蒸汽工程基本原理

蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理1蒸汽工程基本原理TR-GCM-24蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理2蒸汽•容易输送•容易控制•可以使用于以下各种场合:发电加热过程工作蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理3水和蒸汽•水–资源丰富，价格便宜•安全•在较低的温度下蒸发成蒸汽•水可以吸收大量的热量•蒸汽包括很大的热量•蒸汽在恒定的温度下凝结成水•高的传热系数•便利的压力和温度关系蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理4温标比较0oC273K373K100oC0K-273oC水的冰点温度，摄氏度(oC)绝对温度开尔文(K)K=t(oC)+273蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理5压力测量•绝对压力(bara)该压力的测量基准是绝对的真空，即绝对真空压力为0bara•表压(barg)该压力的测量基准从大气压力开始。因此；表压=绝对压力–大气压力•真空度或负压低于大气压的压力。-1barg对应于绝对的真空(1.0barvac).如果真空描述为‘0.3barvac‘，其对应压力为-0.3barg或者0.7bara.•压力差两个压力之间的差值。蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理6压力测量大气压力(大约1bara=0barg)绝对真空(0bara)真空差压表压绝对压力bara=barg+1蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理7比热(Cp)•1kg的物质升高1oC所需要的热量(kJ)水的比热4.19kJ/kg°C酒精比热2.64kJ/kg°C铜的比热0.37kJ/kg°C水银的比热0.14kJ/kg°C蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理8什么是蒸汽?蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理9什么是蒸汽?•从固态溶解成液态•液态温度上升•沸腾•蒸发•饱和蒸汽•过热蒸汽蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理10什么是蒸汽?•在大气压下形成蒸汽蒸汽汽泡水壶内的蒸汽空间凝结的蒸汽蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理11在大气压力下产生蒸汽需要加给水的热量100oC0oC温度(oC)饱和水的沸点蒸发线干蒸汽点0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0干度焓(kJ/kg)总焓(hg)液态焓(hf)蒸发焓(hfg)未饱和水线蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理12什么是蒸汽?•液体焓（饱和水焓）(hf)•蒸发焓（潜热能）(hfg)•总热能(hg)蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理13蒸汽表WaterEvapSteambarºChfhfghgm3/kg0100419225726761.6731120506220127070.8812134562216327250.6035159671208627570.3157170721204827690.2410184782200027820.17714198845194727920.132GaugePressureTemp.VolumeDrySat.EnthalpyinkJ/kg水蒸发蒸汽bar篊hfhfghgm3/kg0100419225726761.6731120506220127070.8812134562216327250.6035159671208627570.3157170721204827690.2410184782200027820.17714198845194727920.132表压bar温度饱和干蒸汽比容焓kJ/kg蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理14干饱和蒸汽的压力和比焓关系0500100015002000250001234567891011121314压力(barg)比焓(kJ/kg)随蒸汽压力上升,蒸发比焓下降随蒸汽压力上升,饱和水的焓上升随蒸汽压力的上升,可供的传热热量下降蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理15温度-压力关系05010015020025001234567891011121314压力(barg)温度℃蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理16比容-压力关系图00.20.40.60.811.21.41.61.801234567891011121314压力(barg)比容(m3/kg)蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理17干度•湿蒸汽的实际蒸发焓是湿蒸汽的干度(x)和比蒸发焓(hfg)的乘积.实际焓干度蒸发焓x=蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理18过热蒸汽•过热蒸汽是指温度高于饱和蒸汽温度的蒸汽.例如,在大气压力下将饱和蒸汽加热到110oC,则它的过热度为10oC•通过以下方法可以使蒸汽过热:将蒸汽通过温度更高的加热表面减压(前提是蒸汽必须是干燥的)蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理19燃烧器蒸汽过热器蒸汽锅筒对流管束烟气挡板省煤器水管锅炉蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理20减压阀165oC6barg的干饱和蒸气6bar1bar通过减压得到过热•减压阀下游的温度为多少??蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理21减压阀165oC干蒸汽在6barg时的全热能为2764kJ/kg6bar1bar过热度的实例上游能量=下游能量剩余热量=2764-2707=57kJ/kg蒸汽比热@P2=(2770-2707)/30oC=2.1kJ/kgoC过热度=(57kJ/kg)/(2.1kJ/kgoC)=27.1oC饱和温度=120oC最后蒸汽温度=120+27.1=147.1oC147.1oC蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理22减压阀165oC蒸汽压力为6barg,干度为=0.956bar1bar通过减压得到过热•确定减压阀下游的蒸汽温度?蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理23减压阀165oC蒸汽压力6barg,干度为0.95的全热能为697.5+2066x0.95=2660kJ/kg6bar1bar过热度实例上游能量=下游能量1barg干饱和蒸汽的全热为=2707kJ/kg,大于上游的能量,因此通过减压阀后,下游蒸汽中仍含有水分.P2压力下的干度=(2660-505.6)/2206=0.977120oC蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理24过热蒸汽应用•气轮机在过程中饱和蒸汽会冷凝，水滴会引起严重的冲蚀和损坏气轮机。过热蒸汽更加有效。•电厂气轮机的过热蒸汽可能状态为150barg/550°C,有200°C的过热度。蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理25过热蒸汽•作为传热介质过热蒸汽不是很有效。•实例:6barg的过热蒸汽温度175oC在其冷凝发生以前必须首先冷却到6barg下的饱和温度(165oC)。6barg下过热蒸汽的比热约为2.32kJ/kg1kg的蒸汽在冷凝以前从175oC冷却到165oC防出的热量为：=1kgx2.32kJ/kgx10oC=23.2kJ•和1kg的干饱和蒸汽在165oC下凝结释放的热量2066kJ相比很少。蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理27过热蒸汽•和饱和部分相比,过热蒸汽部分所含的热容量很小•过热蒸汽的传热系数较低•降低制程性能蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理28蒸发潜热kJ/kg(hfg)表压barg温度℃水的显热(hf)蒸汽全热(hg)饱和干蒸汽比容m3/kg0123456710012013414415215916517041950656260567164169772122572201216321332108208620662048267627072725273827492757276327691.6730.8810.6030.4610.3740.3150.2720.24二次蒸汽蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理29有多少二次蒸汽•7bar饱和水的焓值=721.4kJ/kg•0bar饱和水的焓值=419.0kJ/kg•过剩=302.4kJ/kg•0bar时的蒸发潜热=2257kJ/kg•二次蒸汽比例=302.42257•=0.134kg/kg冷凝水蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理30制程和/或者空间加热常用的流体•水低温水中温水高温水•高温热油•蒸汽蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理31水热流率：(kW)=mxDtxCp这里:m=水的质量流率(kg/s)Dt=温度变化(oC)Cp=比热(kJ/kgoC)4.186（水）8271)11801204088148)606bar3.5bar大气压T1(oC)T1(oC)DT(oC)压力LTHWMTHWHTHW蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理32水•低温热水系统(LTHW)主要用于空间加热.在英国典型的温度降为11°C、在欧洲为20°C•中高温水系统(MTHWandHTHW)在在压力系统中加热至高温。中温热水主要用于空间加热。高温热水主要用于区域热网和制程。蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理33水•液体系统的固有问题:变速泵系统的水力平衡差压的控制需要3通阀在换热器中可能需要挡流板传热系数比蒸汽低存在温度梯度蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理34高温热油•操作于大气压或低压下，使用没有毒性的介质。石油可以达到300°C.合成油可以达到300°C至400°C•缺点:在有些条件下可燃.传热系数比水或蒸汽低.昂贵如果泄漏引起肮脏.当需要维护时必须排放完系统比较复杂。蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理35蒸汽•高的热容量•蒸汽管线相对重量轻.•无需循环泵.•在一定的范围内负载可以增大或减少.•很高的传热系数•用于控制只需二通阀蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理36提供100kW热量的流率比较Flowrate(kg/s)=100kW4186J/kgCx(82-71)2.17kg/so水Flowrate(kg/s)=100kW550J/kgCx(300-280)9.1kg/so热油蒸汽如果蒸汽压力为6barg.蒸发焓为=2066kJ/kg因为1kW=1kJ/s，这样携带100kW的热量=100kW/2066kJ/kg=0.048kg/s蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理37对蒸汽的基本要求•蒸汽达到用汽点应该具备以下条件:正确的压力和温度.不含空气和其它不凝性气体.干净.干燥.蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理38空气和不凝性气体•空气的存在则意味着:蒸汽的温度不能根据压力表所确定.产生传热的热阻.蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理39混合物总压力蒸汽分压力空气分压力=+道尔顿分压定理道尔顿分压定律为:•如果蒸汽和空气的混合物,则混合物的总压力为各组成气体的分压力总和.蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理40道尔顿分压定律实例•如果蒸汽和空气的混合物总压力为1barg(2bara)并且混合物的组成部分为3份蒸汽和1份空气,这样:蒸汽的分压力为=¾x2barabs=1.5bara空气分压力=¼x2barabs=0.5bara•从蒸汽表可知,1.5bara(0.5barg)饱和蒸汽的温度为111.6°C.•根据压力表的读数1Barg,蒸汽温度应该为120°C.蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理41道尔顿分压定律结果•任何用汽设备,如果使用该蒸汽,虽然压力表的读数为1barg,而实际上使用的蒸汽相当于0.5barg.•如果设备需要1barg的压力达到它的额定出率,则肯定无法实现.•如果一个医院的杀菌罐或者消毒锅,其最低温度的限制是相当关键的,即使增大空气/蒸汽混合物的压力,但空气的存在会阻碍达到杀菌的目的.蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理42空气和不凝性气体的来源•起机•锅炉给水在80°C时,水能溶解0.6%的空气.•补给水和冷凝水.当它们暴露在空气中时,容易吸收气体.当水被加热时,气体会被释放.•锅炉的水处理化学物.蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理43干净•在任何蒸汽系统杂质可能来源于以下几个方面:由于锅炉操作不当,而造成从锅炉水携带固体物质.管道垃圾.焊渣.不适当的应用或过多的连接材料.蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理44冠状阀汽水分离器至用汽设备疏水阀组蒸汽携带水分蒸汽中携带水分则：水锤减低设备的出力减低蒸汽的含热量，增加蒸汽耗量污染系统及其设备增加锅炉的燃料蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理45湿蒸汽以及它对蒸汽含热量的影响•水分不包含任何的蒸发焓.•实例蒸汽压力为7barg,含5%的水分,即蒸汽干度为x=0.95.则湿蒸汽可供的蒸发焓为=0.95xhfg.=0.95x2047.7kJ/kg=1945.3kJ/kg蒸汽基本性质蒸汽工程基本原理4