《发电厂动力设备》2

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 水蒸气及蒸汽动力循环,动力过程中常用的水蒸气作为热力发动机中的,工质，其最基本的特点是离液体不远。分子之间的,相互作用力和分子本身所占有的体积都不能忽略，,水蒸气不能当作理想气体看待，它是实际气体，其,状态参数间的关系不能用理想气体的状态方程来描,绘。在热力过程中，,主要通过应用实验和计算所描,绘出来的图表来进行有关水蒸气的热力计算,。,3.1,饱和温度和饱和压力,饱和状态,： 在一个密闭的容器中，对于工质，分子脱,离表面的汽化过程同时伴有分子回到液体中的凝结过,程。一定温度下，起初汽化过程占优势。随着汽化的,分子增多，凝结过程加剧。一定程度时，汽化的分子,数与凝结的分子数处于动态平衡之中，而空间中蒸汽,的分子数目不再增加，这种动态平衡的状态称为饱和,状态。,在这一状态下的温度称为饱和温度，压力称为饱,和压力。饱和温度和饱和压力是一一对应的。,处于饱和状态下的液态水称为饱和水，处于饱和,状态下的蒸汽称为饱和蒸汽。,3.2,等压下水蒸气的形成过程,一、水蒸气的形成过程,1,、未饱和水的等压预热阶段,图中处于未饱和状态的水，,被等压加热后，比体积稍有增,大，熵增大，焓增大。直至等,压下的饱和水状态。,把未饱和水在等压下加热为,饱和水所需要的热量叫,预热,热,。,饱和水和饱和蒸汽的混合物称,为,湿饱和水蒸汽,，简称湿蒸汽；倘,若继续加热直至最后一滴水变为蒸,汽，这时气缸中的蒸汽称为,干饱和,蒸汽,。,一定量湿蒸汽中所含饱和蒸汽,的质量与湿蒸汽的总质量之比称为,干度,。,将饱和水在等压下加热成干饱,和蒸汽所需要的热量称为,汽化潜,热,。,2,、饱和水的等压汽化过程,3,、干饱和蒸汽的等压过热过程,对干饱和蒸汽继续加热，并,保持压力不变，蒸汽温度将上,升，把温度高于饱和温度的蒸汽,称为,过热蒸汽,。,过热蒸汽的温度与饱和温度,之差，称为,过热度,。,蒸汽过程中，比体积将继续,增大，焓、熵也将继续增大。此,阶段所需要的热量称为,过热热,。,二、水蒸汽等压形成过程在,p-v,图 和,T-s,图上的表示,在,p-v,图上，水蒸气形,成的三个阶段是一条水平,线。饱和水等压加热成干,饱和蒸汽的汽化阶段既是,等压又是等温，在,T-s,图上,是一条水平直线，预热阶,段和过热阶段都是随温度,上升的一条近似于对数曲,线。,二、水蒸汽等压形成过程在,p-v,图 和,T-s,图上的表示,如果改变压力,p,，则在,p-v,图、,T-s,图上会得到另,外一条等压过程线。减,小，过程线位于原过程线,下方；增大，则位于原过,程线上方。,随着压力的升高，汽化,过程缩短。压力越高，饱,和水与干饱和蒸汽的参数,越接近，差别也越小，当,达到某一确定压力时，它,们的区别完全消失。,二、水蒸汽等压形成过程在,p-v,图 和,T-s,图上的表示,总结：,一点,，临界点；,二线,，上界线与下界线；,三区,，未饱和区,下界线的左方、,湿蒸汽区,上、下界线之间、,过热蒸汽区,上界线的右方；,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。,3.3,水蒸气的,h-s,图,一、水蒸气的,h-s,图,图中,C,为临界点，粗黑线,CA,为,x=0,的下界线，,CB,为,x=1,的上界线。上界线的上方,是过热蒸汽区，下方是湿蒸,汽区。,1.,等压线群,等压线是一簇呈发散状的线群。在湿蒸,汽区内为直线，在过热汽区内为向上翘的曲,线。等压线沿熵增的方向是渐扩的。,2.,等温线群,在湿蒸汽区，由于饱和温度和饱和压力,是一一对应的，所以在湿蒸汽区内等温线与,等压线是重合的。,3.,等容线群,4.,等干度线,它是等压线上由,x=0,（下界线）至,x=1,（上界线）的等分点连接而成的。,3.3,水蒸气的,h-s,图,二、水蒸气的热力过程,蒸汽的基本热力过程也是等容、等压、等温和,绝热,4,种。其中，等压和绝热过程应用得最多。,在,h-s,图上确定一个热力过程时，可按,以下步骤进行：,（,1,）由已知初参数确定过程的初始状态点。,（,2,）根据过程特点确定过程的走向。,（,3,）由过程终参数确定过程的终点状态点。,（,4,）根据热力学第一定律计算能量转换。,三、蒸汽的绝热节流,蒸汽在管道中流动时，,遇到阀门、孔板等面积突然,缩小的地方，由于局部阻力,很大使蒸汽的压力下降，这,种现象称为,节流,。,节流过程中工质流经缩,口的时间极短，来不及和外,界发生热量交换，故可将节,流看成是绝热过程，称为,绝热节流,。,绝热节流过程的,基本特性,：,1,、蒸汽通过节流孔板时由于通道截面突然减小，流速增加，压力降低，焓减少，并伴随着一定的摩阻损失。通过缩口后通道截面扩大，流速又渐渐降低，焓也逐渐增加。可见，焓随着流速而变。,2,、一般情况下流速变化不大，故焓变化也不大，即在绝热节流过程中，节流前的焓和节流后的焓相等。,实验表明，蒸汽通过节流后，压力降低，温度,降低，而且做功能力也降低。在一定的出口压力,p,n,下，蒸汽做功量将减少,h,，这部分损失称为节流,损失。,3.4,蒸汽动力循环,一、郎肯循环,郎肯循环的热效率,提高循环热效率的方法,（,1,）提高蒸汽初参数,t1,、,p1,；,（,2,）降低乏汽压力。,二、回热循环,利用部分汽轮机中间抽汽加热锅炉给水的循环,称为,回热循环,。,回热循环的分析（,优点,）,（,1,）效率较同参数的郎肯循环高。,（,2,）减少了锅炉的总负荷，因而减少了高温受热,面，节省了部分耐高温的金属材料。,（,3,）使凝汽器的换热面积减少，节省铜材。,（,4,）确定合适的回热级数，使技术和经济层面都,得到最大化。,三、中间再热循环,所谓中间再热循环，就是将汽轮机高压缸做功后的蒸汽,全部引出，进入到锅炉再热器中再次等压加热，使蒸汽温度,回复到初温或略高于初温，然后再全部引回汽轮机的低压缸,继续膨胀做功，最后排入凝汽器。,四、热电联产循环,既发电又供热的热力循环称为热电联产循环。采用热电联产,循环的电厂称为,热电厂,。,热电联产循环大体上可分为两种类型：,背压式汽轮机供热系统,和,调节抽汽式汽轮机供热系统,。,第四章 传热学,传热学是研究热量传递规律的科学。,凡是有,温差,的地方就有热量自发地由高温物体向低温物体传热。,工程中的传热问题可以分为两种类型：,增强传热,，即提高换热设备的传热能力，或在满足传热量的前提下使设备尺寸尽量减小；,削弱传热,，即减小热损失或保持设备内适宜的工作温度。,为学习和研究方便，将传热分成,3,种基本形式：,导热,、,对流换热,和,热辐射,。,实际的传热过程中往往不是以某一种单一的形式出现，而是这,3,种基本方式的复杂组合。,4.1,导热,一、导热,定义：导热是指物体内部或接触物体之间由,于存在温差而产生的热量传递现象。,二、傅里叶定律,单位时间内传递的热量,Q,与平壁两边的温,差（,t,1,t,2,）、平壁的面积,A,成正比，而与平,壁的厚度,成反比，即,式中：,是比例系数，称导热率，又称导热 系数。,单位时间内通过某一给定面积的热量称为,热流量,，记为,Q,，单位为,W,。,单位时间内通过单位面积的热流量称为,热流密度,，记为,q,，单位为,W/m2,。,式中：,/,称为导热热阻,R,。,导热系数,是表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，其单位为,W/,（,mK,）。不同材料的导热系数数值不同，并且还与温度、结构、密度,和湿度等因素有关。,4.2,对流换热,一、对流换热过程,定义：对流是指流体各部分之间发生相对,位移时所引起的热量传递过程。,对流换热过程的热量传递是靠两种作用完,成的：,1,、流体与壁面直接接触的导热及流体之间,的导热作用；,2,、流体内部的对流传递作用。,二、牛顿冷却公式,流体被加热时：,q = ,（,t1t2,）,流体被冷却时：,q = ,（,t2t1,）,式中：,t1,及,t2,分别为壁面温度和流体温度，,oC,。如果,把温差记为,t,，并约定永远取正值，则牛顿冷却公,式可表示为,q =,t,Q=,At,式中：比例系数,为对流传热系数，,W/,（,m2K,）。,三、影响对流换热的因素,通过公式,4-5,、,4-6,我们可以看出影响表面传热系数有种种复,杂因素，且根据理论分析及实验方法给出了表,4-1,中几种对流换热,过程表面传热系数数值的大致范围。,具体影响对流换热的因素，可归纳为：,1.,流体产生运动的原因,2.,流体的流态,3.,流体的物理性质,4.,换热面的几何因素,5.,相态变化,4.3,热辐射,一、热辐射,定义,：热辐射是一种由物体表面直接向外界发射可见和不可,见射线，在空间传递能量的现象。在能量传递过程中伴,随有能量形式的变化，即热能与辐射能之间的变化。,若辐射到某物体上所有辐射能量为,Q,，其中被吸收的能量为,Q,A,；反射的能量为,Q,K,；穿透的能量为,Q,D,，则,Q=Q,A,+Q,D,+Q,R,Q,A,/Q+Q,D,/Q+Q,R,/Q=A+D+R=1,当,A=1,时，表示能够全部吸收辐射能的物体，称为,黑体,；,当,R=1,时，表示能够全部反射辐射能的物体，称为,白体或镜,体,；当,D=1,时，表示能够全部穿透的物体，称为,透过体,。,二、热辐射的基本定律,物体在单位时间内，单位面积上所发出的辐射能叫做,辐射,力,，用,E,表示。在同温度下黑体的辐射力用,E,0,表示。,黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩,玻尔兹曼,定律揭示：,式中：,T,为黑体的热力学温度，,K,；,0,为斯忒藩,玻尔兹曼,常量，其值为,5.6710-8W/,（,m2K4,）。,一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体，实际物体,的辐射力和同温度下黑体的辐射力的比值称为实际物体的,黑,度,，用符号,表示,4.4,传热过程,一、传热过程,实际的热交换过程中，经常是几种基本换热方式同时起作用,的。例：各类热力设备和电气设备表面的散热既有表面与空气,间的自然对流，又有与四周冷表面间的辐射换热。,几种热量传递方式同时起作用的换热过程叫做,复合换热,。,工程中的实际情况往往比复合换热更为复杂。,例如，,对流换热 导热 对流及辐射换热,暖气片：热水 管子内壁 管子外壁 室内环境,辐射及对流换热 导热 对流换热,省煤器：烟气 管子外壁 管子内壁 水,凝结换热 导热 对流换热,凝汽器：蒸汽 管子外壁 管子内壁 水,定义：热量由热流体通过固体壁面传递给冷流体的过,程叫做,传热过程,。导热、对流或辐射只是一般,传递过程中的局部传热方式。,传热过程规律,：,在稳定的传热过程中，当两种流体的温差一定,时，传热面积越大，所传递的热量就越多；在同样的,传热面积下，两种流体的温差越大，传热量也越多；,而在一定的传热面积和温差下，传热量的多少则取决,于传热过程本身的强烈程度。,稳定传热过程中的传热量可表示为：,Q=,KAt,式中：,K,为,传热系数,，用来表示传热过程的强弱程,度。如果表示成,热流密度,的形式，则可改写为,式中：,1/K,称为热阻，传热系数越大，热阻就越小，,传热量就越多。,二、传热过程的增强与削弱,由传热基本方程,Q=,KAt,可以看出，传热量由,3,个因素决定，即冷、热流体间的温差，传热面积,A,和,传热系数,K,。改变其中任何一因素都会对传热带来影,响。具体途径为：,（一）,增强传热,（二）,削弱传热,4.5,热交换器,将热量从热流体传递给冷流体的设备称为,换热器,。,一、混合式换热器,在这种换热器中，热流体与冷流体依靠直接接触和互相,混合来进行热量交换。其具有传热速度快、效率高、设备简,单等优点。如活力发电厂中的除氧器、冷水塔和喷水式蒸汽,减温器。,在这种换热器中，热流体与冷流体先后交替地,流过同一换热面。其优点是结构紧凑，节省金属，,一般用于放热系数不大的气体之间的传热。,二、储热式换热器,三、表面式换热器,在这种换热器中，热流体通过固体壁面将热量传,给流体，而热流体与冷流体互不接触。如火力发电,厂中的过热器、再热器、省煤器、管式空气预热,器、表面式蒸汽减温器、冷油器等。,因两种流体的流向不同，流体可形成几种流动方,式：,顺流、逆流、叉流,顺流和逆流是冷、热流体在表面式换热器中的两,种最基本的流动方式。,两种流动方式的温度变化规律如图所,示。对表面式换热器计算时，可采用,Q=,KAtm,，式中：,tm,为平均温度差，,oC,。,传热平均温度差,tm,可采用两种方式进,行计算。,算术平均温度差为,对数平均温度差为,第五章 流体力学,5.1,流体的基本性质,一、流体基本物理性质,1.,惯性,惯性就是物体保持原有运动状态的特性。流体的惯性只有在运,动状态改变时才显示出来。惯性的大小与流体的质量成正比。,2.,压缩性与膨胀性,温度维持不变，压力增大是，流体体积会缩小的性质称为流体,的压缩性。压力维持不变，温度升高，流体的体积会增大的性质,称为流体的膨胀性。,3.,粘滞性,流体流动时，流体质点之间存在着相对运动，则质点之间便产,生一种内摩擦力来抵抗相当运动，这种抵抗相对运动的特性称为,流体的粘滞性，这种内摩擦力称为粘滞力。,二、作用在流体上的力,1.,表面力,表面力是指作用在流体表面上的力。表面力可以是,作用在液体外表面上的外力，也可以是作用在液体内,部任一表面的内力。内力是由于液体质点之间相互作,用而产生的，一种是与液体表面相垂直的法向力，另,一种是与流体表面相切的切向力。,2.,质量力,质量力是指作用在流体内部每一个质点上的力。大,小与流体的质量成正比。质量力有两种，即重力及惯,性力。,5.2,流体静力学基本原理,一、静压力及其特性,流体处于平衡状态时某点的压力称为该点的静,压力，用,p,表示。,特性：,（,1,）任意一点的静压力大小在各个方向上都相,等，与作用面的方位无关。,（,2,）静压力的方向垂直并指向作用面。,二、静压力基本方程式,整理得,说明：,1,）在静止的流体中，任意一点的静压力,p,由表面压力,p,0,和质量力,gh,两部分组,成。,2,）在重力作用下的流体内部的压力,p,随深,度,h,按直线关系变化，作用点的位置,h,越深，静压力,p,就越大。,3,）在重力作用下流体中深度,h,相同的各点,静压力相同，此面为等压面。,三、静压力基本方程式的意义,1.,物理意义,静止液体中的一个切点，相对于选定的,基准面，单位总比能是一个常数，但各点,的比位能和比压能可以相互转换（总和不,变）。距自由表面愈深的点压力愈大，比,压能愈大，比位能愈小。,2.,几何意义,在静止的液体中，各点的静力水头是永,远相等的，位置水头和压力水头可以相互,转换。,流体静压力的测量,流体静压力的测量,流体静总压力,静水压力分布图,流体静总压力,图解法,流体静总压力,解析法,流体静力学基本方程式的应用,1.,汽包上的水位计,流体静力学基本方程式的应用,2.,倾斜式微压计,5.3,流体动力学基本原理,一、流体动力学的基本概念,流体的动压力和流速称为流体的运动要素。,流体的动压力,是指作用在流体内部单位面积上的,力，一般情况下流体的动压力与静压力的分布规律,是不同的。,流速,是指流体某质点在空间运动的速度，其大小,决定与该质点在单位时间内所经路径的长度。,1.,稳定流与非稳定流,流体的运动要素在某空间位置上不随时间变化，只随空间,位置不同而变化则称为稳定流。若随时间而变，则称为非稳,定流。,2.,迹线与流线,迹线是某一质点在连续时间内的流动轨迹，而流线则表示,了某一瞬间连续质点的流动方向线。,3.,元流与总流,元流就是在流体中取一微小封闭曲线，通过曲线的每一点,作流线，由这许多流线围成的管称为流管，流管中的流体称,为元流。无数元流之和称为总流。,4.,过流断面与流量,垂直于总流流向的横断面称为过流断面，用,A,表,示。过流断面可为平面，也可为曲面。单位时间内,通过过流断面的流体体积称为流量，用,Q,表示。总,流在过流断面的平均流速，用,c,表示：,c = Q/A,二、连续性方程式,连续性方程式说明：,在稳定流中，沿程各断面所通过的流量相,等，且等于过流断面的面积与平均流速的乘积。,三、能量方程式,1.,理想流体能量方程式,根据能量守恒原理，两断面能量相,等，即,单位质量力的流体所具有的能量方程,式为,2.,实际流体能量方程式,实际流体在流动中产生了摩擦，消耗,了一部分能量，方程式变为,四、流动阻力及能量损失,实际流体是具有黏性的，在流动时会产生阻,力，对于不可压缩流体来说，这种阻力使流体的一,部分机械能转变为其他形式的能量而散失掉，这就,是能量损失，称为水头损失。产生水头损失的原因,有：,一、流体具有黏性而产生内摩擦阻力；,二、固体边壁对流体的阻滞作用。,由于边界条件不同，水头损失可分为两类。,1.,沿程水头损失,2.,局部水头损失,