2、进行分析时，必须用到工质水及其蒸汽的性质，故对于蒸汽性质及其循环的讨论也是其中一项重要内容。第一节基木概念自然界中存在的物质有固体、液体、气体三种状态。每种物质随着外界条件的变化，它本身的状态也发生变化。比如，水是液体，当加热时，它的温度升高，变成气体水蒸汽；反之，如将水冷却，它的温度下降，又变成固体冰。在热机里要使热能不断转变成机械能，一定要借助一种工作物质，把这种实现热能和机械能相互转换的媒介物质，叫做工质。了解工质性质尤为重要。工质的变化规律，是通过温度、压力、比容、焓、熵等物理特性来表示，凡能够表示工质状态特性的物理量，统称为状态参数。一、温度温度是表示物体冷热程度的物理量。热物体温
3、度高，冷物体温度低，当两个物体接触时，温度高的物体就向温度低的物体传热。如果二者间没有热量传播，则两个物体的冷热程度一样，即处于热平衡状态，两物体温度相等。在发电厂里，需要测量温度的地方很多，如进入汽轮机的蒸汽温度，冷却水温度、润滑油温度等。不知道各处的温度，就不能了解运行情况。处于热平衡状态的物体具有相同的温度，这是利用温度计测量物体温度的依据。当温度计与被测物体达到热平衡状态时，温度计的温度即等于被测物体的温度。温度的数值表示方法称为温标。常用的有热力学温标和摄氏温标。1、热力学温标(绝对温标)国际单位制采用热力学温标为基本温标。用这种温标确定的温度称为热力学温度(又称绝对温度)，符号为T
5、亦即摄氏温标1的间隔等于热力学温标1K的间隔，即tT。从微观角度讲，气体的温度是组成气体的大量分子平均动能的量度。温度越高，气体内部分子不规则热运动越剧烈。热运动的剧烈程度不同，说明了气体的状态不同。二、压力在汽轮机运行中，我们要经常监督各处的压力，比如蒸汽的压力，油的压力，水的压力等。通过检查各处压力表的指示，就可以判断汽轮机各部分工作是否正常。工质在容器壁面单位面积上所施加的垂直作用力称为压力，用符号P表示。根据气体分子运动论，气体的压力是气体分子作不规则运动时撞击容器壁面的结果。由于气体内部所含的分子数目相等，它们对容器撞击的次数极为频繁，因而人们不可能分辨单个分子的撞击，只能观察到大
7、弹簧管式压力表测量，较小压力采用U形管压力计测量。下图（a）、（b）分别为弹簧管式压力表和U形管式压力表。这些表计的测量原理都是建立在力平衡基础上的，弹簧管式管外作用着（当时）当地的大气压力，管内作用着容器内气体的真实压力。当容器内气体的真实压力等于周围大气压力时，压力表上的指针不动而指在零位。只有当气体的真实压力与大气压力不相等时，表上的指针才开始移动。所以表上所指示的数值是真实压力与大气压力的差值。同理，U形管式压力计是左右连通管保持力平衡，液面的差值所反映的压力也是工质的真实压力和大气压力之间的差值。工质的真实压力称为绝对压力，以P表示。大气压力以Pb表示。绝对压力大于大气压力时，超出大
11、。但是热量和功量又有不同之处，在做功过程中往往伴随着能量形态的转换。如工质膨胀推动活塞对外作功的过程中，热能转变成了机械能。当过程反过来进行时，机械能又转变成了工质的热能。而在传热过程中，高温物体把自己的热能传递给低温物体，成为低温物体的热能,在过程中不出现能量形态的转化。2、比热在热工计算中，经常要计算工质吸收或放出的热量，这就要求建立比热的概念。由试验知，给不同的气体加热使它们升高相同的温度，所需的热量是不同的。物体温度升高（或降低）1K，所吸收（或放出）的热量，称为该物质的热容量，单位为KJ/K。物体热容量的大小与组成该物体的物质有关，还与该物质的质量和加热过程有关。单位质量的物质温度升
17、动能愈大，所以内动能是温度T的函数。如同宏观物体由于地球引力具有重力位能一样，在分子之间由于相互引力作用也具有微观位能，只是这种位能的数值很小罢了。这种由于分子间的引力而具有的位能称为内位能，它的大小与分子间的距离有关，也就是说与气体所具有的比容有关，所以内能是比容v的函数。lkg气体的内能用符号表示，单位为J/kg或KJ/kg。对m（kg）的气体其内能用符号U表示，则Um，单位为J或kJ。综上所述，气体的内能决定于它的温度T和比容V，也就是决定于气体所处的状态，因而内能也是一个状态参数。它可以表示为两个独立参数的函数。f（T，V）对于理想气体位能可忽略不计，所以它的内能就是内动能。因此，理想
18、气体的内能u仅是温度T的函数。f（T）七、焓在绝大多数定压过程中，有许多场合需要计算工质的热量。若采用前述状态参数计算，则十分复杂。为简化计算，引入焓的概念。焓的意义纯粹是为了运算上的便利。它的提出完全是作为一种方便的手段，把在热力学方程式中反复共同出现的几个状态参数合并在一起。由热力学第一定律知：对于闭口系统的一切过程，系统从外界吸收的热量，等于系统内能的增量和对外的作功之和。即对1kg工质而言：quW式中：q1kg工质在过程中吸收的热量，J/kg或KJ/kg；u1kg工质终态与初态内能之差，J/kg或KJ/kg；W1kg工质对外所作的功，J/kg或KJ/kg。对于定压过程而言，系统对外
23、：1kg工质所吸收的热量，在数值上等于TS图上过程线下与横轴所形成的面积。由上述可知，热量的大小不仅与状态有关，而且还与过程所经历的途径有关。如图右所示的两个过程1a2与1b2，虽然都从相同的初状态1变化到相同的终状态2，但因过程线不同，与横轴围成的面积也不同。所以，这进一步说明热量不是状态参数，而是一与过程有关的过程量。由上讨论知：工质被加热（q0），其熵增加（s0）；工质放热（q0），其熵减小（s0）；工质不与外界交换热量（q0，绝热），其熵不变（s0）。可见，熵变量可以用来标志可逆的热力过程中有无传热和传热的方向。通过推导，当比热为定值时，对于任何过程，理想气体熵的增量为：SCvlnT2
24、/T1Rln2/1SCplnT2/T1RlnP2/P1SCvlnP2/P1Cpln2/1上述各式说明过程中理想气体熵的变化完全取决于它的初状态和终状态，而与过程经历的途径无关，即理想气体的焓是一个状态参数。在热工计算中，只用到两个状态之间熵的变化量S，所以计算熵的数值时，可以任意规定一个基准状态，取其熵为零值。理想气体常用标准状况下的熵为零作为计算起点。第二节理想气体的热力过程热机一般是以气体作为作功的介质的，因此，为了学习热机理论，首先应了解气体状态变化和能量转换规律。众所周知，当对气体施加压力时，它的体积缩小，温度升高；当减轻气体的压力时，则体积膨胀，温度下降。在这中间变化规
25、律最为单纯的是理想气体，它的状态方程式为：PVRT式中，P、V、T三者为工质最基本的三个参数，R为气体常数。气体的三个参数中，只要其中有一个发生了变化，另外两个参数一定随着发生变化，因为它们是互相联系互相制约的。而且，对于某一气体来说，只要知道它的两个参数，另一个就可以用状态方程式求出来。下面就理想气体在气缸内的变化过程加以讨论。假设气体在气缸内是被封闭起来，而且认为气缸内只有1Kg气体，并且忽略一切摩擦，忽略向气缸内传入热量时的传热温差，即认为温差等于零，忽略气缸外壁的散热损失，及其它一切损失。在热力学中这种理想情况用“可逆”二字来表达。当然，实际的热力过程往往很复杂，它们都是些不同的不可
26、逆过程，同时，过程中工质的各状态参数又都在变化，不易找出参数间的变化规律。热工理论中为了便于分析研究，常对实际过程按其特点近似地进行简化，突出过程中状态参数变化的主要特征，进而把工程上常见的不可逆过程近似地概括为几种带有某些简单特征的典型可逆过程，如定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程。以下将以理想气体为工质，以热力学第一定律为基础，对这些典型的可逆过程进行分析讨论。一、定压过程工质在状态变化时压力始终保持不变的过程称为定压过程。在实际热力设备中有很多加热过程和放热过程是在定压下进行的。如给水在锅炉内定压加热、汽化、过热，蒸汽（乏汽）在凝汽器内的定压放热凝结等。因此，定压过程是实际应用中一个
33、的准备阶段。这一点，无论是理想气体还是实际气体均适用。四、绝热过程工质在状态变化时与外界没有热量交换的过程，称为绝热过程。该过程实际上不存在，除非工质用绝对热绝缘物质与外界隔绝，这显然是不可能的。但是，当过程进行得很快，工质与外界来不及交换热量，或热绝缘材料很好，交换的热量很少时，则可近似看作绝热过程。（一）过程方程式S常数或PVK常数式中：k一为绝热常数（二）初、终状态参数之间的关系由于S=常数，即S0，故：SClnP2/P1CplnV2/V10lnP1/P2Cp/ClnV2/V1令Cp/Ck则有：P1V1KP2V2K常数（三）过程在参数坐标图上的表示因为PVK=常数，所以绝热过程在PV
35、组成。因而，整个卡诺循环是个可逆循环。如下图（a）、（b）所示。图中1一2过程为定温加热过程，工质在T1温度下，从热源吸收热量q1，即为TS图上的面积|2S2S1|。其计算式为：q1T1（S2S1）T1S由于1一2是可逆的定温加热过程，因而过程进行得十分缓慢，可以把工质温度T1看成是热源温度（相差无限小）。2一3表示可逆的绝热膨胀作功过程，即定熵过程。在这个过程中，工质温度降低，内能减少，对外界作功，直至工质温度降低到冷源温度T2为止。34表示可逆的定温放热过程，过程中工质在T2温度下向冷源放热，放热量为q2，即TS图上面积34S1S23，其计算式为：q2T2（S2S1）T2S与12定
36、温过程的说法一样，工质温度T2等于冷源温度（或相差无限小）。在冷温度T2下，工质作了最大限度的膨胀后（工质降温膨胀达到冷源温度T2是其最大限度）为了使工质恢复初态，造成循环连续作功，q2是最低限度必须向冷源放出的热量，因而q2为理想卡诺循环的最小补偿。41表示可逆的绝热压缩过程。在该段工质的温度自T2升高到T1，从而恢复到原来的状态1，完成卡诺循环。1、卡诺循坏的效率工质在循环中所作的净功与其由热源吸收的热量之比称为循环效率，显然：ti卡净功/吸热量W0/q1（q1q2）/q11q2/q1=1T2S/T1S=1T1/T2分析上式，可得如下重要结论：（1）卡诺循环的热效率决定于热源温度T
37、1和冷源温度T2（即工质的吸、放热温度）而与工质性质无关。提高T1，降低T2，可以提高循环效率。（2）卡诺循环热效率只能小于1。因为，要使T1或T20K都是不可能的。即q2只能减小而无法避免。（3）当T1T2时，ti卡0，即，在没有温差的系统中，无法实现热转换成有用的热力循环。也就是说，只有一个热源而无冷源的热机是无法实现的。2、卡诺循坏是最佳循环在相同的热源温度T1和冷源温度T2条件下，卡诺循环的热效率最高。因为实际的循环都或多或少地存在着一定的不可逆，而且，要实现对工质加热而不使其温度升高，放热而不使其温度降低，是很难做到的，因而，实现卡诺循环是不可能的。即便如此，也不影响卡诺循环从理论上
38、指明提高实际循环热效率的方向和限度所作出的重大贡献。逆向卡诺循环是制冷机的理想循环，其功和热的关系与正向循环的数值相同，方向相反。第三节水蒸汽前面就理想气体的状态参数及热力过程进行了简单的分析，它给我们提供了必要的理论依据。但在热力发电厂中，循环采用的工质是水蒸气，而蒸气的特点是离液态不远，被冷却或压缩时，很容易又变成液态，其分子之间的相互作用力及分子本身占有的容积都不能忽略。因此蒸汽不能当作理想气体看待，应作为实际气体处理。下面就水蒸汽的基本概念、形成过程及水蒸汽的焓熵图作一简单介绍。一、水蒸汽的基本概念1、气化和凝结物质从液态转变成汽态的过程叫汽化。汽化有两种方式一一蒸发与沸腾。相反，物
39、体从汽态变成液态的过程叫液化或凝结。2、蒸发在液体表面进行的汽化现象叫蒸发。液体不论在什么温度下都可以蒸发。液体蒸发时要吸收汽化热，使液体本身或周围环境的温度降低。从微观上看，蒸发是由于液体表面一些动能大的分子摆脱液面附近其余分子对它的吸引力而逸出液面的现象，动能大的分子逸出去了，动能小的分子仍在液面，液体表面和液体内部分子的平均动能减小了，液体的温度降低了。显然，温度越高，分子运动动能越大，蒸发的速度就越快，同时液面面积越大，蒸发也越快。此外蒸发的速度还与液面上空气流动的速度有关，气流的速度越快，蒸发也就越快。3、沸腾在液体内部进行的汽化现象叫沸腾。在一定的外部压力下，沸腾只能在固定的温度下
40、进行，该温度叫沸点。把开始沸腾的水，,叫沸水或饱和水，饱和水汽化所产生的蒸汽叫饱和蒸汽，饱和水和饱和蒸汽的温度是相同的，这个温度叫饱和温度。在这里还要说明：当改变水面上的压力时，水的沸点就相继改变。比如，在绝对压力为0.1961MPa时，水的沸点（饱和温度）为119.615，而在绝对压力为0.09806MPa时，水的沸点为99.087。由此说明，饱和温度与水面上所受到的压力（饱和压力）有一定关系。如事先做好实验，将饱和温度和压力的关系制成表，那么知道压力后就可从表中查出对应的饱和温度；反过来，知道温度就可查出对应的饱和压力。当饱和蒸汽从水里蒸发出来的时候，常常会有细小的水珠混在里面。这些水珠，
41、是因为水蒸发得很快被蒸汽的汽泡携带出来。这种混有水珠的饱和蒸汽，叫做湿饱和蒸汽。完全不含水分的饱和蒸汽，叫做干饱和蒸汽。饱和蒸汽中，干蒸汽的含量或水分的含量可以用干度或湿度来表示，即干度：Xm汽/（m汽m水）湿度：1Xm水/（m汽m水）式中：m汽湿蒸汽中饱和蒸汽的质量，kg；m水湿蒸汽中饱和水的质量，kg；m汽m水湿蒸汽的总质量，kg。干度X越大，蒸汽中所含水份就越少，当X=1时，蒸汽为干饱和蒸汽。当水完全变成干饱和蒸汽后，再继续对它加热，这时蒸汽的温度就会继续升高，变成过热蒸汽。过热蒸汽的特点是，它的温度高于对应压力下的饱和蒸汽温度，高出的这个温差称为蒸汽的过热度。以上简单介绍了水蒸汽的一些
42、基本概念，下面再介绍一个研究汽轮机工作原理所不可缺少的曲线图焓熵图。二、水蒸汽的焓熵图（hS图）右图是一简化了的焓熵图。在这张图上，把饱和蒸汽和过热蒸汽以及蒸汽的各个参数间的关系都集中在一起了。只要知道蒸汽的压力和温度，便可以从图中查出它的焓、比容和蒸汽干度；知道蒸汽在各种工作过程的起始状态参数，就能很容易地从图上找出终了的状态参数。在实际工作中，利用hS图比利用蒸汽表来得更简单、迅速。HS图上，用熵作横作标，焓作纵坐标。它是由下列几组曲线构成的。1、饱和蒸汽线和干度线。在图上中间一条弯曲的粗线，叫“饱和蒸汽线”。凡是在这条曲线上的状态都是干饱和蒸汽。蒸汽的干度等于1。饱和线上方是过热蒸汽区，
43、下方是饱和蒸汽区。在饱和线下方与饱和线的弯曲形状相似的几条曲线,称为干度线群，这些干度线分别表明不同的干度。2、等压线。在图上由左下方开始向右上方引出的许多线条，称为等压线。从右到左压力逐渐升高。要注意，在饱和蒸汽区内，各等压线都是直线，只是到了过热蒸汽区才变成曲线。3、等温线。在图上过热蒸汽区内，左端下弯，右端较为平直的一些曲线称为等温线。在每一条等温线上，蒸汽的温度都是相同的。等温线在饱和蒸汽区内，是和等压线重合在一起的，这是由于饱和蒸汽的温度与压力有固定关系的缘故。所以在这个区域内等压线和等温线是“一线两用”但在图上仅注明该线压力大小，如需知道该线的温度大小，必须将定压线延伸到与干饱和蒸
44、汽线（即x=1）相交，查得该交点的温度值，便是该定压线的饱和温度。4、等容线。等容线的延伸方向同等压线相近，但等容线比等压线陡些。为了区别，一般hs图上等容线以红线印出。与等压线相反，从右到左比容值逐渐减小，即压力越高比容越小。在hs图上，两条线的交点可以确定一个点的位置，只需已知压力、温度、比容、焓、熵、干度等参数中的任意两个即可。但在饱和蒸汽区，等温线与等压线是重合在一起的，所以查湿饱和蒸汽状态时，温度与压力相当于一个参数，尚需知道另外一个参数，才能确定状态点。利用hs图查一过程时，相当于在图上确定一条线的位置。首先确定过程的开始状态点（需已知两个参数），再根据过程特性确定过程的走向，最后
45、在走向线上确定过程的终了状态(需已知一个参数)。第四节基本循环在发电厂中的应用前几节，就理想气体的状态参数、热力过程进行了简单的分析，它给以后分析实际蒸汽循环提供了必要的理论依据和研究方向。理想的卡诺循环效率最高，但它却无法实现。实际上，在火电厂中，完成电能生产的过程是在复杂的循环基础上实现的。下面就几种典型的循环原理加以分析介绍。一、朗肯循环朗肯循环是最简单的火力发电厂的理论循环，如右图所示。它的循环过程为：首先将凝汽器内的凝结水用凝结水泵4和给水泵6打入锅炉1，该过程为给水的绝热压缩过程，打入锅炉的水在锅炉内定压吸热、汽化和过热；从锅炉来的新蒸汽在汽轮机2中绝热膨胀作功过程；作完功的乏汽
46、在凝汽器内的定压凝结放热过程。以上四个过程在Ts图上表示如下图。右图中，过程线12为过热蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程。此时每千克蒸汽在汽轮机内部所作的技术功为：Wth1h2式中，h1进汽焓，kJ/kg；h1乏汽焓，kJ/kg。过程线23表示乏汽在凝汽器中的定压放热过程。每千克工质放出的热量为：2h2h3式中，h3乏汽压力P2下的凝结水焓，kJ/kg。过程线34表示凝结水在给水泵中的绝热压缩过程。给水泵所消耗的技术功为：Wph4h3式中，h4离开给水泵时（P4=P1）的未饱和水焓，kJ/kg。过程线4561表示未饱和水在锅炉的省煤器、汽包和过热器中定压加热、汽化并最后形成过热蒸汽的过程。每
49、影响和限制。过份提高P1使排汽湿度增加，这将明显增大汽轮机内部的不可逆损失，从而使相对内效率下降，还可能引起汽轮机的危险振动甚至导致叶片折断等重大事故，故通常不允许乏汽湿度高于0.12O.15。提高蒸汽的初温t1，虽然对提高平均吸热温度的效果不十分显著，但可以降低排汽温度。也就是说，提高初压所带来的不利影响可通过同时提高初温加以消除。因此蒸汽动力装置中蒸汽的初温初压应同时提高，二者提高的幅度亦需合理的配合。提高初温受到动力设备材料耐热强度的限制。降低凝汽器中乏汽的压力P2可降低相应的饱和温度T2s，使平均放热温度T平均2下降，从而使循环热效率提高。由此可见，提高朗肯循环热效率的根本途径是提高蒸
50、汽的初参数P1和t1并尽可能地降低乏汽压力P2。由于提高初参数所受到的限制，目前国内大、中型火力发电厂常用的蒸汽初压多半临界压力22.06Mpa以下；初温在450550范围内，超过600尚属少见。同样，终压的降低受到自然环境温度的限制，而且过份低的终压将导致终了乏汽比容迅猛增大，从而给汽轮机的设计与制造带来一系列困难。如低压通流面积过大而使设计困难，凝汽器十分庞大笨重以及运行中使循环水泵耗电量增大等不利影响。目前P2一般都维持在3.55kPa的范围内。综上所述，朗肯循环的最大缺点在于工质的平均吸热温度远较循环的最高温度T1为低。目前发电厂都不直接采用上述简单的朗肯循环，而采用设备结构、热力系统