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1、天津大学化工热力学第4章热力学基本定律ppt课件Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望4.1热力学第一定律热力学第一定律主要内容主要内容基本概念基本概念稳定流动系统热力学第一定律表达式稳定流动系统热力学第一定律表达式稳流系统热力学第一定律应用稳流系统热力学第一定律应用基本概念基本概念1.体系与环境体系与环境体系（体系（system）：被划定的研）：被划定的研究对象称为体系，也称为系统究对象称为体系，也称为系统或物系。或物系。环境（环境（Surroundings）：与体）：与
2、体系密切相关的，有相互作用或系密切相关的，有相互作用或者影响的其余部分。者影响的其余部分。2.体系分类：体系分类：根据体系与环境的关系，将体系分为三类：根据体系与环境的关系，将体系分为三类：（1）敞开体系）敞开体系体系与环境既有物质交体系与环境既有物质交换，又有能量交换换，又有能量交换（2）封闭体系）封闭体系体系与环境没有物质交体系与环境没有物质交换，有能量交换换，有能量交换基本概念基本概念（3）孤立体系）孤立体系体系与环境既无物质交换，又无能量交换。体系与环境既无物质交换，又无能量交换。又被称为隔离体系。又被称为隔离体系。有时又把封闭体系和环境一起作为孤立体系有时又把封闭体系和环境一起作为孤
3、立体系研究研究基本概念基本概念3.状态和状态函数状态和状态函数状态：指某一瞬间体系所呈现的宏观状况；状态：指某一瞬间体系所呈现的宏观状况；状态函数：体系某些宏观热力学性质是所处状态函数：体系某些宏观热力学性质是所处状态的单值函数，称为状态函数。如状态的单值函数，称为状态函数。如p、V、T、U、H、A、G状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零始变化零基本概念基本概念4.过程：过程：指体系从一个平衡状态到另一个平衡状态的指体系从一个平衡状态到另一个平衡状态的转换。转换。描述一个过程一般包括：始态、末态、途径描述一个过程一般包括：始态、末态、途径基本概念
4、基本概念5.热和功热和功（1）热和功不是状态函数，它们与经历的途径有关；热和功不是状态函数，它们与经历的途径有关；（2）它们只是能量的传递形式，而不是储存形式。）它们只是能量的传递形式，而不是储存形式。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是物当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是物质的能量。质的能量。（3）符号规定：）符号规定：Q:体系吸热为正，放热为负体系吸热为正，放热为负W:体系得功为正，做功为负体系得功为正，做功为负基本概念基本概念能量的形式能量的形式化工过程涉及到的能量有两大类：物质的能量和能量的传化工过程涉及到的能量有两大类：物质的能量和能量的传递。递。物质的能量（以物质的能量（
5、以1kg为基准）为基准）热力学能：热力学能：U=f（T，p，x），分子尺度层面上的物质内部），分子尺度层面上的物质内部的能量的能量动能：动能：EK=1/2u2势能（位能）：势能（位能）：Ep=gZ能量的传递：能量的传递：热热:Q功功:W热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律能量守恒和转换定律：自然界能量守恒和转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量有不同的形式，中的一切物质都具有能量，能量有不同的形式，能量不可能被创造也不可能被消灭，而只能在一能量不可能被创造也不可能被消灭，而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转变定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转变过程
6、中总能量是守恒的。过程中总能量是守恒的。热力学第一定律数学表达热力学第一定律数学表达Z1p1,T1,V1,U1,u1,H1p2,T2,V2,U2,u2,H2Z2m1m2dE/dt,dm/dt,Ws, Q热力学第一定律数学表达热力学第一定律数学表达单位质量的总能量表达：单位质量的总能量表达：封闭系统热力学第一定律封闭系统热力学第一定律封闭系统封闭系统单位质量，积分单位质量，积分（4-12）稳定流动系统稳定流动系统敞开体系：体系和环境有物质和能量的交换敞开体系：体系和环境有物质和能量的交换流动过程有如下特点流动过程有如下特点（1）设备内各点的状态不随时间变化）设备内各点的状态不随时间变化（2）垂直
7、于流向的各个截面处的质量流率相等）垂直于流向的各个截面处的质量流率相等。p1,T1,V1,U1，H1p2,T2,V2,U2，H2QWSZ1Z2u2u1单位：单位：J/kg化工中常见的稳流装置化工中常见的稳流装置稳流系统热力学第一定律的应用稳流系统热力学第一定律的应用（1）流体通过压缩机、膨胀机、透平等设备）流体通过压缩机、膨胀机、透平等设备若与环境绝热，或热交换相对较小，可以得到若与环境绝热，或热交换相对较小，可以得到：H1H2高温高压蒸汽带动透平做功高温高压蒸汽带动透平做功稳流系统热力学第一定律的应用稳流系统热力学第一定律的应用（2）流体流经换热器、反应器等传质设备流体流经换热器、反应器等传
8、质设备用于精馏、蒸发等过程换热器的设计。用于精馏、蒸发等过程换热器的设计。当通过反应器、换热当通过反应器、换热器时，体系发生反应、器时，体系发生反应、相变化、温度变化相变化、温度变化化学反应化学反应反应热反应热相变相变相变热相变热温度变化温度变化显热显热QH（3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀过程或绝热闪蒸过程过程或绝热闪蒸过程稳流系统热力学第一定律的应用稳流系统热力学第一定律的应用如：冷冻过程通过节流阀，如：冷冻过程通过节流阀，焓未变，通过等焓线，但温焓未变，通过等焓线，但温度降低。度降低。5413等等焓焓线线2TSTHTL稳流系统热力学第一定律的
9、应用稳流系统热力学第一定律的应用（4）流体通过喷管获得高速气体（超音速）流体通过喷管获得高速气体（超音速）,或者通过扩压管或者通过扩压管例如：火箭、化工生产中的喷射器例如：火箭、化工生产中的喷射器稳流系统热力学第一定律的应用稳流系统热力学第一定律的应用（5）伯努利（）伯努利（Bernoulli）方程）方程对于没有摩擦的流体对于没有摩擦的流体流动过程，可以视为流动过程，可以视为可逆过程可逆过程V是单位质量的体积是单位质量的体积微分微分无轴功，积分无轴功，积分例题例题30的空气，以的空气，以5m/s的速率流过一个垂直安装的的速率流过一个垂直安装的换热器，被加热至换热器，被加热至150，若换热器进出
10、口管直，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为度为3m，空气的恒压平均热容为，空气的恒压平均热容为试求试求50kg空气从换热器吸收的热量。空气从换热器吸收的热量。思考题思考题1.从稳定流动系统的热力学第一定律简化，从稳定流动系统的热力学第一定律简化，能否得到物化课程中学习的封闭系统的热能否得到物化课程中学习的封闭系统的热力学第一定律，怎样简化？力学第一定律，怎样简化？2.从能量利用的角度分析：在夏天，打开从能量利用的角度分析：在夏天，打开冰箱门来降低房间的温度合适吗？冰箱门来降低房间的温度合适吗？4.2热力学第二定律热力学第二
11、定律水往低处流水往低处流气体由高压向低压膨胀气体由高压向低压膨胀热由高温物体热由高温物体传向低温物体传向低温物体热力学第二定律说明热力学第二定律说明自发过程具有一定的自发过程具有一定的方向性，而不是按照方向性，而不是按照任意方向进行任意方向进行第第一一定定律律告告诉诉我我们们能能量量必必须须守守衡衡，但但没没有有说明过程发生的方向。说明过程发生的方向。第二定律告诉我们过程进行的方向。第二定律告诉我们过程进行的方向。4.2 热力学第二定律的各种文字表述热力学第二定律的各种文字表述l克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体温物体l开尔文说法：不可能
12、从单一热源吸热使之完全变开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其他变化为有用的功而不引起其他变化自发的过程是不可逆的自发的过程是不可逆的热机的热效率热机的热效率火力发电厂的热效率大约为火力发电厂的热效率大约为35%高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2卡诺热机的效率卡诺热机的效率热与功不等价热与功不等价熵的概念熵的概念无限小的可逆的卡诺热机有无限小的可逆的卡诺热机有：任意的可逆循环任意的可逆循环可逆热温商可逆热温商-熵熵熵是状态函数熵是状态函数孤立体系孤立体系熵增原理熵增原理或：或：S系统系统S环境环境0=0，可逆，可逆0，不可逆，不可逆熵增原理熵增原理熵是表征系统混乱
13、程度的量度；自然界的自发过熵是表征系统混乱程度的量度；自然界的自发过程都是从有序到无序；即自然界中的自发过程向程都是从有序到无序；即自然界中的自发过程向熵值增大的方向进行；熵值增大的方向进行；热力学第一定律阐述了能量的数量恒定，但能量热力学第一定律阐述了能量的数量恒定，但能量的品位（即各种不同形式的能量做功的能力）要的品位（即各种不同形式的能量做功的能力）要降低；熵值的增加是能量品位降低的结果；降低；熵值的增加是能量品位降低的结果；热力学第二定律不同说法均表达：自然界中自发热力学第二定律不同说法均表达：自然界中自发的过程是不可逆的，是熵增大的过程。的过程是不可逆的，是熵增大的过程。熵与熵增原理
14、熵与熵增原理熵产生是由于过程的熵产生是由于过程的不可逆性不可逆性而引起的那部分熵变。而引起的那部分熵变。熵产生熵产生熵产生熵产生封闭系统封闭系统熵产生减少了系统对外做功的能力。熵产生越大，熵产生减少了系统对外做功的能力。熵产生越大，造成造成能量品位降低能量品位降低越多。越多。如：原来可以变为如：原来可以变为功功的那部分能量变成了我们不能利用的的那部分能量变成了我们不能利用的热，从而产生了熵热，从而产生了熵熵平衡熵平衡QW熵的积累熵的积累（过程熵变）（过程熵变）稳流系统稳流系统=0封闭系统封闭系统熵平衡方程如同质量能量平衡方程和质量平衡方程，过程必须满足；熵平衡方程如同质量能量平衡方程和质量平衡
15、方程，过程必须满足；可根据一个过程（或系统）熵产生的计算，对该过程进行能量分析可根据一个过程（或系统）熵产生的计算，对该过程进行能量分析4.3能量的质量和级别能量的质量和级别根据热力学第二定律，热和功不等价。功能全部根据热力学第二定律，热和功不等价。功能全部转化为热，而热不能全部转变为功；转化为热，而热不能全部转变为功；将功作为度量能量质量高低的量度，将能量分为将功作为度量能量质量高低的量度，将能量分为三类：三类：高级能量：能全部转化为功的能量高级能量：能全部转化为功的能量低级能量：不能全部转化为功的能量低级能量：不能全部转化为功的能量僵态能量：完全不能转化为功的能量僵态能量：完全不能转化为功
16、的能量由高级能量变为低级的能量则称为能量品位的降由高级能量变为低级的能量则称为能量品位的降低，即意味着能量做功能力的损耗低，即意味着能量做功能力的损耗4.4理想功、损失功与热力学效率理想功、损失功与热力学效率理想功理想功理想功是在一定环境条件下，系统发生理想功是在一定环境条件下，系统发生完全可逆完全可逆过程时，理论上可能产生的（或消耗的）过程时，理论上可能产生的（或消耗的）有用功有用功。数值上讲，指可能产生的最大功或消耗的最小功；数值上讲，指可能产生的最大功或消耗的最小功；所谓完全可逆过程包含以下两方面的含义：所谓完全可逆过程包含以下两方面的含义：（1）系统内系统内发生的所有变化都必须可逆发生
17、的所有变化都必须可逆（2）系统与环境之间系统与环境之间的相互作用也是可逆进行；的相互作用也是可逆进行；（1）封闭体系封闭体系（2）稳流系统稳流系统体积功体积功动能和势能忽略动能和势能忽略理想功实际上是一个理论上的理想功实际上是一个理论上的极限值极限值，在，在与实际过程一样的始终态下，通常作为评与实际过程一样的始终态下，通常作为评价实际过程能量利用率的标准；价实际过程能量利用率的标准；理想功与理想功与可逆可逆功是有所区别的；功是有所区别的；理想功的大小与体系的始终态以及理想功的大小与体系的始终态以及环境环境条条件有关。件有关。产出的理想功是最大功，耗功过程的理想产出的理想功是最大功，耗功过程的理
18、想功是最小功功是最小功理想功理想功理想功与实际功之差称为损失功理想功与实际功之差称为损失功稳流体系稳流体系理想功理想功：损失功损失功（忽略动能和势能）（忽略动能和势能）损失功：损失功：理想功在实际功中所占比例为理想功在实际功中所占比例为热力学效率热力学效率做功过程做功过程：耗功过程耗功过程：热力学效率热力学效率4.5有效能和无效能有效能和无效能有效能有效能体系在一定的状态下的有效能，就是系统从该状态体系在一定的状态下的有效能，就是系统从该状态变化到变化到基态基态的过程中所做的理想功。用的过程中所做的理想功。用Ex表示表示。AvailableEnergy（火用火用）；基态通常指环境状态（基态通常
19、指环境状态（T0，p0），在热力学上称为），在热力学上称为热力学死态热力学死态；有效能与理想功的关系为有效能与理想功的关系为：有效能分为物理有效能和化学有效能有效能分为物理有效能和化学有效能；系统温度和压力系统温度和压力不同于基态不同于基态物质组成不同于基态物质组成不同于基态而发生物质交换或化而发生物质交换或化学反应学反应有效能效率有效能效率有效能效率指输出的有效能与输入的有效有效能效率指输出的有效能与输入的有效能之比能之比。有效能损失有效能损失例例:设有压力为设有压力为1.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的饱和蒸汽以及的饱和蒸汽以及1.013MPa，573K的过热蒸汽的过热蒸
20、汽,若这四种蒸汽都经过若这四种蒸汽都经过充分利用，最后排出充分利用，最后排出0.1013MPa,298K的冷凝水。试比较每蒸汽的有效能和的冷凝水。试比较每蒸汽的有效能和所能放出的热，并就计算结果对蒸汽所能放出的热，并就计算结果对蒸汽的合理利用加以讨论。的合理利用加以讨论。压力力p/MPa温度温度T/K焓H-H0/(kJ/kg)Ex/(kJ/kg)饱和蒸汽饱和蒸汽 1.013453267181430.66过热蒸汽过热蒸汽 1.013573294893431.68饱和蒸汽饱和蒸汽 6.868557.52670104339.06饱和蒸汽饱和蒸汽 8.6115732678109240.78例例:设有一
21、逆流换热器，利用废热加热空气。设有一逆流换热器，利用废热加热空气。105Pa的空气的空气由由20被加热到被加热到125，空气的流量为，空气的流量为1.5kg/s，而，而1.3105Pa的废气从的废气从250冷却到冷却到95。空气的等压热容为。空气的等压热容为1.04kJ/(kgK)，废气的等压热容为，废气的等压热容为0.84kJ/(kgK)，假定，假定空气与废气通过换热器的压力与动能变化可忽略不计，而空气与废气通过换热器的压力与动能变化可忽略不计，而且换热器与环境无热量交换，环境状态为且换热器与环境无热量交换，环境状态为105Pa和和20。试求（试求（1）换热器中不可逆传热的有效能损失；）换热
22、器中不可逆传热的有效能损失；（2）换热器的有效能效率。）换热器的有效能效率。4.6 化工过程热力学分析的三种方化工过程热力学分析的三种方法及其比较法及其比较2003年，中国消耗了全球年，中国消耗了全球30的主要能源和原的主要能源和原材料，但是创造的材料，但是创造的GDP仅占世界的仅占世界的4。在化工产品成本中，能源所占比例很大，一在化工产品成本中，能源所占比例很大，一般占成本的般占成本的2030，能耗高的产品可达，能耗高的产品可达7080，因此，化工节能有特殊重要的意义。，因此，化工节能有特殊重要的意义。化工过程的能量分析化工过程的能量分析过程的热力学分析过程的热力学分析用热力学的方法，对过程
23、中能量的转化、用热力学的方法，对过程中能量的转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，为改进过程、量消耗的大小、原因和部位，为改进过程、提高能量利用效率指出方向和方法。提高能量利用效率指出方向和方法。用最小的能量消耗，获得最大的经济效益。用最小的能量消耗，获得最大的经济效益。能量衡算法能量衡算法：从热力学第一定律出发，对：从热力学第一定律出发，对系统的能量进行衡算；系统的能量进行衡算；理想功、损失功和热力学效率法：理想功、损失功和热力学效率法：以热力以热力学第一定律和第二定律为基础，指出能量学第一定律和第二定律为基础，指出能量在数量
24、和品位上的损失；在数量和品位上的损失；有效能衡算和有效能效率法：有效能衡算和有效能效率法：热力学第一热力学第一定律和第二定律相结合，以数值查明不可定律和第二定律相结合，以数值查明不可逆损失的来源与大小逆损失的来源与大小热力学分析的三种方法热力学分析的三种方法设设有有合合成成氨氨厂厂二二段段炉炉出出口口高高温温转转化化气气余余热热利利用用装装置置，如如图图所所示示。转转化化气气进进入入废废热热锅锅炉炉的的温温度度为为1273K，离离开开时时为为653K，其其流流量量为为5160Nm3/tNH3.降降温温过过程程压压力力变变化化可可以以忽忽略略。废废热热锅锅炉炉产产生生4MPa、703K的的过过热
25、热蒸蒸汽汽，蒸蒸汽汽通通过过透透平平作作功功。离离开开透透平平乏乏汽汽压压力力p3为为0.01235MPa,其其焓焓为为2557.0kJ/kg。在在有有关关温温度度范范围围内内，转转化化气气的的平平均均等等压压热热容容为为36kJ/(kmolK）。乏乏汽汽进进入入冷冷凝凝器器用用303K的的冷冷却却水水冷冷凝凝，冷冷凝凝水水用用水水泵泵打打入入锅锅炉炉。进进入入锅锅炉炉的的水水温温为为323K。试试分分别别用用能能量量衡衡算算法法和和有有效效能能分分析析法评价其能量利用情况。法评价其能量利用情况。输入输入/(kJ/tNH3)%输出输出/(kJ/tNH3)%高温气余热高温气余热5.1416106
26、100透平做功透平做功Ws1.215210623.63冷却水带走热冷却水带走热3.926310676.37合计合计5.14161061005.1416106100项目项目输入输入%输出输出%有效能有效能/(kJ/tNH3)有效能有效能/(kJ/tNH3)高温气余热高温气余热4.438106100透平做功透平做功Ws1.215210627.38冷却水带走热冷却水带走热0.973110621.93有效有效能损能损失失废热锅炉废热锅炉1.44710632.61透平透平0.557010612.55冷凝器冷凝器2.2491065.53小计小计50.69合计合计4.4381061004.437106100
27、某某工工厂厂高高压蒸蒸汽汽系系统副副产中中压冷冷凝凝水水，产量量为3500kgh-1.这些些中中压冷冷凝凝水水一一般般要要经过闪蒸蒸，以以产生生低低压蒸蒸汽汽，回回收收利利用用，闪蒸蒸器器与与外外界界环境境（298.15K）没没有有热交交换。共共有有三三种种方方案案，已已知知的的参参数数见图。试用用有有效能法效能法进行能量的行能量的热力学分析。力学分析。有效能损失：有效能损失：E3E1E2（1）中间换热器的加入，可以提高中压蒸汽能量的）中间换热器的加入，可以提高中压蒸汽能量的回收效果；方案二比方案一多用一个中间换热器，回收效果；方案二比方案一多用一个中间换热器，降低了能量利用梯度，能量的利用率
28、提高；降低了能量利用梯度，能量的利用率提高；（2）即使采用中间换热器，受热流体的温度与施热）即使采用中间换热器，受热流体的温度与施热流体之间的温差不能过大，即适当安排推动力，流体之间的温差不能过大，即适当安排推动力，避免高温能量直接降为低温，可以降低过程的不避免高温能量直接降为低温，可以降低过程的不可逆程度，减少有效能损失，充分利用能量。可逆程度，减少有效能损失，充分利用能量。4.7合理用能的基本原则合理用能的基本原则防止能量无偿降级（能量品位降低）防止能量无偿降级（能量品位降低）采用最佳推动力的工艺方案采用最佳推动力的工艺方案合理组织能量多次利用，采用能量优化利合理组织能量多次利用，采用能量
29、优化利用的原则（组织能量利用梯度）用的原则（组织能量利用梯度）4.8气体的压缩气体的压缩为什么要对气体进行压缩为什么要对气体进行压缩？u对气液反应、气固反应为了增加反应速率，必须在较对气液反应、气固反应为了增加反应速率，必须在较高压下进行，而有些反应必须在高压才能进行。高压下进行，而有些反应必须在高压才能进行。u气体的输送，如天然气西气东输。气体的输送，如天然气西气东输。u气体的液化气体的液化u利用气体带着液体进行输送，流化床利用气体带着液体进行输送，流化床u自控仪表自控仪表u制冷循环过程制冷循环过程气体的压缩应用气体的压缩应用压缩机的分类压缩机的分类广义上讲，凡是能升高气体压力的设备均可称为
30、压缩机广义上讲，凡是能升高气体压力的设备均可称为压缩机（1）根据压缩比）根据压缩比r=p2/p1分为三类：分为三类： r1.01.1通风机通风机r1.14.0鼓风机鼓风机r4.0压缩机（狭机（狭义）（2）按体按体积的的变化情况：容化情况：容积式和速度型式和速度型容积式压缩机容积式压缩机是将一定量的连续气流限制于是将一定量的连续气流限制于一个封闭的空间一个封闭的空间里，使压力升高。里，使压力升高。包括：包括：往复式压缩机，回转式压缩机往复式压缩机，回转式压缩机，滑片式压缩机，滑片式压缩机，罗茨双转子式压缩机，螺杆压缩机罗茨双转子式压缩机，螺杆压缩机速度型压缩机速度型压缩机是回转式连续气流压缩机，
31、在其中高速旋转的叶片使通过它的是回转式连续气流压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体加速，从而将速度能转为压力气体加速，从而将速度能转为压力。包括：离心式压缩机包括：离心式压缩机，轴流式压缩机，轴流式压缩机（3）按运动方式：往复式按运动方式：往复式和回转式和回转式活塞往复式压缩机活塞往复式压缩机罗茨鼓风机压缩机的热力学问题压缩机的热力学问题u特点：外界供给动力（电动机、汽轮机、内特点：外界供给动力（电动机、汽轮机、内燃机）（即消耗外功）使气体压力升高。燃机）（即消耗外功）使气体压力升高。u热力学关心的问题：热力学关心的问题：（1）气体在压缩过程中的变化规律；）气体在压缩过程中的变化规律；（
32、2）不同压缩过程中消耗的功怎样；）不同压缩过程中消耗的功怎样；（3）为减小功耗采取的措施）为减小功耗采取的措施单级往复式压缩机压缩过程（1）吸气（2)压缩（3）排气（4）再吸气气体压缩分类：一般有等温、绝热、多变等温、绝热、多变三种过程，没有余隙（理想压缩）从压缩级数分类：单级 有余隙的压缩 多级压缩三种压缩过程的p-V图及T-S图 从图中得到有余隙的压缩过程有余隙的压缩过程压缩功计算压缩功计算可逆轴功可逆轴功(1)理想气体等温压缩功理想气体等温压缩功：(2)绝热压缩绝热压缩：(3)多变压缩多变压缩：绝热指数绝热指数多变指数多变指数非理想气体非理想气体压缩功压缩功等温压缩等温压缩绝热压缩绝热压
33、缩多变压缩多变压缩多级压缩中间冷却三级压缩机流程示意图1.气缸；2.中间冷却器；3.油水分离器pV绝热等温第一级第二级思考：思考：1. 汽车发动机的原理是什么？汽车发动机的原理是什么？2.为什么要进行多级压缩？为什么要进行多级压缩？3.在级间为什么要加冷却器？在级间为什么要加冷却器？4.9气体的膨胀过程气体的膨胀过程4.9.1节流膨胀节流膨胀H=0流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或的温度变化称为节流效应或Joule-thomson效应效应节流过程：节流过程：H=f（T，p）时，时，故故节流膨胀致冷的可能性节流膨胀致冷的可能性 对
34、理想气体对理想气体=0=0pV=RT V=RT/p这说明了理想气体在这说明了理想气体在节流过程中温度不发节流过程中温度不发生变化生变化 真实气体真实气体有三种可能的情况，由定义式知有三种可能的情况，由定义式知当当J J00时，表示节流后压力下降，温度也下降时，表示节流后压力下降，温度也下降致冷致冷当当J J=0=0时，表示节流后压力下降，温度不变化时，表示节流后压力下降，温度不变化当当J J000J J 00，致冷区，致冷区在在转转化化曲曲线线右右侧侧，等等焓焓线线上上，随随p ，T ，J0 C0 Cp00恒大于零恒大于零. . 利用积分等熵温度效应利用积分等熵温度效应 (3) (3) 积分等
35、熵温度效应积分等熵温度效应等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，称之。称之。计算积分等熵温度效应的方法有计算积分等熵温度效应的方法有4 4种：种： 理想气体的积分等熵温度效应理想气体的积分等熵温度效应TTS S 在在有有T-ST-S图图时时，最最方方便便的的方方法法是是由由T-ST-S图读取图读取TTS S对于理想气体对于理想气体绝热可逆过程绝热可逆过程 T-ST-S图法图法P1P2T1T2TS 用等焓节流效应计算用等焓节流效应计算若若C Cp p=const=const2.2.不可逆对外做功的绝热膨胀不可逆对外做功的绝热膨胀对活塞式膨胀机
36、对活塞式膨胀机当当t t 30 s=0.7t30 s=0.70.750.75对透平机对透平机 s=0.8s=0.80.850.85不可逆对外做功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀不可逆对外做功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间。效应和节流膨胀效应之间。 ST122绝热绝热 Q=0Q=0三三. .等熵膨胀与节流膨胀的比较等熵膨胀与节流膨胀的比较1220TSp1p21.1.等熵膨胀与气体的属性及状等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状态态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。都产生制冷效应。QOS=Ho-H2=(Ho-H1)+(H1-H2)=QOH+WR制冷量：制冷量
37、：QOSQOHQOH=Ho-H2=Ho-H12.2.3.3.设备与操作设备与操作节流膨胀：简单，针形阀节流膨胀：简单，针形阀等熵膨胀：复杂，需要低温润滑油。等熵膨胀：复杂，需要低温润滑油。4.4.操作条件与运行情况操作条件与运行情况一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。气体通过喷管的膨胀气体通过喷管的膨胀喷管：气体压力降低，气流加速；喷管：气体压力降低，气流加速；扩压管：气体压力增加，动能减小；扩压管：气体压力增加，动能减小；喷射器：可以获得真空
38、度；喷射器：可以获得真空度；喷气式飞机的引擎和液体燃料火箭引擎：喷气式飞机的引擎和液体燃料火箭引擎：4.10蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环是以水蒸汽为工质，将热连蒸汽动力循环是以水蒸汽为工质，将热连续地转变为功的过程。续地转变为功的过程。其主要设备是各种热机。其主要设备是各种热机。用途：产功的过程，如火力发电站，大型用途：产功的过程，如火力发电站，大型化工厂。化工厂。应用实例应用实例反应条件：反应条件：400，300atm如何将气体从如何将气体从1atm300atm？这是由于采用蒸汽动力循环，利用透平机直接带这是由于采用蒸汽动力循环，利用透平机直接带动压缩机的缘故
39、。动压缩机的缘故。可以使用压缩机，消耗电能。可以使用压缩机，消耗电能。中国中国60年代年代15001800度电度电/吨吨NH3中国中国70年代年代1030度电度电/吨吨NH3Carnot循环循环锅炉锅炉W冷凝、冷却器冷凝、冷却器泵泵透平机透平机4312Q3Q214THTLWTS理想的理想的Rankine循环循环34251TS6锅炉锅炉冷凝、冷却器冷凝、冷却器水泵水泵透平机透平机4312Q过热器过热器56WsWpQ1Q1:面积面积1BA4561ABQ2:面积面积2BA32净功净功WS+WP=Q1-Q2=面积面积1234561理想理想Rankine循环的热效率循环的热效率热效率热效率 定义：工质吸
40、收的定义：工质吸收的热量中转化为净功的分率热量中转化为净功的分率。 水泵的耗功常可以忽略。水泵的耗功常可以忽略。34251TS6WsWpQ1理想理想Rankine循环的汽耗率循环的汽耗率汽耗率：是指蒸汽动力循环中，输出汽耗率：是指蒸汽动力循环中，输出1KWh的净功所消耗的蒸汽量。的净功所消耗的蒸汽量。用用SSC（SpecificSteamConsumption)表示。表示。过冷过冷水水过热过热水蒸水蒸气气气液气液两相两相共存共存区区饱和水饱和水蒸气蒸气气液两相共存区气液两相共存区的热力学性质采的热力学性质采用饱和水蒸气表用饱和水蒸气表和干度进行计算和干度进行计算使用饱和使用饱和水蒸气表水蒸气表
41、使用过使用过冷水表冷水表使用过热使用过热水蒸气表水蒸气表TS过程分析过程分析34251TS6T1,p1等压线等压线p21点：过热水蒸汽表得到点：过热水蒸汽表得到H1和和S13点：饱和水蒸汽表得到点：饱和水蒸汽表得到H3和和S377点：饱和水蒸汽表得到点：饱和水蒸汽表得到H7和和S7x2H4=H3+WP实际的实际的Rankine循环循环34251TS642等熵效率等熵效率：指膨胀做功过程中，不可逆指膨胀做功过程中，不可逆绝热过程的做功量与可逆过绝热过程的做功量与可逆过程的做功量之比。程的做功量之比。2点的焓值，进点的焓值，进一步计算一步计算2点的点的湿度。湿度。例题例题某某核核动动力力循循环环如
42、如图图所所示示，锅锅炉炉从从核核反反应应堆堆吸吸收收热热量量产产生生压压力力为为6MPa、温温度度为为350的的过过热热蒸蒸汽汽（点点1），过过热热蒸蒸汽汽经经透透 平平 机机 膨膨 胀胀 做做 功功 后后 于于0.008MPa压压力力下下排排出出（点点2），乏乏气气在在冷冷凝凝器器中中进进行行定定压压放放热热变变为为饱饱和和水水（点点3），然然后后经经泵泵返返回回锅锅炉炉（点点4）完完成成循循环环，已已知知透透平平机机的的额额定定功功率率为为15104kW，透透平平机机等等熵熵效效率率为为0.75，水水泵泵可可以以认认为为是是绝绝热热压缩过程压缩过程锅炉锅炉冷凝器冷凝器水泵水泵透平机透平机4
43、312Q过热器过热器核核反反应应堆堆例题例题试求：试求：（1）此循环过程中蒸汽）此循环过程中蒸汽的质量流量；的质量流量；（2）透平机出口乏气的）透平机出口乏气的湿度；湿度；（3）循环的热效率；）循环的热效率；350，6MPa3421TS20.008MPa提高热效率的措施提高热效率的措施1.过过热热蒸蒸汽汽温温度度T升升高高，Q增增大大，但但相相对对来来说说净净功功的的增增加加比比例例更更大大，即即提提高高了了整整个个循循环环的的热效率。热效率。2.T增增大大后后，乏乏气气的的湿湿度度降降低低，有有利利于于透透平平的的安全运行。安全运行。pHpL提高平均吸热温度。可以提提高平均吸热温度。可以提高
44、循环的热效率高循环的热效率WS:面积面积1234561Q1:面积面积12349a1变化后：面积变化后：面积1234756变化后：面积变化后：面积123489aa增加面积增加面积44894思考题思考题分析其他因素如：过热蒸汽压力、乏气压分析其他因素如：过热蒸汽压力、乏气压力等对热效率的影响。力等对热效率的影响。习题习题4-17计算循环净功、加热量、热效率、计算循环净功、加热量、热效率、汽耗率等。汽耗率等。4.11制制冷冷循循环环制制冷冷Tlow100普普通通制制冷冷深深冷冷定义：制冷过程是使物系的温度降到定义：制冷过程是使物系的温度降到低于周围环境温度的过程。低于周围环境温度的过程。制冷的应用制
45、冷的应用气气体体液液化化制制冷冷低低温温反反应应食食品品储储存存结结晶晶分分离离低温精馏低温精馏气气温温调节调节制冷过程制冷过程低温低温高温环境高温环境Q制冷实质制冷实质Q自发自发制冷的实质：消耗外功或热能而实现热由低制冷的实质：消耗外功或热能而实现热由低温传向高温的逆向循环。温传向高温的逆向循环。代价代价(W或者或者Q)制冷的常见类型制冷的常见类型消耗外功型消耗外功型消耗热能型消耗热能型制制冷冷蒸汽压缩制冷蒸汽压缩制冷空气压缩制冷空气压缩制冷蒸汽喷射制冷蒸汽喷射制冷吸收制冷吸收制冷Carnot循环循环Q锅炉锅炉W冷凝、冷却器冷凝、冷却器泵泵透平机透平机4312Q2143THTLWTS逆向逆向
46、Carnot循环循环冷凝、冷却器冷凝、冷却器蒸发器蒸发器压缩机压缩机膨胀机膨胀机12431234Q放放Q吸吸THTLTS逆向逆向Carnot循环的热和功的计算循环的热和功的计算Qr=TS等温等温Q放放=-TH(S2S3)=-TH(S1S4)（1）Q吸吸=TL(S1S4)（2）U = 0(1)(2)W = (THTL)(S1 S4)W = U-Q = 0- (Q放放+Q吸吸)T1234SQ放放Q吸吸THTL逆向逆向Carnot循环特点循环特点p=f (TH,TL)与制冷剂无关与制冷剂无关p逆向逆向Carnot=maxp由两个等熵和两个等温由两个等熵和两个等温四个四个可逆过程组成，是可逆过程组成，
47、是理想理想的制冷循环的制冷循环逆向逆向Carnot循环的缺点循环的缺点12和和34的的过程程会会形形成成液液滴滴，在在压缩机机和和膨膨胀机机的的气气缸缸中中产生生“液液击”现象象，容易容易损害机器。害机器。实际过程程难以以接接近近四四个个可可逆逆过程。程。1234TS实际的蒸汽压缩制冷循环实际的蒸汽压缩制冷循环5413(饱和饱和l)(湿蒸汽湿蒸汽)(饱和饱和g)(饱和饱和g)等焓线等焓线等压线等压线过热蒸气过热蒸气2蒸发器蒸发器冷凝、冷却器冷凝、冷却器压缩机压缩机1253节流阀节流阀4TS蒸汽压缩制冷循环温度参数蒸汽压缩制冷循环温度参数TS54123THTLTL：蒸蒸发发温温度度。取取决决于于
48、被冷物系的温度。被冷物系的温度。TH：冷冷凝凝温温度度。取取决决于于冷却介质温度。冷却介质温度。夏天家用空调工作原理夏天家用空调工作原理过程分析过程分析5413等焓线等焓线等压线等压线2TSTHTL等熵线等熵线过程能量参数过程能量参数TS54123q循环的制冷系数循环的制冷系数qWS压缩机消耗的理论功压缩机消耗的理论功输送单位制冷剂压缩机消耗的功输送单位制冷剂压缩机消耗的功q单位制冷量单位制冷量指单位制冷剂在蒸发器中吸收的热指单位制冷剂在蒸发器中吸收的热例题例题某蒸汽压缩制冷循环装置，采用某蒸汽压缩制冷循环装置，采用氨制冷，蒸发温度为氨制冷，蒸发温度为-20，冷凝，冷凝温度为温度为30，设压缩
49、机作可逆绝，设压缩机作可逆绝热压缩，试求：热压缩，试求：（1）在相同工作区间，逆向卡诺循）在相同工作区间，逆向卡诺循环的制冷系数环的制冷系数（2）单位制冷剂压缩机消耗的功；）单位制冷剂压缩机消耗的功；（3）循环的制冷系数。）循环的制冷系数。TS54123思考题思考题用用lnpH图分析蒸汽压缩制冷循环图分析蒸汽压缩制冷循环过程。过程。对于蒸汽压缩制冷循环过程，制冷对于蒸汽压缩制冷循环过程，制冷系数与哪些因素有关？系数与哪些因素有关？要达到相同的制冷目的，家用冰箱要达到相同的制冷目的，家用冰箱的制冷系数在冬天大还是夏天大？的制冷系数在冬天大还是夏天大？吸收式制冷循环吸收式制冷循环两种工质：制冷剂和
50、吸收剂，如氨两种工质：制冷剂和吸收剂，如氨-水，溴化锂水，溴化锂-水；水；热能利用系数：热能利用系数：热热泵泵和制冷循环的热力学原理完全一样；使用目的一和制冷循环的热力学原理完全一样；使用目的一个是供热，而另一个是制冷；个是供热，而另一个是制冷；4.13深冷循环与气体液化深冷循环与气体液化深冷循环的作用在于得到低温液体深冷循环的作用在于得到低温液体产品，气体既起到制冷剂的作用且产品，气体既起到制冷剂的作用且本身又是被液化作为产品；本身又是被液化作为产品；Linde循环循环Claude循环循环4.14制冷剂和载冷剂的选择制冷剂和载冷剂的选择制冷剂的要求制冷剂的要求在指定的温度范围内，操作压力和比容合适；冷在指定的温度范围内，操作压力和比容合适；冷凝压力不要过高，蒸发压力不要过低，蒸发时比凝压力不要过高，蒸发压力不要过低，蒸发时比容也不要太大；容也不要太大；汽化潜热（蒸发焓）要可能地大；汽化潜热（蒸发焓）要可能地大；临界温度高于环境温度，使放热在两相区；凝固临界温度高于环境温度，使放热在两相区；凝固温度要低于下限温度；温度要低于下限温度；传热性能和流动性能要好，即具有高的热导率和传热性能和流动性能要好，即具有高的热导率和低得黏度；低得黏度；要具有化学稳定性；要具有化学稳定性；要环境友好要环境友好
