下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
上面讨论的气体都是把它当作单一气体来处理的，但是生产中遇到的气体常常是由多种气体按一定的比例组成的混合物。在工程上常用的温度和压力范围之内，如组成混合气体的各单一气体都是理想气体，各气体之间又不产生化学反应，那么这类混合气体也可以当作理想气体进行工程计算。当组成气体是真实气体时，计算要复杂些，下面将结合具体的真实气体计算方法在本章末一并讨论。显然，混合气体的性质是与组成混合气体中各种气体本身的性质以及各种气体所占的比例有关。
由于气体分子不断地做混乱运动的结果，容器中混合气体的各种组成气体都是均匀分布的，温度均匀一致。混合气体作用在容器壁上的压力，应该是各种组成气体分子共同作用的总结果。根据道尔顿定律，混合气体作用于容器壁上的总压力p等于各种组成气体在同样温度下单独占据该容器（即占混合气体的总容积V）时所产生的压力即分压的总和。即
式中，p 1 、p 2 、…、p n 为组成气体1、2、…、n的分压力；p i 为任意一种气体的压力。
对由n种气体组成的混合气体，设各组成气体的质量分别为m 1 、m 2 、…、m n ，则混合气体的总质量m为
式中，m
i
为任意一种气体的质量。若以gi表示任意一种气体的相对质量成分，即g
i
=
，因而有
利用气体状态方程式对混合气体有pV=mRT，而对任意一种气体有p i V=m i R i T，将两者相除得
或
任何一种组成气体在混合气体的温度和压力下所具有的容积，称为分容积V i ，由状态方程式得：p i V=m i R i T和pV i =m i R i T
由此可得
或
若以γ
i
表示任意一种气体的相对容积成分，即
，则
利用容积成分计算组成气体分压力时，利用式（1-41）得
在工程计算中，还常常用摩尔成分来表示混合气体的成分。设组成气体的摩尔数为M 1 、M 2 、…、M n ，则混合气体的总摩尔数M为：
M=M 1 +M 2 +…+M n
相应的任意一种气体的相对摩尔成分用x
i
表示，即
，显然
因为在相同温度和压力下，各种不同气体都具有相同的摩尔容积，因此对混合气体和任意一种组成气体有V=Mμv和V i =M i μ i v i ，而μv=μ i v i ，所以有：
式（1-46）说明，在数值上摩尔成分和容积成分相等。
按质量成分计算，混合气体的相当分子量μ为：
按容积成分计算，相当分子量为：
混合气体的气体常数R用相当分子量按式（1-4）进行计算。
在没有具体的混合气体的详细资料供查阅时，在近似计算中，仍然可利用图1-1的通用曲线来估算，只是混合气体的临界参数一般根据各组成气体的临界参数按式（1-49）计算。
式中，下标“c”表示临界参数。
例： 已知某合成气压缩机低压缸合成气的容积成分和分子量示于表1-1。气体绝对压力和温度分别为25.51×10 5 Pa和311K，试计算低压缸进口合成气压缩系数。
解： 各组成气的临界参数由附录二表8查得，填入表1-1中。只是因为组成气体中的H 2 气，在计算临界参数时按式（1-6）和式（1-7）算得。另外根据低压缸进口状态计算对比参数如下：
由图1-1查得：z a =1.014
表1-1
根据比热容的定义，混合气体温度升高（或降低）1℃时所需要（或放出）的热量应该等于各组成气体温度升高（或降低）1℃时所需要（或放出）热量按其成分比例的总和。按质量成分和容积成分计算，在温度从t 1 变化到t 2 范围内，混合气体的平均比热容分别为：
混合气体的比热容比为
因为
故
工厂里许多工艺气体都具有一定的湿度，即含有一定的水蒸气，为了满足一定量干气（不含水蒸气）的要求，压缩机的进气量要相应增加，工程上将干气（除水蒸气之外的气体）的容积流量称为干基流量，而将湿气流量称为湿基流量。为了便于以后的计算，湿气可视为水蒸气和工艺气体的混合物，而其中水蒸气的含量较少，水蒸气的分压力也就较低，可以按照理想气体来考虑。许多热力性质可以按前面讲的混合气体的计算式来算得，在透平式压缩机中空气压缩机应用极广，而空气常作理想气体计算，这里结合湿空气来讨论，不仅针对空压机的计算可直接用，其结论对其他湿气计算时亦可参考。
湿气中所含水蒸气的数量称为“湿度”。湿气中含有的水蒸气质量称为绝对湿度，单位是kg/m 3 ，用ρ st 表示则有
式中，下标“st”表示水蒸气。除绝对湿度外还有相对湿度的概念，它是湿气的绝对湿度与同温度下饱和气体的绝对湿度ρ st，s 之比，用φ来表示为
φ=0，说明气体中不含一点水蒸气，是干气；φ=1，则ρ st =ρ st，s ，湿气中的水蒸气为饱和水蒸气，湿气也就是饱和气，此时湿气的温度称为湿气的“露点”。φ愈小，湿气的“吸水”能力愈强。反之，“吸水”能力愈低。运用气体状态方程式（1-1），式（1-55）可写为：
式（1-56）表明，相对湿度在数值上等于湿气中水蒸气的分压力和同温度下水蒸气饱和压力p st，s 之比。
工程上将湿气中水蒸气质量和干气质量之比称为含湿量，用d表示为：
式中，下标“st”、“dr”分别为水蒸气、干气。当然，因为水蒸气和干气都充满整个容积，即它们的容积都等于湿气容积V，温度相同，于是有
又根据式（1-56）得p st =φp st，s 而p=p st +p dr ，于是得
对空气可取R st =461.495J/（kg·K），R dr =286.997J/（kg·K），于是
对湿空气
露点t d 时的饱和气压p d 由式（1-60）令φ=1得
饱和气压与温度的关系一般有表可以查得或由以下关系式计算
或写成
当温度在10～168℃之间时，按式（1-62a）或式（1-62b）计算的误差很小，而当温度在100～200℃时
在式（1-62a）、式（1-62b）和式（1-63）中压力单位为kPa，温度单位为℃。
设干气流量Q dr ，湿气流量即压缩机的进气量为Q a ，由混合气体性质可得
p dr Q a =p a Q dr
式中，p dr 、p a 分别表示干气的分压力和湿气总压力，由式（1-37）和式（1-56）得p dr =p a- φp st，s ，于是有
式（1-64）说明，相对湿度越大，湿气流量比干气流量大得越多，反之这种差别就缩小。在现场常配备按m 3 /h（N）计数的流量计，将按压缩机实际进气状态的流量换算到标准状态时，考虑湿气的影响，如果干气的流量按标准状态给出（Q N ），其进气状态下的流量为
例： 空气压缩机低压缸的进口状态为：进气温度t 1 =38℃，进气压力p 1 =0.912×10 5 Pa（绝），相对湿度φ=80%。空气经过压缩与中间冷却之后，在高压缸第四段入口处的参数为：进口温度t 2 =35℃，进口压力p 2 =13.734×10 5 Pa（绝），高压缸第四段进口的容积流量为3069m 3 /h。试求压缩空气经冷却之后，由于冷凝除掉的水分是多少?
解： 根据压缩机低压缸进气温度38℃得p st，s =0.06624×10 5 Pa，对高压缸四段进气温度35℃时，饱和汽压p st，s =0.05622×10 5 Pa。由式（1-60）得低压缸进口处气体含湿量d 1 为
用同样方法求第四段入口处空气含湿量d 4 为0.00256kg/（kg干空气），相对于每千克干空气的凝结水量d为
d=d 1 -d 4 =0.0384-0.00256=0.036kg/（kg干空气）
对第四段入口，取φ=1，由式（1-64）求得进入第四段时的干空气容积流量为
质量流量为
每小时的凝结水量G W 为
G W =G dr d=4.723×10 4 ×0.036=1700kg／h
湿空气质量m=m dr +m st =m dr （1+d）
分子量
故湿空气的气体常数R为：
对比热容来说可以直接写出为：
由于
故有：
湿空气的焓应该为干空气焓与水蒸气焓的和，相对于1kg干气来说的湿空气焓称为湿空气比焓i，则有
取0℃时的干空气焓为0，则i dr =c p，dr t，而水蒸气焓在压力较低时可认为与温度成正比，因而有i st =i c +c p，st t，其中i c 为一常数，c p，st 为水蒸气定压比热容经验值，故有
按参考文献［21］，i为：
