《工程热力学》第四章-工质的热力过程.ppt

4 气体与蒸气的热力过程,热力过程：系统从一个平衡状态过渡到 另一个平衡状态所经历的历程。实际的热力过程往往较复杂；各过程都存在不同程度的不可逆性；工质的各状态参数都在变化，难以找出规 律，也就很难用热力学方法分析。,但实际过程又具有某些简单的特征 保温良好的设备内的过程绝热过程 工质燃烧过程进行得很快绝热过程 大多化工设备内的压力变化很小（如燃气 轮机燃气的燃烧加热过程）定压过程 间歇操作的反应釜内的过程定容过程 活塞式压气机中，若汽缸的冷却效果好，压缩过程温度几乎不升高定温过程,对实际过程进行抽象与简化，从而可在理论 上用简单方法分析计算，再借助经验进行修 正抓住主要特征、主要影响因素、突出 主要矛盾，从而进行定性分析与评价，又可 进行定量计算。,研究热力过程的主要任务,根据过程的特征，确定过程中状态参数的 变化规律，即过程方程；根据已知初态参数，确定其它初态参数；根据过程方程及已知终态参数，确定其它 终态参数；根据热力学基本定律及工质性质确定过程 中的能量转换关系。,研究热力学过程的依据,2）理想气体,3）可逆过程,1）热一律,稳流,研究热力学过程的任务和步骤,1）确定过程方程-该过程中参数的变化规律,4）计算 w,wt,q,3）求,5）用T-s 与 p-v 图表示热力过程,2）根据已知参数及过程方程求未知参数,4.1 理想气体的热力过程,4.1.1 定容过程 一定量的气体在容积不变的容器（刚性容器）内进行加热（或放热）的过程。,过程方程,初终态状态参数之间的关系,由理想气体的状态方程 pv=RT 得：,且,能量转换,膨胀功,技术功,热 量,过程曲线,定容过程，工质不做膨胀功，吸收的热量全部用于增加其内能。,4.1.2 定压过程,定压过程是工质在状态变化过程中压力保持不变的过程。,过程方程,初终态状态参数之间的关系,由理想气体的状态方程 pv=RT 得：,且,能量转换,膨胀功,技术功,热 量,过程曲线,定压过程，气体的技术功为零，其膨胀功全部用以支付维持流动所必须的流动净功；它吸入的热量等于其焓的增加。,在Ts图上，定压线较定容线平坦。,4.1.3 定温过程,定温过程是工质在状态变化过程中温度保持不变的过程。,过程方程,初终态状态参数之间的关系,由理想气体的状态方程 pv=RT 得：,且,能量转换,膨胀功,技术功,热 量,过程曲线,定温过程，气体吸收的热量全部转变为膨胀功，且全部是可资利用的技术功。,4.1.4 绝热过程,绝热过程是工质在与外界没有热量交换的条件下所进行的状态变化过程。,过程方程,可逆绝热过程，即等熵过程,理想气体等熵过程的过程方程,当,理想气体,初终态状态参数之间的关系,结合理想气体的状态方程 pv=RT，有,且,能量转换,膨胀功,技术功,热 量,若取比容为定值，则,且,过程曲线,在pv图上，所以绝热线比定温线陡。,变值比热容绝热过程的计算,以上的推导和计算是以k（比热容）为常数为基础的，一般仅适用于对过程进行定性分析或用于温度变化范围不大且计算精度不高的情况。,在通常的设计计算中,按平均绝热指数计算 以平均绝热指数km 代替k 利用气体热力性质表计算,例1:一容积为0.15m3的储气罐，内装氧气，其初态压力p1=0.55MPa、温度t1=38。若对氧气加热，其温度、压力都升高。储气罐上装有压力控制阀，当压力超过0.7MPa时，阀门便自动打开，放走部分氧气，即储气罐中维持的最大压力为0.7MPa。问：当储气罐中氧气温度为285时，对罐内氧气共加入多少热量？（设氧气的比热容为定值：，）,例2：空气在膨胀透平中由p1=0.6MPa、T1=900K绝热膨胀到 p2=0.1MPa，工质的质量流量为qm=5kg/s。设比热容为定值，k=1.4，R=0.287kJ/(kgK)。试求:膨胀终了时，空气的温度及膨胀透平的功率；过程中内能和焓的变化量；将单位质量的透平输出功表示在p-v图、T-s图上；若透平的效率为T=0.9，则终态温度和膨胀透平 的功率又为多少？,例3：如图所示，两端封闭而且具有绝热壁的气缸，被可移动的、无摩擦的、绝热的活塞分为体积相同的A、B两部分，其中各装有同种理想气体1kg。开始时活塞两边的压力、温度都相同，分别为0.2MPa，20，现通过A腔气体内的一个加热线圈，对A腔气体缓慢加热，则活塞向右缓慢移动，直至pA2=pB2=0.4MPa时，试求：A，B腔内气体的终态容积各是多少？A，B腔内气体的终态温度各是多少？过程中供给A腔气体的热量是多少？A，B腔内气体的熵变各是多少？在p-v图、T-s图上，表示出A，B腔气体经过的过程 设气体的比热容为定值：,4.1.5 多变过程,n称为多变指数，不同的n代表不同的过程 同一过程，n有确定的值 复杂过程，可分为n段不同多变指数的多 变过程,过程方程,对于几种基本热力过程,定压过程 定温过程 绝热过程 定容过程,初终态状态参数之间的关系,多变过程与绝热过程方程类似，所以,能量转换,膨胀功,（n1）,技术功,热 量,n与k和q/w有关。除非q/w保持不变，否则n是变化的。,取cv为定值，且n1,称为多变过程的比热容,则,所以,平均多变指数,为便于对实际情况进行分析计算，常 用一个与实际过程相近似的指数不变的多 变过程来代替，该多变指数称为平均多变 指数。,等端点多变指数,这种方法主要用于初、终态状态参数计算。已知过程线上两端点状态参数1（p1，v1）、2（p2，v2）则根据过程方程 求得多变指数,等功法多变指数,从过程始点假设一条多变过程线，使之与纵轴（p轴）所围的面积与实际过程线与p轴所围成的面积相等。由此求出的多变指数称为等功法多变指数。这种方法主要用于功量计算。,利用实际过程的 lgplgv 坐标图计算,将实际过程中的多个点画在lgp-lgv图上，然后用一条直线拟合为多变过程线，因pvn=Const，则 lgp+nlgv=Const 所以n为该直线的斜率。,利用p-v图面积对比计算,实际过程线与p轴间围成的面积为技术功 wt，与v轴围成的面积为膨胀功w，依功量计算有,例4：空气以qm=0.012kg/s的流速稳定流过压缩机，入口参数p1=0.102MPa、T1=305K，出口压力p2=0.51MPa，然后进入储气罐。求在下列两种情况下，1kg空气的焓变h和熵变s，以及压缩机的技术功率Pt和每小时散热量qQ。（1）空气按定温压缩；（2）空气按n=1.28的多变过程压缩，比热容 取定值。,4.2 蒸气的热力过程,水蒸气的基本热力过程也是定容、定压、定温、定熵四种。求解的任务与理想气体的过程一样：初态和终态的参数；过程中的热量和功。但蒸汽没有适当而简单的状态方程式，较难用解析方法求得各参数；蒸汽的cp、cv以及h、u不是温度的单值函数，而是p或v和T的复杂函数；所以通过查图、表或由专用方程用计算机计算得出。,热力学第一定律和热力学第二定律的基本原理和从其推导得出的一般关系式仍可利用。例如：,适用于可逆过程,利用图表分析计算水蒸气的状态变化过 程，一般步骤如下：,根据初态的两个已知独立参数，通常为（p，t）或（p，x）、（t，x）从表或图中查得其他参数；根据过程特征及一个终态参数确定终态，再从表 或图上查得其他参数；根据已求得的初、终态参数计算q、u及w等。方法如下：,定容过程,定压过程,定温过程,定熵（绝热）过程,上述过程以定压过程和绝热过程最重要。,下图是水蒸气从初态1（p1，t1）定压冷却到终态2（p1，x2）的过程。,从定压线p1与定温线t1的交点定出状态1，纵坐标为h1。同一定压线与干度线x2的交点就是状态2，纵坐标为h2。所以q=h1-h2。若查表计算，由（p1，t1）查出h1、及p1查出h”、h，则 h2=x h”+(1-x)h。,下图为水蒸气从初态1（p1，t1）可逆绝热膨胀到终态p2的过程。,由（p1，t1）在h-s图上定出状态1及h1。再从状态1作垂直线与定压线p2的交点就是状态2，从2查出h2、x2。所以 wt=h1-h2，w=u1-u2。,蒸气的绝热过程不能用pvk=Const表示，但有时需要绝热指数的数值，也可写成pvk=Const的形式。但必须注意，此时的k已不是cp/cv，而是,近似估算：过热蒸气 k=1.3 干饱和蒸气 k=1.135 湿水蒸气 k=1.035+0.1x,例5：水蒸气从p1=1MPa，t1=300 的初态 可逆绝热膨胀到p2=0.1MPa，求1kg水 蒸气所作的膨胀功和技术功。,例6：一封闭绝热的汽缸活塞装置内有1kg压力为 0.2MPa的饱和水，缸内维持压力不变。（1）若装设一叶轮搅拌器搅动水，直至汽缸内 80%的水蒸发为止，求带动此搅拌器需消耗 多少功？（2）若除去绝热层，用450K的恒温热源来加热 缸内的水，使80%的水蒸发，这时加热量又是 多少？,例7：在一台蒸汽锅炉中，烟气定压放热，温度从1500降低到250。所放出的热量用以生产水蒸汽。压力为10MPa、温度为30的锅炉给水被加热汽化、过热成压力为10MPa、温度为450的过热蒸气。取烟气的比热容为定值，cp=1.079kJ/(kgK)。试求：（1）产生1kg过热蒸汽需要多少kg的烟气？（2）生产1kg过热蒸汽时，烟气的熵变以及过热蒸汽的熵变。（3）将烟气和水蒸汽作为孤立系统，求生产1kg过热蒸汽时孤立系统的总熵变。,4.3 湿空气的热力过程,湿空气过程的计算主要是研究过程中湿空气的焓值h及含湿量d、相对湿度之间的变化关系。计算过程主要应用焓湿图、稳定流动能量方程和质量守恒方程。4.3.1 单纯加热或冷却过程 湿空气单纯地加热或冷却时，其压力与含湿量均不变，所以是定湿加热、定湿冷却过程。,如上图所示，根据稳态流动能量方程，过程中吸热量（或放热量）等于焓差，即：,式中，、分别是初、终态湿空气的焓值。,例8：将p10.1MPa，t15，160的湿空气在加热器内加热，在t220下离开。试确定在此定压过程中对空气供的热量及离开加热器时的湿空气相对湿度。（114页习题8）,4.3.2 绝热加湿过程,喷水加湿过程 在绝热条件下，向空气中喷水使空气含湿量增加的过程。过程进行时蒸发水分所需要的热量全部来自于湿空气本身，所以加湿后空气的温度将降低。质量守恒：喷水量mw等于空气含湿量的增加mst，即：,稳定流动的能量方程：,则,即,所以,由于水的焓值远小于湿空气的焓值，所以有：,喷水加湿过程可以近似视为定焓过程。喷水之后，空气的含水量d、相对湿度增大，而温度t减小。,喷蒸汽加湿过程 与喷水加湿过程类似，可以推导出：,喷入水蒸气后，湿空气的焓h、含湿量d、相对湿度均将增大。喷蒸汽加湿过程可以近似当作等温加湿过程。,例9：烘干用空气的初态参数是t125，160，p1=0.1MPa。在加热器内被 加热到50 之后再送入烘箱。从烘箱 出来时的温度是40。求:（1）每蒸发1kg水分需供入多少空气；（2）加热器中应加入多少热量。,4.3.3 冷却去湿过程,湿空气被冷却到露点温度（饱和状态），然后继续冷却，则有蒸汽不断凝结成水析出，达到冷却去湿的目的。此时含湿量降低，空气将一直处于饱和状态。,质量守恒：凝结水量mw等于空气中含湿量的减少mst，即：,所以，冷却水 带走的热量为：,稳定流动的能量方程：,则,即,由于水的焓值较小，可忽略，则：,例10：p10.1MPa，t132，160的湿空气，以qm=1.5kg/s的质量流量进入到冷却设备的蒸发盘管被冷却去湿，最后以t215的饱和湿空气下离开。求每秒的凝结水量qm,w以及放热量Q。,4.3.4 增压冷凝过程,将初参数为 p1、t1、1的空气压缩后，其压力、温度达到 p2、t2，则水蒸气的分压也将从pst1=1 ps1增加到 pst2=pst1 p2/p1=1 ps1 p2/p1。然后在压力 p2下冷却到 t2，与之对应的水蒸气的饱和蒸气压为ps2，若pst2 ps2，则将有水分凝析；反之就不会有水分凝析。,例11：某压气机吸气（湿空气）压力为 p1=0.1MPa，温度为25，相对湿度=62%，若把它压缩至p2=0.4MPa，然 后冷却为35，问是否会出现凝析？,4.3.5 绝热混合过程,将几股不同状态的湿空气在绝热条件下混合，以得到符合要求的湿空气。混合后的湿空气状态取决于混合前各股湿空气的状态和流量比。,质量守恒,能量守恒,4.5 压气机中的热力过程,压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机，是通过消耗机械能而使气体压力升高的一种工作机。分类（按工作原理和构造）容积式：往复式（活塞式）速度式：离心式（叶轮式）引射式,4.5.1 压气机的理想热力过程,压气机工作的时候，有气体的进出，是开口系统。从进、出口气流来看，可视为稳态流动，所以满足方程：忽略动能和位能的变化，则有 即压气机消耗的功量等于技术功。,根据压气机不同的工作条件，压缩过程12可能出现三种情况：一是过程进行得很快，气体来不及与外界交换热量，可视为绝热过程；二是过程进行得十分缓慢，气体及时向外界散热，气体温度始终与初温相等，可视为定温过程；三是实际的压缩过程，既有向外散热，气体温度也有所升高，多变指数n介于1和k之间。,压气机压缩过程的 p-v、T-s 图,气体耗功,1-2 绝热过程，压缩后温度升高,1-2”定温过程，耗功,气体耗功,1-2 实际多变过程，压缩后温度,可以看出，在相同的p2/p1和T1下，即绝热过程耗功最多，最终气温最高；定温压缩耗功最少，最终气温最低；多变过程介于两者之间。在实际压缩过程中，终温过高不仅会损坏压缩机，严重时还会引起爆炸。因此应力求使工质得到充分冷却，使之趋于定温压缩。同时，由于气缸散热面积有限，一次压缩时间又短，散热量有限，所以，工程上常采用多级压缩、级间冷却的方法。,4.5.2 活塞式压缩机,组成 曲柄连杆机构 活塞 气缸 吸、排气阀,4.5.2.1活塞式压缩机的工作原理,压缩机每完成一个循环，曲柄旋转一周，依次进行一次吸气、压缩、排气和膨胀的过程。,死点：活塞左右两极限的位置点；行程（冲程）：两死点之间的距离；行程容积Vh：一次行程活塞所扫过的体积。活塞右行时，压力为p1的低压气体通过吸气阀吸入气缸，活塞行至右死点；活塞左行时，吸气阀关闭，气体因所占的容积缩小而压力升高。当压力达到p2时，排气阀顶开，开始排气过程，直到活塞运行至左死点为止。,理想情况,实际情况 余隙：在左死点，为防止相撞，活塞端面与气缸端面之间的间隙。余隙容积Vc：间隙的容积。,活塞左行排气时，由于余隙的存在，只能行至3点；当其再次右行时，由于余隙内气体压力p2高于吸气压力p1，吸气阀无法打开。所以余隙内的气体首先膨胀降压至4点，才开始吸气。,4.5.2.2 压气功的计算,理想压气功,气体在压气机中的压缩和膨胀过程可视为多变过程。,有余隙的压气功,功率,此时，压气功为面积1-2-3-4-1，即压缩过程技术功与膨胀过程技术功的差值。,是压气机的有效吸气容积。,4.5.2.3 容积效率,压气机的有效吸气容积Ve与行程容积Vh的比值称为容积效率。,称为相对余隙容积，则,容积效率与p2/p1有关,因此，依靠单级压缩往往难以达到工程实际中所要求的高压，实际工程中多采用多级压缩。,由此可见，当n一定时，越大，v越小；当n与一定时，提高p2/p1，v越小，当p2/p1增加到某一值时，容积效率v 为零，此时4与1重合。对一定的压气机，当v为零时，单级压缩的最大升压比,4.5.3 叶轮式压缩机,叶轮式压缩机主要分离心式和轴流式两种，它们的特点都是气体连续不断地进入压缩机，被压缩后压力升高不断地流出压缩机。即气体的压缩是在连续流动下进行的。以离心式压缩机为例说明。离心式压缩机包括转子和定子两部分。,气体由吸气口进入吸气室，在吸气室导流的作用下均匀进入叶轮。高速旋转的叶轮使气体在离心力的作用下加速，由叶轮出来的高速气体进入截面积逐渐变大的扩压器，将气体的动能转换为压力能，从而得到高压气体。叶轮式压缩机里的气体以极高的速度流过，在短暂的压缩过程气体来不及散热，所以该压缩过程可视为绝热压缩。,4.5.4 多级压缩和级间冷却,多级压缩、级间冷却的原理是气体逐级在不同气缸中被压缩，每经过一次压缩后，就在中间冷却器中定压冷却至压缩前的低温，然后进入下一级气缸中继续被压缩。被压缩气体中带有一些水蒸气或油气，在高压冷却下会析出水滴或油滴，会对压缩机的气缸造成冲击现象，因此在级间冷却器后设有油水分离器，除去析出的水分或油分。,两级压缩、中间冷却的流程示意图及p-v、T-s 图,p1和p2之间的压缩级数越多，压缩过程就越 接近定温压缩；但级数越多，结构越复杂，摩擦损失多，经济 上不合算；级数的多少视p1、p2的大小确定，一般24级。,多级压缩与单级压缩相比，有以下优点：,排气温度低，每一级的压力比较小，又有级 间冷却器，能够保证压缩机的安全；省功；每一级压力比小，则容积效率高；多级压缩活塞上所受的最大气体力较小，高压级的气缸直径可做得较小。,多级压缩的中间压力的最佳值,采用多级压缩、级间冷却时，最有利的中间压力是使各级压缩的总功耗最小。以两级压缩为例，设各级压缩指数n相同，则,令 得最有利的中间压力,则，最佳压力比,同理，对于 z 级压缩来说，有,每一级耗功为,z 级总耗功,例12：要将p1=0.1MPa，t1=17的空气 压缩到 p2=1.6MPa。设压缩过程的 多变指数n=1.25，余隙容积与行程 容积之比为5%。试用计算证实采 用双级压缩比单级压缩更好。,例13：空气由初态压力98.07kPa，温度20，经三级压气机压缩后，压力提高到12.26MPa。若空气进入各级气缸时的温度相同，且各级压缩指数均为1.25。试求生产质量为1kg的压缩空气所消耗的最小功，并求各级气缸的排气温度；又若单级压气机一次压缩到12.26MPa，压缩指数也是1.25，则所耗的功和排气温度各为多少？,4.6 往复式膨胀机中的热力过程,4.6.1 工作过程分析 往复式膨胀机的工作原理与往复式压缩机 基本相同，只是作用相反而已。完全膨胀示功图,4 1 定压吸气线1 2 膨胀降温、降压线2 3 定压排气线3 4 压缩升压线,不完全膨胀、不完全压缩示功图,实际过程中膨胀机的 p-V 图（1-2-2”-3-4-4-1）,4-4 定容无功吸气线4-1 定压吸气线1-2 膨胀降温、降压线2-2”定容无功排气线2”-3-定压排气线3-4 压缩线2-2-2”不完全膨胀损失的功3-4-4-3-3 不完全压缩多回收的功4-4 不完全过程多充气的量,不完全膨胀与完全膨胀相比：,多回收功充气量多单位质量气体回收能量少,4.7 锅炉生产蒸汽的热力过程,锅炉是产生蒸汽或热水的重要设备。燃料在锅炉中燃烧，将化学能转换为高温烟气的热能。高温烟气将热量传递给锅炉内表面的水冷壁里温度较低的水，水被加热，沸腾汽化，产生蒸汽，蒸汽流经过热器最终成为高温高压的过热蒸汽，然后进入汽轮机做功。高温烟气流经过热器、再热器、省煤器、空气预热器后进入除尘器，并依靠引风机将除尘后的烟气送入烟囱排至大气中。,锅炉的工作包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水、水蒸汽传热的过程，水的受热升温、汽化、过热的过程。锅炉里水蒸汽的产生过程，压力变化不大，可认为是定压过程。该过程工质吸收的热量：其中，ha是进入锅炉过冷水的焓值，he是锅炉出口过热蒸汽的焓值。,4.8 汽轮机中工质膨胀的热力过程,汽轮机是一种以蒸汽为工质，将高温高压蒸汽的热能转变成机械功的高速旋转的动力机械。理想状况下，蒸汽在汽轮机中做功，是可逆绝热膨胀过程。做功量：其中，ha是进入汽轮机的过热蒸汽的焓值，hb是汽轮机出口乏汽的焓值。,理想气体热力过程小结,掌握热力过程计算公式应用p-v图与T-s图分析多变过程,要求熟练掌握4种基本过程及多变过程的初、终态p、v、T 参数之间的关系式，以及过程中系统与外界交换的热量、功的计算。计算公式汇总于下表。,掌握热力过程计算公式,在p，v，T 初、终态参数之间的关系式中，定容、定压、定温过程很容易从状态方程中推得，不必死记。定熵过程和多变过程，其状态参数仅仅是指数不同，记住其中一种过程，另一种过程也就记住了。在定熵过程（或多变过程）参数之间的3个公式中，只需记住一个，其余2个可以从这一个和状态方程中求得。,各种过程热量和功量的计算公式，可以概括为如下两公式的具体应用。,从以上2式中看到，计算功和热量的方法有：,无论什么过程，理想气体的内能、焓和熵均 按下列式子计算（按比热容为定值考虑）：,应用p-v图与T-s图分析多变过程,掌握p-v图与T-s图上多变过程线的分布规律,在p-v图上，过程线的斜率可根据 确定,在T-s图上，过程线的斜率可根据 求得,过程中q、u、h、w和wt值正负的判断方法,根据过程的要求，在p-v图和T-s图上表示该过程。例如要求将工质又膨胀、又吸热、又降温的 过程表示在p-v图和T-s图上。,先在p-v图和T-s图上画出四条基本过程线找出工质膨胀的区域找出工质吸热的区域找出工质降温的区域在p-v图和T-s图上所标的以上3个区域的重叠部分，就是工质又膨胀、又吸热、又降温区域。从起始点向该区域画一条线，该过程线即为所要求的过程线。,知道p-v图和T-s图上各线群的大小变化趋向,例14：试分析多变指数在1nk范围内的膨胀过程的性质。,例15：试确定下列多变过程的多变指数n，将过程绘于同一 p-v图和T-s图上，并判定过程特性：吸热还是放热？输出功还是耗功？内能增大还是减小？设工质为空气，比热容cv0.717kJ/(kgK)，绝热指数k=1.4。（1）用示功器测得的某气缸中气体的一组p-v数据在lgp-lgv图上为一直线，其中两个状态为p1=0.09MPa、V1=436.2cm3和p2=0.9667MPa、V2=72.7cm3。（2）已知是多变过程，测得吸热q=650kJ/kg，温差T150K。,例16：某气体循环由下列可逆过程组成：1-2为绝热压缩过程，初温度为T1，压缩比=(V1/V2)=8；2-3为定压加热过程，V3=2V2；3-4为定温膨胀过程，V4=V1；4-1为定容放热过程。若设气体k=1.4，试：（1）绘出该循环的p-v图及T-s图；（2）计算相同温限的卡诺循环热效率；（3）计算该循环的热效率。,例17：氧气O2由t1=40，p1=0.1MPa被压缩到p2=0.4MPa，试计算压缩1kg氧气消耗的技术功：（1）按定温压缩；（2）按绝热压缩，设为定值比热容；（3）将上述两过程表示在p-v图和T-s图上，试比较两种情况下技术功的大小。,例18：如图所示，1mol理想气体，从状态1经定压过程达到状态2，再经定容过程达到状态3。另一途径为经直线1-3直接达到3。已知p10.1MPa，T1300K，v2=3v1，p3=2p2，试证明：（1）；（2）。,