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1、化工热力学压缩膨胀1第1页，本讲稿共45页6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.2 气体的压缩气体的压缩 6.3 膨胀过程膨胀过程 6.4制冷循环制冷循环 6.5 深度冷冻循环深度冷冻循环 第2页，本讲稿共45页 气体的压缩是化工厂中最基本的操作之一。气体的压缩是化工厂中最基本的操作之一。它是气体增压与输送的最基本过程。在各类压气它是气体增压与输送的最基本过程。在各类压气机（如机（如压缩机、鼓风机、通风机等压缩机、鼓风机、通风机等）,气体从低压气体从低压到高压的状态变化过程是通过消耗外功对气体的压到高压的状态变化过程是通过消耗外功对气体的压缩来
2、实现的缩来实现的 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 气体压缩按操作方式气体压缩按操作方式分类分类:等温压缩等温压缩 绝热压缩绝热压缩 多变压缩多变压缩 第3页，本讲稿共45页1)等温压缩过程可逆轴功与传递热量计算等温压缩过程可逆轴功与传递热量计算 l 对理想气体：对理想气体：（压缩过程保持恒温下进行）（压缩过程保持恒温下进行）以以kmol气体为计算基准：气体为计算基准：PV=RT V=RT/P WsR=RTln(P2/P1)上式的上式的P2/P1是压缩后的气体压力与压缩前的气体压是压缩后的气体压力与压缩前的气体压力之比，称为力之比，称为压缩比压缩比6
3、 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第4页，本讲稿共45页 等温过程有等温过程有H=0（理想气体等温压缩是等焓（理想气体等温压缩是等焓过程），根据热力学第一定律过程），根据热力学第一定律 H=Q+Ws Q=-Ws 即：等温压缩的特点，压缩所消耗的理论功与即：等温压缩的特点，压缩所消耗的理论功与所传递的热量相等。所传递的热量相等。或：压缩气体所耗的的功除气体压力升高外，其或：压缩气体所耗的的功除气体压力升高外，其余转变成热量了余转变成热量了 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第5页，本讲稿共45页l 对非理想气体
4、对非理想气体 用真实气体的用真实气体的P-V-T关系关系 a)状态方程状态方程 b)P-V-T实验数据图解积分实验数据图解积分 c)普压法普压法 d)普维法普维法 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第6页，本讲稿共45页根据热力学基本定律求得根据热力学基本定律求得 根据热力学根据热力学第一定律第一定律：Ws=H-Q 对于可逆过程：对于可逆过程：QR=TS 对等温可逆过程：对等温可逆过程：WsR=H-TS 即：即：WsR与气体的与气体的S、H相联系。相联系。计算计算S、H的方法有的方法有 a).查热力学图表查热力学图表 b).利用剩余性质设计过程计算利
5、用剩余性质设计过程计算S、H 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第7页，本讲稿共45页 2）绝热压缩过程可逆轴功与传递热量计算：）绝热压缩过程可逆轴功与传递热量计算：（等熵过程）（等熵过程）体系与环境之间无热量交换：体系与环境之间无热量交换：Q=0 l 对理想气体对理想气体:理想气体绝热过程的理想气体绝热过程的P-V-T关系关系,在在“物化物化”中学过，中学过，为：为：PVk=常数常数 或或T2/T1=(P2/P1)(k-1)/k T2/T1=(V2/V1)1-k 式中：式中：k=Cp/Cv-绝热指数绝热指数 P1V1k=PVk 6 蒸汽动力循环与制
6、冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第8页，本讲稿共45页 绝热指数绝热指数k与气体性质有关，严格的说与气体性质有关，严格的说与温度有关，在化工计算中，理想气体的与温度有关，在化工计算中，理想气体的k值可取值可取 单原子气体单原子气体：k=1.667 双原子气体双原子气体：k=1.40 三原子气体三原子气体：k=1.333 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第9页，本讲稿共45页某些气体的绝热指数某些气体的绝热指数k值为：值为：3H2+N2 1.406 CO2 1.28 H2 1.406 NH3 1.29 O2 1.40 Air
7、 1.40 N2 1.413 CH4 1.34 CO 1.417 乙烷乙烷 1.23 丙烷丙烷 1.133 饱和烷饱和烷 1.136 过热蒸汽过热蒸汽 1.30 Ar 1.67 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第10页，本讲稿共45页混合气体的绝热指数可按下式计算混合气体的绝热指数可按下式计算 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第11页，本讲稿共45页l 对真实气体：对真实气体：也是两类方法：也是两类方法：根据热力学基本定律求得：根据热力学基本定律求得：（很方便）（很方便）(利用热利用热力学图表力学图表)
8、根据热力学第一定律根据热力学第一定律Q=0 H=Q+Ws Ws=H（所得的功用于提高气体的焓值）（所得的功用于提高气体的焓值）此式用于计算非理想气体的轴功对过程可逆与否没此式用于计算非理想气体的轴功对过程可逆与否没有限制。有限制。普遍化方法：普遍化方法：PV=ZRT 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 第12页，本讲稿共45页 3）多变压缩过程可逆轴功与传递热量计算）多变压缩过程可逆轴功与传递热量计算 多变过程是介于等温过程与绝热过程之间的情况，多变过程是介于等温过程与绝热过程之间的情况，压缩过程中气体温升小于绝热过程，实际的压缩过程多压缩过程中气体温
9、升小于绝热过程，实际的压缩过程多属于此种情况，例如，有水夹套的多变式压缩机属于此种情况，例如，有水夹套的多变式压缩机 PVm=常数常数 方程中方程中m-多变指数多变指数1mk 相应的：相应的：T2/T1=(P2/P1)(m-1)/m T2/T1=(V2/V1)1-m 多变指数多变指数m可由实验测得：可由实验测得：如：如：P1/P2=(V2/V1)m m=ln(p1/p2)/ln(V2/V1)6 蒸汽动力循环与制冷循蒸汽动力循环与制冷循 6.2 气体的压缩气体的压缩 第13页，本讲稿共45页 多变过程交换的热量由热力学第一定律求得：多变过程交换的热量由热力学第一定律求得：H=Q+WsR Q=H-
10、WsR 所消耗的功所消耗的功6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 若为绝热过程，上式中的若为绝热过程，上式中的m用用k代替即可。代替即可。第14页，本讲稿共45页4）气体的等温、绝热、多）气体的等温、绝热、多变压缩的比较变压缩的比较 条件：条件：把一定量把一定量 的气体，从相同的气体，从相同 的初态压缩到相的初态压缩到相 同的终态压力同的终态压力 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.2 气体的压缩气体的压缩 压缩气体的压缩气体的终温终温：T2（等温）（等温）T2(多变多变)T 2(绝热绝热)T20SP2P11()S()m()TT2T222
11、2第15页，本讲稿共45页 所消耗的所消耗的轴功轴功：Ws（等温）（等温）Ws（多变）（多变）0 0 对任何对任何气体任何状态都产生制冷效应。气体任何状态都产生制冷效应。节流膨胀节流膨胀(J J000)对对理想气体不产生温度效应，真实气体视气体状态理想气体不产生温度效应，真实气体视气体状态而定，若真实气体产生制冷效应，那么等熵膨胀的温度而定，若真实气体产生制冷效应，那么等熵膨胀的温度效应大于节流膨胀的温度效应，获得更好的制冷效果，效应大于节流膨胀的温度效应，获得更好的制冷效果，同时回收轴功，即同时回收轴功，即6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.3 膨胀过程膨胀过程 第41页，本
12、讲稿共45页 设备与操作设备与操作 节流膨胀简单，针形阀，毛细管；节流膨胀简单，针形阀，毛细管；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 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，小型企业用节流膨一般大中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀。胀。这两种膨胀过程是化工过程制冷的依据，也是这两种膨胀过程是化工过程制冷的依据，也是气体液化的依据气体液化的依据 6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.3 膨胀过程膨胀过程 第42页，本讲稿共45页6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.2 气体的压缩气体的
13、压缩 6.3 膨胀过程膨胀过程 6.4制冷循环制冷循环 6.6 深度冷冻循环深度冷冻循环 第43页，本讲稿共45页思考题：思考题：1.在实际生产中为什麽多采用多级压缩的方法提高在实际生产中为什麽多采用多级压缩的方法提高气体的压力？气体的压力？2.节流膨胀和等熵膨胀各有什麽优缺点？节流膨胀和等熵膨胀各有什麽优缺点？3.在在T-S图上描述下列过程：图上描述下列过程：饱和液体的节流；过热蒸汽冷却冷凝为过冷液饱和液体的节流；过热蒸汽冷却冷凝为过冷液体；湿蒸汽的节流；饱和蒸汽的绝热可逆压缩；过体；湿蒸汽的节流；饱和蒸汽的绝热可逆压缩；过热蒸汽的绝热可逆膨胀。热蒸汽的绝热可逆膨胀。第44页，本讲稿共45页
14、作业题：作业题：6-2 我国某化肥厂用一种六段压缩机，生产能力为我国某化肥厂用一种六段压缩机，生产能力为16000m3h-1（以一段进口状态计），已知给定条（以一段进口状态计），已知给定条件为：件为：压缩机压缩机段数段数 压压 力力/MPa进口进口 出口出口进口温进口温度度 0C多变指多变指数数m0.1 0.30.3 0.90.9 2.72.6 6.766.76 13.2313.23 32.0360C1.361.40三段后送吸收塔除三段后送吸收塔除去去CO2，总气量减，总气量减少了少了28%；五段；五段后气体送铜洗塔，后气体送铜洗塔，总气量又减少了总气量又减少了4%。试计算该压。试计算该压缩机的理论功耗。缩机的理论功耗。第45页，本讲稿共45页