4气体与蒸汽的热力过程.ppt

1 第四章气体与蒸气的热力过程 本章基本要求 熟练掌握定容 定压 定温 绝热 多变过程中状态参数p v T u h s的计算 过程量Q W的计算 以及上述过程在p v T s图上的表示 掌握往复式压气机工作原理 及其计算 目的 研究外部条件对热能和机械能转换的影响 通过有利的外部条件 达到合理安排热力过程 提高热能和机械能转换效率的目的 一 研究热力过程的一般方法 根据实际过程的特点 将实际过程近似地概括为几种典型过程 定容 定压 定温和绝热过程 不考虑实际过程中不可逆的耗损 视为可逆过程 工质视为理想气体比热容取定值 实际过程是一个复杂过程 很难确定其变化规律 一般需要作些假设 4 1理想气体的热力过程 Thethermodynamicsprocessoftheideal gas 二 研究热力过程的基本任务 1 根据过程特点 确定过程中状态参数的变化规律 列出过程方程式 2 根据已知初态参数 确定其他初态参数 3 根据已知终态参数 确定其他终态参数 4 根据热力学基本定律及工质的性质确定过程中的能量转换关系 三 研究热力学过程的依据 2 理想气体状态方程 3 可逆过程 1 第一定律 稳定流动能量方程 比体积保持不变时系统状态发生变化所经历的过程 1 过程方程式 2 初 终状态参数 3 各种能量 膨胀功 热量 即系统接受的热量全部用于增加系统的热力学能 当比热为定值时 技术功 轴功 s T v p p p 4 定容过程的p v T s图 压力保持不变时系统状态发生变化所经历的过程 1 过程方程式 2 初 终状态参数 3 各种能量 技术功 膨胀功 热量 即定压过程中 气体的技术功为0 其膨胀功全部用以支付维持流动所必需的流动净功 吸入的热量等于焓的增量 4 定压过程p v T s图 1 过程方程式 2 初 终状态参数 温度保持不变时系统状态发生变化所经历的过程 3 各种能量 膨胀功 技术功 热量 即定温过程中 气体吸入的热量全部转化为膨胀功 且全部是可以利用的技术功 4 定温过程p v和T s图 s T v p p p v v T T 系统与外界不发生热量交换时所经历的过程 对于无功耗散的准静态绝热过程即为定熵过程 因此有 1 过程方程式 根据热力学第一定律 有 可得 又由 得到 由 2 初 终状态参数 3 各种能量 热量 体积功和内能 当比热为定值时 因为 技术功 当比热为定值时 可见 4 绝热过程p v和T s图 斜率 定熵线要陡一些 四种典型热力过程p v图和T s图 s T v p p p v v T T s s 1 过程方程式 n 多变指数每一过程有一n值 1 当n 0 2 当n 1 3 当n k 4 当n 基本过程是多变过程的特例 p T s v 2 初 终状态参数 3 各种能量 膨胀功 技术功 热量 因为 可见 多变指数与k和q w有关 4 多变指数的确定 1 等端点多变指数 已知过程线上的两点状态参数 p1 v1 和 p2 v2 则多变指数为 2 等功法多变指数 从过程始点假设一条多变过程线 使之纵轴 p 所围的面积与实际过程线的与p轴所围的面积相等 由此求出的多变指数称为等功法多变指数 3 用实际过程lgp lgv坐标图法 将实际过程的多点画在lgp lgv图上 然后用一条直线拟合为过程线 这条线的斜率就是多变指数 4 利用p v图面积对比计算 4 2蒸气的热力过程 Thethermodynamicsprocessofthesteam 一 研究蒸气热力过程任务 确定初终态参数 计算过程中的功和热在p v T s h s图上表示 注意 蒸气过程与理想气体过程的区别 第一定律与第二定律表达式均成立 理想气体特有的性质和表达式不能用 准静态 可逆 二 研究蒸气热力过程的一般步骤 1 根据已知的两个独立的初态参数 p t p x t x 等从图表上查出其他状态参数 2 由初态 过程特征和终态的一个已知参数确定终态 并利用图表查出其他状态参数 3 将查得的初 终态参数带入有关公式计算热量 功量等能量交换 三 蒸气的四个基本热力过程 四个基本热力过程 定容 定压 定温和绝热 h s T 1 2 p v 1 定容过程v1 v2 于是可得 2 定压过程p1 p2 于是可得 3 定温过程T1 T2 于是可得 4 定熵 绝热可逆 过程s1 s2 于是可得 注意 水蒸气 过热蒸汽 1 3 饱和蒸汽 1 135 湿蒸汽 1 035 0 1x 或 4 3湿空气热力过程 工程中湿空气的热力过程主要有 加热或冷却 绝热加湿 冷却去湿 增压冷凝 计算过程的依据 焓湿图 稳定流动能量方程 质量守恒方程 湿空气热力过程的分析 主要讨论湿空气的状态变化 及其与外界的能量交换情况 单纯加热或冷却过程 d不变 p不变 d h 1 2 2 加热 放热 在绝热的条件下 向空气中喷水使空气含湿量增加的过程称为湿空气的绝热加湿过程 绝热加湿过程中 单位质量干空气的湿空气吸收的水分为d2 d1 湿空气的焓增为水分带入的能量 即 过程特点 过程进行时蒸发的水分所需的热量全部来自湿空气本身 因而温度下降 d h 1 2 式中 hw为水的焓 因为水分带入湿空气中的能量0 001 d2 d1 hw与湿空气的焓h1 h2相比很小 可忽略不计 即 绝热加湿过程中 水分蒸发生成水蒸气需从空气中吸收汽化潜热 使得湿空气的温度降低 所以该过程也称为蒸发冷却过程 当湿空气温度降至其露点温度 达到饱和状态后再进一步冷却 就有水蒸气不断凝结析出 湿空气的含湿量随之降低 即饱和湿空气的冷却过程伴随着去湿作用 所以常被称为冷却去湿过程 在焓 湿图上 湿空气的冷却去湿过程沿着 100 的相对湿度线含湿量减小的方向进行 过程中 湿空气T h d h 1 2 3 在冷却去湿过程中 含单位质量干空气的湿空气析出的水份为d3 d2 由热力学第一定律知 冷却去湿过程中 湿空气的焓降应等于冷却介质带走的热量与凝结水带走的能量之和 即 式中 q为冷却介质带走的热量 hw为凝结水的比焓 h 1 2 3 d 湿空气的初态为 p1 t1 1 经压缩后其压力达到p2 温度为t2 则水蒸气的分压也将增大 原来 加压后 然后在该压力下使湿空气温度冷却到t 2 与t 2对应的水蒸气的饱和蒸气压为p s2 若pst2 p s2 则冷却过程必有水蒸气凝析 将两股或两股以上状态不同的湿空气气流在绝热条件下混合 以得到满足温度及湿度要求的湿空气 气流绝热混合所得到的湿空气的状态 取决于混合前湿空气各气流的流量及状态 d1 d2 m2 d3 m1 设混合前湿空气各气流的流量 含湿量及比焓分别为 d1 d2 dn和h1 h2 hn 而混合后湿空气的流量 含湿量及比焓为qm d及h 则根据质量守恒定律 有 根据热力学第一定律 有 d h 1 2 h3 h2 3 h1 d1 d2 qa2 qa2 qa3 d3 qa1 qa1 举例 4 4气体与蒸气的绝热节流过程 Theadiabaticthrottleofairandsteam 定义 气体或蒸汽在管道中流过突然缩小的截面 然后又进入截面和相同或相近的管道 而又未及与外界进行热量交换的过程 1852年焦耳和汤姆逊进行了一项试验 设某定量气体在p1 t1状态下所占的体积为V1 节流后在p2 t2状态下所占的体积为V2 气体在左侧得到的功为p1V1 气体在右侧对外作的功为p2V2 依据热力学第一定律 可见绝热节流是定焓过程 特点 绝热节流过程前后的焓相等 但整个过程绝不是定焓过程 流体在通过缩孔时动能增加 压力下降并产生强烈扰动和摩擦 扰动和摩擦的不可逆性 导致整个过程的不可逆性 不可逆性 绝热节流前后参数的变化 1 对理想气体 2 对实际气体 节流前后焓不变 温度不一定不变 温度效应只与气体的性质有关 与其状态无关 绝热节流前后气体温度变化关系 是经常用到的气体物理性质 由绝热节流前后dh 0和dp 的特点 其温度变化可表示为 定义表达式 其值决定于气体的性质及状态 由于绝热节流前后总有dh 0和dp 因此 由上二式可知 J 0时 dT0 致热 J 0时 dT 0 温度不变 绝热节流系数 焦尔 汤姆生系数 记作 得到焦 汤系数为 将T f h p 全微分代入焓的普遍关系式 有 绝热节流过程 dh 0及dp 0 因此上式可写为 4 5压气机中的热力过程过程 Theadiabaticthrottleofcompressor 压气机是生产压缩气体的设备 它不是动力机 而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机 压气机的作用 生活中 自行车打气 工业上 锅炉鼓风 出口引风 燃气轮机 制冷空调等等 通风机 110kPa 鼓风机 110 400kPa 压气机 400kPa 压气机的分类 按工作原理和构造 容积式压气机速度式压气机特殊引射式压缩器 按压缩气体压力范围 从热力学观点出发 尽管活塞式和叶轮式的结构和工作原理都不同 但压缩过程中气体的状态变化本质上是一致的 本章主要内容 以活塞式压气机为重点 分析压缩气体生产过程的热力学特性 两死点之间的距离L称为 行程 或冲程 活塞左右两极限位置称为 死点 一次活塞扫过的体积Vh称为 行程容积 活塞右行时压力为的p1低压气体通过单向吸气阀被吸入气缸 p1 p2 活塞右行至右死点时吸气过程结束 活塞左行时吸气阀关闭 气体因体积缩小而压力变大 当汽缸内的压力达到排气压力p2时 排气阀被顶开 开始排气过程 直到活塞运行到左死点为止 最理想的情况是在左死点处活塞端面与气缸端面贴合而无间隙 活塞右行时吸入的气量为 线4 1称为吸气线 注意 它不是热力过程线 只是气体的移动过程 气体状态不发生变化 缸内气体的数量发生变化 p1 p2 当吸气结束 活塞向左运动时 此时气体被压缩 是热力过程 可能的压气过程 p1 p2 当气体被压缩到压力等于p2时 排气阀被顶开 气缸开始排气 线2 3称为排气线 注意 它也不是热力过程线 只是气体的移动过程 气体状态不发生变化 缸内气体的数量发生变化 原因 防止排气时 活塞与气缸壁碰撞 引起事故 压气机余隙容积的存在 则余隙容积残留气体在工作中产生气垫作用 增强压气机在运行中的平稳性 余隙容积learancevolume 空气压缩机在排气时 活塞位于上死点位置 它和气缸壁保留一部分空间 这些空间叫作余隙容积 我们用Vc来表示 活塞排量行程容积 有效吸气容积 往复式压气机是连续式工作的周期性动作的热力设备 若忽略出口的动能差和位能差 则其轴功即为技术功 压缩和膨胀过程我们视为多变过程 一 理想压气功 这时压缩气体所消耗的功为面积1 2 3 4 二 有余隙的压气功 设1 2和4 3两过程n相同 三 压气机功率 若吸入状态下的体积流量为qvem3 s 则压缩机的功率为 4 5 3容积效率volumetricefficiency 由于余隙容积的存在 不仅本身起不到压气作用 而且是另一部分气缸V4 V5也起不到压气作用 有效吸气容积V1 V4 总是小于工作容积Vh 工作容积不能充分利用 通常用容积效率 V表示压气机工作容积的利用率 令 相对余隙容积 工程上一般 0 03 0 08 讨论 极限 单级增压比不超过8 9 4 5 4 压气机气缸冷却作用 定温过程 压气机耗功最少 温度最低 绝热过程 压气机耗功最多 温度最高 压缩终了 气体温度过高会引起润滑油过热变质 损坏机器 严重时会爆炸 因此在实际的过程中尽量的使过程接近定温过程 所以工程上常采用对气缸进行冷却 夹套 散热片 4 5 5 多级压缩和级间冷却 是指气体依次在几个气缸中连续压缩 同时为了避免过高的温度和减少气体的比容以降低下一级所消耗的功 每经过一次压缩就在级间冷却器被定压冷却至低温 然后进入下一级气缸继续压缩 直到所需要的压力为止 一 如何省功 省功 分级 降低出口温 多级压缩达到无穷多级 1 不可能实现 2 结构复杂 机械损失多 成本高 所以 一般采用2 4级压缩 T 二 级数的确定 在p1 p2间压缩级数越多 压缩过程越接近定温过程 越省功 三 多级压缩的优点 1 排气温度低 各级的压缩比小 又有级间冷却器 这对安全生产很有必要 2 多级压缩较单级压缩省功 3 多级压缩由于每一级压力小 因而每一级的容积效率比单级时高 气缸行程容积的有效利用率高 4 多级压缩上活塞上所受的最大气体力小 四 多级压缩的中间压力最佳值 多级压缩的中间压力有最佳值 在此最佳值下 各级压缩的总功耗最小 以两级压缩为例 因为 代如上式 得到每级最佳压力比 可证明若n级 Z级压缩机消耗的总功为 则根据上面推倒 多级压缩的第一级耗功为 4 6往复式膨胀机中的热力过程 4 6 1 工作过程分析 膨胀机就是使气体在其内膨胀做功而使气体温度降低的一种设备 在制冷工程中 常要求气体的温度大幅度的降低 往复式膨胀机