工程熱力學 1316

1、1,,在工程上，制冷意味著維持系統(tǒng)溫度低于環(huán)境溫度。逆向卡諾循環(huán)從低溫熱源除去熱量，并將這部分熱量連同傳遞這些熱量所必需的功一起傳遞給高溫熱源。在這種情況下的被制冷的系統(tǒng)就是該低溫熱源。實際制冷系統(tǒng)的三種主要類型是蒸汽壓縮制冷循環(huán)、氣體壓縮制冷循環(huán)和吸收式制冷循環(huán)。,2,13.1 制冷機和熱泵,熱量從低溫區(qū)域傳遞到高溫區(qū)域需要特殊的循環(huán)裝置，稱為制冷機。制冷循環(huán)中用的工質(zhì)稱作制冷劑。制冷機耗功Wnet ，從溫度為TL（低

2、于環(huán)境溫度）的制冷空間除去熱量QL，并將熱量QH傳遞給溫度為TH（環(huán)境溫度）的較熱空間，實現(xiàn)熱量由低溫區(qū)域向高溫區(qū)域的傳遞。,3,,另一種將熱量從低溫介質(zhì)傳遞到高溫介質(zhì)的裝置稱作熱泵。制冷機和熱泵實質(zhì)上是原理相同的裝置，僅僅是使用目的不同。制冷機的目的是要排熱給環(huán)境以維持制冷空間的低溫，而熱泵的目的是要從環(huán)境取熱以維持采暖空間的高溫。,4,,制冷機和熱泵的性能都用性能系數(shù)COP表示，分別定義為：

3、制冷系數(shù) ： COPR = 冷卻效果/輸入凈功 = QL / Wnet供暖系數(shù) ： COPHP = 加熱效果 / 輸入凈功 = QH / Wnet制冷系數(shù)和供暖系數(shù)都可以大于1，并且有COPHP = COPR + 1,5,,對于確定的QL和QH值，因為COPR＞0，所以COPHP＞1。這意味著熱泵在最差的情況下是

4、如同電阻加熱器在工作，供給的能量與房間消耗的能量一樣多。事實上，QH的部分熱量通過管道和別的設備總會散失給外界空氣。當外界空氣溫度很低時COPHP值會小于1。這時系統(tǒng)通常轉(zhuǎn)換到用燃料（天然氣、丙烷、油等）或電阻采暖模式。,6,,制冷系統(tǒng)的冷量就是制冷空間的排熱速率，常常用冷噸表示。能在24小時內(nèi)將1噸0℃液態(tài)水凍成0℃的冰的系統(tǒng)制冷能力稱為1冷噸。1冷噸等于3.516 kW。一個200 m2的典型住宅的冷負荷在3冷噸(10 kW

5、)之內(nèi)。,7,13.2 逆向卡諾循環(huán),在T-s 圖上卡諾循環(huán)沿逆時針方向進行，也就稱為逆向卡諾循環(huán)。運行在逆向卡諾循環(huán)的制冷機稱為卡諾制冷機，運行在逆向卡諾循環(huán)的熱泵稱為卡諾熱泵。,8,圖13-1a和b分別是運行在濕蒸汽區(qū)的逆向卡諾循環(huán)的實際系統(tǒng)示意圖和其T-s 圖。,9,,過程1-2是制冷劑從溫度為TL的冷源等溫吸收熱量QL；過程2-3是制冷劑被等熵壓縮到溫度為TH的干飽和蒸汽狀態(tài)；過程3-4是制冷劑向溫度為TH的熱源等溫排放熱量Q

6、H直到飽和液體狀態(tài)；過程4-1是制冷劑等熵膨脹到溫度為TL的初態(tài)。,10,,卡諾制冷機和卡諾熱泵的性能系數(shù)可用溫度表示為COPR,C = TL /(TH - TL) COPHP,C = TH /(TH - TL)這兩個性能系數(shù)都隨溫度之差的減小而增加。,11,,為什么逆向卡諾循環(huán)不適合作為制冷循環(huán)的模式？ 1）因為它涉及過程2-3對液體和蒸汽混合物的壓縮，壓縮機要面對兩相工質(zhì)的壓縮。 2）而過程4-1涉

7、及高濕度制冷劑的膨脹。這些問題好象采用飽和區(qū)域外的逆向卡諾循環(huán)就能解決，但這時很難維持等溫吸熱和等溫放熱過程。逆向卡諾循環(huán)在實際中只用作實際制冷循環(huán)的比較標準。,12,13.3 理想蒸汽壓縮制冷循環(huán),逆向卡諾循環(huán)系統(tǒng)存在一些缺點。首先，往復式壓縮機不應運行在濕蒸汽區(qū)域，因為在壓縮過程中潤滑油會被沖走；其次，膨脹機作功與壓縮機耗功相比很小，并且這種膨脹機的費用會很貴。圖13-2a和b分別是理想蒸汽壓縮制冷循環(huán)的實際系統(tǒng)示意圖和

8、其T-s 圖。,13,圖13-2 a) 理想蒸汽壓縮制冷循環(huán)示意圖 b) 理想蒸汽壓縮制冷循環(huán)的T-s 圖,14,,它以兩種方式解決了這些問題。一是制冷劑吸熱直到成為狀態(tài)點1的飽和蒸汽后再被等熵壓縮；二是膨脹過程是不可逆的節(jié)流過程，只需要一個膨脹閥或毛細管。吸熱過程4-1和放熱過程2-3都是等壓過程。,15,,在T-s 圖中，過程曲線下的面積是代表內(nèi)部可逆過程的傳熱量。過程曲線4-1下的面積代表制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱量。過程曲線2-3

9、下的面積代表制冷劑在冷凝器中的放熱量。從圖13-2b可知，與濕蒸汽壓縮相比，干蒸汽壓縮需要的功大。由不可逆節(jié)流過程產(chǎn)生的制冷效果比等熵膨脹過程損失了面積abc 4。根據(jù)經(jīng)驗，蒸發(fā)溫度提高1℃或冷凝溫度降低1℃可改善COP值2 % ~ 4 %。,16,圖13-3 理想蒸汽壓縮制冷循環(huán)的lg p-h圖,17,,在實際制冷熱力計算中，經(jīng)常使用lg p -h圖，在圖中三個過程是用直線表示，蒸發(fā)量和冷凝量是和線段長度有關。以理想蒸汽壓縮

10、制冷循環(huán)工作的制冷機和熱泵的性能系數(shù)可表示為COPR = (h1 - h4) / (h2 - h1)COPHP = (h2 - h3) / (h2 - h1),18,13.4 實際蒸汽壓縮制冷循環(huán),實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)在某些方面區(qū)別于理想蒸汽壓縮制冷循環(huán)是由于出現(xiàn)在各部件中的不可逆性，主要是流體的流動摩擦引起壓降和流體與外界的傳熱。,19,圖13-4 實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)的T-s 圖,20,實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)的一些特征,實際上不

11、可能控制制冷劑在蒸發(fā)器出口正好是飽和狀態(tài)，而往往是設計成略微帶有些過熱，以保證制冷劑在進入壓縮機之前全部蒸發(fā)。另外，蒸發(fā)器和壓縮機之間的較長的連接管引起較大的流動摩擦壓降和外界對流體的傳熱。這些過熱、壓降和傳熱等因素都使比體積增加，也就使壓縮機的輸入功率增加，因為穩(wěn)定流動的技術功是與比體積成正比的。,21,,同樣，實際上不容易正確控制制冷劑在冷凝器出口正好是飽和液體狀態(tài)，而往往是設計成略微帶有些過冷，以保證制冷劑在進入節(jié)流閥之前全部

12、凝結。制冷劑的過冷使蒸發(fā)器進口處的焓減小，而可使制冷劑在蒸發(fā)器中的制冷量增加，耗功不變，即提高了蒸汽壓縮制冷循環(huán)的性能，并且過冷后可避免制冷劑在進入節(jié)流閥之前的閃蒸。在計算中往往假定過冷液的狀態(tài)就是該溫度下的飽和狀態(tài)，因為這時的等壓線和飽和液體線是十分接近的，它們之間的參數(shù)差異是非常小的。,22,,壓縮過程中的不可逆性引起比熵增加。這時冷量不變，但使壓縮機的輸入功率增加，性能系數(shù)減小。不可逆壓縮的影響可用等熵壓縮效率來考慮。,2

13、3,13.5 制冷劑,在20世紀40年代到90年代初期，蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中最常用的制冷劑是含有氯的氟氯碳（CFCs）。制冷劑R12（CCl2F2）是其中的一種。由于制冷劑中的氯對地球臭氧保護層的影響，已經(jīng)制定國際條約來逐步停止使用CFCs。已經(jīng)開發(fā)出多種含有氫的制冷劑來代替含氯的制冷劑。其中一類是不含氯的HFCs。制冷劑R134a（CF3CH2F）是R12的環(huán)保型替代物，已經(jīng)在許多場合代替了R12。,24,,制冷劑R22（CHCl

14、F2）是屬于HCFCs這一類，它含有氫原子替代了部分氯原子，但也將逐漸被停止使用。被廣泛應用于早期開發(fā)的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中的氨（NH3），因為它不含氯而可作為CFCs的替換物被再次得到重視。氨在吸收式制冷系統(tǒng)中也很重要。另外，碳氫物，例如丙烷（C3H8）和甲烷（CH4），也在被研究用作制冷劑。制冷劑氨、R22、R134a和丙烷的熱力參數(shù)數(shù)據(jù)列于附錄中。,25,,制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中的溫度分別受到冷源和熱源溫度的控制，本身又確定蒸

15、發(fā)器和冷凝器中的運行壓力。因此，制冷劑的選擇要考慮其壓力-溫度關系是否適合應用場合。另外也要考慮化學穩(wěn)定性、有毒性、腐蝕性和成本。壓縮機的類型也影響制冷劑的選擇。離心式壓縮機最適合用于低蒸發(fā)壓力和在低壓時具有大比體積的制冷劑。往復式壓縮機適用較高的壓力范圍，因此適用處理較小比體積的制冷劑。,26,13.6 氣體壓縮制冷循環(huán),氣體壓縮制冷循環(huán)有許多重要的應用。它們被用來產(chǎn)生很低的溫度以實現(xiàn)空氣或其它氣體的液化；用于特殊場合，如航空

16、器艙內(nèi)的冷卻。布雷頓制冷循環(huán)是氣體壓縮制冷循環(huán)的重要類型，也就常常被稱為氣體壓縮制冷循環(huán)。布雷頓制冷循環(huán)是封閉布雷頓動力循環(huán)的逆向循環(huán)，其T-s 圖示于圖13-6。,27,圖13-6 簡單氣體壓縮制冷循環(huán)的示意圖及其T-s 圖,28,,氣體制冷劑，如空氣，在狀態(tài)1進入壓氣機，并被壓縮到高溫高壓的狀態(tài)2；然后等壓冷卻到環(huán)境溫度T0的狀態(tài)3，接著是在透平中的膨脹過程，溫度降到T4；最后冷氣體在溫度為T1的制冷空間等壓吸熱，直到溫度上升到

17、T1。所有上述過程都是內(nèi)部可逆的，所完成的循環(huán)是理想的氣體制冷循環(huán)。在實際的氣體制冷循環(huán)中，壓縮和膨脹都不是等熵的，T3將高于T0，除非換熱器無限大。,29,,在T-s 圖中，過程曲線4-1下的面積表示從制冷空間排除的熱量；面積1-2-3-4-1表示凈功輸入。這兩塊面積之比就是循環(huán)的性能系數(shù)COP COPR = qL/wnet,in = (h1 - h4)/[(h2 - h1) -

18、(h3 - h4)]盡管氣體制冷循環(huán)的性能系數(shù)COP相對較低，但有兩個理想的特點，它們結構簡單，重量輕，而使它們可用于航空器艙內(nèi)的冷卻，并可結合回熱而用于氣體液化和低溫場合。,30,13.7 吸收式制冷循環(huán),提出的原因：在蒸汽壓縮制冷循環(huán)中最大的運行費用就是耗功，全部是可用能，它被用來將熱量從低溫傳遞到高溫；這時，功被轉(zhuǎn)換成熱并在冷凝器中被排放出系統(tǒng)。為了克服這樣使用可用能的缺點，就可利用一些氣體被某些流體吸收的性質(zhì)來將熱量從低

19、溫傳遞到高溫。,31,與蒸汽壓縮制冷循環(huán)的兩點不同,吸收式制冷循環(huán)具有一些與蒸汽壓縮制冷循環(huán)一樣的特性，但有兩點不同。一是壓縮過程的性質(zhì)不同，替代制冷劑在壓氣機中的壓縮過程是在吸收器中由吸收劑來吸收制冷劑形成溶液并被泵到高壓。因為溶液的平均比體積遠小于制冷劑蒸汽的比體積，所以需要的泵功與蒸汽壓縮制冷循環(huán)的壓氣機耗功相比小很多；二是必須在吸收系統(tǒng)中采取一些措施來從溶液中取出制冷劑蒸汽再進入冷凝器。這就涉及來自相對較高溫度的熱源的傳熱，例

20、如準備排放給環(huán)境的蒸汽或廢熱用在這里就特別經(jīng)濟。,32,圖13-7 簡單氨-水吸收式制冷系統(tǒng),33,,系統(tǒng)介紹吸收式制冷系統(tǒng)的主要部件示于圖13-7。這里氨是制冷劑，水是吸收劑。氨通過冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器的情況如同蒸汽壓縮制冷循環(huán)的情況一樣。但壓氣機被吸收器、泵、發(fā)生器和閥所替代。,34,,在吸收器中，來自蒸發(fā)器的氨蒸氣在狀態(tài)1被水吸收形成溶液并放熱。因為氨在水中的溶解量與溫度成反比，所以要用冷卻水來排除熱量（冷凝熱和溶液反應

21、熱），盡可能降低吸收器的溫度，而讓水盡可能多地溶解氨。濃氨—水溶液在狀態(tài)點a離開吸收器進入泵，并在狀態(tài)點b升到發(fā)生器中的壓力。在發(fā)生器中，來自高溫熱源的傳熱驅(qū)使氨蒸氣離開溶液（吸熱反應）并在狀態(tài)點2進入冷凝器，而留下的稀氨-水溶液在狀態(tài)點c 經(jīng)閥門流回吸收器。,35,,兩個改進措施對上述簡單氨-水吸收制冷系統(tǒng)提出采取兩個改進措施。一是在吸收器和發(fā)生器之間加一個換熱器，由稀氨—水溶液預熱濃氨—水溶液，而減少發(fā)生器中的供熱。二是在發(fā)生

22、器和冷凝器之間加一個精餾器，用來除去氨蒸氣中的殘留水分。以消除在膨脹閥和蒸發(fā)器中出現(xiàn)結冰的可能。,36,,制冷劑和吸收劑的搭配另外還有水—溴化鋰和水—氯化鋰吸收制冷系統(tǒng)，其運行的基本原理與氨—水系統(tǒng)相同。但它們是用水作為制冷劑，所以只能用于空調(diào)場合，其最低溫度高于水的冰點。,37,性能系數(shù),吸收式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)COPR定義為 COPR = QL / (Qgen + Wp,in) ≈ QL / Qgen 式中， QL是制冷

23、量，Qgen是在發(fā)生器中的供熱量，WP,in是泵的耗功。若整個循環(huán)都是可逆的，則可得到最大的COP值為 COPrev,abs = QL / Qgen = ηt,rev COPR,rev = (1 - T0 / TH)[TL / (T0 - TL)]式中，TH是熱源溫度，TL是冷源溫度，T0是環(huán)境溫度。,38,13.8 熱泵系統(tǒng),目的熱泵的目的是維持住房或別的建筑的室內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度。熱

24、泵系統(tǒng)與前面討論的制冷系統(tǒng)有許多相同的特性；也可以是蒸汽壓縮式或吸收式。蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)十分適合空間采暖場合，通常也就是用于這個目的。吸收式熱泵已開發(fā)用于工業(yè)場合，也逐漸被用于空間采暖。,39,,性能系數(shù)任何熱泵循環(huán)的性能系數(shù)都定義為采暖效果與實現(xiàn)該效果所必需的凈功之比。對卡諾熱泵循環(huán)可表示為COPHP,max = TH / (TH - TL) 這是運行在溫度分別為TH和TL的兩區(qū)域之間的任何熱泵循環(huán)的最高性能系數(shù)。

25、,40,,從中可見，當冷區(qū)溫度TL下降時，卡諾熱泵的性能系數(shù)也下降，實際熱泵系統(tǒng)也顯示這個特點。并說明為什么以大氣環(huán)境為冷源的熱泵（空氣源熱泵）通常需要備用系統(tǒng)在環(huán)境溫度非常低時來提供采暖。如果利用井水或地表本身作為供熱源，則不管環(huán)境空氣溫度較低，也可以得到較高的性能系數(shù)，并且不要備用系統(tǒng)。,41,圖13-8 表示用于空間采暖的典型蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng),42,,實際熱泵系統(tǒng)實際熱泵系統(tǒng)偏離卡諾熱泵循環(huán)模式很遠。最普遍采用的是蒸汽

26、壓縮式熱泵。它與蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)有相同的部件：壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器。在熱泵系統(tǒng)中，Φin來自環(huán)境，Φout輸入住房，需要凈功輸入來實現(xiàn)采暖效果。簡單蒸汽壓縮式熱泵的性能系數(shù)，參照圖13-8的符號，可表示為COPHP = qout / wC = (h2 - h3)/(h2 - h1),43,,兩用機在用于空間采暖的最普通類型的蒸汽壓縮式熱泵中，是蒸發(fā)器與外界空氣進行熱作用。這種用于空間采暖的熱泵也可在夏天用于供冷，這就需

27、要額外的管道和一個可逆向閥門。,44,圖13-9 空氣-空氣可轉(zhuǎn)向熱泵,45,,結構實線表示制冷劑在采暖運行時的流程。為了采用相同的部件作為空調(diào)器，則操作可逆向閥門，使制冷劑沿虛線運行。在制冷模式中，室外換熱器成了冷凝器，室內(nèi)換熱器成了蒸發(fā)器。雖然熱泵的安裝和運行費用較直接采暖系統(tǒng)貴，但考慮到它的供熱制冷兩用性的潛力，它們還是有競爭力的。,46,,容量的確定熱泵容量、電機大小和制冷劑量都必須考慮兩種運行模式來計算。具有較大需求

28、的一項就確定了系統(tǒng)的大小。由于采暖需要較大尺寸，所以熱泵主要用在冬季溫度不很低的地區(qū)。全年空調(diào)的流行促使熱泵應用的增長，即使在冬季溫度較低的地區(qū)也是這樣。另一個原因是燃料油價格上升，使熱泵在經(jīng)濟上可與住戶采暖的油噴嘴競爭。,47,,太陽能取暖與熱泵相結合在住戶采暖中，太陽能取暖與熱泵相結合會有巨大的收益。太陽能集熱器能提高TL，而使COPHP值大大提高。這時熱泵不需要運行在1.6 ~ 48.9℃的溫度范圍，而可運行在32.2

29、~ 48.9℃的范圍。COPHP從6.8提高到19.3。顯然，對相同的熱輸出只需花費很少的功。,48,第13章小結,從低溫區(qū)到高溫區(qū)的熱量傳遞稱為制冷。產(chǎn)生制冷的裝置稱為制冷機，而制冷機運行的循環(huán)稱為制冷循環(huán)。在制冷機中的工作流體稱為制冷劑。用于從冷介質(zhì)傳熱給采暖空間為目的的制冷機稱為熱泵。制冷機和熱泵的性能用性能系數(shù)COP來表示，定義為COPR = 理想輸出 / 需要的輸入 =

30、 冷卻效果 / 輸入功 = QL / WnetCOPHR = 理想輸出 / 需要的輸入 = 供熱效果 / 輸入功 = QH / Wnet,49,,制冷循環(huán)的比較標準是逆向卡諾循環(huán)。運行在逆向卡諾循環(huán)的制冷機或熱泵稱為卡諾制冷機或卡諾熱泵，它們的COP為COPR,C = 1/(TH /TL - 1) = TL /(TH - TL)COPHR,C = 1/(1 – TL /TH) =

31、 TH /(TH - TL),50,,應用最廣泛的制冷循環(huán)是蒸汽壓縮制冷循環(huán)。在理想蒸汽壓縮制冷循環(huán)中，制冷劑作為飽和蒸汽進入壓縮機并在冷凝器中冷卻到飽和液體狀態(tài)。然后，飽和液體被節(jié)流到蒸發(fā)器壓力，并從制冷空間吸收熱量而蒸發(fā)。,51,,動力循環(huán)經(jīng)過簡單的逆向運行就可以用作制冷循環(huán)。也被稱為氣體制冷循環(huán)的逆向布雷頓循環(huán)就用來冷卻航空器，如果再結合回熱器就可以得到很低的溫度。透平的輸出功可用來減少壓縮機的輸入功。氣體制冷循環(huán)的性能系數(shù)COP

32、表示為 COPR = qL / wnet,in = qL/ (wcomp,in – wturb,out),52,,另一種制冷方式是吸收式制冷，當存在一個廉價的、溫度為100 ~ 200℃的熱源時，它在經(jīng)濟上很有吸引力。這時制冷劑被一種稱作吸收劑的輸運介質(zhì)吸收，并以液體形式被壓縮。最廣泛使用的吸收式制冷系統(tǒng)是氨—水系統(tǒng)，其中氨用作制冷劑，而水作為吸收劑。輸送給泵的功通常是很小的；吸收式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)COP定義為COPR = 理

33、想輸出 / 需要的輸入 = QL/(Qgen + Qp,in) ≈ QL/Qgen,53,,吸收式制冷系統(tǒng)能具有的最大COP值可由假定全部可逆狀態(tài)來確定，則可得 COPrev,abs = ηt,rev COPR,rev = (1 - T0/TH)[TL/(T0 - TL)] 式中T0，TL和TH分別是環(huán)境，被制冷空間和熱源的熱力學溫度。,54,第14章 理想氣體混合物和濕空氣,14.1 理想氣體混合物14

34、.2 濕空氣14.3 基本空調(diào)過程,55,14.1 理想氣體混合物1．質(zhì)量成分、摩爾成分和容積成分,氣體混合物中的各種氣體稱為混合物的組分。質(zhì)量成分xi定義為：xi = mi / m。定義摩爾成分yi 為：yi = ni / n。 容積成分為：Vi /V = ni /n = yi。氣體混合物的容積成分等于混合物的摩爾成分。質(zhì)量成分xi 和摩爾成分yi的關系：xi = mi /m = niMi /(nM ) = yi

35、 (Mi /M ),56,2．亞美格分體積定律,混合氣體的總體積V 等于各組分在混合物溫度T 和壓力p 下所占有的體積（分體積）之和，稱為亞美格分體積定律。嚴格講，該定律只適用于理想氣體混合物，并可表示為V = ΣV i,57,3．道爾頓分壓力定律,當氣體混合物的第i 個組分氣體在占據(jù)混合物體積并處于和混合物相同溫度時的壓力稱作該組分氣體的分壓力。分壓力和混合物總壓力之比等于混合物的摩爾成分，pi /p = ni /n = yi。

36、混合氣體總壓力p 等于各種氣體單獨占據(jù)混合物容積V 并處于混合物溫度T時所施加容器的壓力pi之和稱為道爾頓分壓力定律。嚴格講，這定律只適用于理想氣體混合物，并可表示為 p = Σpi,58,4．混合氣體的平均分子量和平均氣體常數(shù),混合物的平均摩爾質(zhì)量定義為混合物總質(zhì)量m與混合物總摩爾數(shù)n 之比，表示為M = m /n = (m1 + m2 + ??? + mj) / n = (n1M1 + n2M2 + ??? + njMj) /

37、nM = ΣyiMi混合物的平均氣體常數(shù)可表示為 R = Ru /M,59,5．理想氣體混合物的熱力學能、焓、熵和比熱容,混合物的參數(shù)，諸如熱力學能、焓、熵可以通過各組分在混合物狀態(tài)下的各參數(shù)相加來確定。熱力學能和焓只是溫度的函數(shù)，則有：U = n= Σni H = n= Σni = Σyi = Σyi,60,,組分的熵是溫度和壓力的函數(shù)?；旌衔锏撵厥墙M分熵之和。S = n = Σni

38、 = Σyi 式中，是組分i 在混合物溫度T 和其分壓力pi 下的每摩爾的熵?；旌衔锏谋葻崛菘赏ㄟ^展開混合物的焓方程和熱力學能方程來求得= Σyi = Σyi對每單位質(zhì)量來計算就要涉及質(zhì)量成分xi。,,,,,,,,,61,,理想氣體混合物在過程中各組分的Δu 和Δh 的計算是比較容易的，因為它只需要知道初終態(tài)溫度就可以了。但對Δs 的計算要注意，理想氣體的熵取決于組分的壓力（或體積）和溫度。理想氣體

39、混合物在過程中各組分的熵變，對每單位質(zhì)量，可表示為Δsi = - - Ri ln(pi2/pi1) ≈ cpi ln(Ti2/Ti1) - Ri ln(pi2/pi1) 在計算熵變時，要用每個組分的分壓力pi，而不是混合物的壓力。,,,62,,當兩種氣體混合時，就有熵增，并被稱作混合熵。混合熵變?yōu)閮山M分熵變之和。對任何數(shù)目的組分，在相同的溫度和相同的壓力下上式可普遍化為S2 - S1 = -RuΣni ln(yi)如

40、果相同組分的氣體，則混合熵變?yōu)榱恪＿@是因為無法區(qū)別這兩種氣體以確定其分壓力，因此混合物終壓也就是氣體的分壓力。,63,14.2 濕空氣1．干空氣和濕空氣,空氣是氮氣、氧氣和少量其他氣體的混合物。大氣中的空氣通常含有一些水蒸氣，而被稱為濕空氣；相反，不含水蒸氣的空氣稱作干空氣。將空氣處理成干空氣和水蒸氣的混合物是較方便的，因為干空氣的組成相對比較恒定，而水蒸氣的量會隨來自大水體、降雨甚至人體表面的蒸發(fā)或凝結而變化。雖然空氣中水

41、蒸氣的量是很少的，但它對人體舒適起很重要的作用，所以在空調(diào)中十分重要。,64,,在空調(diào)領域，空氣溫度范圍是在-10℃到50℃左右。在這范圍，干空氣可作為理想氣體處理，并可取定比熱容cp = 1.005 kJ/(kg·K)，誤差小于0.2 %而可忽略不計。取0℃作為參考溫度，則干空氣的焓和焓變可由以下兩式確定 ha = cpt = 1.005 kJ/(kg·℃) t Δha = cpΔt = 1.005 kJ

42、/(kg·℃) Δt 式中，t是空氣的攝氏溫度；Δt是溫度變化?？照{(diào)過程涉及焓變化Δh，它與選擇的參考點無關。,65,,將空氣中的水蒸氣也處理為理想氣體肯定會很方便，你也許會愿意為這方便而失去一些精度。在50℃時，水的飽和壓力是12.3 kPa。在低于這個壓力時，水蒸氣作為理想氣體處理的誤差小于0.2 %而可忽略，即使是飽和蒸汽。因此，空氣中水蒸氣的行為就象它單獨存在一樣，并遵從理想氣體狀態(tài)方程式pv

43、 = RT。,66,,于是，濕空氣可處理為理想氣體混合物，其壓力是干空氣的分壓力pa和水蒸氣的分壓力pv之和，p = pa + pv。水蒸氣的分壓力通常稱為蒸汽壓，是它單獨處于濕空氣溫度和容積下，水蒸氣施加的壓力。,67,,因為水蒸氣是理想氣體，所以水蒸氣的焓只是溫度的函數(shù)。這也可以從水蒸氣的T-s 圖上看出，在溫度低于50℃時，等焓線與等溫線一致。所以，空氣中水蒸氣的焓可以取為在相同溫度下的飽和蒸汽焓，即hv(T, low p

44、) ≈ hg(T )。水蒸氣在0℃時的焓為2 501.3 kJ/kg。在溫度范圍-10℃到50℃之間，水蒸氣的平均比熱容cp值可取為1.82 kJ/(kg·℃)。于是水蒸氣的焓可近似確定為hg(t ) ≈ 2 501.3 kJ/kg + 1.82 kJ/(kg·℃) t 式中，t 是水蒸氣的攝氏溫度。在-10 ~ 50℃之間誤差可忽略不計。,68,2．比濕度和相對濕度,空氣中的水蒸氣量可直接給出每單位

45、質(zhì)量干空氣中的水蒸氣質(zhì)量。這就是比濕度（又稱含濕量），表示為ω = mv /ma，則可推導得 ω = 0.622 pv /(p - pv) 式中，p 是總壓。在干空氣中加入一些水蒸氣。比濕度就增大。當更多的水蒸氣加入后，比濕度會繼續(xù)增大直到空氣無法再多含水分。這時，就認為空氣含水分達到飽和，并稱之為飽和空氣。再進入飽和空氣的水分都會凝結。在給定溫度和壓力下，飽和空氣中的水蒸氣量可用上式來確定，式中pv就是在那溫度下水蒸氣的飽和壓

46、力ps。,69,,濕空氣的成分也可以用相對濕度φ來描述，定義為給定濕空氣中水蒸氣的摩爾成分yv與在相同混合物溫度和壓力下的飽和濕空氣中水蒸氣的摩爾成分yv,sat之比，φ = yv / yv,sat，則有φ = pv /ps于是比濕度ω和相對濕度φ之間的關系可表示為φ = ω pa /(0.622 ps)干空氣的相對濕度φ = 0，飽和空氣的相對濕度φ = 1。,70,,空氣能夠含有的水分量取決于它的溫度。因此，空氣的相對濕度隨

47、溫度而變化，即使當時其比濕度保持不變。我們可以用理想氣體定律來描述濕空氣性質(zhì)直到65℃，高于這個溫度后，空氣中水的飽和程度較高，氣體-水蒸氣混合物的非理想氣體性質(zhì)會產(chǎn)生較大的差異。,71,,濕空氣的H、U 和S 的值可由混合物中各組分的值相加來得到。每單位質(zhì)量干空氣的濕空氣焓為 h = ha + (mv /ma)hv = ha + ωhv 式中，干空氣和水蒸氣的焓都用混合物的溫度來計算。類似的方法也適用濕空氣熱力學

48、能的計算。,72,3．露點溫度,圖14-1濕空氣等壓冷卻的水蒸氣T-s圖,73,討論一個由濕空氣組成的閉口系統(tǒng)被等壓冷卻,濕空氣性質(zhì)的一個重要方面是當溫度下降時會出現(xiàn)水蒸氣的部分冷凝。初始，水蒸氣處于過熱蒸汽狀態(tài)1，如圖14-1所示。在冷卻的前段，系統(tǒng)壓力和濕空氣組分都保持不變。因為pv1= yvp，所以水蒸氣的分壓力會保持不變，水蒸氣會在等壓pv1下從狀態(tài)1冷卻到稱為露點的狀態(tài)d。相應分壓力pv1的飽和溫度稱作露點溫度。,74,,

49、過后繼續(xù)冷凝，系統(tǒng)溫度會低于露點溫度，原先存在的部分水蒸氣會凝結。在終態(tài)，系統(tǒng)由氣相干空氣和水蒸氣以及與之平衡的液相水組成。剩余的蒸汽處于終溫下的飽和狀態(tài)2，其分壓力為該終溫下的飽和壓力pg2。凝結液為該終溫下的飽和液體，狀態(tài)3。終態(tài)水蒸氣的分壓力pg2小于初值pv1是因為出現(xiàn)凝結后使水蒸氣的摩爾成分減小。,75,4．絕熱飽和溫度和濕球溫度,確定相對濕度的兩種方法：確定相對濕度的一種方法是先確定空氣的露點溫度，然后得到水蒸氣的分壓

50、力，再得到相對濕度。這個方法簡單，但不實用。另一種確定絕對或相對濕度的方法就與濕空氣的絕熱飽和過程有關。,76,圖14-2穩(wěn)定流動絕熱飽和裝置示意圖,77,絕熱飽和過程敘述,參數(shù)為T1和ω1的未飽和濕空氣（質(zhì)量流量為 a1 + v1）進入絕熱管道。管道底部存水并蒸發(fā)進入空氣流，比濕度ω增大。水的蒸發(fā)熱量來自進口濕空氣流的焓。因為焓是溫度的單值函數(shù)，則濕空氣的溫度下降。如果濕空氣與水較長時間充分接觸，則濕空氣在出口處是飽和濕空氣

51、φ2 = 1，并處于絕熱飽和溫度T2。如果補充水等于蒸發(fā)水量 eva，補充水溫等于絕熱飽和溫度T2，則該絕熱飽和過程可看作是穩(wěn)定流動過程。該穩(wěn)定流動過程不涉及熱和功的相互作用，動能和勢能的變化可忽略不計。,,,,,78,,公式推導對這開口系統(tǒng)，由質(zhì)量平衡和能量平衡可得：ω1 = [cpa(T2 - T1) + ω2hfg2] / (hg1 - hf2) φ1 = ω1p1 / [(0.622 + ω1)pg1]其中，

52、ω2 = 0.622 pg2 / (p2 - pg2) 因此，空氣的比濕度和相對濕度可通過測量絕熱飽和器進口和出口處的空氣壓力和溫度來確定。,79,圖14-3 說明絕熱飽和溫度的T-s 圖。通常，絕熱飽和溫度處于進口溫度和露點溫度之間。,80,濕球溫度,上述絕熱飽和過程提供了確定空氣的絕對或相對濕度的方法，但是它需要很長的絕熱通道或噴水裝置以在出口實現(xiàn)飽和狀態(tài)。一個比較實際的方法是使用普通的濕球溫度計來讀取濕球溫度。,81,

53、濕球溫度計,用吸足水的棉紗帶包住一個溫度計的球包。如果濕空氣流不飽和，那么水就會從濕球棉紗帶上蒸發(fā)。蒸發(fā)所需要的能量部分來自濕球上水分本身放出的熱量而溫度降低。于是空氣溫度高于濕棉紗帶的表面溫度，而通過對流換熱將熱量傳給濕球。當達到熱濕平衡時，水分蒸發(fā)所需要的熱量是全部來自空氣。這時達到穩(wěn)定狀態(tài)，空氣、水蒸氣和溫度計的溫度不隨時間而變化，這時濕球溫度計的讀數(shù)稱作濕球溫度。,82,影響因素和對環(huán)境的要求,有幾項影響濕球溫度讀數(shù)的因

54、素：沿溫度計桿的導熱，從環(huán)境到濕球的輻射傳熱，以及濕球和空氣之間的邊界層情況。這時要求空氣混合物和濕球溫度計之間的相對速度要大于3.5 m/s，并且要使輻射傳熱影響最小，而對流換熱是主導傳熱模式。,83,,一般來說，濕球溫度和絕熱飽和溫度是不一樣的。但對大氣壓下的空氣，濕球溫度和絕熱飽和溫度之間的實際差異很小。而在別的壓力下，或者不是空氣-水蒸氣混合物時，情況就不一定是這樣。確定濕空氣狀態(tài)必須要有兩個獨立參數(shù)。干球溫度是其中之一。

55、當知道了濕球溫度后就可以確定給定壓力的濕空氣中水蒸氣的分壓力，就可以確定其他參數(shù)。,84,5．濕空氣的焓濕圖,通常用干濕球溫度連同焓濕圖一起來確定相對濕度，這比用前面介紹的公式計算來得方便。對于不是大氣壓的情況，就要進行修正。,85,圖14-4濕空氣的焓濕圖,86,焓濕圖的結構,首先，每張焓濕圖都是在確定的混合氣體總壓力下構造的。常用的是混合氣體總壓力為1atm，但若偏離不大時，作為工程分析計算，誤差還是可以忽略不計的。焓濕圖以干球溫

56、度為橫坐標；以比濕度為縱坐標，有的圖也同時示出水蒸氣分壓力，因為在給定的總壓力下，比濕度和水蒸氣分壓力一一對應。在圖的左端是飽和曲線。是φ = 100 %的曲線。其它等相對濕度曲線也有相類似的形狀。等濕球溫度線是向右逐漸下降。等比體積（m3/kg dry air）線也類似，但較陡。,87,,焓濕圖也給出每單位質(zhì)量干空氣的混合物焓值：h = ha + ωhv [kJ/kg a] 空氣焓和水焓有不同的參考溫度：空氣是

57、0℃，（在空氣的理想氣體性質(zhì)表中參考溫度是取0 K）即有ha = dT = cpa t (℃) 式中cpa 對干空氣是定值，可取cpa = 1.005 kJ/kg℃。溫度單位取攝氏℃。水蒸氣的焓hv 為混合物干球溫度下的hg 值。,,88,,等焓線非常接近于平行等濕球溫度線。因此，在一些圖中定濕球溫度線也被用作等焓線。對飽和空氣，干球溫度、濕球溫度和露點溫度是相同的。因此，在圖中任何點處環(huán)境空氣的露

58、點溫度可由該點向飽和曲線作水平線來確定，交點處的溫度值是露點溫度。,89,焓濕圖的應用,焓濕圖被廣泛用于空調(diào)和物質(zhì)干燥等問題的計算。濕空氣的焓濕圖對空調(diào)過程的直觀化也是十分有益的。例如，常規(guī)的加熱和冷卻過程如果不涉及加濕和去濕（ω = 定值），就會是一條水平線。任何對水平線的偏離都表示過程中對空氣的加濕或去濕。,90,圖14-5 示意性的過程焓濕圖,91,14.3 基本空調(diào)過程,術語“空調(diào)”意味著空氣被加熱、冷卻、增濕或去濕等典型的

59、空氣調(diào)節(jié)過程。各種空調(diào)過程都可在焓濕圖上直觀表示。簡單加熱或冷卻過程在焓濕圖上是水平線，因為這時比濕度ω保持不變。在冬季，空氣通常被加熱和增濕；而在夏季通常被冷卻和去濕。,92,,大多數(shù)空調(diào)過程可建模為穩(wěn)定流動過程。干空氣和水的質(zhì)量平衡可表示為： Σ a,in = Σ a,out Σ w,in = Σ w,out 忽略動能和勢能變化的影響，穩(wěn)定流動能量平衡方程可表示為Ф in + Pin + Σ

60、ihi = Фout + Pout + Σ e he 通常功是指風機輸入功，它遠小于能量平衡方程的其它項。,,,,,,,93,1．簡單加熱和冷卻過程（ω = 常數(shù)）,許多住房采暖系統(tǒng)由爐子、熱泵或電阻加熱器構成。系統(tǒng)中的空氣流經(jīng)管道中的加熱盤管被簡單加熱，空氣中的水分不變，即比濕度ω保持不變。在焓濕圖中過程沿水平線朝干球溫度增大的方向進行。這時空氣的相對濕度減小，這是因為相對濕度是空氣中水蒸氣含量與同溫度下水蒸氣含有能力的比值，

61、而溫度上升使水蒸氣含有能力增大。,94,,等比濕度的冷卻過程類似上述的簡單加熱過程，只是干球溫度減小，相對濕度增大。這過程可通過迫使空氣外掠冷卻盤管來實現(xiàn)，盤管內(nèi)流過制冷劑或冷水。這時的質(zhì)量和能量平衡式分別為 a1 = a2 ≡ a ω1 = ω2 Ф = a (h2 - h1),,,,,95,2．加熱加濕過程,目的在冬天，空氣被調(diào)節(jié)，進行加熱和加濕，這對住房采暖很重要。非常干燥的空氣會引起木制家具收

62、縮。造成如粘液膜干燥這類不利生理影響的原因。它同樣也意味著會消耗更多的燃料，因為干空氣的導熱性能較差。比熱容和導熱系數(shù)直接受空氣中水分的影響。,96,圖14-6 加熱和蒸汽噴射加濕過程,97,兩種方法,對簡單加熱引起的相對濕度降低的問題，可通過加濕來解決。這可讓空氣通過加熱段1-2后再經(jīng)過加濕段2-3來實現(xiàn)，見圖14-6。如果是蒸汽噴射加濕，就是升溫加濕，T3＞T2。如果是水噴射加濕，水的部分蒸發(fā)潛熱來自空氣，就使熱氣流冷卻

63、，就是降溫加濕，T3＜T2。這時空氣在加熱段應被加熱到較高的溫度以彌補后面噴水加濕的冷卻作用。,98,圖14-7 濕空氣進入加熱-增濕裝置的示意圖和過程焓濕圖,99,3．冷卻去濕過程,現(xiàn)在討論空氣的去濕問題。通常是在夏天當家里空調(diào)器運行時遇到的情況。在簡單冷卻過程中相對濕度增加。如果相對濕度增加過多，就有必要除去水分以得到理想的濕度?？捎没瘜W物質(zhì)，如硅膠，來吸收水分，但大多數(shù)場合是將空氣冷到露點溫度以下來除去一定的水分，然后留下的

64、冷的濕空氣再被加熱。,100,,有兩種方法可用來冷卻空氣： 1）一種是向空氣中噴入涼水，細的噴霧形成很大的傳熱面積。空氣在較低的涼水溫度下達到飽和狀態(tài)。 2）第二種方法是直接方法，使空氣流過空調(diào)制冷機的蒸發(fā)器而降溫。當然，必須有足夠的盤管來使全部空氣冷到飽和溫度。,101,圖14-8 冷卻去濕裝置示意圖和過程焓濕圖,102,,熱的濕空氣進入冷卻段，處于狀態(tài)1。經(jīng)過冷卻盤管時溫度下降，相對濕度上升，比濕度不變。如果冷卻段

65、足夠的長，空氣會達到露點溫度成飽和狀態(tài)2。再進一步冷卻就使空氣中的部分水分凝結。整個凝結過程沿飽和線進行，直到狀態(tài)點3。通常假定凝液在溫度T3離開冷卻段。,103,,在狀態(tài)點3的冷的飽和空氣被直接送到房間與室內(nèi)空氣混合。但有時狀態(tài)點3的濕空氣是比濕度合適，但溫度太低。這時就將空氣再通過一個加熱段，升高到合適溫度后再輸入房間。,104,圖14-9 濕空氣進入去濕-加熱裝置的示意圖和過程焓濕圖,105,4．蒸發(fā)冷卻過程,在炎熱干燥

66、地帶的冷卻可通過蒸發(fā)冷卻來實現(xiàn)。這涉及向空氣中噴注液體水或迫使空氣流經(jīng)充滿水的填料。,106,圖14-10 蒸發(fā)冷卻設備示意圖和過程焓濕圖,107,基本原理,當水蒸發(fā)時，從水體和環(huán)境空氣吸收蒸發(fā)潛熱，結果水和空氣都被冷卻。低濕度的濕空氣在狀態(tài)1進入蒸發(fā)冷卻器，部分注入水就吸收空氣流的熱量而蒸發(fā)。結果空氣流溫度降低，濕度增加直到狀態(tài)2。,108,質(zhì)量和能量平衡,因為可忽略與環(huán)境的傳熱，不作功，動能和勢能的變化也可忽略不計，則對控制容積的

67、質(zhì)量和能量平衡可表示為(ha1 + ω1hg1) + (ω2 - ω1)hf = (ha2 + ω2hg2)注入水焓(ω2 - ω1)hf通常遠小于另兩項，因此，濕空氣的焓近似看作保持不變。在焓濕圖中定焓線可近似看作等濕球溫度線，所以，蒸發(fā)冷卻過程就近似沿等濕球溫度線進行。,109,5．濕空氣流的絕熱混合過程,在大型建筑中常常需要將室內(nèi)空氣抽出與一定量的新鮮空氣混合后再送入室內(nèi)。,110,圖14-11 兩股濕空氣流的絕熱混合及其

68、過程焓濕圖,111,,分析濕空氣流的絕熱混合過程的目的就是在已知進口氣流的狀態(tài)和流量的情況下確定出口氣流的狀態(tài)和流量。在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，由干空氣和水蒸氣的質(zhì)量平衡和過程能量平衡可導得：a1/ a2 = (ω2 - ω3) /(ω3 - ω1) = (h2 - h3)/(h3 - h1),,,112,,在焓濕圖中，狀態(tài)點3是位于狀態(tài)點1和狀態(tài)點2的連線上，分割出的兩段線段2-3和3-1之比等于質(zhì)量流量 a1和 a2之比。