工程热力学-第二部分复习-工质热力性质及热力过程计算

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1、工程热力学工程热力学第十一讲山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所过程装备与控制工程专业本讲内容1 复习Ch3 工质性质（理想气体、实际气体、水蒸汽、湿空气）Ch4 热力过程Ch5 火用分析基础Ch6 热力循环2 练习 3 测验复习复习CH3 CH3 工质性质工质性质1 掌握理想气体的状态方程 2 掌握定压比热、定容比热 3 掌握理想气体及其混合物的内能、焓、比热、熵的计算方法 4 掌握实际气体的状态方程 5 会用普遍化压缩因子和常用的状态方程计算实际气体的状态 参数 6 掌握水蒸汽的一点二线三区五态。 7 能熟练使用水蒸汽图表。 8 掌握湿空气的特性,会使用焓湿图计算。理想气体 定义

2、： 理想气体是从实际气体抽象出来的物理模型。 所谓理想气体是一种经过科学抽象的假想气体，认为气体分子是 完全弹性的、不占据体积的质点，分子之间不存在相互作用力。 实质： 实际气体在压力趋近于0，比容趋近于无穷时的极限状态。 应用： 理想气体实际 上是不存在的。在温度不太低，压强不太大的情况 下，可将实际 气体看做是理想气体 T常温，p0u,h (T ) w (v ) wt (p ) q (s )sTvpu0u0h0w0w0wt0q0q0wt0蒸气的热力过程分析方法 理想气体的热力过程分析方法：公式计算法 蒸气的热力过程分析方法：利用图表 (1).定性：p-v图 T-s图 p-T图(2).定量：

3、h-s图(热机) lgp-h图(制冷) 研究蒸气热力过程的依据 1)第一定律 2)状态参数查图、查表 3)过程参数（可逆过程）研究蒸气热力过程的步骤 研究步骤：(1).利用图表，由已知的初态参数确定未知的初态参数；(2).利用图表，根据过程特点和已知的终态参数确定未知 的终态参数；(3).由初态参数和代入有关公式计算过程中的能量传递、 转换量：q，w，wt。水蒸气图、表的应用 应用：1.已知某状态任意两个独立参数（p，v，t，u，h，s，x） 就 能查出其余各参数，并可判别工质的状态。2.分析计算热力过程中工质状态变化及与外界的能量交换。 分析计算的一般步骤：（1）已知任意两个初态参数，查出其

4、它各初态参数（p1，v1 ，t1，u1，h1，s1，x1）。（2）根据过程条件（定压、定温、定熵、定容）及终态的一 个参数，查得终态各参数（p2，v2，t2，u2，h2，s2，x2）。（3）根据初终态参数及过程条件计算能量交换。（4）将过程表示在状态图上（p-v，T-s，h-s）。湿空气的基本热力过程单纯加热或冷却过程特点：含湿量不变 冷却去湿过程特点：凝析前含湿量不变，凝析后水蒸气饱和 增压冷凝过程特点：比较压力是否饱和以确定凝析情况 绝热加湿过程特点：绝热，近似定焓 加热加湿过程特点：能量守恒，吸热等于焓增，过程需补充条件 绝热混合过程特点：能量、质量守恒绝热节流 概念：流体在管道中流过突

5、然缩小的截面，而又未及与外 界进行热量交换的过程。 过程的基本特性等焓、压降h1h2推导： 根据 Q=0 + 第一定律焦耳汤姆逊效应时间：1852年 实验装置：结论：节流前后，气流温度发生变化 原因：h = f ( p , T ) 分析： 1.理想气体：节流后，焓不变、温度不变、压力降低、比 容增大，由于是不可逆绝热过程，节流后熵的值增大。 2.实际气体：节流前后焓不变，但温度有三种可能，即升 高、不变或降低。压气机压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机 ，而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工 作机。 压气机分类： 1. 按工作原理和构造：容积式（活塞式或往复 式）压气机 、速度式（叶轮式

6、或离心式）压气 机、特殊引射式压缩器。 2. 按压缩气体压力范围：通风机（110 kPa) 、鼓风机（110400 kPa) 、压气机（400 kPa)。（绝压）压气功的耗量可认为等于技术功。可能的压气过程1.特别快，来不及换热。 绝热过程 2.特别慢，热全散走。 定温过程 3.实际压气过程是 多变过程单级活塞式压缩机的理论耗功讨论： 1.对压缩机而言，示功图 p -V 图所包围的面积表示压 缩机的耗功，从 p-V图可以 看出定温压缩耗功最少，而 绝热压缩所消耗的机械功最 大。因此对压缩机应加强冷 却，不仅减少耗功，而且保 证润滑条件。2.通常为多变压缩, 10 Cp0恒大于零.CH5 CH5

7、 火用分析基础火用分析基础 火用是系统由任一状态经可逆过程变化到与给定环境状态 相平衡时所做的最大理论功。 符号：Ex Ex的基本含义是以环境为基准时系统的理论做功能力。 Ex的本质是系统与环境之间存在着不平衡势。 凡是不能转换成火用的能量称为火无。 符号：An 在能量转换过程中，火用和火无的总和恒定不变。E = Ex + An热一律和热二律的Ex含义 热一律：一切过程， Ex+An总量恒定。 热二律：由An转换为Ex不可能；在可逆过程中，Ex保持不 变 ；在不可逆过程中， 部分Ex转换为An。 孤立系Ex减原理：任何一孤立系， Ex只能不变或减少，不 能增加。能量贬值原理 能不仅有数量，还有

8、品质！ 能量贬值原理：在不可逆过程中，能量的数量不变，但Ex减 小了，能量的品质下降，能级降低了，做功能力下降了。 能级分析在大系统的能量匹配中有用。如果供能的能级与用 户的用能能级差较小，则匹配就比较合理。技术上可行、经济上合理n一项工程能被人们所接受必须具备两个条件：一是技术上的可行性；二是经济上的合理性。n经济效果可用效率型指标表示，如下式：经济效果收益/费用n 或用价值型指标表示：经济效果收益费用n 经济效果和技术效果是密不可分的，经济效果包 含技术效果。CH6 CH6 热力循环热力循环1.熟练掌握朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循 环的组成。 2.会利用蒸汽图表对循环进行热力分析

9、和计算。 3.掌握提高蒸汽动力循环热效率的方法和途径。 4.熟悉热电联供循环。 5.掌握空气和蒸汽压缩制冷循环的组成。 6.掌握制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。 7.了解制冷剂的热力学要求和环保要求。 8.了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷、热泵、空调原理。 9.掌握气体液化循环的原理和特点。动力循环 动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一 部分转换成对外的净功。 研究目的：合理安排循环，提高热效率。 动力循环的分类：按工质蒸汽动力循环：外燃机空气为主的燃气按理想气体处理水蒸气等实际气体气体动力循环：内燃机气体卡诺循环工质：气体 效率：最高效率缺点： 1.定温吸热和定温放热两个过

10、程在实际上难以实现； 2.在p-v图上，气体定温线与绝热线的斜率相差不大，所以 每次完成的功较小。蒸汽动力循环蒸汽动力循环：以蒸汽为工质，在湿蒸汽区，可以克服 气体卡诺循环的两个缺点。实际生产中不采用蒸汽卡诺循环。原因：1.湿蒸汽的绝热压缩难以实现，缺少压缩汽水混合物的 合适设备；2.定熵膨胀的末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利；3.蒸汽比容比水大上千倍，压缩时设备庞大，耗功也大；4.由于上限温度受限于临界温度，温差不可能很大，因此 热效率不高，每循环完成的功也不大。朗肯循环4321Ts1342pv朗肯循环功和热的计算 汽轮机作功 凝汽器中的定压放热 水泵绝热压缩耗功 锅炉中的定压吸热hs1

11、324提高朗肯循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力 降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环改变循环形式热电联产燃气-蒸汽联合循环新型动力循环IGCC PFBC-CC .朗肯循环的改进朗肯循环热效率有限： 1. 乏汽的压力和温度受限于环境，降低的可能很小。 2. 提高初始压力虽然可以提高朗肯循环的效率，但是由于乏 汽干度下降，对汽轮机的运行会产生不利后果。 3. 提高蒸汽进入汽轮机的初温又会对锅炉、管道、阀门的材 质、强度提出更高的要求。 4. 存在两个温差吸热造成朗肯循环效率变低。朗肯循环的改进：回热循环、再热循环等。蒸汽回热循环(1- )kg kg65as43211kgTa k

12、g4(1- )kg51kg由于T-s图上各点质量不同 ，面积不再直接代表热和 功蒸汽再热循环Ts6 5431b热电联产(供)循环用发电厂汽轮机后的乏汽的余热来满足低热用户的 需要。原因： 1.乏汽的能量数量多，但由于压力和温度低，可用 能很少，无法得到充分的利用。 2.生活和生产中需要耗费大量燃料以产生大量温度不 太高的热能。 3.热电联供将二者结合起来，一方面产生动力，另一 方面提供低品位的热能。由此节约的能量比因动力 循环效率下降而损失的能量多，综合节能效果非常 显著。制冷循环的计算内容1423T2TsT0制冷量q2耗净功w0 制冷量 循环放热量 循环耗净功 制冷系数性能系数 空气压缩制冷

13、循环压气机膨胀机冷却器冷藏室在 TL温度下冷介质q1q2winwout4123优点：工质无毒，无味 ，不怕泄漏。缺点：不能实现等温传 热，空气比热很小，换 热量小。以电能/机械能直接驱动的制冷循环回热空气压缩制冷循环膨胀机压缩机184回热器765q1q2冷却器蒸发器冷库（1）同样制冷系数下，增压比下降，这为采用 大流量的叶轮式压气机和膨胀机提供可能；（2）增压比减小，使压缩过程和膨胀过程的不 可逆损失的影响减小。以电能/机械能直接驱动的制冷循环压缩蒸汽制冷循环压缩机膨胀阀1234冷凝器蒸发器q2q1汽-水分离器以电能/机械能直接驱动的制冷循环吸收式制冷循环膨胀阀阀门泵加热蒸发器冷凝器蒸发器Q2

14、吸收器Q1QQ1“压缩机” 制冷剂(氨)吸收剂（水）n优点：1.直接利用热能 ；2.可用低品质热 ；3.环境性能好。n缺点：1.设备体积大；2.启动时间长。以热能直接驱动的制冷循环蒸汽喷射制冷循环泵冷凝器蒸汽锅炉1014267喷管混合室膨胀阀 98蒸发器扩压管Q2QQ1“压缩机”以热能直接驱动的制冷循环制冷剂制冷剂是制冷机（包括电冰箱）用来实现能量转换的 工作物质，又称制冷工质。 制冷剂的分类 1.根据制冷剂化学成份及组成可分为四类，即无机化 合物、碳氢化合物、氟里昂系列和混合共沸溶液。 2.根据蒸发温度的高低，制冷剂可分为三大类: 高温低压制冷剂_水、盐水溶液：适用于0以上的制冷循环 ，被广

15、泛用于空调装置。 中温中压制冷剂_氯化钠、氯化钙的水溶液：用于5-50制 冷装置中。 低温高压制冷剂_R11、三氯乙烯：适用于低于-50的制冷装 置。选用制冷剂的基本原则1.安全性 2.热力学特性: 蒸发潜热要大。 临界温度要高于环境温度。 凝固点要低。 操作压力要合适。 制冷剂的导热系数和放热系数要高。 3.其它要求: 制冷剂的粘度和密度要尽量小。在高温下不会分解，稳定。 无毒，没有明显的侵蚀作用。 易于与润滑油混合。 有一定的吸水能力。价格便宜，易于购买 。冷冻剂对环境应该无公害。 热泵逆向循环不仅可以用来制冷，还可以把热能释放给某物体或空间，使其温度升高。作这一用途的逆向循环系统称为热泵。 用途：将热能从低温热源送往高温热源。热泵与制冷机在热力学原理上是完全相同的，它们的区别主要有两点：1. 两者的目的不同。2. 两者的工作温区往往有所不同。 热泵与制冷循环的比较1423T1T2TsT0制冷循环热泵循环制冷量q2耗净功w0耗净功w0吸热量q2供热量q1sT热泵循环的计算T1TsT0耗净功w0吸热量q2耗净功w0供暖量w0q2 供暖量 吸热量循环耗净功循环耗净功供暖系数供暖系数深冷循环（气体液化循环） 深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体。 当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力都不能使 其液化。