第5章水蒸气和湿空气.ppt

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1、工程热力学与传热学,工程热力学第五章 水蒸气与湿空气,水蒸气,内容要求:掌握水蒸气的定压产生过程；分析确定水蒸气的状态；了解水蒸气的热力过程；掌握蒸汽热力性质图表的结构和应用,蒸气：泛指刚刚脱离液态或比较接近液态的 气态物质。是一种实际气体。,常用蒸气：水蒸气，氨蒸气，氟里昂蒸气。,水蒸气特点：人类在热力发动机中最早广泛使用的工质。来源丰富，无毒无味，比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能，不污染环境。,热工计算：不能按理想气体处理。状态方程式，比热的函数关系以及有关热工计算的经验公式都比较复杂。采用查图查表方法 蒸气的热力性质图表。,51 水蒸气的产生过程,1.汽化(vaporation)

2、：物质由液态转变为气态的过程。汽化的方式有两种：蒸发和沸腾。,5-1-1 基本概念,2.液化(liquefaction)：物质由气态转变为液态的过程（凝结）。,3.蒸发(boil-off)：在液体表面较缓慢地进行的汽化过程。,蒸发速度取决于液体的性质，液体的温度，蒸发表面积和液面上气流速度。,4.沸腾(boiling):在特定的温度下发生，在液体内部和表面同时 进行的强烈的汽化过程。,沸腾的温度与液体所受的压力有关。,特点,沸点(boiling point)：在某一压力下，液体沸腾时的温度。与液体的性质有关。同种液体，沸点还随压力的升高而增大。,沸腾状态的水总是烫手的。,5.饱和状态(satu

3、ration state)：气液两相处于动态平衡的状态。,饱和液体(saturated liquid)：饱和状态下的液体；饱和蒸气(saturated vapor)：饱和状态下的蒸气；饱和温度和饱和压力：,特点：（1）汽液共存；（2）汽液同温；（3）饱和压力随饱和温度的升高而增大，两者一一对应。,6.湿饱和蒸汽(wet vapor)：是饱和蒸汽与饱和液体的混合物 二者处于两相平衡。,7.干饱和蒸汽：不含有液体的饱和蒸汽。,8.过热蒸汽(superheated vapor)；在一定压力下，温度大于饱和温度时的蒸汽。,过热度：过热蒸汽温度t 饱和蒸汽温度ts。,9.过冷液体(subcooled l

4、iquid)：在一定压力下，温度低于相应饱和温度的液体。,过冷度：饱和蒸汽温度ts 过冷液体温度t。,5-1-2 水蒸气的定压产生过程,假设：汽缸中有1kg，初温为0C的水，水面上有一个可以移动的活塞，施加一定 的压力p（不同实验序号下维持恒定压力），在容器底部对水加热。,1.水蒸气产生过程的三个阶段,未饱和水,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,饱和水,吸热，温度升高，比体积略增,水定压预热：,参数：ps，ts，v，h，s,饱和水定压汽化,继续加热，水开始汽化，饱和温度不变，比体积增大，水量逐渐减少，汽量逐渐增加,参数：ps，ts，vx，hx，sx,继续加热，温度不变，比体积增大，至汽缸中的最

5、后一滴水变成蒸汽,参数：ps，ts，v”，h”，s”,参数：ps，ts，v，h，s,干蒸汽定压过热,继续加热，比体积继续增大，蒸汽温度开始上升，温度大于相应压力下的饱和温度,参数：ps，ts，v”，h”，s”,2.水蒸气定压形成过程在p-v图和T-s图表示,某一压力下,3.水蒸气定压形成过程的能量关系,（1）未饱和水的定压预热阶段,液体热用焓差表示,（2）饱和水的定压（定温）汽化阶段,用汽化潜热表示：,或用熵来计算汽化潜热：,表示湿蒸汽的干燥程度；饱和水 x=0，干饱和蒸汽 x=1;汽轮机运行时，干度规定x=0.86-0.88,干度(quality)：湿蒸汽中所含有的干饱和蒸汽的质量分数。,说

6、明,（3）干饱和蒸汽的定压过热阶段,水蒸气定压产生过程中所需的热量：,过热热量(heat of superheating)用焓差表示：,5-1-3 不同压力下水蒸气定压形成过程的 p-v图和T-s图,临界点(critical point),下临界线(saturation liquid line)：不同压力下饱和水状态,上临界线(saturation vapor line)：不同压力下干饱和蒸汽状态,液相区(liquid region)汽液两相区(liquid-vapor region)汽相区(vapor region),未饱和水，饱和水，湿饱和蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽,是否有400 C的水？

7、0C或-10 C的水蒸气,52 水蒸气的状态参数,5-2-1 零点的规定：,选择水的三相点（273.16K）的液相水为基准点。规定该状态下，液相水的热力学能和熵为零。,即：,焓：,5-2-2 水与水蒸气表(steam tables for water),饱和水与饱和水蒸气的热力性质表（附表5，6）未饱和水与过热水蒸气的热力性质表（附表7）,按温度排列（附表5）按压力排列（附表6）,粗黑线上方：未饱和水参数 粗黑线下方：过热水蒸气参数,两种,饱和水与饱和水蒸气的热力性质表温度排序,饱和水与饱和水蒸气的热力性质表压力排序,1.饱和水和饱和水蒸气,压力ps或温度ts,饱和水：已知 ps/ts，确定

8、v,h,s,u=h-psv,饱和水蒸气：已知 ps/ts，确定 v,h,s,u”=h”-psv”,2.湿饱和蒸汽,压力ps/温度ts，干度x,湿饱和蒸汽,未饱和水与过热水蒸气的热力性质表,2.未饱和水与过热水蒸气,压力p,和温度t,利用水蒸气表，确定下列各点的状态（1）t=45 C,v=0.00100993 m3/kg;（2）t=200 C,x=0.9;（3）p=0.5 MPa,t=165C;（4）p=0.5 MPa,v=0.545 m3/kg,例题,已知（p,t）查饱和蒸汽图表，确定蒸汽状态。,若已知p(或 t),及某一比参数 v,h,s,先查饱和蒸汽表,确定蒸汽状态。,思考题,1.临界点时

9、，饱和液体的焓等于干饱和蒸汽的焓。2.某液体的温度为T，若其压力大于T 对应的饱和 压力，则该液体一定处于未饱和液体状态。3.干饱和蒸汽被定熵压缩，将变为（）。4.知道了温度和压力，就可以确定水蒸气的状态。5.水蒸气的定温膨胀过程满足 Q=W。,实际气体,过热蒸汽,53 水蒸气的基本热力过程,水蒸气的基本热力过程：定容，定压，定温和绝热过程。,求解任务：（1）确定初，终态的参数；（2）确定过程中的热量和功量。,求解方法：查表，图，根据专用方程用计算机计算,求解步骤（1）根据初态的两个参数，通常(p,t)/(p,x)/(t,x)，从表或图中查出其它初态参数；（2）根据过程特征及一个终态参数确定终

10、态，再从表或图中查得其它终态参数；（3）根据初，终态参数计算q,u,w。,求解原理：热力学第一，二定律；可逆过程关系式。,理想气体如何确定初，终状态参数？,水蒸气由p1=1 MPa,t1=300C 可逆绝热膨胀到p2=0.1 MPa,求1kg水蒸气所作的膨胀功和技术功。,例题,思路：（1）确定初态，及初态参数；（2）确定终态，及终态参数；（3）根据过程特点和能量守恒，计算功量。,查表,湿空气的性质,内容要求掌握未饱和湿空气与饱和湿空气；掌握绝对湿度，相对湿度和含湿量的概念；了解湿空气的基本热力过程。,54 湿空气,湿空气：是指含有水蒸气的空气。,干空气：是指完全不含水蒸气的空气。,湿空气的特点

11、：,湿空气可以看作是理想气体的混合物；水蒸气分压力很小，多处过热状态，v较大。,湿空气遵守道尔顿分压力定律；p=pv+pa,湿空气是定组元，变成分的混合气体。干空气的含量在过程中恒定不变；水蒸气的含量或成分会变化。,湿空气来自环境大气(pb),5-4-1 未饱和湿空气与饱和湿空气,空气中水蒸气的含量不同即分压力有高低,1.未饱和湿空气：由干空气和过热蒸汽组成的湿空气。,若 p v p s,湿空气中水蒸气处于过热状态,未饱和湿空气可理解为：水蒸气的分压力尚未 达到湿空气温度下的饱和压力。,水蒸气分压力：,水蒸气的密度：,水蒸气的分压力还可继续增大。未饱和湿空气还具有吸收水分的能力。,T一定时，增

12、加水蒸气含量，使pv不断增大。当pv=ps(T)，湿空气中水蒸气达到饱和，过热蒸汽干饱和蒸汽，不再具有吸收水分的能力。,如何将过热蒸汽转变为饱和蒸汽？,2.饱和湿空气 由干空气和干饱和水蒸气组成的湿空气。,“饱和”的含义：pv=pv max=ps(T)，水蒸气的分压力达到最大值。,分析,在该温度下，湿空气不可能再吸收水分，达到饱和。,向饱和湿空气加入水蒸气，将凝结成水滴析出。,法1：T一定时，增加 pv=pvmax=ps（T）,AC。,法2：保持水蒸气含量（pv）不变，降低湿空气温度 T=TS（PV），AB。,5-4-2 露点,1.结露：保持湿空气中水蒸气的分压力不变，对饱和湿 空气继续冷却降

13、温，则其中的部分水蒸气将凝结 为水，这种现象称为结露。,2.露点温度：湿空气中水蒸气的分 压力pv 所对应的饱和温度。,说明,若Td 0C,就会出现结霜。,析湿过程,露点,5-4-3 相对湿度和含湿量,湿空气的湿度：是指湿空气中水蒸气的含量。,1.绝对湿度：,（1）定义：1m3的湿空气中所含水蒸气的质量。,（2）表示：,（3）对饱和湿空气,水蒸气的体积,2.相对湿度：,（1）定义：湿空气的绝对湿度与同温度下湿空气的 最大绝对湿度之比。,（2）几点说明：,相对湿度越小，湿空气中水蒸气偏离饱和 状态越远，空气越干燥，吸湿能力越强。,相对湿度：,=0，对应于干空气；=1，湿空气为饱和湿空气。,3.含

14、湿量（比湿度）,（1）定义：是指在湿空气中，与单位质量干空气 共存的水蒸气含量。,（2）表示：,（3）含湿量与水蒸气分压力，相对湿度关系：,根据理想气体状态方程式：,因此：,5-4-4 湿空气的相对分子质量，气体常数及密度,1.湿空气的相对分子质量：,说明,2.湿空气的气体常数：,2.湿空气的密度：,思考题,1.相对湿度为=0时，说明空气中完全没有水蒸气。2.相对湿度为=1时，说明空气中都是水蒸气。3.空气的相对湿度越大，其含湿量越高。4.对未饱和湿空气，露点温度即水蒸气分压力所 对应的水的饱和温度。,5.pV=nRT 公式适用于：（1）水蒸气（2）湿空气（3）理想气体6.湿空气的d一定时，温度越高，其吸湿能力：（1）越强（2）越弱（3）相等7.湿空气压力一定时，其中水蒸气的分压力取决于（1）含湿量（2）相对湿度（3）露点,思考题,问答题,1.冬季，室内玻璃窗内侧为什么会结霜？为什么阴天晾衣服不宜干，而晴天易干？冬季室内供暖，为何要加湿？霉季时，冷水管的表面常有水滴出现，为什么？,房间的容积为50m3,室内空气温度为30C，相对湿度为60%，大气压力为0.1013MPa，求：湿空气的露点温度td，含湿量d，空气的质量ma，水蒸气质量mv。,例题,总结：要确定湿空气的状态，除压力 p，温度 t 外，还需知道湿空气中水蒸气的含量，即知道v,d,pv,td 中的一个。,