水蒸气和湿空气

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1、工程热力学与传热学,工程热力学 第五章 水蒸气与湿空气,水蒸气,内容要求: 掌握水蒸气的定压产生过程； 分析确定水蒸气的状态； 了解水蒸气的热力过程； 掌握蒸汽热力性质图表的结构和应用,蒸气：泛指刚刚脱离液态或比较接近液态的 气态物质。是一种实际气体。,常用蒸气：水蒸气，氨蒸气，氟里昂蒸气。,水蒸气特点： 人类在热力发动机中最早广泛使用的工质。 来源丰富，无毒无味，比热容大，传热好，有良 好的膨胀和载热性能，不污染环境。,热工计算： 不能按理想气体处理。状态方程式，比热的函 数关系以及有关热工计算的经验公式都比较复杂。 采用查图查表方法 蒸气的热力性质图表。,51 水蒸气的产生过程,1. 汽化

2、 (vaporation) ： 物质由液态转变为气态的过程。 汽化的方式有两种：蒸发和沸腾。,5-1-1 基本概念,2. 液化 (liquefaction) ： 物质由气态转变为液态的过程（凝结）。,3. 蒸发 (boil-off) ： 在液体表面较缓慢地进行的汽化过程。,蒸发速度取决于液体的性质，液体的温度， 蒸发表面积和液面上气流速度。,4. 沸腾 (boiling) : 在特定的温度下发生，在液体内部和表面同时 进行的强烈的汽化过程。,沸腾的温度与液体所受的压力有关。,特点,沸点(boiling point)： 在某一压力下，液体沸腾时的温度。 与液体的性质有关。 同种液体，沸点还随压力

3、的升高而增大。,沸腾状态的水总是烫手的。,5. 饱和状态 (saturation state) ： 气液两相处于动态平衡的状态。,饱和液体 (saturated liquid)：饱和状态下的液体； 饱和蒸气 (saturated vapor)：饱和状态下的蒸气； 饱和温度和饱和压力：,特点： （1）汽液共存； （2）汽液同温； （3）饱和压力随饱和温度的升高而增大， 两者一一对应。,6. 湿饱和蒸汽 (wet vapor)： 是饱和蒸汽与饱和液体的混合物 二者处于两相平衡。,7. 干饱和蒸汽： 不含有液体的饱和蒸汽。,8. 过热蒸汽 (superheated vapor) ； 在一定压力下，温

4、度大于饱和温度时的蒸汽。,过热度：过热蒸汽温度t 饱和蒸汽温度ts。,9. 过冷液体 (subcooled liquid) ： 在一定压力下，温度低于相应饱和温度的液体。,过冷度：饱和蒸汽温度ts 过冷液体温度t。,5-1-2 水蒸气的定压产生过程,假设：汽缸中有1kg，初温为0C的水， 水面上有一个可以移动的活塞，施加一定 的压力p（不同实验序号下维持恒定压力）， 在容器底部对水加热。,1. 水蒸气产生过程的三个阶段,未饱和水,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,饱和水,吸热，温度升高，比体积略增,水定压预热：,参数： ps，ts ，v，h，s,饱和水定压汽化,继续加热，水开始汽化，饱和温度不

5、变， 比体积增大，水量逐渐减少，汽量逐渐增加,参数： ps，ts， vx，hx，sx,继续加热，温度不变，比体积增大， 至汽缸中的最后一滴水变成蒸汽,参数：ps，ts，v”，h”，s”,参数： ps，ts ，v，h，s,干蒸汽定压过热,继续加热，比体积继续增大，蒸汽温度开始 上升，温度大于相应压力下的饱和温度,参数：ps，ts，v”，h”，s”,2. 水蒸气定压形成过程在p-v图和T-s图表示,某一压力下,3. 水蒸气定压形成过程的能量关系,（1）未饱和水的定压预热阶段,液体热用焓差表示,（2）饱和水的定压（定温）汽化阶段,用汽化潜热表示：,或用熵来计算汽化潜热：,表示湿蒸汽的干燥程度； 饱和

6、水 x=0，干饱和蒸汽 x =1; 汽轮机运行时，干度规定x=0.86-0.88,干度 (quality) ： 湿蒸汽中所含有的干饱和蒸汽的质量分数。,说明,（3）干饱和蒸汽的定压过热阶段,水蒸气定压产生过程中所需的热量：,过热热量 (heat of superheating) 用焓差表示：,5-1-3 不同压力下水蒸气定压形成过程的 p-v图和T-s图,临界点 (critical point ),下临界线 (saturation liquid line )： 不同压力下饱和水状态,上临界线(saturation vapor line )： 不同压力下干饱和蒸汽状态,液相区 (liquid r

7、egion) 汽液两相区(liquid-vapor region) 汽相区 (vapor region),未饱和水，饱和水，湿饱和蒸汽， 干饱和蒸汽，过热蒸汽,是否有400 C的水？ 0C或-10 C的水蒸气,52 水蒸气的状态参数,5-2-1 零点的规定：,选择水的三相点（273.16K）的液相水为基准点。 规定该状态下，液相水的热力学能和熵为零。,即：,焓：,5-2-2 水与水蒸气表 (steam tables for water ),饱和水与饱和水蒸气的热力性质表 （附表5，6） 未饱和水与过热水蒸气的热力性质表（附表7）,按温度排列（附表5） 按压力排列（附表6）,粗黑线上方：未饱和水

8、参数 粗黑线下方：过热水蒸气参数,两种,饱和水与饱和水蒸气的热力性质表温度排序,饱和水与饱和水蒸气的热力性质表压力排序,1. 饱和水和饱和水蒸气,压力ps或温度ts,饱和水：已知 ps/ ts，确定 v, h, s, u=h- psv,饱和水蒸气：已知 ps/ ts， 确定 v, h, s , u”=h”- psv”,2. 湿饱和蒸汽,压力ps/温度ts，干度x,湿饱和蒸汽,未饱和水与过热水蒸气的热力性质表,2.未饱和水与过热水蒸气,压力p, 和温度t,利用水蒸气表，确定下列各点的状态 （1） t=45 C, v=0.00100993 m3/kg ; （2） t=200 C, x= 0.9 ;

9、 （3） p=0.5 MPa, t= 165C ; （4） p=0.5 MPa, v=0.545 m3/kg,例 题,已知（p, t）查饱和蒸汽图表，确定蒸汽状态。,若已知p (或 t ), 及某一比参数 v, h, s, 先查饱和蒸汽表, 确定蒸汽状态。,思考题,1. 临界点时，饱和液体的焓等于干饱和蒸汽的焓。 2. 某液体的温度为T，若其压力大于T 对应的饱和 压力，则该液体一定处于未饱和液体状态。 3. 干饱和蒸汽被定熵压缩，将变为（ ）。 4. 知道了温度和压力，就可以确定水蒸气的状态。 5. 水蒸气的定温膨胀过程满足 Q=W。,实际气体,过热蒸汽,53 水蒸气的基本热力过程,水蒸气的

10、基本热力过程： 定容，定压，定温和绝热过程。,求解任务： （1）确定初，终态的参数； （2）确定过程中的热量和功量。,求解方法： 查表，图，根据专用方程用计算机计算,求解步骤 （1）根据初态的两个参数，通常(p,t)/(p,x)/(t,x)， 从表或图中查出其它初态参数； （2）根据过程特征及一个终态参数确定终态， 再从表或图中查得其它终态参数； （3）根据初，终态参数计算q , u , w 。,求解原理： 热力学第一，二定律； 可逆过程关系式。,理想气体如何确定初，终状态参数？,水蒸气由p1 = 1 MPa , t1 =300C 可逆绝热膨胀 到p2 = 0.1 MPa , 求1kg水蒸气所

11、作的膨胀功 和技术功。,例 题,思路： （1）确定初态，及初态参数； （2）确定终态，及终态参数； （3）根据过程特点和能量守恒， 计算功量。,查表,湿空气的性质,内容要求 掌握未饱和湿空气与饱和湿空气； 掌握绝对湿度，相对湿度和含湿量的概念； 了解湿空气的基本热力过程。,54 湿空气,湿空气：是指含有水蒸气的空气。,干空气：是指完全不含水蒸气的空气。,湿空气的特点：,湿空气可以看作是理想气体的混合物； 水蒸气分压力很小，多处过热状态，v较大。,湿空气遵守道尔顿分压力定律； p = pv + pa,湿空气是定组元，变成分的混合气体。 干空气的含量在过程中恒定不变； 水蒸气的含量或成分会变化。,

12、湿空气来自环境大气(pb),5-4-1 未饱和湿空气与饱和湿空气,空气中水蒸气的含量不同即分压力有高低,1. 未饱和湿空气： 由干空气和过热蒸汽组成的湿空气。,若 p v p s , 湿空气中水蒸气处于过热状态,未饱和湿空气可理解为：水蒸气的分压力尚未 达到湿空气温度下的饱和压力。,水蒸气分压力：,水蒸气的密度：,水蒸气的分压力还可继续增大。 未饱和湿空气还具有吸收水分的能力。,T一定时，增加水蒸气含量， 使pv不断增大。当pv = ps (T) ， 湿空气中水蒸气达到饱和， 过热蒸汽干饱和蒸汽， 不再具有吸收水分的能力。,如何将过热蒸汽 转变为饱和蒸汽？,2. 饱和湿空气 由干空气和干饱和水

13、蒸气组成的湿空气。,“饱和”的含义：pv =pv max = ps (T)， 水蒸气的分压力达到最大值。,分析,在该温度下，湿空气不可能再吸收水分， 达到饱和。,向饱和湿空气加入水蒸气， 将凝结成水滴析出。,法1：T一定时，增加 pv =pvmax =ps（T）, AC。,法2：保持水蒸气含量（pv）不变， 降低湿空气温度 T=TS （PV ），AB。,5-4-2 露点,1. 结露： 保持湿空气中水蒸气的分压力不变，对饱和湿 空气继续冷却降温，则其中的部分水蒸气将凝结 为水，这种现象称为结露。,2. 露点温度： 湿空气中水蒸气的分 压力pv 所对应的饱和温度。,说明,若Td 0C , 就会出现

14、结霜。,析湿过程,露点,5-4-3 相对湿度和含湿量,湿空气的湿度： 是指湿空气中水蒸气的含量。,1. 绝对湿度：,（1）定义：1m3的湿空气中所含水蒸气的质量。,（2）表示：,（3）对饱和湿空气,水蒸气 的体积,2. 相对湿度：,（1）定义：湿空气的绝对湿度与同温度下湿空气的 最大绝对湿度之比。,（2）几点说明：,相对湿度越小，湿空气中水蒸气偏离饱和 状态越远，空气越干燥，吸湿能力越强。,相对湿度：,=0，对应于干空气； =1，湿空气为饱和湿空气。,3. 含湿量（比湿度）,（1）定义：是指在湿空气中，与单位质量干空气 共存的水蒸气含量。,（2）表示：,（3）含湿量与水蒸气分压力，相对湿度关系

15、：,根据理想气体状态方程式：,因此：,5-4-4 湿空气的相对分子质量，气体常数及密度,1. 湿空气的相对分子质量：,说明,2. 湿空气的气体常数：,2. 湿空气的密度：,思考题,1. 相对湿度为=0时，说明空气中完全没有水蒸气。 2. 相对湿度为=1时，说明空气中都是水蒸气。 3. 空气的相对湿度越大，其含湿量越高。 4. 对未饱和湿空气，露点温度即水蒸气分压力所 对应的水的饱和温度。,5. pV=nRT 公式适用于： （1）水蒸气（2）湿空气（3）理想气体 6. 湿空气的d一定时，温度越高，其吸湿能力： （1）越强（2）越弱（3）相等 7. 湿空气压力一定时，其中水蒸气的分压力取决于 （1）含湿量（2）相对湿度（3）露点,思考题,问答题,1. 冬季，室内玻璃窗内侧为什么会结霜？ 为什么阴天晾衣服不宜干，而晴天易干？ 冬季室内供暖，为何要加湿？ 霉季时，冷水管的表面常有水滴出现，为什么？,房间的容积为50m3, 室内空气温度为30C， 相对湿度为60%，大气压力为0.1013MPa， 求：湿空气的露点温度td，含湿量d， 空气的质量ma，水蒸气质量mv。,例 题,总结： 要确定湿空气的状态，除压力 p，温度 t 外， 还需知道湿空气中水蒸气的含量，即知道v, , d, pv, td 中的一个。,