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1、注册公用设备工程师考试 专业基础课辅导 工程热力学工程热力学 辅导人辅导人 北京建筑工程学院北京建筑工程学院 邱邱 林林 1北京建筑工程学院 第六部分 水蒸气和湿空气 一、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 2北京建筑工程学院 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.
2、6bar Ts=85.95 高压锅ps=1.6barTs=113.32 饱和状态有三种状态,分别: -饱和水，湿蒸汽，干饱和蒸汽 3北京建筑工程学院 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。 4北京建筑工程学院 5北京建筑工程学院 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，TT
3、s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 6北京建筑工程学院 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) 7北京建筑工程学院 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 8北京建筑工程学院 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
4、说明： x = 0 饱和水x = 1 干饱和蒸汽 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 9北京建筑工程学院 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。 10北京建筑工程学院 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 p0.611 2 kPa，v0.001 m3/kg , T273.16 K,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=22.129 MPa。 *临界温度和压力是液相与气相能够
5、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500C的水？ 11北京建筑工程学院 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 12北京建筑工程学院 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
6、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。 13北京建筑工程学院 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01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。 14北京建筑工程学院 3 含湿量d 单位质量干
7、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d g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 15北京建筑工程学院 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 16北京建筑工程学院 第七部分 气体和蒸汽的流动 1 稳定流动
8、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 17北京建筑工程学院 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 定熵过熵过 程 方程 18北京建筑工程学院 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 19北京建筑工程学院 定熵流动的基本关系式 和管道截面变化规律的 关系式相同 扩压管是在已知进口参数 、进口速度和出口速度的 情况下计算出口压力 扩
9、压管与喷管的区别与联系 喷管利用气体压降使气流加速的管道。即dcf0。 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dcf0 dh0、dp0、dv0 。 扩压管中气体状态的变化为： dp0 dcf0、dv 1时，采用渐扩喷管； Ma1 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：Mal，采用渐缩扩压管。 Ma 1 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/a Maa，超音速； Ma=l，即cf=a， 音速 21北京建筑工程学院 3 气体的流速及临界流速 绝热流动的能量关系式 通常
10、取cf00，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：理想气体： 22北京建筑工程学院 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。 23北京建筑工程学院 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。 出发点：出口压力等于环境压力 24北京建筑工程学院 * 渐缩喷管的校和计算
11、-确定 已知 1) 当 即 2）当 即 喷管的最大流量 kg/s 25北京建筑工程学院 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。 在缩孔附近，流速 ，焓 2）不可逆性 26北京建筑工程学院 绝热节流前后参数的变化 (1) 对理想气体 温度不变 压力下降比容增加 熵增加 焓不变 注:理想气体的焓 是温度的单值函数 27北京建筑工程学院 (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 热效应零效应冷效应 温度降低温度不变温度升
12、高 28北京建筑工程学院 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 凝汽器郎肯循环 1 2 3 4 12 汽轮机 s 膨胀 23 凝汽器 p 放热 34 给水泵 s 压缩 41 锅炉 p 吸热 发电机 第八部分 动力循环 一、朗肯循环 29北京建筑工程学院 *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。 30北京建筑工程学院 二、朗肯循环热效率分析 工质吸热 q1h1h0 工质放热 汽轮机所作轴功 (ws,T)1-2h
13、1h2 水泵耗功可忽略 循环净功 朗肯循环热效率 * 热计算 31北京建筑工程学院 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。 32北京建筑工程学院 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。 33北京建筑工程学院 回 热 循 环 抽汽回热循环的热效率高 于朗肯循环热效率。 34北京建筑工程学院 四、热电循环 既发电又供热的动力循环称为热电循环热电
14、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 35北京建筑工程学院 1)1)汽油机理论循环汽油机理论循环 定容加热循环（奥托循环）定容加热循环（奥托循环） 3 2 3 2 4 4 1 1 p v T s s s v v 五、内燃机循环五、内燃机循环 两个定容、两个定熵过程构成 36北京建筑工程学院 定容加热理论循环的计算定容加热理论循环的计算 3 2 4
15、 1 T s v v 吸热量吸热量 放热量放热量 循环热效率循环热效率 循环净功循环净功 因因 即即有有 代入上式代入上式 得得 - -压缩比压缩比, , 表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。 37北京建筑工程学院 2) 柴油机的理论循环定压加热循环（狄塞尔循环）（狄塞尔循环） s 32 3 2 4 4 1 1 p v T s s p v 一个定压、一个定容、两个定熵 过程构成 38北京建筑工程学院 定压加热循环的计算定压加热循环的计算 3 T 吸热量吸热量 放热量放热量 循环热效率循环热效率 循环净功循环净功2 4 1 s p v 因因, ,即即 有有 而而 得得 - -定压预胀比定压预胀比, ,表示定压加热时工质体积膨胀的程度。表示定压加热时工质体积膨胀的程度。39 北京建筑工程学院 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 40北京建筑工程学院 12是空气在压缩机内 定熵压缩过程； 23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
