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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,实际过程是一个复杂
2、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图和T-s图,定v 线比定p 线陡,Why?,定
3、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，p：0.550.7，看t 能否达到285,方法2：假设没有起跳，T：3
4、8285，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）q123=+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
5、，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-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
6、，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。,（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.
7、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
8、（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
9、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 14P113：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、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,
10、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（
11、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1500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
12、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：,(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
13、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s2,4.3 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
14、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,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 58P113：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、
15、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
16、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、节流阀,计量：孔板流量计、饱和水蒸汽干度测量,导出实际气体状态方程,4.5 压气机中的热力过程,引 言,压气机：消耗外功使气体压缩升压的机器,（1）按产气压力分,压气机分类：,（2）按结构分,一、活塞式压气机 的工作过程,（1）理想情况：,排气结束：活塞运动到左止点，将汽缸中的气体排尽。,忽略动能差、位能差：,压缩机的功耗近似为技术功,近似为稳流开口系：,（2）实际工作过程,最大容积：V1汽缸行程容积：Vh V1 V3有效进气容积：Ve V1 V4
17、余隙容积：Vc,工作过程：4-1：吸气 1-2：压缩 2-3：排汽 3-4：膨胀,余隙容积:防止活塞与汽缸盖撞击、便于安排进、排气阀等。,二、压气功的计算,设压缩、膨胀为多变过程。,1、理想压气功,2、有余隙的压气功,等于1-2压缩功与3-4 膨胀功之差。,有余隙时功耗下降？,3、压气机功率：,设吸入状态下体积流量为qve，则压气机功率为：,压缩1kg气体的功耗：,压缩1kg气体的功耗：,1、理想压气功:,2、有余隙的压气功:,wt相同,为何有余隙时Wt？,原因：吸气量,三、容积效率,由于余隙容积的存在，有效吸气容积V1V4 总是小于行程容积Vh，Vh不能充分利用。其比值定义为容积效率V,p2
18、/p1 V，可使V=0。单级压缩p2/p1 一般为8，需要更高压力时，应采用多级压缩。,相对余隙容积：=Vc/Vh，=0.030.08,四、压气机汽缸冷却的作用,压缩过程三种情况：绝热、定温和多变压缩。,压缩过程会使气体温度升高：,定温压缩功耗最少!,汽缸为什么要冷却？,2、减少功耗。,1、避免压缩机润滑油因高温而氧化变质（压缩机油氧化温度130）,3、有利于延长材料寿命,五、多级压缩与级间冷却,1、为什么要采用多级压缩？,2、为什么要采用级间冷却？,为了获得较高容积效率。单级压缩p2/p1 应8。需要更高压力时，采用多级压缩，使每级气缸的增压比不会过高，以得到较高的容积效率。,降低压缩过程中
19、气体的温度。使：(1)安全。材料、润滑油不能超温；（2）压气机功耗（p-V图中阴影面积)。,中间压力对耗功的影响,设两级压气机中间压力为pa，两级气缸中压缩过程的多变指数相同，功耗为：,设气体在中冷器得到充分冷却，即TbT1，则上式为,对上式其求极值：得功耗的为极小值时的压力比-最佳压力比：,每级耗功为：,z 级总耗功为：,对于z 级压缩：,如：3级压缩，将空气从0.1MPa压缩到2.7MPa。求最佳压比及中间压力。,最佳压比：,一级出口压力：,二级出口压力：,多级压缩机对外散热量,1、夹套散热量Qn,若采用最佳中间压比、间冷器完全回冷（T3=T1），则两级夹套散热量相等：,2、间冷器带走的热
20、量Qp,压缩机总散热量：,例,两级活塞式压缩机，p1=0.1MPa,t1=27,压缩到p4=6.4 MPa。可逆且两级n=1.2，对外供压缩气4m3/h，求:(1)最佳中间压力；(2)总功耗；(3)总散热量,解,(1)最佳中间压力,(2)总功耗,(3)总散热量,空气质量流量：,多变压缩过程的热量（夹套散热量）Qn：,间冷器带走的热量Qp：,总散热量：,作 业,P113：习题11,4-6 锅炉生产蒸汽的热力过程,1、什么是锅炉？,锅炉:是一种将电能或燃料的化学能转化为热能，再将热能传递给水，以生产热水或蒸汽的热工设备。,锅炉分类（按用途）：,工业锅炉：供热（生产中的各类工艺加热、生活中的采暖、空
21、调、食品蒸煮、洗浴等。通常低参数、小容量。,动力锅炉：发电、舰船动力。高压、高温、大容量,开封135t流化床,2、锅炉的构造与工作过程,空气：送风机 空预器 炉排,煤：炉前煤斗炉排灰坑,水汽：水汽水混合物汽,烟气：炉膛引风机,锅炉房设备组成,3、水蒸汽生产的热力过程,水的定压汽化过程：预热过程（ab）：未饱和水饱和水汽化过程（bd）：饱和水干饱和蒸汽过热过程（de）：干饱和蒸汽过热蒸汽,（2）锅炉的热效率,正平衡：,反平衡：,（1）热平衡组成,4、锅炉的热平衡,qr每公斤燃料带入锅炉的热量q1锅炉有效利用热量q2排烟热损失q3气体不完全燃烧热损失q4固体不完全燃烧热损失q5锅炉散热损失q6灰渣
22、物理热损失及其它热损失,4.7 热能与动能转换的热力过程,长征三号丙,1、热能与动能转换的基本方程,假设：一元、稳流、可逆绝热流动,连续方程:,能量方程：,过程方程:,声速方程:,马赫数：气体的流速与当地声速的比值:,Ma1 亚声速流动Ma1 声速流动（气流速度等于当地声速）Ma1 超声速流动0.8 Ma 1.2 跨声速流动,2、热能与动能转换的条件,（1）力学条件,能量方程,热一律,结论：c需有压差 c p,（2）几何条件,结论：来流Ma1:cA,3、转换设备及热力过程,应用：压缩机械(叶轮式压气机、离心泵等),（2）扩压管：动能(高速气流)热能(压力能),（1）喷管：热能动能（高速气流）,
23、应用：叶轮机械(汽轮机、膨胀机、燃气轮机)各类射流（高压水枪、喷雾等）飞行器尾喷管,扩压管,4.8 汽轮机中蒸汽膨胀的热力过程,1、什么叫汽轮机？,一、汽轮机概述,火力发电原理图,汽轮机（Steam Turbine）：是一种以水蒸汽为工质，将热能转变为机械能的旋转式原动机。,2、汽轮机的基本结构,汽轮机内部结构-转子,汽轮机内部结构-静子,静止部分：汽缸、静叶栅(喷嘴,导叶)、隔板、密封、轴承转动部分（总称为转子）：轴、轮盘（或转鼓）、动叶栅,基本结构:,级：一列静叶栅+一列动叶栅,3、汽轮机的分类,（1）按工作原理分：,冲动式汽轮机反动式汽轮机,（2）按热力特性分：,凝汽式汽轮机调节抽汽式汽
24、轮机背压式汽轮机抽汽背压式汽轮机中间再热式汽轮机,（3）按主蒸汽压力分,（4）按用途分,电站汽轮机（凝汽式）：定速：3000rpm，大型化、采用再热、回热等复杂循环-经济性；工业汽轮机（背压式/抽汽背压式/抽凝式）：变速：几千几万rpm，用于工业驱动、工业发电，应用广泛（石油、化工、冶金、建材、轻纺等工业部门和企业自备电站、区域热电联供、余热发电、垃圾电站、燃气-蒸汽联合循环等）。舰船用汽轮机（凝汽式）：特点：强调机动性，有倒车级（特有）。经济性其次，简单循环。,4、汽轮机的应用,1、发电（火电、核电）：汽轮机发电机组所发的电占全世界发电总量的80%，是现代化国家中的重要动力机械。2、供热：汽
25、轮机的排汽或中间抽汽可用来满足生产和生活 上供热的需要，这种用于热-电联产的热电式汽轮机，具有更高的经济性（热效率70%）3、动力驱动：冶金、化工、舰船行业各种从动机械如泵、风机、压缩机、螺旋桨的直接驱动。,二、汽轮机级的热力过程,1、汽轮机的“级”,2、动能机械能的原理：冲动、反动,（1）冲动作用原理冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力。,此力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量及其速度的变化。,（2）反动作用原理,定义：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降hb 和整个级的理想滞止焓降h t*之比。衡量在动叶中膨胀的程度。,（3）级的反动度,反动
26、力：因汽流膨胀产生一相反力（如火箭）。此力的大小取决于气体压力的变化。,(4)冲动级和反动级,特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进行，作功能力比反动级大，效率比纯冲动级高。,特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向。结构：动叶叶型对称弯曲。性能：做功能力大、效率低。不采用。,纯冲动级（=0）,1）冲动级,带反动度的冲动级（=0.050.2）,2)反动级（=0.5）,特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。结构：喷嘴和动叶采用的叶型相同。,3、级的热力过程线,（a）带反动度的冲动级(b)纯冲动级,4.9 膨胀制冷设备的热力过程,膨胀制冷设备：,
27、节流阀：气体不对外做功的绝热膨胀。低温高压时效率较高，应用：气体低温分离膨胀机（往复式、透平式）：气体对外做功的绝热膨胀。效率高，应用：低温工程压力波制冷机：气体对外交换热量的膨胀。效率低于透平式膨胀机。应用：气体低温分离,1、定熵膨胀与节流膨胀的比较,膨胀机:气体对外做功的绝热膨胀，若可逆，则为定熵膨胀,定熵膨胀微分效应：,熵的微分式：,定熵膨胀 ds=0,节流膨胀微分效应：,结论：s0,定熵膨胀产生冷效应,结论：s J,s J,由p1=10MPa，t1=550膨胀到p2=1 MPa，,节流膨胀：TJ=550-505=45,定熵膨胀：Ts=550-225=225,2、透平膨胀机的构造和工作原理,制冷原理：压缩气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体降温，实现制冷。,2、透平膨胀机的热力过程,
