注册设备工程师10年培训课件工程热力学.ppt

注册公用设备工程师考试专业基础课辅导 工程热力学辅导人北京建筑工程学院邱林 第六部分水蒸气和湿空气 一 水蒸气的基本概念水蒸气不是理性气体 而是离液相较近的实际气体 一 冷凝 汽化 蒸发和沸腾气化 液相转变为气相的过程 反过程叫冷凝 气化分蒸发和沸腾蒸发 液体表面的汽化过程 任何温度都可以发生沸腾 液体内部的汽化过程 达到沸点温度时才会发生 二 饱和状态 饱和状态 汽化与凝结的动态平衡 饱和温度Ts 饱和压力ps 一一对应 Ts ps ps 1 01325bar Ts 100 青藏ps 0 6bar Ts 85 95 高压锅ps 1 6bar Ts 113 32 饱和状态有三种状态 分别 饱和水 湿蒸汽 干饱和蒸汽 二 水蒸气的定压发生过程三个阶段 水的预热过程 未饱和水 0 01 饱和水 ts 水的汽化过程 饱和水 ts 干饱和水蒸气 ts 水蒸气的过热过程 饱和水蒸气 ts 过热水蒸气 t 汽化潜热 1kg饱和水汽化成为干饱和水蒸气所需的热量 压力越高 汽化潜热越小 在临界压力下 汽化潜热为零 水蒸气定压发生过程说明 1 2 只有熵加热时永远增加 3 实际气体 实际气体汽化时 T Ts不变 但h增加 汽化潜热 4 未饱和水 过冷度 过冷水 过热蒸汽 过热度 水蒸气的p v图和T s图 水蒸气的相变图线可以总结为 一点 临界点 二线 上界线 下界线 三区 液态区 湿蒸汽区 气态区 五态 未饱和水状态 饱和水状态 湿饱和蒸汽状态 干饱和蒸汽状态 过热蒸汽状态 水和水蒸气状态参数确定的原则 1 未饱和水及过热蒸汽 确定任意两个独立参数 如 p T 2 饱和水和干饱和蒸汽 确定一个独立参数p或T 3 湿饱和蒸汽 除p或T外 其它参数与两相比例x有关 两相比例由干度x确定 定义 干饱和蒸汽 饱和水 对干度x的说明 0 x 1 在过冷水和过热蒸汽区域 x无意义 湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数 湿饱和蒸汽区状态参数的确定 如果有1kg湿蒸气 干度为x 即有xkg饱和蒸汽 1 x kg饱和水 三 水蒸气热力性质表和图 水蒸气的状态参数可根据水蒸气表和图查得 基准点 水的三相点为基准p 0 6112kPa v 0 001m3 kg T 273 16K u 0 s 0 临界点 液相与气相平衡共存点 水的临界参数值为 tc 374 15 pc 22 129MPa 临界温度和压力是液相与气相能够平衡共存时的最高值 当温度超过一定值tc时 液相不可能存在 而只可能是气相 思考题 有没有500 C的水 水蒸气的h s图h s图的结构 C 临界点 六类等值线簇 定焓线 定熵线 定压线 定温线定容线 定干度线 四 水蒸气的基本热力过程 四个过程可利用的公式 热力学第一定律可逆过程的公式 不可利用的公式 理想气体的公式 二 饱和湿空气未饱和湿空气 过热水蒸气 干空气 如点A 饱和湿空气 饱和水蒸气 干空气 如点B 露点温度 露点 pv对应的饱和温度 湿空气 一 湿空气的一般概念 湿空气 干空气和水蒸气组成的混合气体 混合理想气体 湿空气的总压力p pa pv 在采暖与空调等工程中的湿空气是环境大气 B pa pv 2相对湿度 湿空气中水蒸气的分压力pv与同温度下饱和湿空气中水蒸气分压力ps的比值 的测量 干湿球温度计 说明了吸收水蒸气的能力 值愈大 湿空气愈潮湿 吸收水蒸气的能力愈弱 湿空气干燥 吸收水蒸气的能力 为0时 即为干空气 为100 即为饱和湿空气 介于0 1之间的湿空气是未饱和湿空气 三 绝对湿度 相对湿度 含湿量和焓 1绝对湿度 每立方米湿空气中含有的水蒸气的质量 即水蒸气密度 3含湿量d 单位质量干空气的湿空气含有的水蒸气的质量 4湿空气的焓 1kg干空气的焓与dg水蒸气的焓之和 5干球温度与湿球温度 湿球温度的形成过程近似看做是定焓过程 干球温度 湿球温度与露点三者的关系 未饱和湿空气 干球温度 湿球温度 露点温度饱和湿空气 干球温度 湿球温度 露点温度 焓 湿图上有下述图线 定含湿量线 定焓线 定温线 定相对湿度线 水蒸气分压力线 四 焓湿图 h d图 干加热 或冷却 过程含湿量保持不变过程中吸放热量 q h2 h1 五 湿空气的基本热力过程 绝热加湿过程 冷却去湿过程 第七部分气体和蒸汽的流动 1稳定流动的基本方程式气体和蒸汽在管道中的稳定流动 属绝热流动关键 气体流动过程中 气流速度变化 能量转换 状态参数变化 的规律 影响气体在管内流的 系统的外部条件 管道截面积的变化 绝热流动的基本方程 稳态稳流 稳定流动 状态不随时间变化 恒定的流量 几个基本方程 连续性方程 绝热稳定流动能量方程 定熵过程方程 基本方程 连续性方程式 过程方程式 能量方程式 动能的增加等于气流焓值的减少 喷管 利用气体压降使气流加速的管道 即dcf 0 扩压管 利用气体流速逐渐降低而使气体压力增高的设备 即dcf 0 喷管中气体状态的变化为 dcf 0 dh 0 dp 0 dv 0 扩压管中气体状态的变化为 dp 0 dcf0 dv 0 2管内定熵流动的基本特性 管道截面变化与气流速度变化的关系 喷管 Ma 1时 采用渐缩喷管 Ma 1时 采用渐扩喷管 Ma 1 Ma 1 采用缩放型喷管 拉伐尔喷管 缩放型喷管的最小截面处称为喉部 Ma 1 dA 0 临界截面 扩压管 Ma l 采用渐缩扩压管 Ma1 Ma 1 采用渐缩渐扩扩压管 马赫数 气体流速与当地声速的比值 Ma cf aMal 即cf a 超音速 Ma l 即cf a 音速 3气体的流速及临界流速 绝热流动的能量关系式 通常取cf0 0 出口流速为 临界流速 气流处于临界状态时 气流速度等于声速 临界压力比 临界流速对应的压力 喉部压力 与进口压力之比 pc p0 理想气体 单原子气体 1 67 多原子气体 1 30 双原子气体 1 40 4 喷管流量的计算在稳定流动中 气体任何截面的质量流量都是相同 常取最小截面来计算 最大流量 出口截面压力比等于临界压力比时有极大值 喷管的计算 喷管的设计计算 选型 已知 1 当即采用渐缩喷管 2 当即采用缩扩喷管 出口压力等于环境压力 渐缩喷管的校和计算 确定 已知 1 当即 2 当即 喷管的最大流量 kg s 5 绝热节流 定义 气体在管道中流过突然缩小的截面 而又未及与外界进行热量交换的过程 特点 1 绝热节流过程前后的焓相等 但整个过程绝不是等焓过程 2 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 绝热节流温度效应 温度效应只与气体的性质有关 与其状态无关 水蒸气动力循环系统的简化 热力设备 蒸汽锅炉 汽轮机 给水泵和冷凝器 锅炉 汽轮机 给水泵 凝汽器 1 2 3 4 发电机 第八部分动力循环 一 朗肯循环 朗肯循环工作循环 两个可逆定压和两个可逆绝热组成的理想循环 热力过程 0 1 定压吸热过程 1 2 绝热膨胀过程 2 3 定压放热过程 3 0 绝热加压过程 二 朗肯循环热效率分析 工质吸热q1 h1 h0工质放热汽轮机所作轴功 ws T 1 2 h1 h2水泵耗功可忽略循环净功 朗肯循环热效率 热计算 提高朗肯循环热效率的途径1 提高蒸汽初温 乏汽的干度增大 有利改善汽轮机工作条件注意 要求锅炉材料具有较好的耐热性 2 提高蒸汽初压 终态干度减小 引起汽轮机内部的耗散增加 3 降低乏汽压力 乏汽的凝结温度主要取决于自然环境的温度 三 再热循环与回热循环 再热循环 再热循环热效率比朗肯循环高 乏汽的干度显著的提高 回热循环 抽汽回热循环的热效率高于朗肯循环热效率 四 热电循环 既发电又供热的动力循环称为热电循环 热电联产 热能利用率K 可利用的能量与热源提供的总能量之比 动力循环分类 凝汽式动力循环 排汽压力低于大气压力的动力循环 背压式动力循环 排汽压力高于大气压力动力循环 调节抽汽式动力循环 凝汽式与背压式组合的动力循环 热电联产的热效率比朗肯循环低 热能利用率最高K 1 1 汽油机理论循环 定容加热循环 奥托循环 五 内燃机循环 两个定容 两个定熵过程构成 定容加热理论循环的计算 压缩比 表示压缩过程中工质体积被压缩的程度 2 柴油机的理论循环 定压加热循环 狄塞尔循环 定压加热循环的计算 3 T 定压预胀比 表示定压加热时工质体积膨胀的程度 第九部分制冷循环 制冷循环 将热量转移到高温物体 环境介质 中的一种逆循环 热量由低温传向高温 消耗机械能或热能为代价 制冷系数 1 2是空气在压缩机内定熵压缩过程 2 3是空气在冷却器中定压放热过程 3 4是空气在膨胀机中定熵膨胀过程 4 1是空气在冷室换热器中定压吸热过程 致冷系数小于逆向卡诺循环 致冷系数 一 空气压缩制冷循环 布雷顿致冷循环 压缩蒸汽制冷装置主要由压缩机 冷凝器 节流阀和蒸发器组成 二 蒸气压缩制冷循环 蒸汽压缩制冷装置的理想循环由四个过程组成 定熵压缩过程 压缩机定压放热过程 冷凝器绝热膨胀过程 节流阀定压吸热过程 蒸发器 实用的蒸气压缩制冷循环 制冷工质的循环过程 4湿蒸汽进入蒸发器在定压定温下吸收低温物体放出的热量汽化成为干饱和蒸汽 干饱和蒸汽被压缩机吸人完成一个理论循环 1将蒸发器出来的低温低压的干饱和蒸汽吸人压缩机 经定熵压缩后成为高温高压的过热蒸汽 3饱和液体通过节流阀绝热节流后成为低温低压的湿蒸汽 绝热节流前后焓值不变 2送人冷凝器 在定压下将热量放给高温物体 环境介质 从而冷却凝结成饱和液体 三 制冷剂的压焓图 1gp h图 临界点C 饱和液体线 x 0 与干饱和蒸汽线 x 1 交点 三个区 下界线 x 0 左侧为未饱和液体区 或过冷液体 下界线与上界线 x 1 之间是湿蒸汽区 上界线右侧是过热蒸汽区 图中共绘有六组等状态参数线簇 1 定压线 2 定焓线 3 定温线 4 定比体积线 5 定熵线 6 定干度线 状态点 l 压缩机的吸汽状态点2 压缩机的排汽状态点4 冷凝器的出口状态点5 蒸发器进口状态点 过程线 1 2制冷剂蒸汽在压缩机中的定熵压缩 2 3 4制冷剂在冷凝器中定压冷却 4 5制冷剂在节流阀中绝热节流 5 1制冷剂在蒸发器内的定压吸热 压缩蒸汽制冷理论循环在1gp h图上的表示 四 压缩蒸汽制冷理论循环性能分析 1 降低制冷剂的冷凝温度 热源温度 2 提高制冷剂的蒸发温度 冷源温度 3 采取适当的过冷 1 制冷量 q0 hl h5 2 放热量 q1 h2 h4 3 循环净功 w0 h2 h1 4 制冷系数 提高制冷系数的途径 蒸气压缩制冷循环 水能用否 0 C以下凝固不能流动 一般用低沸点工质 如氟利昂 氨 沸点 水 100 C R22 40 8 C R134a THR01一种亚共沸混合制冷剂 26 1 C 30 18 C 制冷能力和冷吨 生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小 制冷能力 制冷设备单位时间内从冷库取走的热量 kJ s 商业上常用冷吨来表示 1冷吨 1吨0 C饱和水在24小时内被冷冻到0 C的冰所需冷量 水的凝结 熔化 热r 334kJ kg 1冷吨 3 86kJ s 1美国冷吨 3 517kJ s 五 吸收式致冷循环 吸收式致冷是利用致冷剂液体气化吸热实现致冷 它是直接利用热能驱动 以消耗热能为补偿 吸收式致冷采用两种沸点相差较大的双工质 其中沸点低的物质为致冷剂 沸点高的物质为吸收剂 例如 氨吸收式致冷循环 其中氨用作致冷剂 水为吸收剂 吸收式致冷的冷凝器 膨胀阀和蒸发器与蒸气压缩致冷完全相同 区别是用吸收器 发生器 溶液泵及减压阀取代了压缩机 六 热泵 热泵 将热量从低温物体抽运倒高温物体 热泵与致冷是同一套装置 热泵也是逆循环 热泵与致冷区别点 工作温度范围不同 要求的效果不同 热泵系数 最大热泵系数 理想热泵功率 练习题 温度为100 的热源 非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0 的冰水混合物 试问 1 冰水混合物经历的是准静态过程吗 2 加热过程是否可逆 A是 是B是 否C否 是D否 否 B解 1 此热力过程可近似为准静态过程 因为此过程的弛豫时间很短 冰水混合物重建热力平衡的时间远远小于传热过程对冰水混合物平衡状态的破坏 2 此过程冰水混合物和外界热源之间存有温差 100 的高质能通过传热过程转换为0 的低质能 有能量耗散 为不可逆过程 练习题 某封闭的刚性容器装有一定量的空气 初态时热力学能为800kJ 容器上装有一搅拌器 通过搅拌器轴的旋转输入能量100kJ 同时容器壁向外散热500kJ 试问此时容器内空气的热力学能是多少 若为维持容器内空气的热力学能不变 由搅拌器应输入多少轴功 A 400kJ 800kJB 400kJ 100kJC 400kJ 400kJD 400kJ 500kJ 练习题某气缸活塞装置 气缸内空气的初始压力为200kPa 体积为2m3 如果活塞运动过程中维持pV恒定 当气缸内压力达到100kPa时 活塞停止运动 问空气此时的体积为多少 该热力系统与外界交换的功量为多少 A 4m3 400kJB 4m3 227kJC 2m3 400kJD 2m3 227kJ B解取气缸 活塞装置内的空气为热力系统 由 得 有 功量 练习题若热机工作在T1 2000K T2 300K两热源间 判断下列1 2 3各条件下 各热机的工作是可逆 不可逆或不可能 Q1 1000JW 900J Q1 2000JQ2 300J Q2 500JW 1500J 123 不可能可逆不可逆 计算 结果 结论 卡诺定理 已知条件 练习题一个盛满水的容器 其温度计读数为145 压力表读数为0 4MPa 大气压力为0 1MPa 问容器内的水是否沸腾 已知水在压力0 4MPa及0 5MPa时分别对应的饱和温度是143 642 和151 867 练习一理想蒸汽压缩制冷系统 制冷量为20冷吨 以氟利昂22为制冷剂 冷凝温度为30 蒸发温度为 30 求 1 1公斤工质的制冷量q0 2 循环制冷量 3 消耗的功率 4 循环制冷系数 5 冷凝器的热负荷 解 1 1公斤工质的制冷量q0从1gp h图查得 h1 147kcal kg h2 158 5kcal kg h5 109kcal kgq0 h1 h5 147 109 38kcal kg该装置产生的制冷量为20冷吨 我国1冷吨等于3300kcal h 2 循环制冷的剂量m