理想氣體混合物和濕空氣ch.ppt

第六章 理想氣體混合物和濕空氣,工程中所應(yīng)用的往往不是單一成分的氣體，而是由幾種不同性質(zhì)的氣體組成的混合氣體。例如鍋爐中燃料燃燒所產(chǎn)生的煙氣，就是由CO2, H2O, CO, N2等氣體所組成的混合氣體。又如空氣調(diào)節(jié)工程中的濕空氣，是由干空氣和水蒸氣所組成的混合氣體。制冷工質(zhì)有的是混合工質(zhì)，因此有必要研究混合氣體的熱力性質(zhì)。本章主要研究由理想氣體所組成的混合氣體，而且不涉及化學(xué)反應(yīng)。,6.1 理想氣體混合物的基本概念,熱力過程中的工質(zhì)大都為氣體混合物,例：鍋爐煙氣 CO2, CO, H2O, N2,燃氣輪機中的燃氣,空調(diào)工程中的濕空氣,水蒸氣含量低，稀薄，當作理想氣體,無化學(xué)反應(yīng)的理想氣體混合物,6.1.1 混合物的各組成分數(shù)及相互換算,理想氣體混合物中各組元氣體均為理想氣體，因而混合物的分子都不占體積，分子之間也無相互作用力。因此混合物必遵循理想氣體方程，并具有理想氣體的一切特性。,混合物分數(shù)：混合物中各組元所占的份額,不同物量單位下：,質(zhì)量分數(shù),摩爾分數(shù),體積分數(shù),1.質(zhì)量分數(shù),第 i 種組元氣體的質(zhì)量分數(shù)：,設(shè)混合氣體由1, 2 , 3, i, k種氣體組成,各組元質(zhì)量分數(shù)之和為1,設(shè)混合氣體由1, 2 , 3, i, k種氣體組成,摩爾數(shù),第 i 種組元氣體的摩爾分數(shù)：,各組元摩爾分數(shù)之和為1,2.摩爾分數(shù),質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù)的換算,已知 xi,6.1.2 混合物的摩爾質(zhì)量與氣體常數(shù),混合氣體摩爾質(zhì)量M與i組元的摩爾質(zhì)量Mi關(guān)系,混合氣體氣體常數(shù)Rg與i組元的氣體常數(shù)Rgi關(guān)系,分壓力pi,6.1.3 分壓力定律,各組成氣體都處于與理想氣體混合物溫度、體積相同的情況下，各自單獨對容器的壓力稱為分壓力。用Pi表示。,分壓定律,p T V,分壓力pi,理想氣體混合物的壓力P等于各組成氣體的分壓力Pi之和,p T V,分體積Vi,6.1.4 分體積定律,各組成氣體都處于與理想氣體混合物溫度、壓力相同的情況下，各自單獨占據(jù)的體積稱為分體積。用Vi表示。,p T V,分體積Vi,體積分數(shù),摩爾分數(shù),理想氣體混合物的總體積V等于各組成氣體的分體積Vi之和,分體積定律,例 某船煙囪每秒排出絕對壓力為0.11Mpa、溫度為300的煙氣60m3，由煙氣分析器測得煙氣的摩爾分數(shù)如下所示，試求每秒排出煙氣的質(zhì)量以及各組成氣體的質(zhì)量。,解： 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，先求出煙氣的總摩爾數(shù),6.2 理想氣體混合物的比熱容、熱力學(xué)能、 焓和熵的計算,6.2.1 混合物的比熱容,對第i種組分,理想混合氣體的質(zhì)量比熱容,理想混合氣體的容積比熱容,理想混合氣體的摩爾比熱容,J/kg.K,J/mol.K,比定壓熱容,J/kg.K,J/mol.K,比定容熱容,6.2.2 混合物的熱力學(xué)能、焓和熵,理想氣體混合物的熱力學(xué)能為各組成氣體熱力學(xué)能之和,理想氣體混合物的焓和比焓,理想混合氣體的熵和比熵,* 熵不僅與溫度有關(guān)，而且還與壓力有關(guān)。因為溫度為T的組成氣體單獨存在于體積V中，其分壓力為Pi，所以計算組成氣體比熵的變化量時應(yīng)采用其分壓力Pi ，而不是理想混合氣體的壓力P,熵變,同理：,思考題,1、下面表達式是否正確？,錯。分壓力與分體積不能同時出現(xiàn),正確,總 結(jié),【例3-5】,鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣中，按容積分數(shù)二氧化碳占12%，氮氣占80%，其余為水蒸氣。假定煙氣中水蒸氣可視為理想氣體，試求： （1）煙氣的折合千摩爾質(zhì)量和折合氣體常數(shù)； （2）各組元的質(zhì)量分數(shù)； （3）若已知煙氣的壓力為0.1MPa，試求煙氣中水蒸氣的分壓力。,可求得煙氣的折合千摩爾質(zhì)量為：,解：（1）按題意：,折合氣體常數(shù)為：,（2）各組元的質(zhì)量分數(shù)：,【例3-5】,（3）可求得煙氣中水蒸氣的分壓力：,【例3-5】,6.3 濕空氣及其狀態(tài)參數(shù),干空氣：不含水蒸汽的空氣。通常其組元和成 分是一定的。 濕空氣：含有水蒸汽的空氣。是干空氣和水蒸 氣的混合物。,一般濕空氣中水蒸汽的分壓力很低（0.0030.004MPa），處于過熱狀態(tài)，性質(zhì)接近于理想氣體，可按理想氣體處理，因此濕空氣是理想氣體混合物。理想氣體狀態(tài)方程和遵循的定律及理想氣體混合物計算式都適用，但是濕空氣中的水蒸汽含量會改變，因此濕空氣又有一些特殊性質(zhì)。,濕空氣（干空氣水蒸氣）,濕空氣與一般理想混合氣體的最大區(qū)別是水蒸氣的含量會由于蒸發(fā)和凝結(jié)而有可能變化。,分壓低(0.003 0.004MPa),理想混合氣體,下標約定： a干空氣；v水蒸氣；s飽和水蒸氣； 無下標為濕空氣參數(shù),6.3.1 濕空氣的總壓力與分壓力,一般濕空氣來自環(huán)境大氣，P=Pb，濕空氣壓力 (大氣壓力),濕空氣的分類：按照濕空氣中的水蒸汽所處狀態(tài)不同可分為： 飽和濕空氣：由干空氣和飽和水蒸汽組成的濕空氣。此時Pv=Ps（濕空氣溫度所對應(yīng)的飽和壓力）。 未飽和濕空氣：由干空氣和過熱水蒸汽組成的濕空氣。此時PvPs ，濕空氣中的水蒸汽處于過熱狀態(tài)，濕空氣的溫度不變，水蒸汽含量可增加，濕空氣具有吸濕能力，故稱為未飽和濕空氣。,a,1、未飽和濕空氣,干空氣 過熱水蒸氣,pv ps(T),T,s,P,T,pv,ps,b,2、飽和濕空氣,pv ps(T),溫度一定，不能再加入水蒸氣,2、 pv ，T 絕熱加水蒸發(fā),從未飽和濕空氣到飽和濕空氣的途徑,T,s,pv,ps,a,b,d,c,結(jié)露,Td 露點溫度,b,d,a,s,o,T,c,c,露點溫度：濕空氣中水蒸汽分壓力所對應(yīng)的飽和溫度，用Td表示。即在一定的Pv下未飽和濕空氣冷卻到飽和濕空氣時（將結(jié)出露珠）的溫度。Td=Ts（Pv）。所以Pv越大， Td也越大。當大氣壓力一定時， TdPv含水蒸汽量,Td = Ts(pv),結(jié)露與露點,濕潤的夏天水管上常出現(xiàn)水珠?,冷水管t=20oC,T,s,d,td=28.98oC,干燥的冬天pv小，,td0.0 oC,結(jié)霜,露點是濕空氣的一個重要狀態(tài)參數(shù)。 在空氣調(diào)節(jié)中,為了減少濕空氣中水蒸汽的含量,可設(shè)法使?jié)窨諝饫鋮s到溫度低于露點,水蒸汽便以水滴形式析出。 露點對柴油機的低溫腐蝕以及鍋爐的運行管理有較大的影響。 鍋爐尾部的受熱面以及空氣預(yù)熱器的堵灰和腐蝕,就是由于受熱面的金屬溫度低于煙氣中水蒸汽和二氧化硫氣體的露點之故。一旦出現(xiàn)結(jié)露,如果水蒸汽和二氧化硫氣體凝結(jié),在受熱面上將形成硫酸、就會造成嚴重腐蝕。防止堵灰和腐蝕的主要原則是設(shè)法避免煙氣中的水蒸汽結(jié)露。,濕度：濕空氣中所含水蒸氣的量,1、絕對濕度,每1m3濕空氣中所含的水蒸氣的質(zhì)量，用 表示,kg水蒸氣/m3濕空氣,6.3.2 絕對濕度和相對濕度,實際上是在濕空氣溫度和水蒸氣分壓力Pv狀態(tài)下水蒸氣的密度,絕對濕度,T , pv下水蒸氣的密度,不常用,絕對濕度只能說明濕空氣中水蒸汽實際含量的多少，而不能反映出濕空氣中水蒸汽所處的狀態(tài)，因此絕對濕度不能反映濕空氣的吸濕能力。,2、相對濕度,濕空氣中實際含有水蒸汽的質(zhì)量與同溫度下濕空氣中可能含有最多的水蒸汽質(zhì)量的比值。由絕對濕度定義知，即為濕空氣中水蒸汽的分壓力與相同溫度的飽和濕空氣中水蒸汽分壓力之比。,相對濕度, 1 飽和濕空氣,在相同的溫度下：,相對濕度, 0 干空氣,0 1 未飽和濕空氣,表明濕空氣與同溫下飽和濕空氣的偏離程度,反映所含水蒸氣的飽和程度,相對濕度的測量,相對濕度和干球溫度及濕球溫度有一定函數(shù)關(guān)系，查圖可由干、濕球溫度計讀出查得相對濕度,相對濕度的測量,圖中干球溫度計是一支普通的溫度計，而濕球溫度計頭部被尾端浸入水中的吸液芯包裹。當空氣流過時，干球溫度計指示出空氣溫度，或稱為干球溫度，用t表示。而濕球溫度計反映的是吸液芯中水的溫度，這個溫度稱為濕球溫度，用tw表示。如果空氣未飽和，吸液芯中的水將向空氣中蒸發(fā)而使水溫下降，同時空氣與水之間的溫差導(dǎo)致空氣向吸液芯中的水傳熱，從而阻止水溫不斷下降，在達到平衡時濕球溫度總低于干球溫度，但比空氣的露點高?？諝庵械南鄬穸仍叫?，蒸發(fā)越快 tw值越低，干濕球溫度差（ t - tw ）將越大。反之，相對濕度越大，則干濕球溫度差（ t - tw ）將越小。當相對濕度為1時，干濕球溫度相等。,6.3.3 含濕量,以濕空氣為工質(zhì)的某些過程，如干燥、吸濕過程，干空氣作為載熱體或載濕體，它的質(zhì)量或質(zhì)量流量是恒定的，只是濕空氣中的水蒸汽質(zhì)量發(fā)生變化。為方便計算，濕空氣的一些狀態(tài)參數(shù)如含濕量、焓、氣體常數(shù)、比體積、比熱容等，都以單位質(zhì)量干空氣為基準。,含濕量:單位質(zhì)量干空氣中含有水蒸汽的質(zhì)量。用表示,其單位為 g水蒸汽kg干空氣。,含濕量不是以1kg濕空氣為計算的基準,而是以1kg干空氣作為計算的基準的。 含濕量理解為與1kg干空氣相混合的水蒸汽質(zhì)量。即在（1+0.001d）kg濕空氣中含有克水蒸汽。,由于濕空氣可視為理想氣體,對水蒸汽和干空氣分別有,6.3.4 濕空氣的焓,在濕空氣總壓力pb不變的情況下，水蒸汽分壓力與濕空氣的含濕量之間是一一對應(yīng)關(guān)系。 在濕空氣總壓力pb不變的情況下，相對濕度愈高，含濕量也愈高。,? 為什么陰雨天晾衣服不易干，而晴天容易干？,濕空氣的比焓：含有1kg干空氣的濕空氣的焓，它等于1kg干空氣的焓和0.001d kg水蒸汽的焓之和。單位： kJ/kg,工程上，取0oC時,干空氣的焓,水蒸氣的焓,溫度t下,飽和水的焓 hv=0,干空氣平均比定壓熱容,0水蒸氣汽化潛熱,水蒸氣平均比定壓熱容,以1kg干空氣為基準的濕空氣的比焓為,6.4 焓濕圖,根據(jù)濕空氣的各種參數(shù)表達式和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表，可由濕空氣參數(shù)T、d、pv、Td、Tw、h中任意兩個相互獨立的參數(shù)求其余的參數(shù)。為了工程計算方便，常用焓-濕圖。（它是以含1kg干空氣的濕空氣為基準，在一定的大氣壓力下繪制的。在實用中要盡量尋找基本適合當時當?shù)卮髿鈮毫Φ臓顟B(tài)參數(shù)圖）,焓-濕圖（h-d圖）中橫坐標是含濕量，縱坐標是焓，為使各曲線簇不致?lián)頂D使圖疏松一些，提高讀數(shù)準確度，兩坐標夾角為135，而不是90。,焓濕圖的結(jié)構(gòu),d=0 干空氣,d,h,135度,定含濕量線是一組平行于h軸的垂線d值自左向右增大,與d軸成45度,定焓線是一組直線群,d,h,焓濕圖的結(jié)構(gòu),正斜率的直線，隨著溫度增大，斜率逐 漸增大，與橫坐標的截距也逐漸增大,等干球溫度線,下部無意義,焓濕圖的結(jié)構(gòu),d,h,是一組向上凸的線,定相對濕度線,上部未飽和線,干空氣d=0,飽和線,d,h,4、 線,ts=99.63oC,焓濕圖的結(jié)構(gòu),d,h,焓濕圖的結(jié)構(gòu),5、水蒸氣分壓力線與含濕量交叉線,左下方向右上方,傾斜的直線，可由d值在右邊框線軸找到Pv值,5、水蒸氣分壓力線與含濕量交叉線,d,h,6、露點td,pv下飽和濕空氣,td,焓濕圖的結(jié)構(gòu),d,h,焓濕圖的結(jié)構(gòu),6、熱濕比線,角系數(shù)：描述過程 方向與特征,h-d圖上為直線,h-d圖不僅能用點來代表濕空氣的某一狀態(tài)，還可用線段代表濕空氣的狀態(tài)變化過程。,焓濕圖的結(jié)構(gòu),d,h,6、熱濕比線,1,2,已知初態(tài)1,過程斜率已知可確定終態(tài)或知道初終態(tài)，可確定角系數(shù),濕空氣任何變化過程，如果角系數(shù)相同，過程線平行,焓濕圖的結(jié)構(gòu),不同的pb 不同的h-d圖,d,h,焓濕圖,6.5 濕空氣的基本熱力過程,在遠洋船舶上，都設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)，改善船員生活條件。系統(tǒng)包括：過濾器、加熱器、冷卻器、加濕器和風(fēng)機等組成。,在其工作時，由風(fēng)機將一部分艙室內(nèi)的空氣（簡稱回風(fēng)）和外界新鮮空氣（簡稱新風(fēng)）混合吸入，該過程稱為“混合過程”，這是在滿足衛(wèi)生條件下，節(jié)省冷量或熱量，以改善系統(tǒng)經(jīng)濟性。混合風(fēng)再經(jīng)過過濾器除去灰塵。在冬天，其經(jīng)過加熱器提高溫度，又經(jīng)過加濕器被噴入水或水蒸氣以增加其相對濕度，這就是“加熱過程”和“加濕過程”，最后混合風(fēng)送入船上個艙室。在夏天則在經(jīng)過過濾器后的混合風(fēng)，通入壁面溫度低于露點的冷卻器，進行降溫去濕的“冷卻過程”，然后輸入各艙室。 濕空氣在空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列基本熱力過程：混合過程、加熱過程、冷卻過程、加濕過程等。,6.5.1 混合過程,d1,d2,qma2,qma1,qma3,d3,質(zhì)量守恒原理,干空氣質(zhì)量：,混合后濕空氣所含水蒸氣質(zhì)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,只需將混合的狀態(tài)點連成直線，根據(jù)與質(zhì)量流量成反比關(guān)系得到混合后狀態(tài)點,1,6.5.2 加熱過程,濕空氣經(jīng)過加熱器被定壓加熱時,由于其中的水蒸汽質(zhì)量未變,所以這一過程稱為定含濕量過程，而且濕空氣中水蒸汽的分壓力和露點都不變。由于吸收熱量溫度升高，焓值上升，相對濕度減小，吸濕能力增大。,h增加 d不變,1,2,q,d,h,2,加熱,2,6.5.3 冷卻過程單純冷卻過程,在冷卻器內(nèi)若冷卻器壁面溫度高于該濕空氣的露點溫度，濕空氣經(jīng)過時定壓放出熱量, 其中的水蒸汽質(zhì)量未變，含濕量保持不變。由于放出熱量溫度降低，焓值降低，相對濕度增大，吸濕能力減弱。,1,h降低 d不變,1,2,q,放熱,d,h,如圖中1-A-2，過程沿等濕線溫度降到露點A后，沿 =100的等濕線向含濕量、溫度減小的方向進行。 濕空氣含濕量的減少等于其凝結(jié)的水量d=d2-d1,6.5.3 冷卻過程冷卻去濕過程,當濕空氣被冷卻到露點溫度時達到飽和狀態(tài)，若繼續(xù)冷卻，則將有水蒸氣凝結(jié)析出，實現(xiàn)去濕的目的。,tA,t1,A,1,hA,h1,2,h2,t2,h,d,對