蒸汽工程原理和传热

熵的实际应用

由模块2.15可知，熵是可以计算出来的。这在实践中是很费力的，因此蒸汽表通常根据这样的计算来计算熵值。比熵用字母s表示，通常出现在表示饱和液体、蒸发和饱和蒸汽、sf、sfg和sg的特定值的列中。这些值同样可以在图表中找到，温度-熵(T - S)和焓-熵(H - S)图都可以找到，如模块2.15所述。每个图表在特定的情况下都有特定的用途。

T - S图常用于确定蒸汽在通过喷嘴或孔板膨胀时的特性。控制阀的阀座就是一个典型的例子。

为了理解T - S图是如何应用的，有必要绘制这样一个图表，并绘制在开始条件下的蒸汽特性，从蒸汽表中读取这些数据。

例2.16.1

蒸汽通过喷嘴从10bar a和0.9 bar a的干燥分数膨胀到6bar a，在这个膨胀过程中没有热量被排出或提供。计算喷嘴出口蒸汽的最终状态。引用的比熵值单位为kJ/kg°C。

在10巴A中，蒸汽桌状态为干燥饱和蒸汽：

由于在膨胀过程中没有热量的增加或减少，这个过程被描述为绝热和等熵的，也就是说，熵不变。当它通过喷嘴喉部时，仍然必须是6.141 3 kJ/kg°C。

由于知道这个过程是等熵的，因此可以计算出出口条件下的干度分数。现在可以用比焓来考虑出口条件(单位为kJ/kg)。

可以看出，蒸汽在通过喷嘴时比焓由2 576.25下降到2 489.30 kJ/kg，即热降为86.95 kJ/kg。

这似乎与绝热原则相矛盾，这规定没有从过程中取出能量。但是，如模块2.15所示，解释的是，6个条A的蒸汽刚刚以高速通过喷嘴喉部，因此它已经获得了动能。由于不能创造或销毁能量，蒸汽中动能的增益是牺牲自己的热量下降。

例2.16.1中的上述熵值可以用T - S图表示，如图2.16.1所示。

蒸汽动能的进一步研究

能计算出蒸汽的动能有什么意义?通过知道这个值，就有可能预测蒸汽速度，从而预测通过控制阀和喷嘴的蒸汽质量流量。

动能与质量和速度的平方成正比。

可以进一步表明，当结合joule的机械当量的热量时，可以写入动能作为等式2.16.1：

通过计算初始到最终条件的绝热热量，蒸汽的速度可以沿着其路径的各个点计算;特别是在控制阀中的塞子和座椅之间的最小通道区域的喉部或点。

这可以用来计算通过控制阀的给定数量的蒸汽所需的孔板面积。当阀门全开时，通过面积最大。同样，给定阀孔面积，通过阀的最大流量可以在规定的压降下确定。更多细节请参见示例2.16.2和2.16.3。

例2.16.2

考虑例2.16.1中的蒸汽条件，蒸汽通过一个孔口面积为1 cm²的控制阀。计算在这些条件下蒸汽的最大流量。

下游蒸汽为6bar a，干度分数为0.871 8。
6bar a (sg)干燥饱和蒸汽的体积等于0.315 6m³/kg。
在6巴A的特定体积饱和蒸汽和0.871 8的干燥分数等于0.3156m³/ kg×0.871 8，其等于0.2751m³/ kg。
实施例2.16.1的热量下降为86.95 kJ / kg，因此可以使用等式2.16.3计算速度：

例2.16.2中的计算可以在一系列降低压力的情况下进行，如果这样做，就会发现随着下游压力的降低，饱和蒸汽通过一个固定开口的流量开始时增加得相当快。

随着压力下降的平等增量，流动的增加变小，并且随着饱和蒸汽，当下游压力是绝对上游压力的58％，这些增加实际上变为零。（如果蒸汽最初过热，CPD将在绝对上游压力的55％以下发生。

这称为“临界流量”条件，此时的压降被称为临界压降（CPD）。在达到这一点之后，下游压力的任何进一步减小都不会通过开口进一步增加质量流量。

事实上，如果对于饱和蒸汽，则为会聚喷嘴拉出蒸汽速度（U）和声速的曲线（图2.16.2），发现曲线在临界压力下相交。P.₁为上游压力，P为喉部压力。

英国曼彻斯特欧文斯学院的奥斯本·雷诺兹(Osborne Reynolds, 1842 - 1912)教授首先提出的解释如下:

假设蒸汽以速度u流过管子或喷嘴，设s为蒸汽中任意点的声速(声速)，s是压力和蒸汽密度的函数。然后是一个扰动的速度，例如，突然的变化
压力P，将被传送回通过流动的蒸汽将s - u。

参照图2.16.2，设喷管出口最终压力P为其进口压力P1的0.8。这里，由于声速s大于蒸汽速度u, s - u显然是正的。压强P的任何变化都会导致质量流量的变化。

当压力P减小到0.58p1的临界值时，s - u变为零，并且在喉咙后的任何进一步减小的压力对喉部的压力没有影响或质量流量。

当通过阀座的压降大于临界压降时，由上游工况到临界压降工况的蒸汽热降计算得到喉部的临界速度，采用式2.16.5。

压降大于临界压降

值得重申的是，如果阀门穿过阀门的压降等于或大于临界压降，则通过限制的喉部的质量流动是最大的，并且蒸汽将以声音（声速）的速度行进喉咙。换句话说，如上所述，临界速度等于局部声速等于局部声速。

对于在临界压降条件下操作的任何控制阀，在由靠近其座椅的阀门引起的喉部区域的任何降低时，这种恒定速度将意味着质量流量与阀门尺寸的直接成比例地同时降低。

压力降小于临界压力降

对于操作的控制阀，使得下游压力大于临界压力（未达到临界压降），通过阀门开度的速度将取决于应用。

减压阀

如果阀门是减压阀(其功能是在不同质量流量下实现恒定的下游压力)，那么，无论蒸汽负载如何，热降都保持恒定。这意味着无论蒸汽负荷和阀门开度如何，通过阀门开度的速度保持不变。假设上游蒸汽条件不变。

从等式2.16.4可以看出，在这些条件下，如果速度和特定量是恒定的，则通过孔口的质量流量与孔口面积成比例。

温度控制阀门

在控制阀向热交换器供应蒸汽的情况下，需要随着热负荷下降而减小质量流量。然后，下游蒸汽压力将随着热负荷落下，因此阀门穿过阀的压降和热滴将增加。

因此，当阀门关闭时，通过阀门的速度必须增加。

在这种情况下，等式2.16.4示出了随着阀门关闭，质量流量的减小与阀门孔口不正常，而是通过蒸汽速度和其特定体积进行修改。

2.16.3例子

求例2.16.2中控制阀喉部蒸汽的临界速度，此处蒸汽的初始状态为10bar a，干燥率为90%，假设下游压力降至3bar a。

临界速度发生在声速，因此430米/秒是例2.16.3的声速。

控制阀中的噪音

如果阀体出口中的压力低于临界压力，则喉部后立即的热量将大于喉部。随着速度与热量直接相关，在蒸汽通过限制的喉部后，蒸汽速度将增加，并且在该区域中可能发生超声速度。

在控制阀中，蒸汽在离开喉部后，突然面临阀出口空间的巨大增加，蒸汽突然膨胀。蒸汽在通过喉部时所获得的动能被转换回热量;速度下降到与阀门上游侧相似的值，阀门出口和连接管道中的压力稳定下来。

出于上述原因，在临界压降下操作的阀门将产生声波和超声波速度，这将倾向于产生噪声。由于噪音是一种振动的形式，高水平的噪音不仅会导致环境问题，而且可能导致阀门失败。This can sometimes have an important bearing when selecting valves that are expected to operate under critical flow conditions.

从以前的文本可以看出，通过控制阀孔的蒸汽的速度将取决于阀门的应用，并且在任何时候横跨它。

降低控制阀中的噪音

有一些实用的方法来处理控制阀噪声的影响。

也许克服这个问题最简单的方法是降低通过阀门的工作压力。例如，在需要减压的地方，通过用两个阀门而不是一个阀门来减压，两个阀门可以共享总热降，并且减压站的噪音潜力可以大大降低。

通过增加阀体的尺寸（但保持正确的孔尺寸）来帮助确保超声速度在阀体壁上撞击的时间来确保超声速度的尺寸。

在噪音非常大的情况下，可能需要使用安装有噪声衰减器阀内件的阀门。

控制阀孔内的蒸汽速度通常达到500米/秒。蒸汽中的水滴会以稍低的速度通过阀门孔，但由于不可压缩，当水滴在阀门和阀座之间挤压时，它们会腐蚀阀门和阀座。

通过安装分离器或在蒸汽阀门的上游提供足够的排水管道，确保蒸汽阀门不受湿蒸汽的影响总是明智的。

2.15和2.16模块总结

图2.16.1和图2.16.3所示的T - S图清楚地表明，在例2.16.1的等熵膨胀过程中(在10 bar a时0.9到6 bar a时0.871 8)蒸汽变得更湿。

首先，对于那些习惯了蒸汽在膨胀过程中变得干燥或过热(比如蒸汽通过减压阀)的人来说，这似乎很奇怪。

关键是，在绝热膨胀期间，蒸汽在通过限制的过程中加速到高速，并获得动能。为了提供这种能量，一点蒸汽冷凝（如果饱和蒸汽）（如果过热，温度下降，并且可以冷凝）为转化为动能而提供热量。

如果蒸汽流过控制阀，或减压阀，那么阀座下游的某处，蒸汽将减慢其初始速度附近的东西。

动能被破坏后，必须重新出现为热能，根据情况，热能会使蒸汽变干或过热。

T-S图完全没有方便地表明这种效果，但是Mollier图（H-S图）可以非常清楚地做到这一点。

Mollier图可以描绘控制阀所经历的型型膨胀（见图2.15.6），通过将图形水平移动到较低的压力;并且通过喷嘴的蒸汽经历的等熵膨胀（参见图2.15.7）通过水平降至较低的压力。在前一种前者中，蒸汽通常在后者中干燥或过热，蒸汽得到湿润。

This perhaps begs the question, ‘How does the steam know if it is to behave in an isenthalpic or isentropic fashion?’ Clearly, as the steam accelerates and rushes through the narrowest part of the restriction (the throat of a nozzle, or the adjustable gap between the valve and seat in a control valve) it must behave the same in either case.

不同之处在于，从喷嘴发出的蒸汽将接下来与涡轮机滚轮相遇，并乐于放弃其动能以转动涡轮机。事实上，可以认为喷嘴作为一种装置，以便将热能转化为此的动能。

在控制阀中，代替这样的工作，当动能出现为热能时，蒸汽在阀门出口通道及其连接管道中，蒸汽在阀门出口通道及其连接管道中速度减慢，并且在较低压力下不知不觉地沿着放弃这种热量的方式。

可以看出，T - S图和H - S图都有各自的用途，但如果没有熵的概念，这两者都不可能实现。