《工程熱力學》PPT課件.ppt

注冊公用設備工程師考試專業(yè)基礎課輔導,工程熱力學 輔導人 北京建筑工程學院 邱 林,第六部分 水蒸氣和濕空氣,一、水蒸氣的基本概念 水蒸氣不是理性氣體，而是離液相較近的實際氣體。,一）冷凝、汽化、蒸發(fā)和沸騰 氣化-液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟倪^程，反過程叫冷凝。 氣化分蒸發(fā)和沸騰 蒸發(fā)液體表面的汽化過程，任何溫度都可以發(fā)生 沸騰-液體內(nèi)部的汽化過程，達到沸點溫度時才會發(fā)生,二）飽和狀態(tài),飽和狀態(tài)：汽化與凝結的動態(tài)平衡,飽和溫度Ts,飽和壓力ps,一一對應,Ts,ps,ps=1.01325bar,Ts=100 ,青藏 ps=0.6bar,Ts=85.95 ,高壓鍋ps=1.6bar,Ts=113.32 ,飽和狀態(tài)有三種狀態(tài),分別: -飽和水，濕蒸汽，干飽和蒸汽,二、 水蒸氣的定壓發(fā)生過程 三個階段： 水的預熱過程 未飽和水(0.01)飽和水(ts)； 水的汽化過程 飽和水(ts)干飽和水蒸氣(ts)； 水蒸氣的過熱過程 飽和水蒸氣（ts）過熱水蒸氣(t)。,汽化潛熱-1kg飽和水汽化成為干飽和水蒸氣所需的熱量。 壓力越高，汽化潛熱越小。在臨界壓力下，汽化潛熱為零。,水蒸氣定壓發(fā)生過程說明,(2),只有熵加熱時永遠增加,(3) 實際氣體,實際氣體汽化時，TTs不變，但h增加,汽化潛熱,(4) 未飽和水,過冷度,過冷水,過熱蒸汽,過熱度,水蒸氣的p-v圖和T-s圖,水蒸氣的相變圖線可以總結為： 一點(臨界點)、 二線(上界線、下界線) 三區(qū)(液態(tài)區(qū)、濕蒸汽區(qū)、氣態(tài)區(qū)) 五態(tài)(未飽和水狀態(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)),水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)確定的原則,1、未飽和水及過熱蒸汽,確定任意兩個獨立參數(shù)，如：p、T,2、飽和水和干飽和蒸汽,確定一個獨立參數(shù)p或T,3、濕飽和蒸汽,除p或T外，其它參數(shù)與兩相比例x有關,兩相比例由干度x確定,定義,干飽和蒸汽,飽和水,對干度x的說明：,0 x 1,在過冷水和過熱蒸汽區(qū)域，x無意義,濕飽和蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量分數(shù),濕飽和蒸汽區(qū)狀態(tài)參數(shù)的確定,如果有1kg濕蒸氣，干度為x, 即有xkg飽和蒸汽，(1-x)kg飽和水。,三、 水蒸氣熱力性質(zhì)表和圖,水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)可根據(jù)水蒸氣表和圖查得。 基準點-水的三相點為基準 p0.611 2 kPa，v0.001 m3/kg , T273.16 K,u=0,s=0,臨界點-液相與氣相平衡共存點。 水的臨界參數(shù)值為：tc=374.15，pc=22.129 MPa。 *臨界溫度和壓力是液相與氣相能夠平衡共存時的最高值。 *當溫度超過一定值tc時，液相不可能存在，而只可能是氣相。 思考題,有沒有500C的水？,水蒸氣的 h-s圖 h-s圖的結構： C臨界點， 六類等值線簇: 定焓線、定熵線、定壓線、定溫線定容線、定干度線。,四、 水蒸氣的基本熱力過程 -四個過程 可利用的公式： 熱力學第一定律 可逆過程的公式,不可利用的公式： 理想氣體的公式,二、飽和濕空氣 未飽和濕空氣過熱水蒸氣干空氣，如點A。 飽和濕空氣飽和水蒸氣干空氣，如點B。 露點溫度（露點）pv對應的飽和溫度。,濕空氣,一、濕空氣的一般概念 *濕空氣：干空氣和水蒸氣組成的混合氣體-混合理想氣體。 *濕空氣的總壓力p=pa+pv *在采暖與空調(diào)等工程中的濕空氣是環(huán)境大氣，B=pa+pv。,2 相對濕度-濕空氣中水蒸氣的分壓力pv與同溫度下飽和濕空氣中水蒸氣分壓力ps的比值:,*的測量：干濕球溫度計,*說明了吸收水蒸氣的能力。 值愈大，濕空氣愈潮濕，吸收水蒸氣的能力愈弱; 濕空氣干燥，吸收水蒸氣的能力 *為0時，即為干空氣； 為100% ，即為飽和濕空氣； 介于01之間的濕空氣是未飽和濕空氣。,三、絕對濕度、相對濕度、含濕量和焓,1 絕對濕度每立方米濕空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量即水蒸氣密度。,3 含濕量d 單位質(zhì)量干空氣的濕空氣含有的水蒸氣的質(zhì)量。,4 濕空氣的焓- 1kg干空氣的焓與d g水蒸氣的焓之和,5 干球溫度與濕球溫度,濕球溫度的形成過程 近似看做是定焓過程。,干球溫度、濕球溫度與露點三者的關系： 未飽和濕空氣：干球溫度濕球溫度露點溫度 飽和濕空氣： 干球溫度=濕球溫度=露點溫度,焓-濕圖上有下述圖線 定含濕量線 定焓線。 定溫線。 定相對濕度線。水蒸氣分壓力線。,四、焓濕圖（h-d圖）,干加熱(或冷卻)過程 含濕量保持不變 過程中吸放熱量： q=h2-h1,五、濕空氣的基本熱力過程,絕熱加濕過程,冷卻去濕過程,第七部分 氣體和蒸汽的流動,1 穩(wěn)定流動的基本方程式 氣體和蒸汽在管道中的穩(wěn)定流動 屬絕熱流動 關鍵:,氣體流動過程中,氣流速度變化,能量轉(zhuǎn)換,狀態(tài)參數(shù)變化,的規(guī)律,影響氣體在管內(nèi)流的,系統(tǒng)的外部條件,管道截面積的變化,絕熱流動的基本方程,穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流(穩(wěn)定流動),狀態(tài)不隨時間變化,恒定的流量,幾個基本方程,連續(xù)性方程,絕熱穩(wěn)定流動能量方程,定熵過程方程,基本方程,連續(xù)性方程式：,過程方程式：,能量方程式：,動能的增加等于氣流焓值的減少,噴管利用氣體壓降使氣流加速的管道。即dcf0。 擴壓管利用氣體流速逐漸降低而使氣體壓力增高的設備。 即dcf0。,噴管中氣體狀態(tài)的變化為： dcf0 dh0、dp0、dv0 。,擴壓管中氣體狀態(tài)的變化為： dp0 dcf0、dv0 。,2 管內(nèi)定熵流動的基本特性,管道截面變化與氣流速度變化的關系：,噴管： Ma1時， 采用漸縮噴管； Ma 1時，采用漸擴噴管； Ma1 Ma 1，采用縮放型噴管（拉伐爾噴管） 縮放型噴管的最小截面處稱為喉部，Ma=1，dA=0。臨界截面。,擴壓管：Mal，采用漸縮擴壓管。 Ma 1 Ma 1 ，采用漸縮漸擴擴壓管。,馬赫數(shù):氣體流速與當?shù)芈曀俚谋戎?。Ma=cf/a Mal，即cfa，超音速； Ma=l，即cf=a， 音速,3 氣體的流速及臨界流速,絕熱流動的能量關系式,通常取cf00，出口流速為：,臨界流速-氣流處于臨界狀態(tài)時，氣流速度等于聲速。 臨界壓力比 -臨界流速對應的壓力（喉部壓力）與進口壓力之比 (pc/p0)。,理想氣體：,單原子氣體：1.67,多原子氣體：1.30,雙原子氣體：1.40,4.噴管流量的計算 在穩(wěn)定流動中，氣體任何截面的質(zhì)量流量都是相同。常取最小截面來計算。,最大流量-出口截面壓力比等于臨界壓力比時有極大值。,噴管的計算,* 噴管的設計計算選型,已知,1)當 即 采用漸縮噴管。,2）當 即 采用縮擴噴管。,出口壓力等于環(huán)境壓力,* 漸縮噴管的校和計算-確定,已知,1) 當 即,2）當 即,噴管的最大流量,kg/s,5.絕熱節(jié)流,定義：氣體在管道中流過突然縮小的截面， 而又未及與外界進行熱量交換的過程,特點： 1）絕熱節(jié)流過程前后的焓相等，但整個過程絕不是等焓過程。,2）不可逆性,絕熱節(jié)流前后參數(shù)的變化,(1) 對理想氣體,(2) 對實際氣體,節(jié)流前后焓不變,溫度不一定,絕熱節(jié)流溫度效應,溫度效應只與氣體的性質(zhì)有關,與其狀態(tài)無關,水蒸氣動力循環(huán)系統(tǒng)的簡化 *熱力設備：蒸汽鍋爐、汽輪機、給水泵和冷凝器。,鍋 爐,汽輪機,給水泵,凝汽器,1,2,3,4,發(fā)電機,第八部分 動力循環(huán),一、朗肯循環(huán),*朗肯循環(huán)工作循環(huán):兩個可逆定壓和兩個可逆絕熱組成的理想循環(huán)。,*熱力過程： 0-1定壓吸熱過程， 1-2絕熱膨脹過程， 2-3定壓放熱過程， 3-0絕熱加壓過程。,二、朗肯循環(huán)熱效率分析,工質(zhì)吸熱 q1h1h0 工質(zhì)放熱 汽輪機所作軸功 (ws,T)1-2h1h2 水泵耗功可忽略 循環(huán)凈功,朗肯循環(huán)熱效率,* 熱計算,提高朗肯循環(huán)熱效率的途徑 1、提高蒸汽初溫,乏汽的干度增大，有利改善汽輪機工作條件 注意，要求鍋爐材料具有較好的耐熱性,2、提高蒸汽初壓,終態(tài)干度減小，引起汽輪機內(nèi)部的耗散增加。,3、 降低乏汽壓力,乏汽的凝結溫度主要取決于自然環(huán)境的溫度。,三、再熱循環(huán)與回熱循環(huán),再熱循環(huán),再熱循環(huán)熱效率比朗肯循環(huán)高，乏汽的干度顯著的提高。,回熱循環(huán),抽汽回熱循環(huán)的熱效率高于朗肯循環(huán)熱效率。,四、熱電循環(huán),既發(fā)電又供熱的動力循環(huán)稱為熱電循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)。,熱能利用率K： 可利用的能量與熱源提供的總能量之比。 動力循環(huán)分類： 凝汽式動力循環(huán) -排汽壓力低于大氣壓力的動力循環(huán)。 背壓式動力循環(huán) -排汽壓力高于大氣壓力動力循環(huán). 調(diào)節(jié)抽汽式動力循環(huán) -凝汽式與背壓式組合的動力循環(huán). 熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率比朗肯循環(huán)低， 熱能利用率最高 K=1,1)汽油機理論循環(huán)定容加熱循環(huán)（奧托循環(huán)）,五、內(nèi)燃機循環(huán),兩個定容、兩個定熵過程構成,定容加熱理論循環(huán)的計算, -壓縮比, 表示壓縮過程中工質(zhì)體積被壓縮的程度。,2) 柴油機的理論循環(huán)定壓加熱循環(huán)（狄塞爾循環(huán)）,定壓加熱循環(huán)的計算,3,T,-定壓預脹比,表示定壓加熱時工質(zhì)體積膨脹的程度。,第九部分 制冷循環(huán),制冷循環(huán)：將熱量轉(zhuǎn)移到高溫物體(環(huán)境介質(zhì))中的一種逆循環(huán)。,熱量由低溫傳向高溫-消耗機械能或熱能為代價。,制冷系數(shù),12是空氣在壓縮機內(nèi) 定熵壓縮過程； 23是空氣在冷卻器中定壓放熱過程； 3-4是空氣在膨脹機中定熵膨脹過程； 4-1是空氣在冷室換熱器中定壓吸熱過程。,致冷系數(shù)小于逆向卡諾循環(huán)。,致冷系數(shù)：,一、空氣壓縮制冷循環(huán),布雷頓致冷循環(huán),壓縮蒸汽制冷裝置主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成。,二、蒸氣壓縮制冷循環(huán),蒸汽壓縮制冷裝置的理想循環(huán)由四個過程組成： 定熵壓縮過程-壓縮機 定壓放熱過程-冷凝器 絕熱膨脹過程-節(jié)流閥 定壓吸熱過程-蒸發(fā)器,實用的蒸氣壓縮制冷循環(huán),制冷工質(zhì)的循環(huán)過程,4 濕蒸汽進入蒸發(fā)器在定壓定溫下吸收低溫物體放出的熱量汽化成為干飽和蒸汽，干飽和蒸汽被壓縮機吸人完成一個理論循環(huán)。,1 將蒸發(fā)器出來的低溫低壓的干飽和蒸汽吸人壓縮機，經(jīng)定熵壓縮后成為高溫高壓的過熱蒸汽;,3 飽和液體通過節(jié)流閥絕熱節(jié)流后成為低溫低壓的濕蒸汽，絕熱節(jié)流前后焓值不變;,2 送人冷凝器，在定壓下將熱量放給高溫物體(環(huán)境介質(zhì))從而冷卻凝結成飽和液體;,三、制冷劑的壓焓圖(1gp-h圖),臨界點C-飽和液體線（x=0)與干飽和蒸汽線(x=1)交點。 三個區(qū)-下界線(x=0)左側為未飽和液體區(qū)(或過冷液體) ； 下界線與上界線(x=1)之間是濕蒸汽區(qū)； 上界線右側是過熱蒸汽區(qū)。,圖中共繪有六組等狀態(tài)參數(shù)線簇： (1)定壓線(2)定焓線(3)定溫線 (4)定比體積線 (5)定熵線(6)定干度線,狀態(tài)點:l-壓縮機的吸汽狀態(tài)點 2-壓縮機的排汽狀態(tài)點 4-冷凝器的出口狀態(tài)點 5-蒸發(fā)器進口狀態(tài)點,過程線: 12 制冷劑蒸汽在壓縮機中的定熵壓縮； 2-3-4 制冷劑在冷凝器中定壓冷卻； 4-5 制冷劑在節(jié)流閥中絕熱節(jié)流； 5-1 制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的定壓吸熱。,壓縮蒸汽制冷理論循環(huán)在1gp-h圖上的表示,四、壓縮蒸汽制冷理論循環(huán)性能分析,1、降低制冷劑的冷凝溫度（熱源溫度） 2、提高制冷劑的蒸發(fā)溫度（冷源溫度） 3、采取適當?shù)倪^冷,(1)制冷量： q0=hl-h5 (2) 放熱量： q1=h2-h4 (3)循環(huán)凈功： w0=h2-h1 (4)制冷系數(shù)：,提高制冷系數(shù)的途徑：,蒸氣壓縮制冷循環(huán),水能用否？ 0C以下凝固不能流動。 一般用低沸點工質(zhì)，如氟利昂、氨,沸點：,水,100C,R22,- 40.8C,R134a,THR01 一種亞共沸混合制冷劑,- 26.1C,- 30.18C,制冷能力和冷噸,生產(chǎn)中常用制冷能力來衡量設備產(chǎn)冷量大小,制冷能力：制冷設備單位時間內(nèi)從冷庫取 走的熱量(kJ/s)。,商業(yè)上常用冷噸來表示。,1冷噸：1噸0C飽和水在24小時內(nèi)被冷凍 到0C的冰所需冷量。,水的凝結（熔化）熱 r =334 kJ/kg,1冷噸=3.86 kJ/s,1美國冷噸=3.517 kJ/s,五、吸收式致冷循環(huán),吸收式致冷是利用致冷劑液體氣化吸熱實現(xiàn)致冷； 它是直接利用熱能驅(qū)動，以消耗熱能為補償； 吸收式致冷采用兩種沸點相差較大的雙工質(zhì)，其中沸點低的物質(zhì)為致冷劑，沸點高的物質(zhì)為吸收劑。 例如，氨吸收式致冷循環(huán)，其中氨用作致冷劑、水為吸收劑。 吸收式致冷的冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器與蒸氣壓縮致冷完全相同，區(qū)別是用吸收器、發(fā)生器、溶液泵及減壓閥取代了壓縮機。,六、熱 泵,熱泵：將熱量從低溫物體抽運倒高溫物體。 熱泵與致冷是同一套裝置；熱泵也是逆循環(huán)。 熱泵與致冷區(qū)別點： 工作溫度范圍不同；要求的效果不同,熱泵系數(shù)：,最大熱泵系數(shù)：,理想熱泵功率：,練習題：溫度為100的熱源，非常緩慢地把熱量加給處于平衡狀態(tài)下的0的冰水混合物，試問：1、冰水混合物經(jīng)歷的是準靜態(tài)過程嗎？2、加熱過程是否可逆？ A 是 , 是 B 是 , 否 C 否 , 是 D 否 , 否,B 解： 1. 此熱力過程可近似為準靜態(tài)過程，因為此過程的弛豫時間很短，冰水混合物重建熱力平衡的時間遠遠小于傳熱過程對冰水混合物平衡狀態(tài)的破壞; 2. 此過程冰水混合物和外界熱源之間存有溫差，100的高質(zhì)能通過傳熱過程轉(zhuǎn)換為0的低質(zhì)能，有能量耗散，為不可逆過程。,練習題：某封閉的剛性容器裝有一定量的空氣。初態(tài)時熱力學能為800kJ，容器上裝有一攪拌器，通過攪拌器軸的旋轉(zhuǎn)輸入能量100kJ，同時容器壁向外散熱500kJ。試問此時容器內(nèi)空氣的熱力學能是多少？若為維持容器內(nèi)空氣的熱力學能不變，由攪拌器應輸入多少軸功？ A ) 400 kJ 、800 kJ B) 400 kJ 、 100 kJ C) 400 kJ 、 400 kJ D) 400 kJ 、 500 kJ,練習題 某氣缸活塞裝置,氣缸內(nèi)空氣的初始壓力為200kPa,體積為2m3，如果活塞運動過程中維持pV恒定，當氣缸內(nèi)壓力達到100 kPa時，活塞停 止運動，問空氣此時的體積為多少？該熱力系統(tǒng)與外