工程热力学1316.ppt

1,第13章 制冷循环,13.1 制冷机和热泵13.2 逆向卡诺循环13.3 理想蒸汽压缩制冷循环13.4 实际蒸汽压缩制冷循环13.5 制冷剂13.6 气体压缩制冷循环13.7 吸收式制冷循环13.8 热泵系统,2,在工程上，制冷意味着维持系统温度低于环境温度。逆向卡诺循环从低温热源除去热量，并将这部分热量连同传递这些热量所必需的功一起传递给高温热源。在这种情况下的被制冷的系统就是该低温热源。实际制冷系统的三种主要类型是蒸汽压缩制冷循环、气体压缩制冷循环和吸收式制冷循环。,3,13.1 制冷机和热泵,热量从低温区域传递到高温区域需要特殊的循环装置，称为制冷机。制冷循环中用的工质称作制冷剂。制冷机耗功Wnet，从温度为TL（低于环境温度）的制冷空间除去热量QL，并将热量QH传递给温度为TH（环境温度）的较热空间，实现热量由低温区域向高温区域的传递。,4,另一种将热量从低温介质传递到高温介质的装置称作热泵。制冷机和热泵实质上是原理相同的装置，仅仅是使用目的不同。制冷机的目的是要排热给环境以维持制冷空间的低温，而热泵的目的是要从环境取热以维持采暖空间的高温。,5,制冷机和热泵的性能都用性能系数COP表示，分别定义为：制冷系数：COPR=冷却效果/输入净功=QL/Wnet供暖系数：COPHP=加热效果/输入净功=QH/Wnet制冷系数和供暖系数都可以大于1，并且有COPHP=COPR+1,6,对于确定的QL和QH值，因为COPR0，所以COPHP1。这意味着热泵在最差的情况下是如同电阻加热器在工作，供给的能量与房间消耗的能量一样多。事实上，QH的部分热量通过管道和别的设备总会散失给外界空气。当外界空气温度很低时COPHP值会小于1。这时系统通常转换到用燃料（天然气、丙烷、油等）或电阻采暖模式。,7,制冷系统的冷量就是制冷空间的排热速率，常常用冷吨表示。能在24小时内将1吨0液态水冻成0的冰的系统制冷能力称为1冷吨。1冷吨等于3.516 kW。一个200 m2的典型住宅的冷负荷在3冷吨(10 kW)之内。,8,13.2 逆向卡诺循环,在T-s 图上卡诺循环沿逆时针方向进行，也就称为逆向卡诺循环。运行在逆向卡诺循环的制冷机称为卡诺制冷机，运行在逆向卡诺循环的热泵称为卡诺热泵。,9,图13-1a和b分别是运行在湿蒸汽区的逆向卡诺循环的实际系统示意图和其T-s 图。,10,过程1-2是制冷剂从温度为TL的冷源等温吸收热量QL；过程2-3是制冷剂被等熵压缩到温度为TH的干饱和蒸汽状态；过程3-4是制冷剂向温度为TH的热源等温排放热量QH直到饱和液体状态；过程4-1是制冷剂等熵膨胀到温度为TL的初态。,11,卡诺制冷机和卡诺热泵的性能系数可用温度表示为COPR,C=TL/(TH-TL)COPHP,C=TH/(TH-TL)这两个性能系数都随温度之差的减小而增加。,12,为什么逆向卡诺循环不适合作为制冷循环的模式？1）因为它涉及过程2-3对液体和蒸汽混合物的压缩，压缩机要面对两相工质的压缩。2）而过程4-1涉及高湿度制冷剂的膨胀。这些问题好象采用饱和区域外的逆向卡诺循环就能解决，但这时很难维持等温吸热和等温放热过程。逆向卡诺循环在实际中只用作实际制冷循环的比较标准。,13,13.3 理想蒸汽压缩制冷循环,逆向卡诺循环系统存在一些缺点。首先，往复式压缩机不应运行在湿蒸汽区域，因为在压缩过程中润滑油会被冲走；其次，膨胀机作功与压缩机耗功相比很小，并且这种膨胀机的费用会很贵。图13-2a和b分别是理想蒸汽压缩制冷循环的实际系统示意图和其T-s 图。,14,图13-2 a)理想蒸汽压缩制冷循环示意图 b)理想蒸汽压缩制冷循环的T-s 图,15,它以两种方式解决了这些问题。一是制冷剂吸热直到成为状态点1的饱和蒸汽后再被等熵压缩；二是膨胀过程是不可逆的节流过程，只需要一个膨胀阀或毛细管。吸热过程4-1和放热过程2-3都是等压过程。,16,在T-s 图中，过程曲线下的面积是代表内部可逆过程的传热量。过程曲线4-1下的面积代表制冷剂在蒸发器中的吸热量。过程曲线2-3下的面积代表制冷剂在冷凝器中的放热量。从图13-2b可知，与湿蒸汽压缩相比，干蒸汽压缩需要的功大。由不可逆节流过程产生的制冷效果比等熵膨胀过程损失了面积abc 4。根据经验，蒸发温度提高1或冷凝温度降低1可改善COP值2%4%。,17,图13-3 理想蒸汽压缩制冷循环的lg p-h图,18,在实际制冷热力计算中，经常使用lg p-h图，在图中三个过程是用直线表示，蒸发量和冷凝量是和线段长度有关。以理想蒸汽压缩制冷循环工作的制冷机和热泵的性能系数可表示为COPR=(h1-h4)/(h2-h1)COPHP=(h2-h3)/(h2-h1),19,13.4 实际蒸汽压缩制冷循环,实际蒸汽压缩制冷循环在某些方面区别于理想蒸汽压缩制冷循环是由于出现在各部件中的不可逆性，主要是流体的流动摩擦引起压降和流体与外界的传热。,20,图13-4 实际蒸汽压缩制冷循环的T-s 图,21,实际蒸汽压缩制冷循环的一些特征,实际上不可能控制制冷剂在蒸发器出口正好是饱和状态，而往往是设计成略微带有些过热，以保证制冷剂在进入压缩机之前全部蒸发。另外，蒸发器和压缩机之间的较长的连接管引起较大的流动摩擦压降和外界对流体的传热。这些过热、压降和传热等因素都使比体积增加，也就使压缩机的输入功率增加，因为稳定流动的技术功是与比体积成正比的。,22,同样，实际上不容易正确控制制冷剂在冷凝器出口正好是饱和液体状态，而往往是设计成略微带有些过冷，以保证制冷剂在进入节流阀之前全部凝结。制冷剂的过冷使蒸发器进口处的焓减小，而可使制冷剂在蒸发器中的制冷量增加，耗功不变，即提高了蒸汽压缩制冷循环的性能，并且过冷后可避免制冷剂在进入节流阀之前的闪蒸。在计算中往往假定过冷液的状态就是该温度下的饱和状态，因为这时的等压线和饱和液体线是十分接近的，它们之间的参数差异是非常小的。,23,压缩过程中的不可逆性引起比熵增加。这时冷量不变，但使压缩机的输入功率增加，性能系数减小。不可逆压缩的影响可用等熵压缩效率来考虑。,24,13.5 制冷剂,在20世纪40年代到90年代初期，蒸汽压缩制冷系统中最常用的制冷剂是含有氯的氟氯碳（CFCs）。制冷剂R12（CCl2F2）是其中的一种。由于制冷剂中的氯对地球臭氧保护层的影响，已经制定国际条约来逐步停止使用CFCs。已经开发出多种含有氢的制冷剂来代替含氯的制冷剂。其中一类是不含氯的HFCs。制冷剂R134a（CF3CH2F）是R12的环保型替代物，已经在许多场合代替了R12。,25,制冷剂R22（CHClF2）是属于HCFCs这一类，它含有氢原子替代了部分氯原子，但也将逐渐被停止使用。被广泛应用于早期开发的蒸汽压缩制冷系统中的氨（NH3），因为它不含氯而可作为CFCs的替换物被再次得到重视。氨在吸收式制冷系统中也很重要。另外，碳氢物，例如丙烷（C3H8）和甲烷（CH4），也在被研究用作制冷剂。制冷剂氨、R22、R134a和丙烷的热力参数数据列于附录中。,26,制冷剂在蒸发器和冷凝器中的温度分别受到冷源和热源温度的控制，本身又确定蒸发器和冷凝器中的运行压力。因此，制冷剂的选择要考虑其压力-温度关系是否适合应用场合。另外也要考虑化学稳定性、有毒性、腐蚀性和成本。压缩机的类型也影响制冷剂的选择。离心式压缩机最适合用于低蒸发压力和在低压时具有大比体积的制冷剂。往复式压缩机适用较高的压力范围，因此适用处理较小比体积的制冷剂。,27,13.6 气体压缩制冷循环,气体压缩制冷循环有许多重要的应用。它们被用来产生很低的温度以实现空气或其它气体的液化；用于特殊场合，如航空器舱内的冷却。布雷顿制冷循环是气体压缩制冷循环的重要类型，也就常常被称为气体压缩制冷循环。布雷顿制冷循环是封闭布雷顿动力循环的逆向循环，其T-s 图示于图13-6。,28,图13-6 简单气体压缩制冷循环的示意图及其T-s 图,29,气体制冷剂，如空气，在状态1进入压气机，并被压缩到高温高压的状态2；然后等压冷却到环境温度T0的状态3，接着是在透平中的膨胀过程，温度降到T4；最后冷气体在温度为T1的制冷空间等压吸热，直到温度上升到T1。所有上述过程都是内部可逆的，所完成的循环是理想的气体制冷循环。在实际的气体制冷循环中，压缩和膨胀都不是等熵的，T3将高于T0，除非换热器无限大。,30,在T-s 图中，过程曲线4-1下的面积表示从制冷空间排除的热量；面积1-2-3-4-1表示净功输入。这两块面积之比就是循环的性能系数COP COPR=qL/wnet,in=(h1-h4)/(h2-h1)-(h3-h4)尽管气体制冷循环的性能系数COP相对较低，但有两个理想的特点，它们结构简单，重量轻，而使它们可用于航空器舱内的冷却，并可结合回热而用于气体液化和低温场合。,31,13.7 吸收式制冷循环,提出的原因：在蒸汽压缩制冷循环中最大的运行费用就是耗功，全部是可用能，它被用来将热量从低温传递到高温；这时，功被转换成热并在冷凝器中被排放出系统。为了克服这样使用可用能的缺点，就可利用一些气体被某些流体吸收的性质来将热量从低温传递到高温。,32,与蒸汽压缩制冷循环的两点不同,吸收式制冷循环具有一些与蒸汽压缩制冷循环一样的特性，但有两点不同。一是压缩过程的性质不同，替代制冷剂在压气机中的压缩过程是在吸收器中由吸收剂来吸收制冷剂形成溶液并被泵到高压。因为溶液的平均比体积远小于制冷剂蒸汽的比体积，所以需要的泵功与蒸汽压缩制冷循环的压气机耗功相比小很多；二是必须在吸收系统中采取一些措施来从溶液中取出制冷剂蒸汽再进入冷凝器。这就涉及来自相对较高温度的热源的传热，例如准备排放给环境的蒸汽或废热用在这里就特别经济。,33,图13-7 简单氨-水吸收式制冷系统,34,系统介绍吸收式制冷系统的主要部件示于图13-7。这里氨是制冷剂，水是吸收剂。氨通过冷凝器、膨胀阀和蒸发器的情况如同蒸汽压缩制冷循环的情况一样。但压气机被吸收器、泵、发生器和阀所替代。,35,在吸收器中，来自蒸发器的氨蒸气在状态1被水吸收形成溶液并放热。因为氨在水中的溶解量与温度成反比，所以要用冷却水来排除热量（冷凝热和溶液反应热），尽可能降低吸收器的温度，而让水尽可能多地溶解氨。浓氨水溶液在状态点a离开吸收器进入泵，并在状态点b升到发生器中的压力。在发生器中，来自高温热源的传热驱使氨蒸气离开溶液（吸热反应）并在状态点2进入冷凝器，而留下的稀氨-水溶液在状态点c 经阀门流回吸收器。,36,两个改进措施对上述简单氨-水吸收制冷系统提出采取两个改进措施。一是在吸收器和发生器之间加一个换热器，由稀氨水溶液预热浓氨水溶液，而减少发生器中的供热。二是在发生器和冷凝器之间加一个精馏器，用来除去氨蒸气中的残留水分。以消除在膨胀阀和蒸发器中出现结冰的可能。,37,制冷剂和吸收剂的搭配另外还有水溴化锂和水氯化锂吸收制冷系统，其运行的基本原理与氨水系统相同。但它们是用水作为制冷剂，所以只能用于空调场合，其最低温度高于水的冰点。,38,性能系数,吸收式制冷系统的性能系数COPR定义为 COPR=QL/(Qgen+Wp,in)QL/Qgen 式中，QL是制冷量，Qgen是在发生器中的供热量，WP,in是泵的耗功。若整个循环都是可逆的，则可得到最大的COP值为 COPrev,abs=QL/Qgen=t,rev COPR,rev=(1-T0/TH)TL/(T0-TL)式中，TH是热源温度，TL是冷源温度，T0是环境温度。,39,13.8 热泵系统,目的热泵的目的是维持住房或别的建筑的室内温度高于环境温度。热泵系统与前面讨论的制冷系统有许多相同的特性；也可以是蒸汽压缩式或吸收式。蒸汽压缩式热泵系统十分适合空间采暖场合，通常也就是用于这个目的。吸收式热泵已开发用于工业场合，也逐渐被用于空间采暖。,40,性能系数任何热泵循环的性能系数都定义为采暖效果与实现该效果所必需的净功之比。对卡诺热泵循环可表示为COPHP,max=TH/(TH-TL)这是运行在温度分别为TH和TL的两区域之间的任何热泵循环的最高性能系数。,41,从中可见，当冷区温度TL下降时，卡诺热泵的性能系数也下降，实际热泵系统也显示这个特点。并说明为什么以大气环境为冷源的热泵（空气源热泵）通常需要备用系统在环境温度非常低时来提供采暖。如果利用井水或地表本身作为供热源，则不管环境空气温度较低，也可以得到较高的性能系数，并且不要备用系统。,42,图13-8 表示用于空间采暖的典型蒸汽压缩式热泵系统,43,实际热泵系统实际热泵系统偏离卡诺热泵循环模式很远。最普遍采用的是蒸汽压缩式热泵。它与蒸汽压缩制冷系统有相同的部件：压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。在热泵系统中，in来自环境，out输入住房，需要净功输入来实现采暖效果。简单蒸汽压缩式热泵的性能系数，参照图13-8的符号，可表示为COPHP=qout/wC=(h2-h3)/(h2-h1),44,两用机在用于空间采暖的最普通类型的蒸汽压缩式热泵中，是蒸发器与外界空气进行热作用。这种用于空间采暖的热泵也可在夏天用于供冷，这就需要额外的管道和一个可逆向阀门。,45,图13-9 空气-空气可转向热泵,46,结构实线表示制冷剂在采暖运行时的流程。为了采用相同的部件作为空调器，则操作可逆向阀门，使制冷剂沿虚线运行。在制冷模式中，室外换热器成了冷凝器，室内换热器成了蒸发器。虽然热泵的安装和运行费用较直接采暖系统贵，但考虑到它的供热制冷两用性的潜力，它们还是有竞争力的。,47,容量的确定热泵容量、电机大小和制冷剂量都必须考虑两种运行模式来计算。具有较大需求的一项就确定了系统的大小。由于采暖需要较大尺寸，所以热泵主要用在冬季温度不很低的地区。全年空调的流行促使热泵应用的增长，即使在冬季温度较低的地区也是这样。另一个原因是燃料油价格上升，使热泵在经济上可与住户采暖的油喷嘴竞争。,48,太阳能取暖与热泵相结合在住户采暖中，太阳能取暖与热泵相结合会有巨大的收益。太阳能集热器能提高TL，而使COPHP值大大提高。这时热泵不需要运行在1.6 48.9的温度范围，而可运行在32.2 48.9的范围。COPHP从6.8提高到19.3。显然，对相同的热输出只需花费很少的功。,49,第13章小结,从低温区到高温区的热量传递称为制冷。产生制冷的装置称为制冷机，而制冷机运行的循环称为制冷循环。在制冷机中的工作流体称为制冷剂。用于从冷介质传热给采暖空间为目的的制冷机称为热泵。制冷机和热泵的性能用性能系数COP来表示，定义为COPR=理想输出/需要的输入=冷却效果/输入功=QL/WnetCOPHR=理想输出/需要的输入=供热效果/输入功=QH/Wnet,50,制冷循环的比较标准是逆向卡诺循环。运行在逆向卡诺循环的制冷机或热泵称为卡诺制冷机或卡诺热泵，它们的COP为COPR,C=1/(TH/TL-1)=TL/(TH-TL)COPHR,C=1/(1 TL/TH)=TH/(TH-TL),51,应用最广泛的制冷循环是蒸汽压缩制冷循环。在理想蒸汽压缩制冷循环中，制冷剂作为饱和蒸汽进入压缩机并在冷凝器中冷却到饱和液体状态。然后，饱和液体被节流到蒸发器压力，并从制冷空间吸收热量而蒸发。,52,动力循环经过简单的逆向运行就可以用作制冷循环。也被称为气体制冷循环的逆向布雷顿循环就用来冷却航空器，如果再结合回热器就可以得到很低的温度。透平的输出功可用来减少压缩机的输入功。气体制冷循环的性能系数COP表示为 COPR=qL/wnet,in=qL/(wcomp,in wturb,out),53,另一种制冷方式是吸收式制冷，当存在一个廉价的、温度为100 200的热源时，它在经济上很有吸引力。这时制冷剂被一种称作吸收剂的输运介质吸收，并以液体形式被压缩。最广泛使用的吸收式制冷系统是氨水系统，其中氨用作制冷剂，而水作为吸收剂。输送给泵的功通常是很小的；吸收式制冷系统的性能系数COP定义为COPR=理想输出/需要的输入=QL/(Qgen+Qp,in)QL/Qgen,54,吸收式制冷系统能具有的最大COP值可由假定全部可逆状态来确定，则可得 COPrev,abs=t,rev COPR,rev=(1-T0/TH)TL/(T0-TL)式中T0，TL和TH分别是环境，被制冷空间和热源的热力学温度。,55,第14章 理想气体混合物和湿空气,14.1 理想气体混合物14.2 湿空气14.3 基本空调过程,56,14.1 理想气体混合物1质量成分、摩尔成分和容积成分,气体混合物中的各种气体称为混合物的组分。质量成分xi定义为：xi=mi/m。定义摩尔成分yi 为：yi=ni/n。容积成分为：Vi/V=ni/n=yi。气体混合物的容积成分等于混合物的摩尔成分。质量成分xi 和摩尔成分yi的关系：xi=mi/m=niMi/(nM)=yi(Mi/M),57,2亚美格分体积定律,混合气体的总体积V 等于各组分在混合物温度T 和压力p 下所占有的体积（分体积）之和，称为亚美格分体积定律。严格讲，该定律只适用于理想气体混合物，并可表示为V=V i,58,3道尔顿分压力定律,当气体混合物的第i 个组分气体在占据混合物体积并处于和混合物相同温度时的压力称作该组分气体的分压力。分压力和混合物总压力之比等于混合物的摩尔成分，pi/p=ni/n=yi。混合气体总压力p 等于各种气体单独占据混合物容积V 并处于混合物温度T时所施加容器的压力pi之和称为道尔顿分压力定律。严格讲，这定律只适用于理想气体混合物，并可表示为 p=pi,59,4混合气体的平均分子量和平均气体常数,混合物的平均摩尔质量定义为混合物总质量m与混合物总摩尔数n 之比，表示为M=m/n=(m1+m2+mj)/n=(n1M1+n2M2+njMj)/nM=yiMi混合物的平均气体常数可表示为 R=Ru/M,60,5理想气体混合物的热力学能、焓、熵和比热容,混合物的参数，诸如热力学能、焓、熵可以通过各组分在混合物状态下的各参数相加来确定。热力学能和焓只是温度的函数，则有：U=n=ni H=n=ni=yi=yi,61,组分的熵是温度和压力的函数。混合物的熵是组分熵之和。S=n=ni=yi 式中，是组分i 在混合物温度T 和其分压力pi 下的每摩尔的熵。混合物的比热容可通过展开混合物的焓方程和热力学能方程来求得=yi=yi对每单位质量来计算就要涉及质量成分xi。,62,理想气体混合物在过程中各组分的u 和h 的计算是比较容易的，因为它只需要知道初终态温度就可以了。但对s 的计算要注意，理想气体的熵取决于组分的压力（或体积）和温度。理想气体混合物在过程中各组分的熵变，对每单位质量，可表示为si=-Ri ln(pi2/pi1)cpi ln(Ti2/Ti1)-Ri ln(pi2/pi1)在计算熵变时，要用每个组分的分压力pi，而不是混合物的压力。,63,当两种气体混合时，就有熵增，并被称作混合熵。混合熵变为两组分熵变之和。对任何数目的组分，在相同的温度和相同的压力下上式可普遍化为S2-S1=-Runi ln(yi)如果相同组分的气体，则混合熵变为零。这是因为无法区别这两种气体以确定其分压力，因此混合物终压也就是气体的分压力。,64,14.2 湿空气1干空气和湿空气,空气是氮气、氧气和少量其他气体的混合物。大气中的空气通常含有一些水蒸气，而被称为湿空气；相反，不含水蒸气的空气称作干空气。将空气处理成干空气和水蒸气的混合物是较方便的，因为干空气的组成相对比较恒定，而水蒸气的量会随来自大水体、降雨甚至人体表面的蒸发或凝结而变化。虽然空气中水蒸气的量是很少的，但它对人体舒适起很重要的作用，所以在空调中十分重要。,65,在空调领域，空气温度范围是在-10到50左右。在这范围，干空气可作为理想气体处理，并可取定比热容cp=1.005 kJ/(kgK)，误差小于0.2%而可忽略不计。取0作为参考温度，则干空气的焓和焓变可由以下两式确定 ha=cpt=1.005 kJ/(kg)t ha=cpt=1.005 kJ/(kg)t 式中，t是空气的摄氏温度；t是温度变化。空调过程涉及焓变化h，它与选择的参考点无关。,66,将空气中的水蒸气也处理为理想气体肯定会很方便，你也许会愿意为这方便而失去一些精度。在50时，水的饱和压力是12.3 kPa。在低于这个压力时，水蒸气作为理想气体处理的误差小于0.2%而可忽略，即使是饱和蒸汽。因此，空气中水蒸气的行为就象它单独存在一样，并遵从理想气体状态方程式pv=RT。,67,于是，湿空气可处理为理想气体混合物，其压力是干空气的分压力pa和水蒸气的分压力pv之和，p=pa+pv。水蒸气的分压力通常称为蒸汽压，是它单独处于湿空气温度和容积下，水蒸气施加的压力。,68,因为水蒸气是理想气体，所以水蒸气的焓只是温度的函数。这也可以从水蒸气的T-s 图上看出，在温度低于50时，等焓线与等温线一致。所以，空气中水蒸气的焓可以取为在相同温度下的饱和蒸汽焓，即hv(T,low p)hg(T)。水蒸气在0时的焓为2 501.3 kJ/kg。在温度范围-10到50之间，水蒸气的平均比热容cp值可取为1.82 kJ/(kg)。于是水蒸气的焓可近似确定为hg(t)2 501.3 kJ/kg+1.82 kJ/(kg)t 式中，t 是水蒸气的摄氏温度。在-10 50之间误差可忽略不计。,69,2比湿度和相对湿度,空气中的水蒸气量可直接给出每单位质量干空气中的水蒸气质量。这就是比湿度（又称含湿量），表示为=mv/ma，则可推导得=0.622 pv/(p-pv)式中，p 是总压。在干空气中加入一些水蒸气。比湿度就增大。当更多的水蒸气加入后，比湿度会继续增大直到空气无法再多含水分。这时，就认为空气含水分达到饱和，并称之为饱和空气。再进入饱和空气的水分都会凝结。在给定温度和压力下，饱和空气中的水蒸气量可用上式来确定，式中pv就是在那温度下水蒸气的饱和压力ps。,70,湿空气的成分也可以用相对湿度来描述，定义为给定湿空气中水蒸气的摩尔成分yv与在相同混合物温度和压力下的饱和湿空气中水蒸气的摩尔成分yv,sat之比，=yv/yv,sat，则有=pv/ps于是比湿度和相对湿度之间的关系可表示为=pa/(0.622 ps)干空气的相对湿度=0，饱和空气的相对湿度=1。,71,空气能够含有的水分量取决于它的温度。因此，空气的相对湿度随温度而变化，即使当时其比湿度保持不变。我们可以用理想气体定律来描述湿空气性质直到65，高于这个温度后，空气中水的饱和程度较高，气体-水蒸气混合物的非理想气体性质会产生较大的差异。,72,湿空气的H、U 和S 的值可由混合物中各组分的值相加来得到。每单位质量干空气的湿空气焓为 h=ha+(mv/ma)hv=ha+hv 式中，干空气和水蒸气的焓都用混合物的温度来计算。类似的方法也适用湿空气热力学能的计算。,73,3露点温度,图14-1湿空气等压冷却的水蒸气T-s图,74,讨论一个由湿空气组成的闭口系统被等压冷却,湿空气性质的一个重要方面是当温度下降时会出现水蒸气的部分冷凝。初始，水蒸气处于过热蒸汽状态1，如图14-1所示。在冷却的前段，系统压力和湿空气组分都保持不变。因为pv1=yvp，所以水蒸气的分压力会保持不变，水蒸气会在等压pv1下从状态1冷却到称为露点的状态d。相应分压力pv1的饱和温度称作露点温度。,75,过后继续冷凝，系统温度会低于露点温度，原先存在的部分水蒸气会凝结。在终态，系统由气相干空气和水蒸气以及与之平衡的液相水组成。剩余的蒸汽处于终温下的饱和状态2，其分压力为该终温下的饱和压力pg2。凝结液为该终温下的饱和液体，状态3。终态水蒸气的分压力pg2小于初值pv1是因为出现凝结后使水蒸气的摩尔成分减小。,76,4绝热饱和温度和湿球温度,确定相对湿度的两种方法：确定相对湿度的一种方法是先确定空气的露点温度，然后得到水蒸气的分压力，再得到相对湿度。这个方法简单，但不实用。另一种确定绝对或相对湿度的方法就与湿空气的绝热饱和过程有关。,77,图14-2稳定流动绝热饱和装置示意图,78,绝热饱和过程叙述,参数为T1和1的未饱和湿空气（质量流量为 a1+v1）进入绝热管道。管道底部存水并蒸发进入空气流，比湿度增大。水的蒸发热量来自进口湿空气流的焓。因为焓是温度的单值函数，则湿空气的温度下降。如果湿空气与水较长时间充分接触，则湿空气在出口处是饱和湿空气2=1，并处于绝热饱和温度T2。如果补充水等于蒸发水量 eva，补充水温等于绝热饱和温度T2，则该绝热饱和过程可看作是稳定流动过程。该稳定流动过程不涉及热和功的相互作用，动能和势能的变化可忽略不计。,79,公式推导对这开口系统，由质量平衡和能量平衡可得：1=cpa(T2-T1)+2hfg2/(hg1-hf2)1=1p1/(0.622+1)pg1其中，2=0.622 pg2/(p2-pg2)因此，空气的比湿度和相对湿度可通过测量绝热饱和器进口和出口处的空气压力和温度来确定。,80,图14-3 说明绝热饱和温度的T-s 图。通常，绝热饱和温度处于进口温度和露点温度之间。,81,湿球温度,上述绝热饱和过程提供了确定空气的绝对或相对湿度的方法，但是它需要很长的绝热通道或喷水装置以在出口实现饱和状态。一个比较实际的方法是使用普通的湿球温度计来读取湿球温度。,82,湿球温度计,用吸足水的棉纱带包住一个温度计的球包。如果湿空气流不饱和，那么水就会从湿球棉纱带上蒸发。蒸发所需要的能量部分来自湿球上水分本身放出的热量而温度降低。于是空气温度高于湿棉纱带的表面温度，而通过对流换热将热量传给湿球。当达到热湿平衡时，水分蒸发所需要的热量是全部来自空气。这时达到稳定状态，空气、水蒸气和温度计的温度不随时间而变化，这时湿球温度计的读数称作湿球温度。,83,影响因素和对环境的要求,有几项影响湿球温度读数的因素：沿温度计杆的导热，从环境到湿球的辐射传热，以及湿球和空气之间的边界层情况。这时要求空气混合物和湿球温度计之间的相对速度要大于3.5 m/s，并且要使辐射传热影响最小，而对流换热是主导传热模式。,84,一般来说，湿球温度和绝热饱和温度是不一样的。但对大气压下的空气，湿球温度和绝热饱和温度之间的实际差异很小。而在别的压力下，或者不是空气-水蒸气混合物时，情况就不一定是这样。确定湿空气状态必须要有两个独立参数。干球温度是其中之一。当知道了湿球温度后就可以确定给定压力的湿空气中水蒸气的分压力，就可以确定其他参数。,85,5湿空气的焓湿图,通常用干湿球温度连同焓湿图一起来确定相对湿度，这比用前面介绍的公式计算来得方便。对于不是大气压的情况，就要进行修正。,86,图14-4湿空气的焓湿图,87,焓湿图的结构,首先，每张焓湿图都是在确定的混合气体总压力下构造的。常用的是混合气体总压力为1atm，但若偏离不大时，作为工程分析计算，误差还是可以忽略不计的。焓湿图以干球温度为横坐标；以比湿度为纵坐标，有的图也同时示出水蒸气分压力，因为在给定的总压力下，比湿度和水蒸气分压力一一对应。在图的左端是饱和曲线。是=100%的曲线。其它等相对湿度曲线也有相类似的形状。等湿球温度线是向右逐渐下降。等比体积（m3/kg dry air）线也类似，但较陡。,88,焓湿图也给出每单位质量干空气的混合物焓值：h=ha+hv kJ/kg a 空气焓和水焓有不同的参考温度：空气是0，（在空气的理想气体性质表中参考温度是取0 K）即有ha=dT=cpa t()式中cpa 对干空气是定值，可取cpa=1.005 kJ/kg。温度单位取摄氏。水蒸气的焓hv 为混合物干球温度下的hg 值。,89,等焓线非常接近于平行等湿球温度线。因此，在一些图中定湿球温度线也被用作等焓线。对饱和空气，干球温度、湿球温度和露点温度是相同的。因此，在图中任何点处环境空气的露点温度可由该点向饱和曲线作水平线来确定，交点处的温度值是露点温度。,90,焓湿图的应用,焓湿图被广泛用于空调和物质干燥等问题的计算。湿空气的焓湿图对空调过程的直观化也是十分有益的。例如，常规的加热和冷却过程如果不涉及加湿和去湿（=定值），就会是一条水平线。任何对水平线的偏离都表示过程中对空气的加湿或去湿。,91,图14-5 示意性的过程焓湿图,92,14.3 基本空调过程,术语“空调”意味着空气被加热、冷却、增湿或去湿等典型的空气调节过程。各种空调过程都可在焓湿图上直观表示。简单加热或冷却过程在焓湿图上是水平线，因为这时比湿度保持不变。在冬季，空气通常被加热和增湿；而在夏季通常被冷却和去湿。,93,大多数空调过程可建模为稳定流动过程。干空气和水的质量平衡可表示为：a,in=a,out w,in=w,out 忽略动能和势能变化的影响，稳定流动能量平衡方程可表示为 in+Pin+ihi=out+Pout+e he 通常功是指风机输入功，它远小于能量平衡方程的其它项。,94,1简单加热和冷却过程（=常数）,许多住房采暖系统由炉子、热泵或电阻加热器构成。系统中的空气流经管道中的加热盘管被简单加热，空气中的水分不变，即比湿度保持不变。在焓湿图中过程沿水平线朝干球温度增大的方向进行。这时空气的相对湿度减小，这是因为相对湿度是空气中水蒸气含量与同温度下水蒸气含有能力的比值，而温度上升使水蒸气含有能力增大。,95,等比湿度的冷却过程类似上述的简单加热过程，只是干球温度减小，相对湿度增大。这过程可通过迫使空气外掠冷却盘管来实现，盘管内流过制冷剂或冷水。这时的质量和能量平衡式分别为 a1=a2 a 1=2=a(h2-h1),96,2加热加湿过程,目的在冬天，空气被调节，进行加热和加湿，这对住房采暖很重要。非常干燥的空气会引起木制家具收缩。造成如粘液膜干燥这类不利生理影响的原因。它同样也意味着会消耗更多的燃料，因为干空气的导热性能较差。比热容和导热系数直接受空气中水分的影响。,97,图14-6 加热和蒸汽喷射加湿过程,98,两种方法,对简单加热引起的相对湿度降低的问题，可通过加湿来解决。这可让空气通过加热段1-2后再经过加湿段2-3来实现，见图14-6。如果是蒸汽喷射加湿，就是升温加湿，T3T2。如果是水喷射加湿，水的部分蒸发潜热来自空气，就使热气流冷却，就是降温加湿，T3T2。这时空气在加热段应被加热到较高的温度以弥补后面喷水加湿的冷却作用。,99,图14-7 湿空气进入加热-增湿装置的示意图和过程焓湿图,100,3冷却去湿过程,现在讨论空气的去湿问题。通常是在夏天当家里空调器运行时遇到的情况。在简单冷却过程中相对湿度增加。如果相对湿度增加过多，就有必要除去水分以得到理想的湿度。可用化学物质，如硅胶，来吸收水分，但大多数场合是将空气冷到露点温度以下来除去一定的水分，然后留下的冷的湿空气再被加热。,101,有两种方法可用来冷却空气：1）一种是向空气中喷入凉水，细的喷雾形成很大的传热面积。空气在较低的凉水温度下达到饱和状态。2）第二种方法是直接方法，使空气流过空调制冷机的蒸发器而降温。当然，必须有足够的盘管来使全部空气冷到饱和温度。,102,图14-8 冷却去湿装置示意图和过程焓湿图,103,热的湿空气进入冷却段，处于状态1。经过冷却盘管时温度下降，相对湿度上升，比湿度不变。如果冷却段足够的长，空气会达到露点温度成饱和状态2。再进一步冷却就使空气中的部分水分凝结。整个凝结过程沿饱和线进行，直到状态点3。通常假定凝液在温度T3离开冷却段。,104,在状态点3的冷的饱和空气被直接送到房间与室内空气混合。但有时状态点3的湿空气是比湿度合适，但温度太低。这时就将空气再通过一个加热段，升高到合适温度后再输入房间。,105,图14-9 湿空气进入去湿-加热装置的示意图和过程焓湿图,106,4蒸发冷却过程,在炎热干燥地带的冷却可通过蒸发冷却来实现。这涉及向空气中喷注液体水或迫使空气流经充满水的填料。,107,图14-10 蒸发冷却设备示意图和过程焓湿图,108,基本原理,当水蒸发时，从水体和环境空气吸收蒸发潜热，结果水和空气都被冷却。低湿度的湿空气在状态1进入蒸发冷却器，部分注入水就吸收空气流的热量而蒸发。结果空气流温度降低，湿度增加直到状态2。,109,质量和能量平衡,因为可忽略与环境的传热，不作功，动能和势能的变化也可忽略不计，则对控制容积的质量和能量平衡可表示为(ha1+1hg1)+(2-1)hf=(ha2+2hg2)注入水焓(2-1)hf通常远小于另两项，因此，湿空气的焓近似看作保持不变。在焓湿图中定焓线可近似看作等湿球温度线，所以，蒸发冷却过程就近似沿等湿球温度线进行。,110,5湿空气流的绝热混合过程,在大型建筑中常常需要将室内空气抽出与一定量的新鲜空气混合后再送入室内。,111,图14-11 两股湿空气流的绝热混合及其过程焓湿图,112,分析湿空气流的绝热混合过程的目的就是在已知进口气流的状态和流量的情况下确定出口气流的状态和流量。在稳定流动状态下，由干空气和水蒸气的质量平衡和过程能量平衡可导得：a1/a2=(2-3)/(3-1)=(h2-h3)/(h3-h1),113,在焓湿图中，状态点3是位于状态点1和状态点2的连线上，分割出的两段线段2-3和3-1之比等于质量流量 a1和 a2之比。如果状态点1和状态点2接近饱和曲线，则由于饱和曲线的下凹和计算式的比例性质，就有可能使状态点3落在饱和曲线的左侧。这混合过程必然发生水蒸气的凝结。,114,6冷却塔,作用在动力装置运行中，冷凝器是循环必须的部件。通常，冷却水在冷凝器中带走工质放出的热量后，本身就流向环境。当冷却水能足够供应时，这种布置能很好地运行。然而，在许多地区冷却水不是容易获得的；或者由于热污染等原因造成太大的环境破坏而不允许这样的水循环。,115,有几种方法可解决这些问题：采用冷却池，将大量的循环水在池中露天冷却或喷水冷却。这种方法需要很大的场地面积，水损失较多，水质也易污染。采用干冷塔：1）让循环水在换热器管内冷却，环境空气横掠管束吸收热量后在塔内自然通风流出塔顶，将热量排放给环境，称为间接干空冷系统。2）或空气强制通风流过管束，吸收管内蒸汽冷凝放出的热量，再排放给环境，称为直接干空冷系统。,116,图14-12 蒸发冷却塔示意图,117,在塔中不饱和的环境空气从塔底部进入冷却塔向上流动，而热的循环水自上喷淋而下。充分接触，循环水蒸发使空气饱和，减少自身能量并降温。当循环水到达塔底部时，该余下的循环水已被足够冷却而可返回冷凝器。必须加入补给水以补充蒸发掉的部分。在确定冷却循环水需要多少空气量时，进口空气的温度和相对湿度是十分重要的。如果进口空气是饱和的，则不会出现蒸发冷却。,118,第14章 小结,对理想气体混合物，用质量成分或摩尔成分来描述混合物的组成。引入两个模型：道尔顿模型涉及分压力概念；亚美格模型涉及分体积概念。在空调应用的温度范围，干空气和水蒸气都可以看作理想气体。引入焓湿图来表示湿空气的重要性质。讨论了典型的空调应用。,119,第15章 化学反应系统,15.1 碳氢燃料 15.2 燃烧过程15.3 理论空气量15.4 空气燃料比15.5 燃烧生成物15.6 生成焓15.7 稳态反应系统的第一定律分析15.8 绝热火焰温度15.9 燃烧焓和热值15.10 第二定律分析15.11 燃料电池,120,15.1 碳氢燃料,固体碳氢化合物的最重要的形式是煤。煤是碳、氢、氧、氮、硫、水和不可燃固体物质灰的混合物。液体碳氢化合物的化学式是CxHy，角码x和y的值取决于碳氢化合物系列。任何燃料，如汽油，实际上是许多碳氢化合物的混合物。除了精细分析，一般假定只存在一种主要的碳氢化合物，或者取几种碳氢化合物组分的平均。把汽油看作是单一碳氢化合物C8H18（辛烷），而柴油燃料是单一碳氢化合物C12H26（十二烷）。,121,气体碳氢化合物燃料也是各种成分碳氢化合物的混合物。它们几乎完全燃烧而且非常洁净。其燃烧产品不含硫的成分，硫对环境有不利影响。地下开采的天然气碳氢化合物燃料和加工生产的气体之间有很大的区别。这些区别就是各种组分比例的不同，如表15-1所示。,122,表15-1 某些燃料气体混合物的容积分析（%）,123,15.2 燃烧过程,燃烧过程是燃料组分的氧化，可用方程来描述化学反应，在平衡