《工程热力学课件1第4章气体与蒸汽的热力过程2010级》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学课件1第4章气体与蒸汽的热力过程2010级（137页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 气体与蒸汽的热力过程,引 言,实施热力过程的目的：,2、达到预期的状态变化，如： 定压吸热过程（锅炉：水的焓，液汽，获作功能力） 定压放热过程（凝气器：乏汽焓，汽液，便于泵送）,1、实现预期的能量转换，如： 绝热膨胀过程（热机：Q W；喷管： Q c） 绝热压缩过程（压缩机： W p；泵： W p ）,研究热力过程的目的：,揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转化情况，进而找出影响转化的主要因素。,研究热力过程的一般方法,根据实际过程的特点，将实际过程近似地概括为几种典型过程：定容、定压、定温和绝热过程。 不考虑实际过程中不可逆的耗损，视为可逆过程。 工质视为理想气体 比热容取定值
2、,实际过程是一个复杂过程，很难确定其变化规律。为简化分析，假设：,分析热力过程的一般步骤,确定过程方程 p = f ( v ) 确定初态、终态参数的关系及热力学能、焓、熵的变化量 确定过程中系统与外界交换的能量 在p-v图和T-s图画出过程曲线，直观地表达过程中工质状态参数的变化规律及能量转换,4-1 理想气体的热力过程,典型热力过程：定容、定压、定温、绝热过程。,假设：理想气体、可逆过程、定值比热容,基本公式：,一、定容过程,1、过程方程,2. 初、终态参数的关系,3. 能量转换,4. p-v图和T-s图,二、定压过程,1. 过程方程,2. 初、终态参数的关系,3. 能量转换,4. p-v图
3、和T-s图,定v 线比定p 线陡,Why?,定v：,三、定温过程,1. 过程方程,2. 初、终态参数的关系,3. 能量转换,4. p-v 图和T-s 图,四、绝热过程,可逆的绝热过程是定熵过程,可逆过程：,ds = 0,绝热过程：q = 0,1. 过程方程,即：定熵过程方程为指数方程,2. 初、终态参数的关系,3. 能量转换,绝热线比定T 线陡,Why?,4. p-v图和T-s图,定T：,四种典型热力过程 p-v 图和T-s 图,例1,分析 安全阀起跳前：定v；起跳后：定p,氧气储罐上安全阀起跳压力为0.7MPa, 问：加热到285 时，加入的Q=？,判断安全阀是否起跳：,方法1：假设没有起跳
4、，p：0.550.7，看t 能否达到285,方法2：假设没有起跳， T ：38285，看p是否大于0.7MPa,Qv= m1 Cv (T2 - T1) = 56.3kJ,（2）定p ：变质量，写出 Qp的微分式：,= 126.2kJ,需加热量：Q = Qv + Qp = 56.3+126.2=182.5 kJ,例2： 1kg空气：t1=100、p1=2bar； t3=0 、p3=1bar，其中1-2为不可逆绝热膨胀过程，其熵变为0.1kJ/kgK，2-3为可逆定压放热过程， 求：1）s123 ；2）q123,分析：,理想气体、定比热容,1）求s123， s12已知，要求s23,要求T2,2）q
5、123 =+q12 + q23,可逆定压,证,可逆：,例3：某气体的状态方程为p(v-b)=RT，热力学能u=cvT+u0，其中cv、u0为常数。试证明在可逆绝热过程中该气体满足下列方程式：,可逆绝热：ds = 0,例4：将理想气体在可逆绝热过程中所作技术功的大小，表示在T-s图上。,分析：,绝热过程技术功：,面积1ba21,1,2,T,S,五、多变过程, 工程实际中有些热力过程，p、v、T有明显变化，且系统与外界交换的Q不可忽略。则不能用上述4种基本热力过程来描述。, 实验发现，这种过程 p、v 的关系依然保持近似的指数函数, 因此提出了一种具有广泛代表性的过程-多变过程，其过程方程为：,n
6、 -多变指数， n ,2. 初、终态参数的关系:,1. 过程方程：,多变过程分析,3. 能量转换,若q/w不是恒定，则n是变化的。为便于分析计算，常用一个与实际过程相近似的n不变的多变过程来代替，该多变指数称为平均多变指数。,平均多变指数的确定方法,（1）等端点多变指数,已知过程线上两端点（p1,v1）、 （p2,v2）：,适用：初、终参数计算,（2）等功法多变指数,假想一多变过程，使之Wt 与实际过程Wt 相等。,v,适用：功量计算,（3）利用实际过程的lg p lg v 坐标图计算,将实际的多个（p,v）数据点画在lg p lg v 坐标图上，然后拟合成一条直线，因：,n 就是该直线的斜率
7、。,（4）利用p v 图面积比计算,例5 活塞对汽缸内的2kg空气压缩后，比容降为原来的1/5，汽缸对外散热100kJ。已知等功法多变指数n=1.31, 等端点多变指数 n=1.21。比热容取定值, 求技术功.,解,n用哪个?,n=1.21,T1 =384K,n用哪个?,n=1.31,wt,Wt =m wt,多变过程与四种典型热力过程的关系,多变过程在p-v图和T-s图上表示,从定容线出发，n由-0 + ，沿顺时针方向递增,过程中各能量项正负方向分析,内能与焓,定温线是确定du、dh正负的分界线,热量,定熵线是确定q正负的分界线,体积变化功,定容线是确定w正负的分界线,技术功,定压线是确定wt
8、正负的分界线,各能量项正负方向图,例6,1、试将理想气体的下列多变过程在p-v图和T-s图上表示出来： （1）工质既膨胀、又放热 （2）工质既受压缩、又升温、吸热 （3）工质既受压缩、又降温、降压,（3）工质既受压缩、又降温、降压,（1）工质既膨胀、又放热,（2）工质既受压缩、又升温、吸热,解,例7,A、B体积相同。对A腔缓慢加热，直到A、B内压力为0.4MPa时停止。设气体比热容为定值, cp=1.01kJ/kgK，cv=0.72kJ/kgK。求： （1）A、B两部分终态容积和终态温度； （2）对A腔的加热量； （3）A、B腔内气体的熵变和总熵变； （4）将A、B腔内过程在p-v和T-s图上
9、表示出来。,解 分析：,B：缓慢、无摩擦、绝热可逆绝热：定s过程,A：p、v、T变，有Q交换：吸热膨胀多变过程,（1）先计算工质物性：,B腔：定s过程：,A、B腔终态温度可用状态方程求出：,（2）求A腔吸热Q：,方法1：取整个容器工质为系统，W=0：,方法2：取A为系统，A对B做功：,（3）求S：,B定s过程： SB=0,总S= SB+ SB=831.7 J/K,（4）过程图示：,作 业,P113：思考题 14 P113：习题1、4,4.2 蒸气的热力过程,基本过程：定容、定压、定温、定熵 求解任务：确定： 初、终态参数； 过程中的w、q、u、h等。,与理想气体不同：水蒸气cp、cv 、u 、
10、h 、s不是T的单值函数，不能用公式计算，而是查图表获得,基于热力学第一、二定律的一般关系式仍可利用：,与理想气体相同,可逆：,蒸汽热力过程分析的一般步骤,已知：初态2个参数如（p, t）或（p, x）或（t, x）;一个终态参数；过程特征。 求：其他未知参数、交换的能量,步骤： （1）由初态2个已知参数查出其余所需参数； （2）由过程特征和一个终态参数确定终态点，查出其余终态参数； （3）由初、终参数计算u 、h （4）计算q、w ：方法如下：,计算q、w （ wt ）的方法,1、可逆过程：,初、终参数积分上下限,过程特征pv、Ts关系 （过程方程）,2、不可逆过程：根据过程特征，利用h-s
11、图计算,蒸汽定容、定压过程,一、定容过程,二、定压过程,v1=v2,则：,p1= p2 ,则：,蒸汽定温、定熵过程,三、定温过程,四、定熵过程,s1=s2 于是可得：,T1=T2,于是可得：,例8：,初态（p1, t1），终态（p2, x2）间热力过程在p-v图上为一条直线，求： q、w,（1）查图表其余所需初态、终态参数： v1, v2 , h1 , h2,思路,（2）h=u+pv u,若题中改为：热力过程在T-s图上为一条直线呢？,蒸汽热力过程分析例题,例9：锅炉中，管外高温烟气对管内的水定压加热使之汽化。管内：给水（9MPa，30），出口蒸汽（9MPa，450）；管外烟气定压放热：由15
12、00降为250。烟气近似为空气，cp=1.079kJ/kgK。求： （1）生产1kg该蒸汽需要多少kg烟气？ （2）生产1kg该蒸汽，烟气、蒸汽的熵变。,解 分析：,1、系统无W交换，纯换热问题。热平衡：Qy=Qw,2、烟气无相变，而水有相变，要计算Qw ，需知道水侧进出口状态,查饱和表： 9MPats=303.4 给水：未饱和；蒸汽：过热,查过冷水、过热蒸汽表： 给水（9MPa，30 ）：hw1=133.86kJ/kg, sw1=0.4338kJ/kg.K 蒸汽 (9MPa，450 ) ：hw2=3256.0kJ/kg, sw1=6.4835kJ/kg.K,(2) 烟气的熵变：,水的熵变：,
13、(3) 孤立系总熵变：,例10：汽轮机效率为0.85，求： （1）每kg蒸汽所做的功。 （2）膨胀过程的熵产,（1）求功：wt=h1-h2。先确定定熵时的终态（ p2 , s2s = s1 ） h2s , 实际h1 - h2=0.85(h1 - h2s ) ，确定实际终态（ p2 , h2）,（2）熵产：系统绝热熵流=0 熵产= s2 - s1,解,分析,定熵时的终态：,（1）每kg蒸汽实际做功:,（2）熵产：,有效能损失：,方法2：查图法,1、 p1 , t1线交点：初态点1,2、 从1点做垂线交p2线：2s点，查出h2s,3、实际终态焓：,4、实际终态2：h2水平线与p2交点。再查出s2,
14、4.3 湿空气的热力过程,h-d图,判断下列说法是否正确?,（1）含湿量越大的空气越潮湿。,（2）冬季干燥，说明温度低的空气比温度高的空气更干燥。,（3）北方冬季室外30 ，空气中不可能存在水分,1、 湿空气过程及其应用,加热：1-2:,冷却：12（ttd）,td,露点,d,继续冷却到 =100%：露点, 含湿量值相同、状态不同的湿空气，具有相同的露点。,一、 加热 (或冷却) 过程,二、绝热加湿过程,喷水加湿1-2：, tw查取方法：定h线与 =100%线交点处的温度值,结果：（1） d、t,(2) h1h2, h值相同、状态不同的湿空气，具有相同的湿球温度,tw,(2) 凝水量：,2,2,
15、d2,d1,h2,三、冷却去湿过程,(1) 过程曲线,空调工程常用方法,四、绝热混合过程,五、工程应用,（1） 烘干过程,（2） 冷却塔,作 业,P113：思考题 58 P113：习题 5,4.4 绝热节流,节流：流体流经截面突缩的孔口时压力下降的现象。,原因(机理)：热力学、流体力学,一、绝热节流分析,节流过程不可逆,节流前后流体的焓不变,节流后压力下降、比体积增大,绝热节流过程为定焓过程？,孔口附近，动能不可忽略：,二、焦耳 - 汤姆逊效应,焦耳-汤姆逊效应（1852年）：绝热节流后流体的温度发生变化。也称为“节流温度效应”,对于理想气体：,多数气体的T；少数气体如H2、He的T,节流后，p,节流前、后：,节流系数(焦-汤系数):,因为节流过程压力下降，即 dp 0,节流微分效应：微元压降导致的温度变化,节流积分效应：有限压降导致的温度变化,回转温度（inversion temperature）：,节流微分效应 J = 0 时的气体温度，Ti,例：范德瓦尔气体状态方程：,Ti,回转曲线：将T-p图分为两区, ,不存在冷效应,冷效应区: 微元dp、有限p, T均,热效应区: 微元dp : T、一定的p : T,但压降大到一定程度后，T,节流的应用,压力、流量（功率）调节-各类阀门,制冷：普冷、低温工程-热力膨胀阀
