1、第三章 水蒸氣及蒸汽動(dòng)力循環(huán),動(dòng)力過程中常用的水蒸氣作為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中的 工質(zhì)，其最基本的特點(diǎn)是離液體不遠(yuǎn)。分子之間的 相互作用力和分子本身所占有的體積都不能忽略， 水蒸氣不能當(dāng)作理想氣體看待，它是實(shí)際氣體，其 狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系不能用理想氣體的狀態(tài)方程來描 繪。在熱力過程中，主要通過應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算所描 繪出來的圖表來進(jìn)行有關(guān)水蒸氣的熱力計(jì)算。,3.1 飽和溫度和飽和壓力,飽和狀態(tài)： 在一個(gè)密閉的容器中，對于工質(zhì)，分子脫 離表面的汽化過程同時(shí)伴有分子回到液體中的凝結(jié)過 程。一定溫度下，起初汽化過程占優(yōu)勢。隨著汽化的 分子增多，凝結(jié)過程加劇。一定程度時(shí)，汽化的分子 數(shù)與凝結(jié)的分子數(shù)處于動(dòng)態(tài)平衡之中，

2、而空間中蒸汽 的分子數(shù)目不再增加，這種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)稱為飽和 狀態(tài)。 在這一狀態(tài)下的溫度稱為飽和溫度，壓力稱為飽 和壓力。飽和溫度和飽和壓力是一一對應(yīng)的。 處于飽和狀態(tài)下的液態(tài)水稱為飽和水，處于飽和 狀態(tài)下的蒸汽稱為飽和蒸汽。,3.2 等壓下水蒸氣的形成過程,一、水蒸氣的形成過程 1、未飽和水的等壓預(yù)熱階段 圖中處于未飽和狀態(tài)的水， 被等壓加熱后，比體積稍有增 大，熵增大，焓增大。直至等 壓下的飽和水狀態(tài)。 把未飽和水在等壓下加熱為 飽和水所需要的熱量叫預(yù)熱 熱。,飽和水和飽和蒸汽的混合物稱 為濕飽和水蒸汽，簡稱濕蒸汽；倘 若繼續(xù)加熱直至最后一滴水變?yōu)檎?汽，這時(shí)氣缸中的蒸汽稱為干飽和 蒸汽。

3、 一定量濕蒸汽中所含飽和蒸汽 的質(zhì)量與濕蒸汽的總質(zhì)量之比稱為 干度。 將飽和水在等壓下加熱成干飽 和蒸汽所需要的熱量稱為汽化潛 熱。,2、飽和水的等壓汽化過程,3、干飽和蒸汽的等壓過熱過程,對干飽和蒸汽繼續(xù)加熱，并 保持壓力不變，蒸汽溫度將上 升，把溫度高于飽和溫度的蒸汽 稱為過熱蒸汽。 過熱蒸汽的溫度與飽和溫度 之差，稱為過熱度。 蒸汽過程中，比體積將繼續(xù) 增大，焓、熵也將繼續(xù)增大。此 階段所需要的熱量稱為過熱熱。,二、水蒸汽等壓形成過程在p-v圖 和T-s圖上的表示,在p-v圖上，水蒸氣形 成的三個(gè)階段是一條水平 線。飽和水等壓加熱成干 飽和蒸汽的汽化階段既是 等壓又是等溫，在T-s圖上

4、是一條水平直線，預(yù)熱階 段和過熱階段都是隨溫度 上升的一條近似于對數(shù)曲 線。,二、水蒸汽等壓形成過程在p-v圖 和T-s圖上的表示,如果改變壓力p，則在 p-v圖、T-s圖上會得到另 外一條等壓過程線。減 小，過程線位于原過程線 下方；增大，則位于原過 程線上方。 隨著壓力的升高，汽化 過程縮短。壓力越高，飽 和水與干飽和蒸汽的參數(shù) 越接近，差別也越小，當(dāng) 達(dá)到某一確定壓力時(shí)，它 們的區(qū)別完全消失。,二、水蒸汽等壓形成過程在p-v圖 和T-s圖上的表示,總結(jié)：一點(diǎn)，臨界點(diǎn)； 二線，上界線與下界線； 三區(qū)，未飽和區(qū)下界線的左方、 濕蒸汽區(qū)上、下界線之間、 過熱蒸汽區(qū)上界線的右方； 五態(tài)，未飽和水

5、狀態(tài)、 飽和水狀態(tài)、 濕飽和蒸汽狀態(tài)、 干飽和蒸汽狀態(tài)、 過熱蒸汽狀態(tài)。,3.3 水蒸氣的h-s圖,一、水蒸氣的h-s圖 圖中C為臨界點(diǎn)，粗黑線 CA為x=0的下界線，CB為 x=1的上界線。上界線的上方 是過熱蒸汽區(qū)，下方是濕蒸 汽區(qū)。,1. 等壓線群 等壓線是一簇呈發(fā)散狀的線群。在濕蒸 汽區(qū)內(nèi)為直線，在過熱汽區(qū)內(nèi)為向上翹的曲 線。等壓線沿熵增的方向是漸擴(kuò)的。 2. 等溫線群 在濕蒸汽區(qū)，由于飽和溫度和飽和壓力 是一一對應(yīng)的，所以在濕蒸汽區(qū)內(nèi)等溫線與 等壓線是重合的。 3. 等容線群 4. 等干度線 它是等壓線上由x=0（下界線）至x=1 （上界線）的等分點(diǎn)連接而成的。,3.3 水蒸氣的h-

6、s圖,二、水蒸氣的熱力過程,蒸汽的基本熱力過程也是等容、等壓、等溫和 絕熱4種。其中，等壓和絕熱過程應(yīng)用得最多。,在h-s圖上確定一個(gè)熱力過程時(shí)，可按 以下步驟進(jìn)行： （1）由已知初參數(shù)確定過程的初始狀態(tài)點(diǎn)。 （2）根據(jù)過程特點(diǎn)確定過程的走向。 （3）由過程終參數(shù)確定過程的終點(diǎn)狀態(tài)點(diǎn)。 （4）根據(jù)熱力學(xué)第一定律計(jì)算能量轉(zhuǎn)換。,三、蒸汽的絕熱節(jié)流,蒸汽在管道中流動(dòng)時(shí)， 遇到閥門、孔板等面積突然 縮小的地方，由于局部阻力 很大使蒸汽的壓力下降，這 種現(xiàn)象稱為節(jié)流。 節(jié)流過程中工質(zhì)流經(jīng)縮 口的時(shí)間極短，來不及和外 界發(fā)生熱量交換，故可將節(jié) 流看成是絕熱過程，稱為 絕熱節(jié)流。,絕熱節(jié)流過程的基本特性：

7、 1、蒸汽通過節(jié)流孔板時(shí)由于通道截面突然減小，流速增加，壓力降低，焓減少，并伴隨著一定的摩阻損失。通過縮口后通道截面擴(kuò)大，流速又漸漸降低，焓也逐漸增加?？梢?，焓隨著流速而變。 2、一般情況下流速變化不大，故焓變化也不大，即在絕熱節(jié)流過程中，節(jié)流前的焓和節(jié)流后的焓相等。,實(shí)驗(yàn)表明，蒸汽通過節(jié)流后，壓力降低，溫度 降低，而且做功能力也降低。在一定的出口壓力pn 下，蒸汽做功量將減少h，這部分損失稱為節(jié)流 損失。,3.4 蒸汽動(dòng)力循環(huán),一、郎肯循環(huán),郎肯循環(huán)的熱效率 提高循環(huán)熱效率的方法 （1）提高蒸汽初參數(shù)t1、p1； （2）降低乏汽壓力。,二、回?zé)嵫h(huán),利用部分汽輪機(jī)中間抽汽加熱鍋爐給水的循環(huán)

8、稱為回?zé)嵫h(huán)。,回?zé)嵫h(huán)的分析（優(yōu)點(diǎn)） （1）效率較同參數(shù)的郎肯循環(huán)高。 （2）減少了鍋爐的總負(fù)荷，因而減少了高溫受熱 面，節(jié)省了部分耐高溫的金屬材料。 （3）使凝汽器的換熱面積減少，節(jié)省銅材。 （4）確定合適的回?zé)峒墧?shù)，使技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面都 得到最大化。,三、中間再熱循環(huán),所謂中間再熱循環(huán)，就是將汽輪機(jī)高壓缸做功后的蒸汽 全部引出，進(jìn)入到鍋爐再熱器中再次等壓加熱，使蒸汽溫度 回復(fù)到初溫或略高于初溫，然后再全部引回汽輪機(jī)的低壓缸 繼續(xù)膨脹做功，最后排入凝汽器。,四、熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán),既發(fā)電又供熱的熱力循環(huán)稱為熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)。采用熱電聯(lián)產(chǎn) 循環(huán)的電廠稱為熱電廠。 熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)大體上可分為兩種類型： 背壓

9、式汽輪機(jī)供熱系統(tǒng)和調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)供熱系統(tǒng)。,第四章 傳熱學(xué),傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。 凡是有溫差的地方就有熱量自發(fā)地由高溫物體向低溫物體傳熱。 工程中的傳熱問題可以分為兩種類型： 增強(qiáng)傳熱，即提高換熱設(shè)備的傳熱能力，或在滿足傳熱量的前提下使設(shè)備尺寸盡量減??； 削弱傳熱，即減小熱損失或保持設(shè)備內(nèi)適宜的工作溫度。 為學(xué)習(xí)和研究方便，將傳熱分成3種基本形式： 導(dǎo)熱、對流換熱和熱輻射。 實(shí)際的傳熱過程中往往不是以某一種單一的形式出現(xiàn)，而是這3種基本方式的復(fù)雜組合。,4.1 導(dǎo)熱,一、導(dǎo)熱 定義：導(dǎo)熱是指物體內(nèi)部或接觸物體之間由 于存在溫差而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。 二、傅里葉定律 單位時(shí)間內(nèi)傳遞

10、的熱量Q與平壁兩邊的溫 差（t1t2）、平壁的面積A成正比，而與平 壁的厚度成反比，即 式中：是比例系數(shù)，稱導(dǎo)熱率，又稱導(dǎo)熱 系數(shù)。,單位時(shí)間內(nèi)通過某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為Q，單位為W。 單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱流量稱為熱流密度，記為q，單位為W/m2。 式中：/稱為導(dǎo)熱熱阻R。 導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種物性參數(shù)，其單位為 W/（mK）。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值不同，并且還與溫度、結(jié)構(gòu)、密度 和濕度等因素有關(guān)。,4.2 對流換熱,一、對流換熱過程 定義：對流是指流體各部分之間發(fā)生相對 位移時(shí)所引起的熱量傳遞過程。 對流換熱過程的熱量傳遞是靠兩種作用完 成的： 1、

11、流體與壁面直接接觸的導(dǎo)熱及流體之間 的導(dǎo)熱作用； 2、流體內(nèi)部的對流傳遞作用。,二、牛頓冷卻公式 流體被加熱時(shí)：q = （t1t2） 流體被冷卻時(shí)：q = （t2t1） 式中：t1及t2分別為壁面溫度和流體溫度，oC。如果 把溫差記為t，并約定永遠(yuǎn)取正值，則牛頓冷卻公 式可表示為 q = t Q=At 式中：比例系數(shù)為對流傳熱系數(shù)，W/（m2K）。,三、影響對流換熱的因素,通過公式4-5、4-6我們可以看出影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有種種復(fù) 雜因素，且根據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)方法給出了表4-1中幾種對流換熱 過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)值的大致范圍。 具體影響對流換熱的因素，可歸納為： 1. 流體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因 2.

12、流體的流態(tài) 3. 流體的物理性質(zhì) 4. 換熱面的幾何因素 5. 相態(tài)變化,4.3 熱輻射,一、熱輻射 定義：熱輻射是一種由物體表面直接向外界發(fā)射可見和不可 見射線，在空間傳遞能量的現(xiàn)象。在能量傳遞過程中伴 隨有能量形式的變化，即熱能與輻射能之間的變化。 若輻射到某物體上所有輻射能量為Q，其中被吸收的能量為 QA；反射的能量為QK；穿透的能量為QD，則 Q=QA+QD+QR QA/Q+QD/Q+QR/Q=A+D+R=1 當(dāng)A=1時(shí)，表示能夠全部吸收輻射能的物體，稱為黑體； 當(dāng)R=1時(shí)，表示能夠全部反射輻射能的物體，稱為白體或鏡 體；當(dāng)D=1時(shí)，表示能夠全部穿透的物體，稱為透過體。,二、熱輻射的基

13、本定律,物體在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上所發(fā)出的輻射能叫做輻射 力，用E表示。在同溫度下黑體的輻射力用E0表示。 黑體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱輻射熱量由斯忒藩玻爾茲曼 定律揭示： 式中：T為黑體的熱力學(xué)溫度，K；0為斯忒藩玻爾茲曼 常量，其值為5.6710-8W/（m2K4）。 一切實(shí)際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體，實(shí)際物體 的輻射力和同溫度下黑體的輻射力的比值稱為實(shí)際物體的黑 度，用符號表示,4.4 傳熱過程,一、傳熱過程 實(shí)際的熱交換過程中，經(jīng)常是幾種基本換熱方式同時(shí)起作用 的。例：各類熱力設(shè)備和電氣設(shè)備表面的散熱既有表面與空氣 間的自然對流，又有與四周冷表面間的輻射換熱。 幾種熱量傳遞方式

14、同時(shí)起作用的換熱過程叫做復(fù)合換熱。 工程中的實(shí)際情況往往比復(fù)合換熱更為復(fù)雜。 例如， 對流換熱 導(dǎo)熱 對流及輻射換熱 暖氣片：熱水 管子內(nèi)壁 管子外壁 室內(nèi)環(huán)境 輻射及對流換熱 導(dǎo)熱 對流換熱 省煤器：煙氣 管子外壁 管子內(nèi)壁 水 凝結(jié)換熱 導(dǎo)熱 對流換熱 凝汽器：蒸汽 管子外壁 管子內(nèi)壁 水,定義：熱量由熱流體通過固體壁面?zhèn)鬟f給冷流體的過 程叫做傳熱過程。導(dǎo)熱、對流或輻射只是一般 傳遞過程中的局部傳熱方式。 傳熱過程規(guī)律： 在穩(wěn)定的傳熱過程中，當(dāng)兩種流體的溫差一定 時(shí)，傳熱面積越大，所傳遞的熱量就越多；在同樣的 傳熱面積下，兩種流體的溫差越大，傳熱量也越多； 而在一定的傳熱面積和溫差下，傳熱

15、量的多少則取決 于傳熱過程本身的強(qiáng)烈程度。,穩(wěn)定傳熱過程中的傳熱量可表示為： Q=KAt 式中：K為傳熱系數(shù)，用來表示傳熱過程的強(qiáng)弱程 度。如果表示成熱流密度的形式，則可改寫為 式中：1/K稱為熱阻，傳熱系數(shù)越大，熱阻就越小， 傳熱量就越多。,二、傳熱過程的增強(qiáng)與削弱,由傳熱基本方程Q=KAt可以看出，傳熱量由3 個(gè)因素決定，即冷、熱流體間的溫差，傳熱面積A和 傳熱系數(shù)K。改變其中任何一因素都會對傳熱帶來影 響。具體途徑為： （一）增強(qiáng)傳熱 （二）削弱傳熱,4.5 熱交換器,將熱量從熱流體傳遞給冷流體的設(shè)備稱為換熱器。 一、混合式換熱器 在這種換熱器中，熱流體與冷流體依靠直接接觸和互相 混合來

16、進(jìn)行熱量交換。其具有傳熱速度快、效率高、設(shè)備簡 單等優(yōu)點(diǎn)。如活力發(fā)電廠中的除氧器、冷水塔和噴水式蒸汽 減溫器。,在這種換熱器中，熱流體與冷流體先后交替地 流過同一換熱面。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省金屬， 一般用于放熱系數(shù)不大的氣體之間的傳熱。,二、儲熱式換熱器,三、表面式換熱器,在這種換熱器中，熱流體通過固體壁面將熱量傳 給流體，而熱流體與冷流體互不接觸。如火力發(fā)電 廠中的過熱器、再熱器、省煤器、管式空氣預(yù)熱 器、表面式蒸汽減溫器、冷油器等。 因兩種流體的流向不同，流體可形成幾種流動(dòng)方 式： 順流、逆流、叉流 順流和逆流是冷、熱流體在表面式換熱器中的兩 種最基本的流動(dòng)方式。,兩種流動(dòng)方式的溫度變化

17、規(guī)律如圖所 示。對表面式換熱器計(jì)算時(shí)，可采用 Q=KAtm，式中：tm為平均溫度差， oC。 傳熱平均溫度差tm可采用兩種方式進(jìn) 行計(jì)算。 算術(shù)平均溫度差為 對數(shù)平均溫度差為,第五章 流體力學(xué),5.1 流體的基本性質(zhì) 一、流體基本物理性質(zhì) 1. 慣性 慣性就是物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性。流體的慣性只有在運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)才顯示出來。慣性的大小與流體的質(zhì)量成正比。 2. 壓縮性與膨脹性 溫度維持不變，壓力增大是，流體體積會縮小的性質(zhì)稱為流體 的壓縮性。壓力維持不變，溫度升高，流體的體積會增大的性質(zhì) 稱為流體的膨脹性。 3. 粘滯性 流體流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)之間存在著相對運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)之間便產(chǎn) 生一種內(nèi)摩

18、擦力來抵抗相當(dāng)運(yùn)動(dòng)，這種抵抗相對運(yùn)動(dòng)的特性稱為 流體的粘滯性，這種內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。,二、作用在流體上的力 1. 表面力 表面力是指作用在流體表面上的力。表面力可以是 作用在液體外表面上的外力，也可以是作用在液體內(nèi) 部任一表面的內(nèi)力。內(nèi)力是由于液體質(zhì)點(diǎn)之間相互作 用而產(chǎn)生的，一種是與液體表面相垂直的法向力，另 一種是與流體表面相切的切向力。 2. 質(zhì)量力 質(zhì)量力是指作用在流體內(nèi)部每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力。大 小與流體的質(zhì)量成正比。質(zhì)量力有兩種，即重力及慣 性力。,5.2 流體靜力學(xué)基本原理,一、靜壓力及其特性 流體處于平衡狀態(tài)時(shí)某點(diǎn)的壓力稱為該點(diǎn)的靜 壓力，用p表示。 特性： （1）任意一點(diǎn)的靜壓力

19、大小在各個(gè)方向上都相 等，與作用面的方位無關(guān)。 （2）靜壓力的方向垂直并指向作用面。,二、靜壓力基本方程式,整理得 說明： 1）在靜止的流體中，任意一點(diǎn)的靜壓力p 由表面壓力p0和質(zhì)量力gh兩部分組 成。 2）在重力作用下的流體內(nèi)部的壓力p隨深 度h按直線關(guān)系變化，作用點(diǎn)的位置h 越深，靜壓力p就越大。 3）在重力作用下流體中深度h相同的各點(diǎn) 靜壓力相同，此面為等壓面。,三、靜壓力基本方程式的意義,1. 物理意義 靜止液體中的一個(gè)切點(diǎn)，相對于選定的 基準(zhǔn)面，單位總比能是一個(gè)常數(shù)，但各點(diǎn) 的比位能和比壓能可以相互轉(zhuǎn)換（總和不 變）。距自由表面愈深的點(diǎn)壓力愈大，比 壓能愈大，比位能愈小。 2. 幾何意義 在靜止的液體中，各點(diǎn)的靜力水頭是永 遠(yuǎn)相等的，位置水頭和壓力水頭可以相互 轉(zhuǎn)換。,流體靜壓力的測量,流體靜壓力的測量,流體靜總壓力,靜水壓力分布圖,流體靜總壓力,圖解法,流體靜總壓力,解析法,流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用,1.汽包上的水位計(jì),流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用,2.傾斜式微壓計(jì),5.3 流體動(dòng)力學(xué)基本原理,一、流體動(dòng)力學(xué)的基本概念 流體的動(dòng)壓力和流速稱為流體的運(yùn)動(dòng)要素。 流體的動(dòng)壓力是指作用在流體內(nèi)部單位面積上的 力，一般情況下流體的動(dòng)壓力與靜壓力的分布規(guī)律 是不同的。 流速是指流體某質(zhì)點(diǎn)在空間運(yùn)動(dòng)的速度，其大小 決定與該