循环T-s图三、再热循环
2.一次中间再热循环装置
4
6
1
2
3
b
a
～
T
s
6
5
4
3
1
b
a
2
? 3.一次中间再热循环的循环效率
)()(
'
211 baR
hhhhq?+?=
)()()()(
21210 baab
hhhhhhhhw?+?=?+?=
)()(
)()(
'
21
21
1
0
ba
ba
TR
hhhh
hhhh
q
w
+?
+?
==η
（注：不计泵功）
T
s
6
5
4
3
1
b
a
2
223
qhh=?
T
s
6
5
4
3
1
b
a
2
再热循环本身不一定 提高循环热效率
与再热压力有关
x
2
降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，
)()(
)()(
'
21
21
1
0
ba
ba
TR
hhhh
hhhh
q
w
+?
+?
==η
4.再热循环优缺点分析：
? ——使每kg 工质在汽轮机内做功量增加，同功率机组蒸汽耗量下降。
? ——给水泵功率↓。
? ——乏汽量↓凝汽器尺寸变小，给水泵功率↓，运行循环水量↓，初投资↓和运行费用↓。
? ——一次再热可使相对循环效率提高左右5%,采用二次再热，循环效率提高不会超过7%,而设备造价↑↑，
运行管理复杂，运行费用↑↑，综合经济分析将得不偿失，故目前大多数机组只采用一次中间再热循环。
? ——再热系统和设备的增加，运行管理工作量的增加和效率提高综合经济分析结果：——只有当压力P
1
提高到
13.7MPa及以上时，采用再热循环才是经济的。
? ——为了有适宜的排汽干度和较好的循环热效率，理论和实践都证明，取Pa=(20%~30%)P
1
最佳。如：主/再
16.7MPa/3.14(3.29MPa)
蒸汽再热循环的实践
再热压力 p
b
=p
a
≈0.2~0.3p
1
p
1
<10MPa，一般不采用再热
我国常见机组,12.5,20,30,60万机组，
p
1
>13.5MPa，一次再热
超临界机组,t
1
>600℃,p
1
>25MPa，二次 再热四,蒸汽抽汽回热循环
(1- α)kg
α kg
6
5
a
4
3
2
1
s
1kg
T
1
2
3
6
1kg
a
4
5
α kg
(1-α) kg
a
α kg
4
(1- α)kg
5
1kg
由于 T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功抽汽回热循环的抽汽量计算
(1- α)kg
α kg
6
5
a
s
4
3
2
1
1kg
T
以混合式回热器为例热一律
( )
a45
11hhhαα+?=×
忽略泵功
54
a4
hh
hh
α
=
''
a2
'
a2
hh
hh
α
=
a
α kg
4
(1- α)kg
5
1kg
抽汽回热循环热效率的计算
(1- α)kg
α kg
6
5
a
4
3
2
1
s
1kg
T
吸热量：
放热量：
'
1,RG 1 5 1 a
qhhhh=?=?
( )
( )
'
2,RG 2 2
1qhhα=
( )
()( )
RG 1 a
a2
1
whh
hhα
=?
+
净功：
热效率：
( ) ( )( )
1a a 2
t,RG
'
1a
1hh hh
hh
α
η
+
=
为什么抽汽回热热效率提高？
(1- α)kg
α kg
6
5
a
4
3
2
1
s
1kg
T
()
()
'
22
t,RG
'
12 1a
1
1
hh
hh hh
η
α
α
=?
+?
教材P.27推导
'
22
t
'
12
1
hh
hh
η
=?
简单朗肯循环：
()
1a
0
1
hh
α
α
>
∴
t,RG t
η η>
物理意义,α kg工质 100%利用
1- α kg工质效率未变
02
2
1
2
11
wq
q
q
q
TR
+
=?=η
蒸汽抽汽回热循环的特点小型火力发电厂回热级数一般为 1～ 3级，
中大型火力发电厂一般为 4～ 8级。
优点
z 提高热效率
z 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短
z 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面
z 可兼作除氧器
缺点
z 循环比功减小，汽耗率增加
z 增加设备复杂性
z 回热器投资
>缺点五,热电联产 (供 )循环
1
2'
3
4
给水泵热用户汽轮机过热器锅炉用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用户的需要，这种作法称为 热电联(产)供 。
背压式机组(背压 >0.1MPa)
热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？
抽汽调节式热电联产 (供 )循环过热器 汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵 1
水泵 2
调节阀抽汽式热电联供循环,可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。
热用户热电联产 (供 )循环的经济性评价
net
1
qw
K
q
==
供热
＋
已被利用的能量工质从热源得到的能量
net
t
1
w
q
η =
只采用热效率 显然不够全面
能量利用系数
，但未考虑热和电的品位不同
热电联产、集中供热是发展方向，经济环保提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环改变循环形式热电联产燃气- 蒸汽联合循环新型动力循环
IGCC
PFBC-CC
…...
]水蒸汽的定压形成过程
]郎肯循环图示与 计算
]郎肯循环与 卡诺循环
]蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
]再热原理
]回热原理本章重点
