1、工程热力学 Engineering Thermodynamics,中山大学工学院,舒碧芬,第十二章 混合气体和湿空气,Gas mixtures and moist air,思考题：12-8,12-11 习题:12-2,12-10,12-13,3学时,12-1 理想气体混合物,12-2 湿空气,12-3 相对湿度和含湿量,12-4 湿空气的焓-湿图,12-5 湿空气的热力过程,研究对象,无化学反应的理想气体混合物,例：锅炉烟气 CO2, CO, H2O, N2,空调工程中的湿空气,水蒸气含量低，稀薄，当作理想气体,水蒸气含量可变化，单独研究,燃气轮机中的燃气O2,CO2, CO, H2O, N2
2、,121 理想气体混合物,处理气体混合物的基本原则,混合气体的组分都处理想气体状态，则混合气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=组分气体质量之和 分子数=分子数之和,理想气体混合物可作为Rg混和M混的“某种”理想气体。,平均气体常数， 折合气体常数,平均摩尔质量， 折合摩尔质量,混合气体满足理想气体的一切性质,标准状态下摩尔体积,摩尔数,质量,混合气体的分压力定律和分容积定律,分压力定律(Dalton law of partial pressure)分压力组分气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。,-分压力定律,分容积定律(law of partial
3、 volume)分容积组分气体处在与混合气体同温同压,单独占有的体积。,-分容积定律,混合气体成分,2.体积分数 (volume fraction of a mixture),3.摩尔分数 (mole fraction of a mixture),1. 质量分数 (mass fraction of a mixture),各成分之间的关系,-摩尔分数=体积分数,分压力和总压力,利用混合物成分求M混和Rg混,1)已知质量分数,2)已知摩尔分数,质量，摩尔数，压力，容积，内能，焓，定压比热容，定容比热容，熵,总参数,加和性,总参数是各组元在分压力状态下的 分参数之和（除总容积）,12-2 理想气体混
4、合物的参数计算,混合物总参数的计算,质量守恒,摩尔数守恒,分压定律,混合物比参数的计算,加权性,kJ/kg,kJ/kmol,混合气体,内能,混合物比参数的计算,kJ/kg,kJ/kmol,混合气体,焓,混合物比参数的计算,kJ/kg.K,kJ/kmol.K,定压比热容,kJ/kg.K,kJ/kmol.K,定容比热容,混合物比参数的计算,kJ/kg.K,kJ/kmol.K,熵,如某种混合气体由A,B两种气体组成,混合气体压力 p,分压力为 pA、pB 温度为 T ,则,1 kg,定比热容,1 mol,定比热容,混合气体(无化学反应)过程熵变,例A4412551,刚性绝热容器隔板两侧各 储有1 k
5、mol O2和N2。且VA=VB， TA=TB。抽去隔板，系统平衡 后，求：熵变。 分析：,解：,且均为1 kmol,即,0,0,A4412551,取容器内全部气体为系统,混合前：,混合后：,取混合前气体状态（pA1，TA）为参考状态，则O2 及N2 终态的熵值即为从参考状态到终态的熵变，所以,0,湿空气（干空气水蒸气）,空调、通风、烘干、冷却塔、储存,12-3 湿空气的性质,湿空气与一般理想混合气体的最大区别是水蒸气的成分可能变化。,分压低,理想混合气体,Dry air,饱和蒸汽,1、未饱和湿空气,未饱和湿空气和饱和湿空气,过热蒸汽,水蒸气,干空气 过热水蒸气,pv Ts,Insaturat
6、ed air,2、饱和湿空气,pv ps(T)， 即 T=Ts,T,s,ps,温度一定，不能再加入水蒸气,Saturated air,pv Ts,pv,ps,未饱和湿空气 饱和湿空气的途径,ab: T 不变，pv 上升，pv = ps(T),ad: Pv 不变，T 下降，T = Ts (pv),加入水蒸汽，pv,td = Ts (pv),d,b,a,露点（dew point）湿空气中水蒸气压力pv所对应 的饱和温度td=ts ( pv ),湿空气的绝对湿度 /单位体积湿空气相对湿度 /水蒸汽的最大可能含量含湿量 /单位质量干空气,12-3 湿空气的状态参数,绝对湿度(absolute humi
7、dity)每立方米湿空气中水蒸气的质量 kg/m3,1）,理想气体,2）,3）v 不能直接反映湿空气吸湿能力的大小例如：湿空气 pv = 0 .656 6 kPa，1时 ： pv = ps，无吸湿能力10时：pv ps， 有吸湿能力,相对湿度（饱和度）（humidity）湿空气中水蒸气含量与同温度下最大可能含量之比。,=0 干空气 0 1 未饱和空气=1 饱和空气,吸湿 能力 下降,1.,2.,说明：如将湿空气作为干燥介质，温度被加热很高。 当t ts（p），如在1atm时，t 100 时，水蒸汽的最大压力（饱和压力）ps p,因此，此时,但实际上,含湿量d (humidity; humidi
8、ty ratio)1 kg干空气中所含水蒸气的质量,kg水蒸气/kg干空气,a）当p一定时，,kg水蒸气/kg干空气,b) 一定，,升温吸湿原理,讨论：,以单位质量干空气为基准。理想混合气体,kJ/kg干空气,工程上，取0oC时,湿空气的焓,干空气的焓,水蒸气的焓,温度t下,饱和水的焓 hv=0,湿空气的比体积,用 v (m3/1kg干空气）表示,1kg干空气d kg水蒸汽组成的湿空气的体积,湿空气气体常数：,例A422177,50m3的房间内空气 t1=30， =60%，被等压冷却到t2= 10。已知 pb= 0.1013MPa 。求：1）初态时td，d1及H；2）凝结水量mv；3）放热量Q
9、 。,解：1）分析： td：水蒸汽分压下饱和温度，,A422177,查表,由,2）,查表,3）,干、湿球温度计原理(wet-and-dry-bulb thermometer; psychrometer),12-4 湿球温度和绝热饱和温度,原理,有效汽膜层内饱和,饱和温度,饱和温度,湿空气的 越小，湿纱布中水汽化越快， 汽化所需热量越多，湿球温度越低,湿球温度,干球温度,绝热饱和温度(adiabatic-saturation temperature),湿空气等焓增湿降温 湿空气饱和时温度Tw Tw近似等于湿球温度Tw,12-5 湿空气的焓-湿图(psychrometric chart),湿空气状
10、态确定总压p一定，由t, td , tw , d , pv 其中两个独立参量确定 图表h-d 图、t-d 图、h-t图,h-d 图,制图依据:,h-d图由5种线群组成：等d、h、t、pv,注意：h-d图都是在一定的总压力（通常是一个大气压）下绘制的,返回等d/h,返回等t,返回等,返回等pv,1）定d 线,直线群平行于纵坐标 露点 td 是湿空气冷却到 =1时 的温度。 含湿量 d 相同、状态不同的湿空气具有相同的露点td 。,2）定 h 线,直线群与横轴成135度角。 湿球温度Tw 近似绝热饱和温度Tw 湿空气绝热增湿过程为等焓过程 h相同而状态不同的湿空气具有相同的湿球温度Tw。等于 1与
11、等焓线的交点。,h-d 图,3）定 t 线,由h=1.005t+(2501+1.86t)d 知，当干球温度t = 定值时，h 和d 间成直线变化关系。 t 不同时斜率不同。 等t 线是一组互不平行的直线，t 愈高，等 t 线斜率愈大。,h-d 图,等线是一组上凸形的曲线。总压力p 一定时， = f (d, t ) 。h-d 图都是在一定的总压力p 下绘制的，水蒸气的分压力最大也不可能超过 p。因此当湿空气温度等于或高于100时定义为 = pv/p。此时等线就是等d 线，所以各等线与t = 100的等温线相交后，向上折与等d 线重合。 =0，即干空气状态，这时d = 0，所以它和纵坐标线重合。,
12、4）定线,h-d 图,5）pv = f (d) 线,当d 0.622时，则pv与d近似成直线关系。 该pv = f (d)曲线画在=100%等湿线下方，pv的单位为 kPa。,h-d 图,例1 已知湿空气参数,h-d图应用,求其他参数,解：由温度及相对湿度在h-d 图 上确定点1的位置，由此读出,由h1与 交点读出,由点1作垂线，与交 点读出,与 pv 线交点读出,解：h-d图t=25 确定点0 沿点0等焓线,与t=30确定点1。,求:其他.,例2 已知湿空气参数,12-6 湿空气的热力过程,湿空气热力过程求解的共同步骤：1.画出流程草图；2.在 h-d 图上画出过程；3.写出水及干空气的质量
13、守恒方程；4.写出能量方程；5.利用解析法或 h-d 图确定质、能方程中各参数；6.求解。,一、单纯加热或冷却过程,d不变,d,h,1,2,2,加热,放热,Simple Heating and Cooling,二、绝热加湿过程,d,h,1,2,d1,h1,d2,h2,d2-d1,h水,t1,t2,向空气中喷水，汽化潜热来自空气本身，t,蒸发冷却过程,d,t,Adiabatic Humidification,三、冷却去湿过程,d,h,1,2,2,3,4,Cooling with Dehumidification,四、绝热混合过程,空调工程常用方法,d1,d2,qa2,qa1,qa3,d3,Adi
14、abatic Mixing of Airstreams,四、绝热混合过程,d,h,1,2,h3,h2,3,h1,d1,d2,ma2,ma1,ma3,d3,ma1,ma2,例A4221663,例A4221662（自学）,t1=20 ， = 60%的空气在加热器中加热到温度t2= 50 然后进入干燥器，流出干燥器时温度t =37.7 ，若空气压力近似不变，为0.1MPa，试求：1）加热终了时空气相对湿度；2）湿物料蒸发1 kg水分，需要的干空气量；3）设干空气的质量流量为5000kg/h，加热器每小时向空气加入多少热量？,t/ 20 25 30 35 40 45 50ps /kPa 2.3368
15、3.1712 4.2417 5.6217 7.3749 9.5817 12.355,A4221663,解：1) 分析：加热器内过程含湿量d 不变,因为加热器内过程含湿量d 不变，而,过程中pb 保持不变，所以,同上,2) 分析：1.干燥过程：绝热吸湿、等焓过程2.干空气/kg水分=1/d3-d2,使物料蒸发1kg需：,3) 加热器加入空气的热量,某空调系统从户外引进38 ， =30%的新鲜空气与从冷却盘管来的t = 10 ， = 100%的空气混合，若户外空气占1/6（以干空气计），计算混合后空气的温度及相对湿度。pb =1105 Pa,解：,A4221662自学,查h-d图,绝热混合,据题意,由,或在h-d图 上连接1和2， 与d3=8.5 g/kg干空气线相交， 从交点读出t =14.5 ， =0.83。,返回,返回,第十二章 小结 Summary,成分描描述： 分压定律和分容积定律 混合物参数计算,二、湿空气概念与计算 焓-湿图 热力过程,一、理想气体混合物,第十二章完 End of Chapter 12 Cheer up!,
