《《工程热力学》第四章-工质的热力过程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《工程热力学》第四章-工质的热力过程（117页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、4 气体与蒸气的热力过程 热力过程：系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态所经历的历程。 实际的热力过程往往较复杂； 各过程都存在不同程度的不可逆性； 工质的各状态参数都在变化，难以找出规律，也就很难用热力学方法分析。 但实际过程又具有某些简单的特征 保温良好的设备内的过程绝热过程 工质燃烧过程进行得很快绝热过程 大多化工设备内的压力变化很小（如燃气轮机燃气的燃烧加热过程）定压过程 间歇操作的反应釜内的过程定容过程 活塞式压气机中，若汽缸的冷却效果好，压缩过程温度几乎不升高定温过程 对实际过程进行抽象与简化，从而可在理论上用简单方法分析计算，再借助经验进行修正抓住主要特征、主要影响因素、突出主
2、要矛盾，从而进行定性分析与评价，又可进行定量计算。研究热力过程的主要任务 根据过程的特征，确定过程中状态参数的变化规律，即过程方程； 根据已知初态参数，确定其它初态参数； 根据过程方程及已知终态参数，确定其它终态参数； 根据热力学基本定律及工质性质确定过程中的能量转换关系。研究热力学过程的依据2） 理想气体3）可逆过程1） 热一律稳流研究热力学过程的任务和步骤1） 确定过程方程-该过程中参数的变化规律4） 计算 w , wt , q3） 求5） 用T - s 与 p - v 图表示热力过程2） 根据已知参数及过程方程求未知参数4.1 理想气体的热力过程 4.1.1 定容过程一定量的气体在容积不
3、变的容器（刚性容器）内进行加热（或放热）的过程。 过程方程 初终态状态参数之间的关系 由理想气体的状态方程 pv = RT 得：且 能量转换膨胀功技术功热 量 过程曲线定容过程，工质不做膨胀功，吸收的热量全部用于增加其内能。4.1.2 定压过程定压过程是工质在状态变化过程中压力保持不变的过程。 过程方程 初终态状态参数之间的关系由理想气体的状态方程 pv=RT 得：且 能量转换膨胀功技术功热 量 过程曲线定压过程，气体的技术功为零，其膨胀功全部用以支付维持流动所必须的流动净功；它吸入的热量等于其焓的增加。在Ts图上， 定压线较定容线平坦。 4.1.3 定温过程定温过程是工质在状态变化过程中温度
4、保持不变的过程。 过程方程 初终态状态参数之间的关系由理想气体的状态方程 pv=RT 得：且 能量转换膨胀功技术功热 量 过程曲线定温过程，气体吸收的热量全部转变为膨胀功，且全部是可资利用的技术功。4.1.4 绝热过程绝热过程是工质在与外界没有热量交换的条件下所进行的状态变化过程。 过程方程可逆绝热过程， 即等熵过程 理想气体等熵过程的过程方程当理想气体三个条件: （1）理想气体 （2）可逆过程 （3）k 为常数 初终态状态参数之间的关系结合理想气体的状 态方程 pv=RT，有且 能量转换膨胀功技术功热 量若取比容为定值，则且 过程曲线在pv图上， 所以绝热线比定温线陡。 变值比热容绝热过程的
5、计算以上的推导和计算是以k（比热容）为常数为基础的，一般仅适用于对过程进行定性分析或用于温度变化范围不大且计算精度不高的情况。在通常的设 计计算中 按平均绝热指数计算以平均绝热指数km 代替k 利用气体热力性质表计算 例1:一容积为0.15m3的储气罐，内装氧气，其初态压力p1=0.55MPa、温度t1=38。若对氧气加热，其温度、压力都升高。储气罐上装有压力控制阀，当压力超过0.7MPa时，阀门便自动打开，放走部分氧气，即储气罐中维持的最大压力为0.7MPa。问：当储气罐中氧气温度为285时，对罐内氧气共加入多少热量？（设氧气的比热容为定值： ， ）例2：空气在膨胀透平中由p1=0.6MPa
6、、T1=900K绝热膨胀到 p2=0.1MPa，工质的质量流量为qm=5kg/s。设比热容为定值，k=1.4，R=0.287kJ/(kgK)。试求: 膨胀终了时，空气的温度及膨胀透平的功率； 过程中内能和焓的变化量； 将单位质量的透平输出功表示在p-v图、T-s图上； 若透平的效率为T=0.9，则终态温度和膨胀透平的功率又为多少？例3：如图所示，两端封闭而且具有绝热壁的气缸，被可移 动的、无摩擦的、绝热的活塞分为体积相同的A、B两部分 ，其中各装有同种理想气体1kg。开始时活塞两边的压力、 温度都相同，分别为0.2MPa，20，现通过A腔气体内的一 个加热线圈，对A腔气体缓慢加热，则活塞向右缓
7、慢移动， 直至pA2=pB2=0.4MPa时，试求： A，B腔内气体的终态容积各是多少？ A，B腔内气体的终态温度各是多少？ 过程中供给A腔气体的热量是多少？ A，B腔内气体的熵变各是多少？ 在p-v图、T-s图上，表示出A，B腔气体经过的过程设气体的比热容为定值：4.1.5 多变过程 n称为多变指数， 不同的n代表不同的过程 同一过程，n有确定的值 复杂过程，可分为n段不同多变指数的多变过程 过程方程对于几种基本热力过程 定压过程 定温过程 绝热过程 定容过程 初终态状态参数之间的关系多变过程与绝热过程方程类似，所以 能量转换膨胀功（n1） 技术功热 量n与k和q/w有关。除非q/w保持不变
8、，否则n是变化的。取cv为定值，且n1称为多变过程的比热容则所以 平均多变指数为便于对实际情况进行分析计算，常用一个与实际过程相近似的指数不变的多变过程来代替，该多变指数称为平均多变指数。 等端点多变指数这种方法主要用于初、终态状态参数计算。 已知过程线上两端点状态参数1（p1，v1）、2 （p2，v2）则根据过程方程 求得多变指数 等功法多变指数从过程始点假设一条多变过程线，使之与纵轴（p轴）所围的面积与实际过程线与p轴所围成的面积相等。由此求出的多变指数称为等功法多变指数。这种方法主要用于功量计算。 利用实际过程的 lgplgv 坐标图计算将实际过程中的多个点画在lgp-lgv图上，然后用
9、一条直线拟合为多变过程线，因pvn=Const，则 lgp + nlgv=Const所以n为该直线的斜率。 利用p-v图面积对比计算实际过程线与p轴间围成的面积为技术功 wt，与v轴围成的面积为膨胀功w，依功量计算有例4：空气以qm=0.012kg/s的流速稳定流过压缩机，入口参数p1=0.102MPa、T1=305K，出口压力p2=0.51MPa，然后进入储气罐。求在下列两种情况下，1kg空气的焓变h和熵变s，以及压缩机的技术功率Pt和每小时散热量qQ。（1）空气按定温压缩；（2）空气按n=1.28的多变过程压缩，比热容取定值。4.2 蒸气的热力过程水蒸气的基本热力过程也是定容、定压、定温、
10、定熵四种。求解的任务与理想气体的过程一样：初态和终态的参数；过程中的热量和功。但蒸汽没有适当而简单的状态方程式，较难用 解析方法求得各参数；蒸汽的cp、cv以及h、u不是温度的单值函数 ，而是p或v和T的复杂函数；所以通过查图、表或由专用方程用计算机计算得出。热力学第一定律和热力学第二定律的基本原理和从其推导得出的一般关系式仍可利用。例如：适用于可逆过程 利用图表分析计算水蒸气的状态变化过程， 一般步骤如下： 根据初态的两个已知独立参数，通常为（p，t）或（p，x）、（t，x）从表或图中查得其他参数； 根据过程特征及一个终态参数确定终态，再从表或图上查得其他参数； 根据已求得的初、终态参数计算
11、q、u及w等。方法如下： 定容过程 定压过程 定温过程 定熵（绝热）过程上述过程以定压过程和绝热过程最重要。下图是水蒸气从初态1（p1，t1）定压冷却到终态2（p1，x2）的过程。从定压线p1与定温线t1的交点定出状态1，纵坐标为h1 。同一定压线与干度线x2的交点就是状态2，纵坐标为h2 。所以q= h1 - h2 。若查表计算，由（p1，t1）查出h1 、及p1查出h” 、 h ，则 h2 =x h” +(1-x) h 。下图为水蒸气从初态1（p1，t1）可逆绝热膨胀到终态p2的过程。 由（p1，t1）在h-s图上定出状态1及h1 。再从状态1作垂直线与定压线p2的交点就是状态2，从2查出
12、h2、 x2 。所以 wt= h1 -h2 ， w= u1 -u2。蒸气的绝热过程不能用pvk= Const表示，但有时需要绝热指数的数值，也可写成pvk=Const的形式。但必须注意，此时的k已不是cp/cv，而是近似估算：过热蒸气 k=1.3干饱和蒸气 k=1.135湿水蒸气 k=1.035+0.1x例5：水蒸气从p1=1MPa，t1=300 的初态可逆绝热膨胀到p2=0.1MPa，求1kg水蒸气所作的膨胀功和技术功。例6：一封闭绝热的汽缸活塞装置内有1kg压力为0.2MPa的饱和水，缸内维持压力不变。（1）若装设一叶轮搅拌器搅动水，直至汽缸内80%的水蒸发为止，求带动此搅拌器需消耗多少功
13、？（2）若除去绝热层，用450K的恒温热源来加热缸内的水，使80%的水蒸发，这时加热量又是多少？例7：在一台蒸汽锅炉中，烟气定压放热，温度从1500降低到250。所放出的热量用以生产水蒸汽。压力为10MPa、温度为30的锅炉给水被加热汽化、过热成压力为10MPa、温度为450的过热蒸气。取烟气的比热容为定值，cp=1.079kJ/(kgK)。试求：（1）产生1kg过热蒸汽需要多少kg的烟气？（2）生产1kg过热蒸汽时，烟气的熵变以及过热蒸汽的熵变。（3）将烟气和水蒸汽作为孤立系统，求生产1kg过热蒸汽时孤立系统的总熵变。 4.3 湿空气的热力过程湿空气过程的计算主要是研究过程中湿空气的焓值h及
14、含湿量d、相对湿度之间的变化关系。计算过程主要应用焓湿图、稳定流动能量方程和质量守恒方程。4.3.1 单纯加热或冷却过程湿空气单纯地加热或冷却时，其压力与含湿量均不变，所以是定湿加热、定湿冷却过程。如上图所示，根据稳态流动能量方程，过程中吸热量（或放热量）等于焓差，即：式中， 、 分别是初、终态湿空气的焓值。例8：将p10.1MPa， t15，160的湿空气在加热器内加热，在t220下离开。试确定在此定压过程中对空气供的热量及离开加热器时的湿空气 相对湿度。（114页习题8）4.3.2 绝热加湿过程 喷水加湿过程在绝热条件下，向空气中喷水使空气含湿量增 加的过程。过程进行时蒸发水分所需要的热量
15、全部来自于湿空气本身，所以加湿后空气的温度将降低。质量守恒：喷水量mw等于空气含湿量的增加 mst ，即：稳定流动的能量方程：则即所以由于水的焓值远小于湿 空气的焓值，所以有：喷水加湿过程可以近似视为定焓过程。喷水之后， 空气的含水量d、相对湿度增大，而温度t减小。 喷蒸汽加湿过程与喷水加湿过程类似，可以推导出：喷入水蒸气后，湿空气的焓h、含湿量d、相对湿度均将增大。喷蒸汽加湿过程可以近似当作等温加湿过程。例9：烘干用空气的初态参数是t125 ， 160 ，p1=0.1MPa。在加热器内被加热到50 之后再送入烘箱。从烘箱出来时的温度是40 。求:（1）每蒸发1kg水分需供入多少空气；（2）加热器中应加入多少热量。4.3.3 冷却去湿过程湿空气被冷却到露点温度（饱和状态），然后继续冷却，则有蒸汽不断凝结成水析出，达到冷却去湿的目的。此时含湿量降低，空气将一直处于饱和状态。质量守恒：凝结水量mw等于空气中含湿量的减少mst ，即： 所以，冷却水带走的热量为： 稳定流动的能量方程：则即由于水的焓值较小， 可忽略，则：
