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1、第六章 理想气体混合物和湿空气,工程中所应用的往往不是单一成分的气体，而是由几种不同性质的气体组成的混合气体。例如锅炉中燃料燃烧所产生的烟气，就是由CO2,H2O,CO,N2等气体所组成的混合气体。又如空气调节工程中的湿空气，是由干空气和水蒸气所组成的混合气体。制冷工质有的是混合工质，因此有必要研究混合气体的热力性质。本章主要研究由理想气体所组成的混合气体，而且不涉及化学反应。,6.1 理想气体混合物的基本概念,热力过程中的工质大都为气体混合物,例：锅炉烟气 CO2,CO,H2O,N2,燃气轮机中的燃气,空调工程中的湿空气,水蒸气含量低，稀薄，当作理想气体,无化学反应的理想气体混合物,6.1.
2、1 混合物的各组成分数及相互换算,理想气体混合物中各组元气体均为理想气体，因而混合物的分子都不占体积，分子之间也无相互作用力。因此混合物必遵循理想气体方程，并具有理想气体的一切特性。,混合物分数：混合物中各组元所占的份额,不同物量单位下：,质量分数,摩尔分数,体积分数,1.质量分数,第 i 种组元气体的质量分数：,设混合气体由1,2,3,i,k种气体组成,各组元质量分数之和为1,设混合气体由1,2,3,i,k种气体组成,摩尔数,第 i 种组元气体的摩尔分数：,各组元摩尔分数之和为1,2.摩尔分数,质量分数与摩尔分数的换算,已知 xi,6.1.2 混合物的摩尔质量与气体常数,混合气体摩尔质量M与
3、i组元的摩尔质量Mi关系,混合气体气体常数Rg与i组元的气体常数Rgi关系,分压力pi,6.1.3 分压力定律,各组成气体都处于与理想气体混合物温度、体积相同的情况下，各自单独对容器的压力称为分压力。用Pi表示。,分压定律,p T V,分压力pi,理想气体混合物的压力P等于各组成气体的分压力Pi之和,p T V,分体积Vi,6.1.4 分体积定律,各组成气体都处于与理想气体混合物温度、压力相同的情况下，各自单独占据的体积称为分体积。用Vi表示。,p T V,分体积Vi,体积分数,摩尔分数,理想气体混合物的总体积V等于各组成气体的分体积Vi之和,分体积定律,例 某船烟囱每秒排出绝对压力为0.11
4、Mpa、温度为300的烟气60m3，由烟气分析器测得烟气的摩尔分数如下所示，试求每秒排出烟气的质量以及各组成气体的质量。,解：根据理想气体状态方程，先求出烟气的总摩尔数,6.2 理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵的计算,6.2.1 混合物的比热容,对第i种组分,理想混合气体的质量比热容,理想混合气体的容积比热容,理想混合气体的摩尔比热容,J/kg.K,J/mol.K,比定压热容,J/kg.K,J/mol.K,比定容热容,6.2.2 混合物的热力学能、焓和熵,理想气体混合物的热力学能为各组成气体热力学能之和,理想气体混合物的焓和比焓,理想混合气体的熵和比熵,*熵不仅与温度有关，而且还与压力
5、有关。因为温度为T的组成气体单独存在于体积V中，其分压力为Pi，所以计算组成气体比熵的变化量时应采用其分压力Pi，而不是理想混合气体的压力P,熵变,同理：,思考题,1、下面表达式是否正确？,错。分压力与分体积不能同时出现,正确,总 结,【例3-5】,锅炉燃烧产生的烟气中，按容积分数二氧化碳占12%，氮气占80%，其余为水蒸气。假定烟气中水蒸气可视为理想气体，试求：（1）烟气的折合千摩尔质量和折合气体常数；（2）各组元的质量分数；（3）若已知烟气的压力为0.1MPa，试求烟气中水蒸气的分压力。,可求得烟气的折合千摩尔质量为：,解：（1）按题意：,折合气体常数为：,（2）各组元的质量分数：,【例3
6、-5】,（3）可求得烟气中水蒸气的分压力：,【例3-5】,6.3 湿空气及其状态参数,干空气：不含水蒸汽的空气。通常其组元和成 分是一定的。湿空气：含有水蒸汽的空气。是干空气和水蒸 气的混合物。,一般湿空气中水蒸汽的分压力很低（0.0030.004MPa），处于过热状态，性质接近于理想气体，可按理想气体处理，因此湿空气是理想气体混合物。理想气体状态方程和遵循的定律及理想气体混合物计算式都适用，但是湿空气中的水蒸汽含量会改变，因此湿空气又有一些特殊性质。,湿空气（干空气水蒸气）,湿空气与一般理想混合气体的最大区别是水蒸气的含量会由于蒸发和凝结而有可能变化。,分压低(0.003 0.004MPa)
7、,理想混合气体,下标约定：a干空气；v水蒸气；s饱和水蒸气；无下标为湿空气参数,6.3.1 湿空气的总压力与分压力,一般湿空气来自环境大气，P=Pb，湿空气压力(大气压力),湿空气的分类：按照湿空气中的水蒸汽所处状态不同可分为：饱和湿空气：由干空气和饱和水蒸汽组成的湿空气。此时Pv=Ps（湿空气温度所对应的饱和压力）。未饱和湿空气：由干空气和过热水蒸汽组成的湿空气。此时PvPs，湿空气中的水蒸汽处于过热状态，湿空气的温度不变，水蒸汽含量可增加，湿空气具有吸湿能力，故称为未饱和湿空气。,a,1、未饱和湿空气,干空气 过热水蒸气,pv ps(T),T,s,P,T,pv,ps,b,2、饱和湿空气,p
8、v ps(T),温度一定，不能再加入水蒸气,2、pv，T 绝热加水蒸发,从未饱和湿空气到饱和湿空气的途径,T,s,pv,ps,a,b,d,c,结露,Td 露点温度,b,d,a,s,o,T,c,c,露点温度：湿空气中水蒸汽分压力所对应的饱和温度，用Td表示。即在一定的Pv下未饱和湿空气冷却到饱和湿空气时（将结出露珠）的温度。Td=Ts（Pv）。所以Pv越大，Td也越大。当大气压力一定时，TdPv含水蒸汽量,Td=Ts(pv),结露与露点,湿润的夏天水管上常出现水珠?,冷水管t=20oC,T,s,d,td=28.98oC,干燥的冬天pv小，,td0.0 oC,结霜,露点是湿空气的一个重要状态参数。
9、在空气调节中,为了减少湿空气中水蒸汽的含量,可设法使湿空气冷却到温度低于露点,水蒸汽便以水滴形式析出。露点对柴油机的低温腐蚀以及锅炉的运行管理有较大的影响。锅炉尾部的受热面以及空气预热器的堵灰和腐蚀,就是由于受热面的金属温度低于烟气中水蒸汽和二氧化硫气体的露点之故。一旦出现结露,如果水蒸汽和二氧化硫气体凝结,在受热面上将形成硫酸、就会造成严重腐蚀。防止堵灰和腐蚀的主要原则是设法避免烟气中的水蒸汽结露。,湿度：湿空气中所含水蒸气的量,1、绝对湿度,每1m3湿空气中所含的水蒸气的质量，用 表示,kg水蒸气/m3湿空气,6.3.2 绝对湿度和相对湿度,实际上是在湿空气温度和水蒸气分压力Pv状态下水蒸
10、气的密度,绝对湿度,T,pv下水蒸气的密度,不常用,绝对湿度只能说明湿空气中水蒸汽实际含量的多少，而不能反映出湿空气中水蒸汽所处的状态，因此绝对湿度不能反映湿空气的吸湿能力。,2、相对湿度,湿空气中实际含有水蒸汽的质量与同温度下湿空气中可能含有最多的水蒸汽质量的比值。由绝对湿度定义知，即为湿空气中水蒸汽的分压力与相同温度的饱和湿空气中水蒸汽分压力之比。,相对湿度,1 饱和湿空气,在相同的温度下：,相对湿度,0 干空气,0 1 未饱和湿空气,表明湿空气与同温下饱和湿空气的偏离程度,反映所含水蒸气的饱和程度,相对湿度的测量,相对湿度和干球温度及湿球温度有一定函数关系，查图可由干、湿球温度计读出查得
11、相对湿度,相对湿度的测量,图中干球温度计是一支普通的温度计，而湿球温度计头部被尾端浸入水中的吸液芯包裹。当空气流过时，干球温度计指示出空气温度，或称为干球温度，用t表示。而湿球温度计反映的是吸液芯中水的温度，这个温度称为湿球温度，用tw表示。如果空气未饱和，吸液芯中的水将向空气中蒸发而使水温下降，同时空气与水之间的温差导致空气向吸液芯中的水传热，从而阻止水温不断下降，在达到平衡时湿球温度总低于干球温度，但比空气的露点高。空气中的相对湿度越小，蒸发越快 tw值越低，干湿球温度差（t-tw）将越大。反之，相对湿度越大，则干湿球温度差（t-tw）将越小。当相对湿度为1时，干湿球温度相等。,6.3.3
12、 含湿量,以湿空气为工质的某些过程，如干燥、吸湿过程，干空气作为载热体或载湿体，它的质量或质量流量是恒定的，只是湿空气中的水蒸汽质量发生变化。为方便计算，湿空气的一些状态参数如含湿量、焓、气体常数、比体积、比热容等，都以单位质量干空气为基准。,含湿量:单位质量干空气中含有水蒸汽的质量。用表示,其单位为 g水蒸汽kg干空气。,含湿量不是以1kg湿空气为计算的基准,而是以1kg干空气作为计算的基准的。含湿量理解为与1kg干空气相混合的水蒸汽质量。即在（1+0.001d）kg湿空气中含有克水蒸汽。,由于湿空气可视为理想气体,对水蒸汽和干空气分别有,6.3.4 湿空气的焓,在湿空气总压力pb不变的情况
13、下，水蒸汽分压力与湿空气的含湿量之间是一一对应关系。在湿空气总压力pb不变的情况下，相对湿度愈高，含湿量也愈高。,?为什么阴雨天晾衣服不易干，而晴天容易干？,湿空气的比焓：含有1kg干空气的湿空气的焓，它等于1kg干空气的焓和0.001d kg水蒸汽的焓之和。单位：kJ/kg,工程上，取0oC时,干空气的焓,水蒸气的焓,温度t下,饱和水的焓 hv=0,干空气平均比定压热容,0水蒸气汽化潜热,水蒸气平均比定压热容,以1kg干空气为基准的湿空气的比焓为,6.4 焓湿图,根据湿空气的各种参数表达式和水蒸气热力性质图表，可由湿空气参数T、d、pv、Td、Tw、h中任意两个相互独立的参数求其余的参数。为
14、了工程计算方便，常用焓-湿图。（它是以含1kg干空气的湿空气为基准，在一定的大气压力下绘制的。在实用中要尽量寻找基本适合当时当地大气压力的状态参数图）,焓-湿图（h-d图）中横坐标是含湿量，纵坐标是焓，为使各曲线簇不致拥挤使图疏松一些，提高读数准确度，两坐标夹角为135，而不是90。,焓湿图的结构,d=0 干空气,d,h,135度,定含湿量线是一组平行于h轴的垂线d值自左向右增大,与d轴成45度,定焓线是一组直线群,d,h,焓湿图的结构,正斜率的直线，随着温度增大，斜率逐 渐增大，与横坐标的截距也逐渐增大,等干球温度线,下部无意义,焓湿图的结构,d,h,是一组向上凸的线,定相对湿度线,上部未饱
15、和线,干空气d=0,饱和线,d,h,4、线,ts=99.63oC,焓湿图的结构,d,h,焓湿图的结构,5、水蒸气分压力线与含湿量交叉线,左下方向右上方,倾斜的直线，可由d值在右边框线轴找到Pv值,5、水蒸气分压力线与含湿量交叉线,d,h,6、露点td,pv下饱和湿空气,td,焓湿图的结构,d,h,焓湿图的结构,6、热湿比线,角系数：描述过程 方向与特征,h-d图上为直线,h-d图不仅能用点来代表湿空气的某一状态，还可用线段代表湿空气的状态变化过程。,焓湿图的结构,d,h,6、热湿比线,1,2,已知初态1,过程斜率已知可确定终态或知道初终态，可确定角系数,湿空气任何变化过程，如果角系数相同，过程
16、线平行,焓湿图的结构,不同的pb不同的h-d图,d,h,焓湿图,6.5 湿空气的基本热力过程,在远洋船舶上，都设有空调系统，改善船员生活条件。系统包括：过滤器、加热器、冷却器、加湿器和风机等组成。,在其工作时，由风机将一部分舱室内的空气（简称回风）和外界新鲜空气（简称新风）混合吸入，该过程称为“混合过程”，这是在满足卫生条件下，节省冷量或热量，以改善系统经济性。混合风再经过过滤器除去灰尘。在冬天，其经过加热器提高温度，又经过加湿器被喷入水或水蒸气以增加其相对湿度，这就是“加热过程”和“加湿过程”，最后混合风送入船上个舱室。在夏天则在经过过滤器后的混合风，通入壁面温度低于露点的冷却器，进行降温去
17、湿的“冷却过程”，然后输入各舱室。湿空气在空调系统经历一系列基本热力过程：混合过程、加热过程、冷却过程、加湿过程等。,6.5.1 混合过程,d1,d2,qma2,qma1,qma3,d3,质量守恒原理,干空气质量：,混合后湿空气所含水蒸气质量：,能量平衡方程,d,h,2,1,h3,h1,3,h2,qma2,qma1,d1,d2,qma2,qma1,qma3,d3,d2,d3,d1,只需将混合的状态点连成直线，根据与质量流量成反比关系得到混合后状态点,1,6.5.2 加热过程,湿空气经过加热器被定压加热时,由于其中的水蒸汽质量未变,所以这一过程称为定含湿量过程，而且湿空气中水蒸汽的分压力和露点都
18、不变。由于吸收热量温度升高，焓值上升，相对湿度减小，吸湿能力增大。,h增加 d不变,1,2,q,d,h,2,加热,2,6.5.3 冷却过程单纯冷却过程,在冷却器内若冷却器壁面温度高于该湿空气的露点温度，湿空气经过时定压放出热量,其中的水蒸汽质量未变，含湿量保持不变。由于放出热量温度降低，焓值降低，相对湿度增大，吸湿能力减弱。,1,h降低 d不变,1,2,q,放热,d,h,如图中1-A-2，过程沿等湿线温度降到露点A后，沿=100的等湿线向含湿量、温度减小的方向进行。湿空气含湿量的减少等于其凝结的水量d=d2-d1,6.5.3 冷却过程冷却去湿过程,当湿空气被冷却到露点温度时达到饱和状态，若继续
19、冷却，则将有水蒸气凝结析出，实现去湿的目的。,tA,t1,A,1,hA,h1,2,h2,t2,h,d,对于1kg干空气加湿后加入水的质量,6.5.4 加湿过程,6.5.4.1 喷水加湿过程,d,h,1,2,d1,h1,d2,h2,d2-d1,h水,t1,t2,据能量守恒，湿空气焓的 变化等于喷入水的焓,喷水前,喷水后,h水很小，（d2-d1）也较小,工程上可近似地把喷水加湿过程按定焓过程处理,6.5.4 加湿过程,6.5.4.2 喷蒸汽加湿过程,d,h,1,2,2,d1,h1,d2,h2,d2-d1,hv,t1,t2,喷前,喷后,能量守恒,向空气中喷水蒸汽,喷入蒸汽量与空气量相比较少，尽管饱和蒸汽温度较高，仍不能显著提高空气温度，工程上可近似把喷蒸汽加湿过程按定温过程处理,
