(05)第五章概要

1气态工质气体：远离液态，一般可作为理想气体处理，如空气、燃气。蒸气：靠近液态，一般不能作为理想气体处理，如水蒸气、氨蒸气。水蒸气来源丰富，耗资少，无毒无味，比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能，是热工技术上应用最广泛的工质之一。第五章水蒸气与湿空气25-1水蒸气的产生过程蒸气是由液体汽化而产生的。液体汽化蒸发：任何温度下在液体表面进行的汽化现象，温度愈高愈强烈。沸腾：在给定压力所对应的温度下发生并伴随着大量汽泡产生的汽化现象。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。pts饱和蒸气饱和液体饱和压力ps、饱和温度ts：ps=f(ts)水蒸气：当ps＝0.101325MPa时，ts=100ºC；当ps＝1MPa时，ts=179.916ºC。3pttsv0ptsv'ptsvxptsv''pttsv水的定压加热过程：(,,)vhs(,,)vhs汽化潜热：J/kg湿饱和蒸气（湿蒸气）的干度xvwvmxmmmv—湿蒸气中干饱和蒸气的质量mw—湿蒸气中饱和水的质量未饱和水a饱和水b湿饱和蒸气c干饱和蒸气d过热蒸气erhh过热度stt4水蒸汽的定压产生过程在p-v图和T-s图上的表示：a-b为定压预热过程，b-c-d为定压汽化过程，d-e为定压过热过程。在p-v图上是一条水平线。在T-s图上分为三段：a-b过程中T升高，s增大；b-c-d过程中T不变，s增大；d-e过程中T升高，s增大。5不同压力下水蒸汽的形成过程在p-v图和T-s图上的表示：饱和水线饱和蒸汽线临界点临界状态：当压力增加到某一临界值时，饱合水和干饱合蒸汽将毫无差异，它们的p、v、T和s完全对应相同，这种特殊状态称为临界状态（参数加下角标“er”）。临界状态在图中用一个点表示，称为临界点。6饱和水线（下界线）饱和蒸汽线（上界线）临界点水的临界状态为：pcr=22.064MPatcr=373.99℃vcr=0.003106m3/kg在p-v图和T-s图上，有1点(临界点)、2线(上、下界线)、3区(液相区、汽液两相区、汽相区)和5态(未饱合水、饱合水、湿蒸汽、干蒸汽、过热蒸汽)。水在临界压力或高于临界压力下定压加热到临界温度时，不存在汽液分界线和汽液共存的汽化过程，再加热就直接成为过热蒸汽。7水蒸气的性质与理想气体差别很大，状态参数之间的数学表达式非常复杂。为了便于工程计算，将不同温度和压力下的未饱和水、饱和水、干饱和蒸汽和过热蒸汽的状态参数列成表或绘成线算图。有两类表：①饱和水与饱和蒸气表：分为以温度为序和以压力为序两种；②未饱和水与过热蒸气表。5-2水蒸气的状态参数8910国际标准规定，在制定蒸汽表时，取三相点（即固、液、汽三相共存状态）液相水的热力学能和熵为零。即：在p=611.7Pa，v=0.00100021m3/kg,T=273.16K时，取u=0kJ/kg，s=0kJ/(kg·K)。0.00061kJ/kg0kJ/kghupv表中未列出的状态，可通过直线内插法求得。u不列入表中，需要时可由u=h－pv计算。则：11《热工设计手册》中没有湿饱和蒸汽的状态参数表，在确定湿蒸汽的状态参数时，必须知道它的干度x，再利用饱和水、饱和水蒸气的表进行计算：1kg湿蒸汽是由xkg干蒸汽和(1－x)kg饱和水混合而成：1xvxvxvvxvv1xhxhxhhxhh1xsxsxssxss12水蒸气的焓熵图（h-s图）C临界点CA下界线CB上界线定压线定容线定温线定干度线注意：湿蒸汽区的定压线就是定温线。13本节任务：了解过程中水蒸气的状态变化规律，确定过程中水蒸气与外界的能量（功量、热量）交换。方法步骤：①根据给定条件（初态的两个参数），在h-s图上（或水蒸气表中）查出初态的其它参数值；②根据初态点和过程特点（定容？定温？定压？绝热？）以及终态的一个参数值，确定终态的其它参数值；③根据热力学基本定律，结合过程的特点，计算过程中工质与外界交换的功量与热量。5-3水蒸气的基本热力过程141.定容过程0w)(21ppvwt212121()()quuhhppv152.定温过程21212211()()()wquTsshhpvpv2121()()twqhTsshh2211d()qTsTss163.定压过程0tw21()wpvv21qhh174.定熵过程0q12twhh21uuw在热工计算中，遇到最多的是水蒸气的定压过程(如：锅炉中水蒸气的产生或冷凝器中水蒸气的凝结)和绝热过程(如：蒸汽机或汽轮机中水蒸气的膨胀作功)。18∵湿蒸气的p和T互相依赖，∴若只知道p和T，则无法确定x。工程上常利用蒸汽节流来测量湿蒸汽的干度：测量原理：湿蒸汽→节流阀降压→过热蒸汽（此时的p和T互相独立）→测得p2、T2→定出过热蒸汽状态点2→根据绝热节流过程h不变，确定湿蒸汽状态点1→由点1确定湿蒸汽的干度x。节流式湿蒸汽干度测定仪(干度计)示意图湿蒸汽的绝热节流过程19湿空气：含有水蒸气的空气。干空气：完全不含水蒸气的空气。在干燥、精密仪表和电绝缘的防潮等对空气中的水蒸气特殊敏感的领域，必须考虑空气中水蒸气的影响。湿空气中水蒸气的分压力很低，可将水蒸气视为理想气体。∴湿空气可以看作理想混合气体。根据道尔顿定律，湿空气的总压力p等于水蒸气的分压力pv与干空气的分压力pa之和：p=pv+pa5-4湿空气的性质201.未饱和湿空气与饱和湿空气未饱和湿空气：湿空气中的水蒸气未饱和，处于过热状态，湿空气还能吸收水份。此时，饱和湿空气：湿空气中的水蒸气已饱和，不能再吸收水份。此时，vsppTvsppT1－3为定温吸湿过程212.露点露点：湿空气中的水蒸气分压力pv所对应的饱和温度Td称为露点温度，简称露点。结露：定压降温到露点，湿空气中的水蒸气由过热状态变为饱和状态，若再继续冷却降温，则部分水蒸汽将凝结成水，称为结露（过程1－2）。结霜：在Td＜0℃时发生。1-2为定压降温的结露过程223.绝对湿度、相对湿度和含湿量湿度：湿空气中水蒸气的含量。（1）绝对湿度1m3的湿空气中所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度，即湿空气中水蒸气的密度：vvg,vpmVRT饱和湿空气的绝对湿度所能达到最大值为TRpvg,ss水蒸气的气体常数：g,v3v8.314J/(molK)461.518.01610kg/molRRM具有相同绝对湿度的湿空气，如果所处的温度不同，吸湿能力也将不同，∴绝对湿度还不能完全说明湿空气的干燥程度。J/(kg·K)23svsvpp时，为饱和湿空气时，为未饱和湿空气时，为干空气相对湿度越小，表明空气越干燥，吸水能力越强；相对湿度越大，空气则越湿润，吸水能力越低。1010（2）相对湿度湿空气的绝对湿度ρv与同温度下饱和湿空气的绝对湿度ρs之比，称为湿空气的相对湿度。24（3）含湿量在湿空气中，每1kg干空气中所含的水蒸气质量，称为湿空气的含湿量（或比湿度）。avavmmdkg/kg(干空气)TRpvg,vvTRpag,aa据理想气体状态方程：g,v461.5J/(kgK)Rss0.6220.6220.622vvavpppdpppppg,a3a8.314J/(molK)287J/(kgK)28.9710kg/molRRM254.湿空气的相对分子质量、气体常数及密度干空气的相对分子质量为Mr,a=28.97，水蒸气的相对分子质量为Mr,v=18.016。湿空气的平均相对分子质量可由体积分数i计算：rar,avr,vavr,ar,vMMMppMMppvr,ar,ar,vpMMMpv28.9710.954pp26湿空气的气体常数：湿空气的密度：每立方米湿空气所具有的质量。avavmmVTpRRTRpvvg,ag,ag,11avg,ag,vppRTRTTpTps001317.0287J/(kg·K)J/(mol·K)kg/molg3rv8.31428710.37828.9710.95410vRRpMppp275.湿空气的焓湿空气的焓：vvaahmhmH湿空气的比焓：vaadhhmHhkJ/kg(干空气)规定0C时干空气的焓为零，通常干空气的cp取为1.005kJ/(kg·K)，水蒸气的cp为1.842kJ/(kg·K)，0℃时饱和水蒸汽的焓值为2501kJ/kg，则：温度为t时，干空气和水蒸气的焓分别为1.005aphctt∴温度为t时，湿空气的焓为kJ/kg(干空气)v25011.842ht1.005(25011.842)htdt286.湿空气的焓－湿图利用焓-湿图可表示湿空气的状态变化过程，确定湿空气的状态参数。（大气压不同时，焓-湿图也不同。）（1）定焓线簇h0、h1、h2、h3…（2）定含湿量线簇d1、d2、d3…（3）定温线簇t0、t1、t2、t3…（4）定相对湿度线簇1、2、3…大气压为0.1MPa的焓-湿图29自然干燥法：时间长，受气候限制，干燥效果差。人工干燥法：利用未饱和湿空气来吸收被干燥物体（谷物、木材、食品、造纸等）的水分，达到干燥的目的。工程上多采用。1.加热吸湿过程为了提高湿空气的吸湿能力，通常先对湿空气进行加热。加热过程中虽然湿空气的含湿量不变，但随着温度的升高，相对湿度降低，湿空气的吸湿能力增强。5-5湿空气的基本热力过程30在焓—湿图中湿空气的加热过程如1-2所示。加热后的湿空气送入干燥室吸收被干燥物料的水份。如果忽略干燥室与外界的热量交换，物料中水份蒸发所吸收的汽化潜热完全来自湿空气，因此物料干燥过程对湿空气来说是绝热加湿过程，湿空气的含湿量d和相对湿度增加，其焓值h基本不变，如2-3所示。312.冷却去湿过程湿空气被冷却时，温度降低。在温度降至露点前，含湿量保持不变，相对湿度逐渐增加。当相对湿度达到＝1时，湿空气饱和，如果再继续冷却，则析出水份，过程将沿着饱和曲线向含湿量减少、温度降低的方向进行，如1-2所示。