上海交大工程热力学(第四版)课件-第12章-混合气体和湿空气.ppt

1、1第十二章第十二章 混合气体和湿空气混合气体和湿空气 Gas mixtures and moist air12-1 理想气体混合物理想气体混合物 12-2 湿空气湿空气12-3 相对湿度和含湿量相对湿度和含湿量12-4 湿空气的焓湿空气的焓-湿图湿图12-5 湿空气的热力过程湿空气的热力过程2121 理想气体混合物理想气体混合物一、处理气体混合物的基本原则一、处理气体混合物的基本原则 混合气体混合物的组分都处理想气体状态，则混合气混合气体混合物的组分都处理想气体状态，则混合气体也处理想气体状态；体也处理想气体状态； 混合气体可作为某种假想气体，其质量和分子数与混合气体可作为某种假想气体，其质量

2、和分子数与组分气体质量之和及分子数之和相同。组分气体质量之和及分子数之和相同。gpVm RT混混理想气体混合物可作为理想气体混合物可作为Rg混混和和M混混的的“某种某种”理想气体。理想气体。gM RR混混330()22.4 10 m /molMvinn混iin Mn M 混混平均气体常数，平均气体常数，折合气体常数折合气体常数平均摩尔质量，平均摩尔质量，折合摩尔质量折合摩尔质量3二、混合气体的分压力定律和分容积定律二、混合气体的分压力定律和分容积定律1. 分压力定律分压力定律(Dalton law of partial pressure) 分压力分压力组分气体处在与混合气体相同容积、相同组分气

3、体处在与混合气体相同容积、相同温度单独对壁面的作用力。温度单独对壁面的作用力。 nRTpV RTnVpiiRTnVp11RTnVpmmnRTnRTpViiipp 分压力定律分压力定律4 2. 分容积定律分容积定律(law of partial volume) 分容积分容积组分气体处在与混合气体同温同压单独组分气体处在与混合气体同温同压单独 占有的体积占有的体积。nRTpV RTnpV11iipVn RTmmpVn RTiip VRT nnRTiVV 分容积定律分容积定律5三、混合气体成分三、混合气体成分iimwm2.体积分数体积分数 (volume fraction of a mixture)

4、1iiiVV3.摩尔分数摩尔分数 (mole fraction of a mixture)1iiixnnx1.质量分数质量分数 (mass fraction of a mixture)11iiimmwmmmm64.4.各成分之间的关系各成分之间的关系)iiax)giiiigiRMbwxxRM混混iiVV混iiiin MvnxnMvn混混混gggggggg/iiiiiiiiiiiiiiRRpVR TRmVwxmpV RTVRRRR MMxxR MM混混混混混混混7iipx p6. 利用混合物成分求利用混合物成分求M混混和和Rg混混1)已知质量分数已知质量分数ggiiRw R 混iiii/npV

5、RTpxnpV RTp混gRMR混混5. 分压力和总压力分压力和总压力ggggggiiiiiiiRwxw RRxRxRR 混混混混82)已知摩尔分数已知摩尔分数iiMM x 混iiiiiiiin Mnn Mn MMMx Mnn 混混混混混gRRM混混例例A711143例例A4111439四、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵四、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵1.比热容比热容iicwc 混2.热力学能热力学能iUU 混3.焓焓iiiiiHHUpVUV pUpVH 混混4.熵熵ii iSSm s 混iicxc 混mmiiCxC 混mmpVCCR()iiiiiHHmhhwhmmm 混

6、混1 kgi isws 混()iiiimuUuwumm 混10 如某种混合气体由如某种混合气体由A,B两种气体组成两种气体组成,混合气体压力混合气体压力 p,分分压力为压力为 pA、pB 温度为温度为 T ,则则,AAABBBsw sp Tw sp T混分压力分压力111 kgddi isws混定比热容定比热容,22g1,1lnlniipiiiipTswcwRTp 混m,mdddiipiiipTSxCx RTp 混diiw s gddiipiiipTw cRTp gddiipiiiipTwcwRTp 1 mol,22m,m1,1lnlniipiiipTSxCR xTp 混定比热容定比热容五、混

7、合气体五、混合气体( (无化学反应无化学反应) )过程熵变过程熵变12例例A4412551例例A4412552讨论混合熵变讨论混合熵变13122 湿空气湿空气 地球上的地球上的大气大气由由氮、氧、氩、二氧化碳、水蒸气及极微量氮、氧、氩、二氧化碳、水蒸气及极微量的其他气体的其他气体组成。组成。水蒸气水蒸气以外的所有组成气体称为以外的所有组成气体称为干空气干空气，看作是不变的整体。因此，看作是不变的整体。因此，大气是干空气与水蒸气组成的混大气是干空气与水蒸气组成的混合气体合气体。 干空气随时间、地理位置、海拔、环境污染等因素而产生干空气随时间、地理位置、海拔、环境污染等因素而产生微小的变化，为便于

8、计算，将干空气标准化（不考虑微量的其微小的变化，为便于计算，将干空气标准化（不考虑微量的其它气体）。它气体）。成分成分相对分子质量相对分子质量摩尔成分摩尔成分O232.0000.209 5N228.0160.780 9Ar39.9440.009 3CO244.010.000 3一、干空气和湿空气一、干空气和湿空气14湿空气湿空气=干空气干空气(dry air)+ 水蒸气水蒸气(water vapor)湿空气是湿空气是理想气体混合物理想气体混合物avppp一、未饱和湿空气一、未饱和湿空气(unsaturated air)和和 饱和湿空气饱和湿空气(saturated air)svttp空气饱和与

9、否取决于空气饱和与否取决于t，pvgRRM空气中的水蒸气空气中的水蒸气svttp过热过热空气未饱和空气未饱和饱和饱和空气饱和空气饱和15如如/ C1102030/kPa 0.6556 1.2279 2.3385 4.2451stpv0.655 6 kPap 20 C1 C当当vspp空气未饱和空气未饱和vspp空气饱和空气饱和空气达成饱和的途径空气达成饱和的途径 t 不变不变，pv 上升，上升，pv = ps(t)Pv 不变不变，t 下降，下降，t = ts (pv)16二、露点二、露点（dew point） 湿空气中水蒸气压力湿空气中水蒸气压力pv所对应所对应 的饱和温度，的饱和温度，td=

10、ts(pv) 。例例A42214421712-3 相对湿度和含湿量相对湿度和含湿量一、一、绝对湿度绝对湿度(absolute humidity) 每立方米湿空气中水蒸气的质量每立方米湿空气中水蒸气的质量 kg/m3vvp3）v 数值不能直接反映湿空气吸湿能力的大小，如数值不能直接反映湿空气吸湿能力的大小，如 pv = 0 .656 6 kPa，1时时 pv = ps，无吸湿能力，无吸湿能力10时时pv ps有吸有吸湿能力。湿能力。vv,maxppv1）vvvgvvvgv1pp vR TvR Tvv1v理想气体理想气体2）spvsv,max18 二、二、相对湿度（饱和度相对湿度（饱和度）（hum

11、idity） 湿空气中水蒸气含量与同温度下最大可能含量之比。湿空气中水蒸气含量与同温度下最大可能含量之比。vsvspp01 =0 干空气干空气0 ts（p），如在），如在1atm时，时，t 100 时，时， 由于水蒸汽的最大压力（饱和压力）由于水蒸汽的最大压力（饱和压力）ps p，故故v,maxsppp1.vsppvvvgv1pvR Tsssgs1pvR T2.此时此时vvv,maxpppp19三、三、含湿量含湿量d (humidity; humidity ratio) 1 kg干空气中所含水蒸气的质量干空气中所含水蒸气的质量vamdma）当）当p一定时，一定时，vdpt v0.622ppsp

12、dssppp622. 0vv0.622pppvaVdVvavg,vag,ap VR Tp VR Tva0.622ppkg水蒸气水蒸气/kg干空气干空气b) 一定，一定，p、升温吸湿原理升温吸湿原理kg/kgDA讨论：讨论：例例A922133例例A42224420四、四、干球温度干球温度 t (dry-bulb temperature)，湿球温度湿球温度 tw (wet-bulb temperature)和绝热饱和温度和绝热饱和温度t ad(adiabatic-saturation temperature) 1. 干、湿球温度计干、湿球温度计(wet-and-dry-bulb thermomet

13、er; psychrometer)原理原理21wdttt原理原理有效汽膜层内有效汽膜层内饱和饱和vv,()sppp，汽膜主流饱和温度饱和温度wt饱和温度饱和温度dtvvvav0.6220.6220.622pppdppppdd汽膜主流22232. 绝热饱和温度绝热饱和温度(adiabatic-saturation temperature)2412-4 湿空气的焓湿空气的焓- -湿图湿图(psychrometric chart)一、湿空气的焓一、湿空气的焓a av vavaamhm hHhhdhmm kJ/kgDACkg/kgDAC10052501 1.86htdtv2501 1.8903ht东南

14、大学东南大学清华大学清华大学北京林业大学北京林业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学v2501 1.842htv2501 1.964ht2v2a2501 1.8500.000211.0020.00005htthttkJ/kg干空气干空气kJ/kgDA例例A42217725 0kJ/kgCC7.4956280.793762916.93575exp(0.053106)htt 干空气湿空气的焓也可由湿空气的焓也可由浜田棠浜田棠- -吉田崇吉田崇式计算式计算pb=101.325 kPa、t 5 0。 kPa0kJ/kgkPakPa101.3101.31.005bCbbphthpp干空气在在 t 不超过不超

15、过55 时，误差不大于时，误差不大于1%。 适用范围：适用范围：若若 pb101.325 kPa，需按下式修正：，需按下式修正：26 按按1 kg干空气干空气加加d kg水蒸气水蒸气的理想气体的理想气体混合物混合物计算计算 注：湿空气中水蒸气的参数可以通过查水和水蒸气注：湿空气中水蒸气的参数可以通过查水和水蒸气 的热力性质表确定，也可以按理想气体性质计算。的热力性质表确定，也可以按理想气体性质计算。三、三、 h- -d 图图tdth86. 12501005. 1注意：注意：h-d 图随图随 pb 改变而改变改变而改变1.制图依据制图依据sspppd622. 0二、湿空气其他状态参数二、湿空气其

16、他状态参数272. 线群介绍线群介绍 1）定）定d 线线 一组平行于纵坐标的直线群。一组平行于纵坐标的直线群。 露点露点 td 是湿空气冷却到是湿空气冷却到 =100%时时的温度。因此，含湿量的温度。因此，含湿量 d 相同、状态相同、状态不同的湿空气具有相同的露点。不同的湿空气具有相同的露点。 2）定）定 h 线线3）定）定 t 线线 由由h=1.005t+(2501+1.86t)d ，当湿空气的干球温度，当湿空气的干球温度t = 定值时，定值时，h 和和d 间成直线变化关系。间成直线变化关系。t 不同时斜率不同时斜率不同。因此等不同。因此等t线是一组互不平行的直线，线是一组互不平行的直线，t

17、 愈高，愈高，等等 t 线斜率愈大。线斜率愈大。 284）定）定 tw 线线 绝热增湿过程近似为等绝热增湿过程近似为等 h 过程，湿空气的湿球温过程，湿空气的湿球温 tw (近似等近似等于绝热饱和温度于绝热饱和温度tw)是沿等是沿等h 线冷却到线冷却到=100% 时的温度。因时的温度。因此，焓值相同状态不同的湿空气具有相同的湿球温度。此，焓值相同状态不同的湿空气具有相同的湿球温度。 5）定）定线线等等线是一组上凸形的曲线。线是一组上凸形的曲线。 0.622sspdpp所以总压力所以总压力p 一定时，一定时， = f (d, t ) 。1622. 0d h-d 图都是在一定的总压力图都是在一定的

18、总压力p 下绘制的，水蒸气的分压下绘制的，水蒸气的分压力最大也不可能超过力最大也不可能超过 p。因此当湿空气温。因此当湿空气温 度等于或高于度等于或高于100时时定义为定义为 = pv/p。此时。此时等等线就是等线就是等d 线，所以各等线，所以各等线与线与t = 100的等温线相交后，的等温线相交后，向上折与等向上折与等d 线重合。线重合。 29 6）定）定v线线 =0，即干空气状态，这时，即干空气状态，这时d = 0，所以它和纵坐标线重合。所以它和纵坐标线重合。 7）pv = f (d) 线线vvav0.6220.622ppdpp pv0.622pdpd 当当d 0.622时，则时，则pv与

19、与d近似成直线关系。所以，图中近似成直线关系。所以，图中d 很小那段的很小那段的pv 为直线。该曲线画在为直线。该曲线画在=100%等湿线下方，等湿线下方，pv的单位为的单位为 kPa。 301110.1MPa,20 C,65%pt144.0 kJ/kgh 干空气例例1 已知湿空气参数已知湿空气参数3. h-d图应用图应用求其他参数求其他参数解：由温度及相对湿度在解：由温度及相对湿度在h-d 图图上确定点上确定点1的位置，由此读出的位置，由此读出w16.8 Ct19.3g/kgd 干空气d13.5 Ct v1.3kPap 由由h1与与 交点读出交点读出100%由点由点1作垂线，与交作垂线，与交

20、 点读出点读出100%与与 pv 线交点读出线交点读出311110.1MPa,30 C,25 Cwpttdv76.0kJ/kg67%18.2g/kg23 C2.8kPahdtp干空气干空气求求: :其他其他.例例2 已知湿空气参数已知湿空气参数解：利用解：利用h-d上等湿球温度线与上等湿球温度线与等焓线平行及等焓线平行及 时干球时干球温度等于湿球温度确定点温度等于湿球温度确定点1。100%讨论讨论:湿空气湿空气3212-5 湿空气的热力过程湿空气的热力过程湿空气热力过程求解的共同步骤：湿空气热力过程求解的共同步骤： 1.画出流程草图；画出流程草图； 2.在在 h-d 图上画出过程；图上画出过程

21、； 3.写出水及干空气的质量守恒方程；写出水及干空气的质量守恒方程； 4.写出能量方程；写出能量方程； 5.利用解析法或利用解析法或 h-d 图确定质、能方程中各参数；图确定质、能方程中各参数； 6.求解。求解。33一、一、冷却、冷却去湿冷却、冷却去湿(dehumidification)及加热及加热对于冷却盘管：对于冷却盘管： a2121wcQmhhddhwa12mmdd34对于加热段：对于加热段：a32HQmhhaa3a22v3v2HQmhhdhh akJ/kgC1.005ht vkJ/kgC2501 1.86ht即即35二、二、 蒸发冷却（绝热加蒸发冷却（绝热加湿）湿）wv2v1a21mm

22、mmdda1a21wa2m hmddhm h水蒸气质量守衡：水蒸气质量守衡：能量守衡：能量守衡：aa11v1wwaa22v2mhd hm hmhd hwv21hhdd， 且与 相差不大12hh即即36三、加热增湿三、加热增湿wv3v1a31mmmmdd水蒸气质量守衡：水蒸气质量守衡：湿空气能量守衡：湿空气能量守衡：a1wwa3m hQm hm h37四、四、 混合混合a1a2a3mmma123a231mddmdda1 1a22a33m hm hm ha12323a23131mhhddmhhddv1v2v3mmma11a22a33m dm dm da131a223mddmdda131a223mhhmhh38a12323a23131mhhddmhhdd39例例A4221663例例A4221662例例A422299*例例A423288*下一章下一章