第七章水蒸气及湿空气

流体力学,建筑与环境工程系,1,气态工质,气体,蒸汽,远离液态，一般可作为理想气体处理，如空气、燃气。,刚脱离或接近液态，一般不能作为理想气体处理，如水蒸气、制冷剂蒸气等。,水蒸气具有良好的热力性质，来源丰富，易于获得，比热容大，传热性能好，且无毒无味、无污染，在热力工程中的使用极为广泛。,第七章水蒸气及湿空气,如水蒸气在热电厂和空调工程中的应用,2,学习要求,1、掌握有关蒸汽的各种术语及其意义。如：汽化、凝结、饱和状态、未饱和液体、饱和液体、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽、干度等概念及不同蒸汽状态的特征和关系。2、了解蒸汽定压发生过程及其在p-v图与T-s图上的一点、二线、三区和五态。3、掌握水蒸气图表的结构，能够熟练利用水蒸气图表查出水蒸气状态参数。4、掌握水蒸气基本热力过程的特点和热量、功量、热力学能的计算。理解湿空气、未饱和湿空气和饱和湿空气的概念和意义。5、掌握湿空气状态参数的意义及其计算方法。6、熟悉湿空气焓湿图的结构，能熟练应用焓湿图查取湿空气参数。,3,主要内容,7.1水蒸气的产生7.2水蒸气的热力过程7.3湿空气,4,7.1水蒸气的产生,一、基本概念二、水蒸气的产生过程三、水蒸气的p-v图，T-s图四、水蒸气热力性质图表,5,蒸发,沸腾,在任何温度条件下发生在液体表面的汽化过程。温度越高，蒸发表面积越大，蒸发越强烈。,在一定温度（沸点）下，液体内部和表面同时发生的剧烈汽化过程。沸腾可通过加热或减压的方法实现。相同压力下，不同的液体沸点不同。,一、基本概念,如湿衣服的晾干,物质由液态转变为气态的现象称为汽化。蒸汽是由液体汽化而产生的。,1.汽化,液体开始沸腾的温度,如在0.1MPa时，水的沸点为99.634，氨的沸点为-32,汽化过程是吸热过程。,6,2.凝结,物质由气态转变为液态的过程称为凝结。,基本概念,液态物质,(放热)凝结,(吸热)汽化,气态物质,汽相空间蒸汽分子越多，蒸汽压力越大，凝结速度越快。,如水蒸汽冷凝为水,同压力下蒸汽的凝结温度与液体的沸点相等,7,饱和压力ps,饱和温度ts,如水蒸气：ps0.101325MPa，ts=100C,3.饱和状态,液面上蒸气空间中的蒸气和液体两相达到动态平衡的状态就称为饱和状态。,在饱和状态下,有:,饱和温度和饱和压力一一对应。,基本概念,8,4.干度,单位质量湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量称为湿蒸汽的干度。表示式为,饱和液体和饱和蒸汽的混合物,干度x的取值范围为01。,x0，饱和液体,0x1，湿(饱和)蒸汽,x1，干饱和蒸汽,引入干度x可确定湿蒸汽中所含饱和液体和饱和蒸汽的量，或确定湿蒸汽的状态。,mv-湿蒸气中干饱和蒸气的质量,mw-湿蒸气中饱和水的质量,基本概念,9,二、水蒸气定压发生过程,汽化潜热J/kg,预热阶段,汽化阶段,过热阶段,凝结潜热,同工质同温度下,10,三、水蒸气定压发生过程的p-v图和T-s图上,水的临界状态pc22.064MPatc373.99vc0.003106m3/kg,临界点C饱和水线(x0)、饱和蒸汽线(x1）末饱和水区、汽液两相共存区、过热蒸汽区末饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽,一点二线三区五态,在临界点C汽液两相差异完全消失，汽液相变将在瞬间完成。在临界温度以上不能用压缩的方法使蒸汽液化。,11,水蒸气的定压发生过程,tts,vv,v=v,v=v,vvv,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽,过热蒸汽,hh,h=h,h=h,hhh,ss,s=s,s=s,sss,12,四、水蒸气热力性质图表,工程上将水基准点的焓视为零已足够精确,水蒸气不同于理想气体，其参数通过实验和分析的方法求得，将不同温度和不压力下的未饱和水、饱和水、干饱和蒸汽和过热蒸汽的状态参数列成数据表或绘成线算图，以供工程计算查用。,1、零点的规定,水蒸气图表选定水的三相点（即273.16K的液相水）作为基准点，规定在该点的液相水的u、s值为零,此时有,t00.01C，p0611.659Pa，v00.001000213k，u0=0kJ/kg；s0=0kJ/（kgK）0u0p0v00.611Jkg0kJkg,制冷剂蒸气图表常将零点规定于0以下,13,2、水和水蒸气表,饱和水与饱和蒸汽表,未饱和水与过热蒸汽表（附表3）,按温度排列（附表1）,按压力排列（附表2）,湿蒸汽参数的确定:,参数右上角加“”表示饱和液体参数，加“”表示饱和蒸汽参数,注意单位,注意粗黑线,pps，tts,14,u可通过uhpv求得,表中未列出的参数用线性插值法求得,15,16,例7-2试判断下列情况下水处于什么状态，并确定其它各参数的值。（1）p0.1MPa，t50；（2）p0.5MPa，t200；（3）p0.8MPa，v=0.22m3/kg；（4）p1MPa，t179.916。,解：（1）查附表，p0.1MPa，ts99.634。而tts，故第一种情况为未饱和水状态。查附表，当p0.1MPa，t50时用线性插值法求得未饱和水的其它参数为v0.00101245m3/kg，h209.405kJ/kg，s0.70175kJ/（kgK），uhpv209.4050.11030.00101245209.304（kJ/kg）,17,（2）查附表，p0.5MPa，ts151.867，而tts，故第二种情况为过热水蒸气状态。查附表，当p0.5MPa，t200时，过热水蒸气的其它参数为v0.42487m3/kg，h2854.9kJ/kg，s7.0585kJ/（kgK），uhpv2854.90.51030.424872642.465（kJ/kg）,（3）查附表，当p0.8MPa时，v0.0011148m3/kg，v0.24037m3/kg；h721.2kJ/kg，h2768.86kJ/kg；s2.0464kJ/（kgK），s6.6625kJ/（kgK）因为v0.22m3/kg，介于饱和水与干饱和水蒸气之间，即vvv，故第三种情况为湿蒸汽状态。,18,由式可得干度该状态下的其它参数为txts170.444hxh+x（hh）721.2+0.915（2768.68721.2）2594.64（kJ/kg）sxs+x（ss）2.0464+0.915（6.66252.0464）6.2701kJ/（kgK）uxhxpvx2594.640.81030.222418.64（kJ/kg）（4）查附表，p1MPa，ts179.916，tts。故第四种情况是饱和状态，但无法确定是饱和水，干饱和水蒸气还是湿蒸汽，其余参数也无法确定。,19,3、水蒸气的焓熵图,欲获得水蒸汽的状态参数,可查,水蒸气表,水蒸气的焓熵图(莫里尔图),方便、直观,但不够精确,精确度高,但往往不太方便、且不直观,20,h-s图上的一条线表示一个确定的热力过程，查取初、终态的参数值，就可对该过程进行热工计算。,水蒸气的焓熵图,工程上常用蒸汽为图中方框部分(附图1),湿蒸汽区的定压线就是定温线,课本30页,21,7.2水蒸气的热力过程,水蒸气的热力过程分析计算步骤：,（1）根据已知初态的两个独立参数，在图上（或水蒸气表上）找到代表初态的点，并查出其它初态参数值。（2）根据过程条件（沿定压线、定容线、定温线、定熵线）和终态的一个参数值。找到终态的点，并查出终态的其它参数值。（3）根据已求的初、终态参数，应用热力学第一和第二定律等基本方程计算工质与外界传递的能量，即q，w等。,22,1.定压过程,工程计算中最常遇到.如水在锅炉中吸热形成水蒸气的过程;水蒸气通过各种换热器进行热交换的过程,忽略流动阻力等不可逆因素,或,12:定压吸热膨胀升温21:定压放热被压缩降温,23,2.定容过程,12过程:定容吸热升压升温，吸收的热量全部转化为热力学能,24,3.定温过程,12过程:定温膨胀;蒸汽状态由湿蒸汽变为干饱和蒸汽,再变为过热蒸汽,25,4.绝热过程,忽略散热及不可逆因素,对过热蒸汽，经绝热膨胀，过热度减小，变为干饱和蒸汽。若继续膨胀，则变为湿蒸汽，同时干度会随之减小。,工程计算中最常遇到.如水蒸气通过汽轮机膨胀而对外作功；又如水蒸气通过喷管的过程等,26,例5-3水蒸气在0.2MPa压力下从150定压加热到250，试求1kg水蒸气的吸热量、所作的膨胀功及热力学能增量。,解：在h-s图上，由p0.2MPa的定压线与t1150的定温线相交得初状态点1，与t2250的定温线相交得终状态点2，如图5-6所示。查得h1=2772kJ/kg，v1=1m3/kgh2=2973kJ/kg，v2=1.22m3/kg吸热量（kJ/kg）膨胀功（kJ/kg）热力学能增量（kJ/kg）,27,例5-4水蒸气由压力p11MPa，温度t1300，可逆绝热膨胀至0.1MPa，试求1kg水蒸气所作的膨胀功和技术功。（分别用h-s图和水蒸气表计算）,解：（1）用h-s图计算在h-s图上，由p11MPa的定压线与t1300的定温线相交得点1，查得h13050kJ/kg，v10.26m3/kg并求得u1h1p1v1305011030.262790（kJ/kg）过点1作定熵线与p20.1MPa的定压线相交得点2，查得h22590kJ/kg，v21.65m3/kg求得u2h2p2v225900.11031.652425（kJ/kg）故膨胀功和技术功为（kJ/kg）（kJ/kg）,28,（2）用蒸气表计算根据p11MPa、t1300，查附表6未饱和水和过热蒸汽表，得h13050.4kJ/kg，v10.25793m3/kg，s17.1216kJ/（kgK）所以u1h1p1v13050.411030.257932792.5（kJ/kg）根据终压p20.1MPa，查附表5按压力排列的饱和水与饱和水蒸气表，得ts99.634；v0.0010432m3/kg，v1.6943m3/kg；h417.52kJ/kg，h2675.14kJ/kg；s1.3028kJ/（kgK），s7.3589kJ/（kgK）,故,29,故,h2h+x2(hh)417.52+0.96(2675.14417.52)2584.8（kJ/kg）v2v+x2(vv)0.0010432+0.96(1.69430.0010432)1.6266（m3/kg）u2h2pv22584.840.11031.62662422.2（kJ/kg）故膨胀功和技术功为,（kJ/kg）,（kJ/kg）,因为s2s17.1216kJ/（kgK），ss2s，所以状态2是湿蒸汽。先求x2。根据,30,7.3湿空气,指由两种或两种以上不发生化学反应的气体组成的混合物。,什么是混合气体?,如:烟气、空气,当混合气体中的每一种组成气体都是理想气体时，由它们组成的混合气体也可以看作是理想气体,具有理想气体的一切特性。,31,一、湿空气的概念,湿空气,自然界中存在的空气都是湿空气。,干空气,+,水蒸气,完全不含水蒸气不变的整体,含量或状态有可能改变,湿空气可视为理想混合气体。,制冷工程中,空气中水蒸气的影响不能忽略。,一种混合气体,如结露,32,1、湿空气的总压力和分压力,1、湿空气的总压力和分压力,上式中，下标v代表水气，a代表干空气。,湿空气的总压力等于干空气分压力和水蒸气分压力之和,在采暖和空气调节等工程中所处理的湿空气就是大气，因此有,当地大气压,道尔顿定律,33,2、饱和湿空气和未饱和湿空气,饱和湿空气,未饱和湿空气,根据其中水蒸气所处状态（pv，t）的不同，湿空气可分为:,(干)饱和蒸汽,干空气,+,干空气,+,过热蒸汽,pvps(t),Pv=ps(t),ps(t):同温度下水蒸气的饱和压力,如图中A点,定温(t)吸湿A-B,Pv增大至Ps,如图中B点,定温(t)加入水蒸气,析出水滴,饱和湿空气吸收水蒸气的能力达到极限;升温可继续吸湿。,如大气,34,二、湿空气的湿度,湿度:湿空气中水蒸气的含量。,含湿量,相对湿度,绝对湿度,三种湿度,35,Rg,v水蒸气的气体常数，Rg,v461.5J（kgK）。,1.绝对湿度,1m3湿空气中所含水蒸气的质量，称为绝对湿度。即湿空气中水蒸气的密度：,湿空气的湿度,绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸气的多少，而不能说明湿空气的干、湿程度或吸湿能力的大小。,36,饱和湿空气,干空气,未饱和湿空气,2.相对湿度,湿空气的绝对湿度与同温度下饱和湿空气的绝对湿度之比称为相对湿度。,值越小，空气越干燥，吸湿能力越强；值越大，空气越潮湿，吸湿能力越弱。,一定温度下，水蒸气的分压力越大，相对湿度也就越大，湿空气越接近饱湿空气,湿空气的湿度,37,3.含湿量d,含有1kg干空气的湿空气中所含有的水蒸气质量称为含湿量或比湿度。,kg/kg（干空气),Rg,v461.5J/（kgK）,Rg,a287J/（kgK）,对大气，,湿空气的湿度,38,三、湿空气的温度,1.干球温度t,2.湿球温度tw,测量湿球温度。,湿球温度的高低取决于湿空气的温度和湿度。当空气的温度一定时，湿度越大，测得的湿球温度越接近空气的干球温度，当空气中的水蒸气达到饱和状态时，测得的湿球温度与干球温度相等。,干球温度不能反映湿空气中水蒸气含量的多少和湿空气是否还具有吸收水蒸气的能力。,测量湿空气的真实温度。,39,对未饱和湿空气，湿纱布中的水分蒸发吸热使水温降低，空气热量传给湿纱布中的水，若水蒸发所需的热量大于空气向水传递的热量时，则水温继续下降，直到纱布表面水蒸发所需的热量正好等于空气向水传递的热量时，纱布中的水温则不再下降，达到平衡，这个稳定的温度就称为湿球温度。整个蒸发和传热过程可以近似看作是定焓过程。,湿球温度的测量原理:,湿空气的温度,40,饱和湿空气,未饱和湿空气,湿空气中水蒸气分压力pv所对应的饱和温度称为露点温度td，简称为露点。即开始结露时的温度。,如图中A点,ps(t):同温度下水蒸气的饱和压力,含湿量d不变,定pv下降温,AC,Pv(t)=Ps(t),如图中C点,如大气,湿空气的温度,3.露点温度td,在空气调节中，常常利用露点来控制空气的干、湿程度。,继续降温,ttd,结露,当ttd,湿空气中的水蒸气凝结成水滴并分离出来,结霜,td0C,41,湿空气的温度,4.t、tw与td间的关系,除干球温度外，湿球温度、露点温度都与湿空气中的水蒸气的含量有关，,对不饱和湿空气:,对饱和湿空气:,所以,ttwtd,ttwtd,42,四、湿空气的焓,湿空气的焓：,HHaHvmahamvhv,湿空气的焓等于干空气的焓与水蒸气的焓之和,湿空气的比焓：,kJ/kg（干空气）,工程中，取0C时ha=0，且cp1.005kJ/（kgK）,则,湿空气中hv，可用查表法或公式法求取。,湿空气的干球温度,43,湿空气的焓,1.查表法,已知,由未饱和水与过热水蒸气的热力性质表,t,pv,湿空气中水蒸气的分压力,或已知,t,pb,d,附表6,直接查得hv,因此,44,湿空气的焓,