第四章理想气体的基本热力过程解析.ppt

第四章第四章 气体与蒸汽的热力过程气体与蒸汽的热力过程本章主要内容本章主要内容1.1.理想气体的热力过程；理想气体的热力过程；2.2.蒸汽的热力过程；蒸汽的热力过程；3.3.湿空气的热力过程；湿空气的热力过程；4.4.气体与蒸汽的绝热节流过程；气体与蒸汽的绝热节流过程；5.5.压气机中的热力过程；压气机中的热力过程；6.6.锅炉生产蒸汽的热力过程锅炉生产蒸汽的热力过程研究热力学过程的研究热力学过程的对象对象与方法与方法对象对象1)参数参数(p,T,v,u,h,s)变化变化2)能量转换关系能量转换关系,q,w,wt方法方法1)抽象分类抽象分类 2)可逆过程可逆过程 (不可逆再修正不可逆再修正)基本过程基本过程研究热力学过程的依据研究热力学过程的依据2)理想气体理想气体3)可逆过程可逆过程 1)热一律热一律稳流稳流研究热力学过程的研究热力学过程的步骤步骤1)确定确定过程方程过程方程-该过程中参数变化关该过程中参数变化关系系5)计算计算w,wt,q4)求求3)用用T-s 与与 p-v 图表示图表示2)根据已知参数及根据已知参数及过程方程过程方程求求未知未知参数参数4.14.1 理想气体的理想气体的定熵过程定熵过程(2)不仅不仅绝热绝热可逆可逆s说明说明:(1)(1)不能说不能说绝热绝热过程就是过程就是等熵等熵过程过程,必须是必须是可逆绝热可逆绝热过程才是过程才是等熵等熵过程。过程。处处相等处处相等s三个条件三个条件:(1)理想气体理想气体 (2)可逆绝热过程可逆绝热过程 (3)k 为常为常数数理想气体理想气体 s 的的过程方程过程方程当当理想气体理想气体理想气体理想气体 s 的的过程方程过程方程若已知若已知p1,T1,T2,求求p2理想气体变比热理想气体变比热 s 过程过程理想气体变比热理想气体变比热 s 过程过程已知已知p1,T1,T2,求求p2若是空气，查若是空气，查附表附表6理想气体变比热理想气体变比热 s 过程过程定义定义相对压力相对压力已知已知p1,T1,T2,查查附表附表6，得得pR(T1)和和pR(T2)，求求p2 内能变化内能变化焓焓变化变化熵变化熵变化 理想气体理想气体 s u,h,s,的计算的计算状态参数的变化与过程无关状态参数的变化与过程无关 膨胀功膨胀功 w理想气体理想气体 s w,wt,q的的计算计算技术功技术功 wt热量热量 q4.24.2 理想气体热力过程的综合分析理想气体热力过程的综合分析理想气体的理想气体的多变多变过程过程过程方程过程方程n是常量，是常量，每一过程有一每一过程有一 n 值值nn=ks理想气体理想气体 n w,wt,q的的计算计算多变过程比热容多变过程比热容(1)当当 n=0(2)当当 n=1多变过程与基本过程的关系多变过程与基本过程的关系(3)当当 n=k(4)当当 n=pTsvnpTsv基本过程是多变过程的特例基本过程是多变过程的特例 基本过程的计算是我们的基础，基本过程的计算是我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。要非常清楚，非常熟悉。基本要求：基本要求：拿来就会算拿来就会算理想气体基本过程的计算理想气体基本过程的计算斜率斜率理想气体理想气体 过程的过程的p-v,T-s图图sTvpppp斜率斜率理想气体理想气体 过程的过程的p-v,T-s图图sTvpppvvv斜率斜率理想气体理想气体 过程的过程的p-v,T-s图图sTvpppTvvTT理想气体理想气体 过程的过程的p-v,T-s图图sTvpppsvvTTss理想气体基本过程的理想气体基本过程的p-v,T-s图图sTvpppvvTTss讨论题讨论题1、任何定温过程任何定温过程都有都有 u=0,h=0?2、从同一初态从同一初态，分别经分别经 过程，过程，到达同一终态是否可能到达同一终态是否可能Tsn=1.2?nsT4.2 蒸气的热力过程蒸气的热力过程任务：任务：确定初终态参数，确定初终态参数，计算过程中的功和热计算过程中的功和热 在在p-v、T-s、h-s图上表示图上表示热力过程：热力过程：p s T v 注意理想气体过程的区别注意理想气体过程的区别第一定律与第二定律表达式均成立第一定律与第二定律表达式均成立理想气体特有的性质和表达式不能用理想气体特有的性质和表达式不能用可逆可逆水蒸气的定压过程水蒸气的定压过程q=h wt=0342pv1例：例：锅炉中，水从锅炉中，水从30，4MPa,定压加热到定压加热到450 q=h2-h1ts(4MPa)=250.33锅炉、换热器锅炉、换热器水蒸气的定压过程水蒸气的定压过程例：例：水从水从30，4MPa,定压加热到定压加热到450 q=h2-h12Tsh1=129.3 kJ/kg h2=3330.7 kJ/kg134=3201.4kJ/kg水蒸气的绝热过程水蒸气的绝热过程p1pvp2汽轮机、水泵汽轮机、水泵12可逆过程：可逆过程：s1 2q=0水蒸气的绝热过程水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵汽轮机、水泵q=012Ts可逆过程：可逆过程：sp1p2水蒸气的定温过程水蒸气的定温过程pv实际设备中很少见实际设备中很少见TCTcT远离饱和线，接远离饱和线，接近于近于理想气体理想气体水蒸气的定温过程水蒸气的定温过程12Ts可逆过程：可逆过程：水蒸气的定容过程水蒸气的定容过程实际设备中不常见实际设备中不常见12pv1T2vp4.3 4.3 湿空气的热力过程湿空气的热力过程 一、单纯加热或冷却过程一、单纯加热或冷却过程d不变不变12qdh122加热加热1 2放热放热1 2hh二、绝热加湿过程（1）喷水加湿dh12d1h1d2h2d2-d1h水水t1t2向空气中喷水，汽化潜热来自空向空气中喷水，汽化潜热来自空气本身，气本身，t蒸发冷却过程蒸发冷却过程td4.3 4.3 湿空气的热力过程湿空气的热力过程二、绝热加湿过程（2）喷蒸气加湿dh12hv能量守恒能量守恒向空气中喷水蒸气向空气中喷水蒸气2dhd1h1d2h2d2-d1t1t24.3 4.3 湿空气的热力过程湿空气的热力过程三、冷却去湿过程qdh12234d1h1d4h4d1-d4h水水4.3 4.3 湿空气的热力过程湿空气的热力过程四、绝热混合过程空调工程常用方法空调工程常用方法d1d2ma2ma3d34.3 4.3 湿空气的热力过程湿空气的热力过程dh12h3h23h1ma1ma2d1d2ma2ma1ma3d34.3 湿空气的热力过程湿空气的热力过程4.4气体与蒸汽的绝热节流过程气体与蒸汽的绝热节流过程 绝热节流的特点：绝热节流的特点：理想气体：理想气体：实际气体：实际气体：Joule-Thomson coefficient绝热节流与绝热节流与焦汤系数焦汤系数 绝热节流温度效应绝热节流温度效应 焦汤系数焦汤系数由实验确定由实验确定焦耳焦耳和和汤姆逊汤姆逊分别做实验分别做实验热效应热效应零效应零效应冷效应冷效应焦汤实验焦汤实验 保持保持p1,T1不不变，改变开度，得变，改变开度，得到不同出口状态，到不同出口状态，连成定焓线，表示连成定焓线，表示在在p-T图上，曲线图上，曲线的斜率就是的斜率就是焦汤系焦汤系数数焦汤实验焦汤实验 保持保持p1,T1不不变，改变开度，得变，改变开度，得到不同出口状态，到不同出口状态，连成定焓线，表示连成定焓线，表示在在pT图上，曲线图上，曲线的斜率就是的斜率就是焦汤系焦汤系数数pTh=Const焦汤实验焦汤实验曲线曲线pTh=Const转变曲线转变曲线最大转变温度最大转变温度Tmax最小转变温度最小转变温度TminInversion lineMaximum inversion temperature焦汤系数的表达式焦汤系数的表达式与与p,v,T的关系的关系转变曲线方程转变曲线方程理想气体理想气体焦汤焦汤系数系数的应用的应用pTh=Const转变曲线转变曲线1、制冷制冷节流前节流前一般工质一般工质TmaxTmin焦汤系数的应用焦汤系数的应用2、建立状态方程建立状态方程理想气体理想气体焦汤系数的应用焦汤系数的应用3、制热制热p1,T1p2,T2p3,T3节流热效应节流热效应油油4.54.5压气机中的热力过程压气机中的热力过程压气机压气机的作用的作用生活中：自行车打气。生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、出口引风、工业上：锅炉鼓风、出口引风、燃气轮机、制冷空调等等燃气轮机、制冷空调等等压压力力范范围围通风机通风机鼓风机鼓风机压缩机压缩机压气机：消耗外功，使气体升压的设备。压气机：消耗外功，使气体升压的设备。P115KPa115KPaP350KPa工工作作原原理理和和构构造造容积式压气机容积式压气机速度式压气机速度式压气机引射式压气机引射式压气机直接通过改变气体容积实现直接通过改变气体容积实现压缩；压缩；活塞式压缩机活塞式压缩机利用高速旋转的叶轮推动气体高速利用高速旋转的叶轮推动气体高速流动，再通过扩压管将动能转化为流动，再通过扩压管将动能转化为压力能实现压缩；压力能实现压缩；叶轮式压气机叶轮式压气机单级活塞式压缩机的工作原理单级活塞式压缩机的工作原理一、结构简图一、结构简图 主要部件：1、活塞 2、气缸 3、滤清器 4、吸、排气阀 5、散热肋片空气进口空气进口排入空气瓶中排入空气瓶中单级活塞式压气机工作原理单级活塞式压气机工作原理 工作过程：（a）吸气（b）压缩（c）排气 理想压气过程：活塞与气缸塞不存在余隙压缩过程可逆气流进出阀门时无阻力损失P1,T1不变，dm0P2,T2不变，dm0dm=0活塞式压气机的余隙影响活塞式压气机的余隙影响避免活塞与进排气避免活塞与进排气阀碰撞，留有阀碰撞，留有空隙空隙余隙容积余隙容积压缩过程压缩过程排气，状态未变排气，状态未变残留气体膨胀残留气体膨胀进新气，状态未变进新气，状态未变容积效率容积效率单级压缩最大增压比是多少？单级压缩最大增压比是多少？理论压气功理论压气功(可逆过程可逆过程)指什么功指什么功目的：目的：研究研究耗功耗功，越少越好越少越好活塞式压气机的压气过程活塞式压气机的压气过程技术功技术功wt(1)、特别快，来不及换热。特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是实际压气过程是 可能的压气过程可能的压气过程sTn 三种压气过程的参数关系三种压气过程的参数关系 三种压气过程功的计算三种压气过程功的计算最小最小重要启示重要启示两级压缩中间冷却分析两级压缩中间冷却分析有一个最佳增压比有一个最佳增压比 省功省功最佳增压比的推导最佳增压比的推导 省功省功最佳增压比的推导最佳增压比的推导 省功省功欲求欲求w分级分级最小值，最小值，可证明可证明若若m级级最佳增压比最佳增压比分级压缩的其它好处分级压缩的其它好处 润滑油要求润滑油要求t160180,高压压气机必须分级高压压气机必须分级分级压缩的级数分级压缩的级数省功省功分级分级降低出口温降低出口温多级压缩达到多级压缩达到无穷多级无穷多级(1)不可能实不可能实现现(2)结构复杂结构复杂(成本成本高高)一般采用一般采用 2 4 级压缩级压缩T1.1.空气初态为空气初态为p p1 1=0.1Mpa,t=0.1Mpa,t1 1=20=20，经三级压缩，压力达到，经三级压缩，压力达到12.5MPa12.5MPa。各级多变指数均为。各级多变指数均为1.31.3，若压气机每小时产出压，若压气机每小时产出压缩空气缩空气120kg120kg，在最佳工作条件下，在最佳工作条件下求：（求：（1 1）各级排气温度？）各级排气温度？（2 2）压气机的功率？（）压气机的功率？（3 3）若经单级压缩达到相同的终态，）若经单级压缩达到相同的终态，压气机耗功率及压缩终温各为多少？压气机耗功率及压缩终温各为多少？第一章第一章1.1.基本概念：基本概念：热力系统定义及分类；热力系统定义及分类；基本状态参数；基本状态参数；平衡状态和准静态；平衡状态和准静态；状态方程；状态方程；可逆过程与不可逆过程；可逆过程与不可逆过程；热力循环。热力循环。第二章热力学基本定律第二章热力学基本定律重点：重点：1.1.可逆过程功和热量可逆过程功和热量2.2.闭口系能量方程闭口系能量方程3.3.稳定流动能量方程稳定流动能量方程4.4.膨胀功、技术功、流动功和轴功之间的区别膨胀功、技术功、流动功和轴功之间的区别与联系与联系5.5.利用卡诺定理、克劳修斯不等式和孤立系统利用卡诺定理、克劳修斯不等式和孤立系统熵增原理来判断循环是否可逆，是否可行熵增原理来判断循环是否可逆，是否可行第三章第三章 气体与蒸汽的热力性质气体与蒸汽的热力性质重点：重点：1.1.理想气体状态方程理想气体状态方程2.2.比定容热容和容积比热容比定容热容和容积比热容3.3.理想气体内能、焓、熵的计算理想气体内能、焓、熵的计算4.4.实际气体与理想气体的偏离压缩因子实际气体与理想气体的偏离压缩因子5.5.水蒸气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程6.6.湿蒸汽和湿空气的定义湿蒸汽和湿空气的定义7.7.湿蒸汽状态参数的确定湿蒸汽状态参数的确定第四章第四章 气体与蒸汽的热力过程气体与蒸汽的热力过程重点：重点：1.1.理想气体的基本热力过程和多变理想气体的基本热力过程和多变过程（过程（p pv v图和图和T Ts s图）图）2.2.蒸汽的热力过程蒸汽的热力过程3.3.压气机中的热力过程压气机中的热力过程4.4.多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却5.5.压缩耗功和最佳增压比的计算压缩耗功和最佳增压比的计算一、是非题一、是非题1 1公式公式d du u=c cv vd dT T 适用于理想气体的任何过程。适用于理想气体的任何过程。2 2孤立系统的熵与能量都是守恒的。孤立系统的熵与能量都是守恒的。3 3焓焓h=h=u+pvu+pv，对闭口系统，没有流动功，所以，对闭口系统，没有流动功，所以系统不存在焓这个参数。系统不存在焓这个参数。4 4实际气体在压力趋于零的极限状态就成为理实际气体在压力趋于零的极限状态就成为理想气体。想气体。5.5.膨胀功与流动功都是过程的函数。膨胀功与流动功都是过程的函数。