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1、第4章热力学基本定律第1页，本讲稿共129页4.1热力学第一定律热力学第一定律第2页，本讲稿共129页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第3页，本讲稿共129页基本概念基本概念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。第4页，本讲稿共129页2
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换，体系与环境既有物质交换，又有能量交换又有能量交换（2）封闭体系）封闭体系体系与环境没有物质交换，体系与环境没有物质交换，有能量交换有能量交换基本概念基本概念第5页，本讲稿共129页（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。又被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。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研究有时又把封闭体系和环境一起作为孤立体系研究基本概念基本概念第6页，本讲稿共129页3.状态和状态
3、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第7页，本讲稿共129页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、途径基本概念基本概念第8页，本讲
4、稿共129页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。当）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，增加的是物质的能量以热和功的形式传入体系后，增加的是物质的能量。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第9页，本讲稿共129页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递。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
5、。物质的能量（以物质的能量（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的能量能量动能：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第10页，本讲稿共129页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：自然界中的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，能量不可能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，而只能在一定条件下从一种形被创造也不可能被消灭，而只能在一定条件下从一种形式
6、转变为另一种形式，在转变过程中总能量是守恒的。式转变为另一种形式，在转变过程中总能量是守恒的。第11页，本讲稿共129页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第12页，本讲稿共129页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：第13页，本讲稿共129页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）第14页，本讲稿共129页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
7、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。第15页，本讲稿共129页p1,T1,V1,U1，H1p2,T2,V2,U2，H2QWSZ1Z2u2u1单位：单位：J/kg第16页，本讲稿共129页化工中常见的稳流装置化工中常见的稳流装置第17页，本讲稿共129页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
8、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第18页，本讲稿共129页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、换热器时，当通过反应器、换热器时，体系发生反应、相变化、体系发生反应、相变化、温度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第19页，本讲稿共129页（3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀）流体通过节流
9、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，焓未如：冷冻过程通过节流阀，焓未变，通过等焓线，但温度降低。变，通过等焓线，但温度降低。5413等等焓焓线线2TSTHTL第20页，本讲稿共129页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（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第21页，本讲稿共129页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
10、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，积分第22页，本讲稿共129页例题例题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，若换热器进出口管直径，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为为3m，空气的恒压平均热容为，空气的恒压平均热容为试试求求50kg空气从换热器吸收的热量。空气从换热器吸收的热量。第23
11、页，本讲稿共129页思考题思考题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？第24页，本讲稿共129页4.2热力学第二定律热力学第二定律第25页，本讲稿共129页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自热力学第二定律说明自发过程
12、具有一定的方向发过程具有一定的方向性，而不是按照任意方性，而不是按照任意方向进行向进行第26页，本讲稿共129页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。第27页，本讲稿共129页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温物体克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体l开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的开尔文说法：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功而不
13、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第28页，本讲稿共129页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第29页，本讲稿共129页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第30页，本讲稿共129页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第31页，本讲稿共129页熵是表征系统混乱程
14、度的量度；自然界的自发过程都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熵值增大是从有序到无序；即自然界中的自发过程向熵值增大的方向进行；的方向进行；热力学第一定律阐述了能量的数量恒定，但能量的品位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）要降低；熵值的增（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；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：自然界中自发的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。过程是不可逆的，是熵增大的过程。熵与熵增原理熵
15、与熵增原理第32页，本讲稿共129页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，造熵产生减少了系统对外做功的能力。熵产生越大，造成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，从而产生了熵第33页，本讲稿共129页熵平衡熵平衡QW熵的积累（过程熵的积累（过程熵变）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
16、必须满足；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；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第34页，本讲稿共129页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。功能全部转化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；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，将能量分为三类：将功作为度量能量质量高低的量度，将能量分为三类：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
17、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：完全不能转化为功的能量由高级能量变为低级的能量则称为能量品位的降低，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即意味着能量做功能力的损耗第35页，本讲稿共129页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第36页，本讲稿共129页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过程时，理论上可能产生的（或消耗的）时，理论上可能产生的（或消耗的）有用功有用功。数值上讲，。数值上讲，指可能产生的最大功或消耗的最小功；指可能产生的最大功或消耗的
18、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；第37页，本讲稿共129页（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第38页，本讲稿共129页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
19、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，耗功过程的理想功是最小功功是最小功理想功理想功第39页，本讲稿共129页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：第40页，本讲稿共129页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第41页，本讲稿共129页4.5有效能和无效能有效能和
20、无效能第42页，本讲稿共129页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；系统温度和压力不同系统温度和压力不同于基态于基态物质组成不同于基态而物质组成不同于基态而发生物质交换或化学反发生物质交换或
21、化学反应应第43页，本讲稿共129页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能有效能效率指输出的有效能与输入的有效能之比之比。有效能损失有效能损失第44页，本讲稿共129页4.6化工过程热力学分析的三种方法化工过程热力学分析的三种方法及其比较及其比较第45页，本讲稿共129页2003年，中国消耗了全球年，中国消耗了全球30的主要能源和原材料，的主要能源和原材料，但是创造的但是创造的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
22、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第46页，本讲稿共129页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。第47页，本讲稿共129页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
23、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第48页，本讲稿共129页热力学分析的三种方法热力学分析的三种方法能量衡算法能量衡算法熵分析法熵分析法有效能分析法有效能分析法计算工作量计算工作量 最小最
24、小居中居中最大最大得到的信息得到的信息 最少最少居中居中最多最多特点特点只给出能量排出的只给出能量排出的损失，而不考虑这损失，而不考虑这部分能量的利用价部分能量的利用价值，从而不能全面值，从而不能全面的反映出用能过程的反映出用能过程中存在的问题中存在的问题可以得到损耗功，可以得到损耗功，说明能量损失的关说明能量损失的关键是过程不可逆造键是过程不可逆造成的，但是不能给成的，但是不能给出各物流的做功能出各物流的做功能力及其损失情况力及其损失情况虽较复杂，但可虽较复杂，但可以克服熵衡算的以克服熵衡算的不足，得出各物不足，得出各物流的做功能力及流的做功能力及其损失情况其损失情况选用的原则选用的原则 如
25、果一个体系，只如果一个体系，只是为了利用热能是为了利用热能（采暖、工业用加（采暖、工业用加热炉等）可以只用热炉等）可以只用能量衡算法能量衡算法对既有热交换，又对既有热交换，又有功交换的定组成有功交换的定组成体系，最好选用熵体系，最好选用熵分析法分析法对既有热交换，对既有热交换，又有功的变组成又有功的变组成体系，最好选用体系，最好选用有效能分析法有效能分析法第49页，本讲稿共129页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5
26、160Nm3/tNH3，降降温温过过程程压压力力变变化化可可忽忽略略。废废热热锅锅炉炉产产生生4MPa、703K的的过过热热蒸蒸汽汽、蒸蒸汽汽通通过过透透平平做做功功。离离开开透透平平乏乏汽汽压压力力为为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析法。分析法。第50页，本讲稿
27、共129页能量衡算法能量衡算法：1.从水蒸气表从水蒸气表查查得各状得各状态态点的有关参数；点的有关参数；2.求求产产汽量（忽略汽量（忽略热损热损失，失，对废热锅对废热锅炉炉进进行能量衡算）；行能量衡算）；3.计计算透平作的功（忽略算透平作的功（忽略泵泵的的热损热损失，失，对对透平作能量衡算）；透平作能量衡算）；4.求冷却水吸收的求冷却水吸收的热热（忽略冷却器的（忽略冷却器的热损热损失）；失）；5.计计算算热热效率效率=透平作的功透平作的功/吸吸热热=23.63%；6.能量能量损损失率失率=1-23.63%=76.37%7.作出作出转转化气余化气余热热回收装置能量衡算表回收装置能量衡算表输输入入
28、/(kJ/tNH3)%输输出出/(kJ/tNH3)%高温气余高温气余热热5.1416106100透平做功透平做功Ws1.215210623.63冷却水冷却水带带走走热热3.926310676.37合合计计5.14161061005.1415106100.00第51页，本讲稿共129页有效能分析法有效能分析法1.物料与能量衡算法相同；物料与能量衡算法相同；2.计计算各物流的有效能；（取算各物流的有效能；（取p0=0.10133MPa,T0=303K)3.求求总总的有效能的有效能损损失；失；4.求各求各设备设备的有效能的有效能损损失：失：（1）对废热锅对废热锅炉作有效能衡算；炉作有效能衡算；（2）
29、对对透平作有效能衡算；透平作有效能衡算；（3）对对冷凝器作有效能衡算；冷凝器作有效能衡算；5.求整个装置的有效能效率；求整个装置的有效能效率；6.作出作出转转化气余化气余热热回收装置有效能衡算表回收装置有效能衡算表;7.各各单单体体设备设备的普通有效能效率的普通有效能效率第52页，本讲稿共129页输输入入/(kJ/tNH3)%输输出出/(kJ/tNH3)%进进口口转转化气化气4.438106100透平做功透平做功1.215210627.38出口出口转转化气化气0.973110621.93不可逆不可逆损损耗耗E1,废废1.44710632.61E1,透透0.557010612.55E1,冷冷0.
30、24521065.53小小计计2.24910650.69合合计计4.4381061004.438106100.00最大的有效能损失在废热锅炉中，而冷凝器的有效能损失是最小的。最大的有效能损失在废热锅炉中，而冷凝器的有效能损失是最小的。从能量衡算法得出的结论是节能的重点在于回收冷却水带出的热量，从能量衡算法得出的结论是节能的重点在于回收冷却水带出的热量，但这部分是能级很低的热能，回收利用比较困难。但这部分是能级很低的热能，回收利用比较困难。第53页，本讲稿共129页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
31、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）第54页，本讲稿共129页某工厂高某工厂高压压蒸汽系蒸汽系统统副副产产中中压压冷凝水，冷凝水，产产量量为为3500kgh-1。这这些中些中压压冷凝水一般要冷凝水一般要经过闪经过闪蒸，以蒸，以产产生低生低压压蒸汽，回收利用，蒸汽，回收利用，闪闪蒸器与外界蒸器与外界环环境（境（298.15K）没有）没有热热交交换换。共有三种方案，已知参数。共有三种方案，已知参数见见例例图图，试试用有用有效能法效能法进进行能量的行能量的热热力学分析力学分析第55页，本
32、讲稿共129页计算结果：有效能损失计算结果：有效能损失E1,2 E1,34.0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，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体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
33、而将速度能转为压力加速，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第59页，本讲稿共129页活塞往复式压缩机活塞往复式压缩机第60页，本讲稿共129页罗茨鼓风机第61页，本讲稿共129页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；（2）不同压缩过程中消耗
34、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第62页，本讲稿共129页单级往复式压缩机压缩过程（1）吸气（2)压缩（3）排气（4）再吸气第63页，本讲稿共129页气体压缩分类：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 多级压缩第64页，本讲稿共129页三种压缩过程的p-V图及T-S图 从图中得到第65页，本讲稿共129页有余隙的压缩过程有余隙的压缩过程第66页，本讲稿共129页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
35、压缩多变压缩：绝热指数绝热指数多变指数多变指数第67页，本讲稿共129页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缩多变压缩多变压缩第68页，本讲稿共129页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第69页，本讲稿共129页思考：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？第70页，本讲稿共129页4.9气体的膨胀过程气体的膨胀过程第71页，本讲稿共129页4.9.1节流膨胀节流膨胀H=0流体进行节流膨
36、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效应效应第72页，本讲稿共129页节流过程：节流过程：H=f（T，p）第73页，本讲稿共129页时，时，故故第74页，本讲稿共129页节流膨胀致冷的可能性节流膨胀致冷的可能性 对理想气体对理想气体=0=0pV=RT V=RT/p这说明了理想气体在节这说明了理想气体在节流过程中温度不发生变流过程中温度不发生变化化 第75页，本讲稿共129页 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
37、，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.第84页，本讲稿共129页 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，称之。等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，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
38、温度效应TTS S第85页，本讲稿共129页 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图图读读取取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第86页，本讲稿共129页 用等焓节流效应计算用等焓节流效应计算若若C Cp p=const=const第87页，本讲稿共129页2.2.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
39、等熵膨胀效应和节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。流膨胀效应之间。ST122绝热绝热 Q=0Q=0第88页，本讲稿共129页三三.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态无等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。冷效应。QOS=Ho-H2=(Ho-H1)+(H1-H2)=QOH+WR制冷量：制冷量：QOSQOHQOH=Ho-H2=Ho-H12.2.第89页，本讲稿共129页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
40、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。第90页，本讲稿共129页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
41、擎：第91页，本讲稿共129页4.10蒸汽动力循环蒸汽动力循环第92页，本讲稿共129页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。第93页，本讲稿共129页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，利用透平机直接带动压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。缩机的缘故。
42、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NH3第94页，本讲稿共129页Carnot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第95页，本讲稿共129页理想的理想的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第96页，本讲稿共129页理想理想Ra
43、nkine循环的热效率循环的热效率热效率热效率 定义：工质吸收的定义：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第97页，本讲稿共129页理想理想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的净的净功所消耗的蒸汽量。功所消耗的蒸汽量。用用SSC（SpecificSteamConsumption)表示。表示。第98页，本讲稿共129页过冷过冷水水过热水过热水蒸气蒸气气液两气液两相共存相共存区区饱和水饱和水蒸气蒸气气液两相共存区的气液两相共存区的热
44、力学性质采用饱热力学性质采用饱和水蒸气表和干度和水蒸气表和干度进行计算进行计算使用饱和水使用饱和水蒸气表蒸气表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第99页，本讲稿共129页过程分析过程分析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第100页，本讲稿共129页实际的实际的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
45、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，进一点的焓值，进一步计算步计算2点的湿度。点的湿度。第101页，本讲稿共129页例题例题某某核核动动力力循循环环如如图图所所示示，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
46、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，水水泵泵可以认为是绝热压缩过程可以认为是绝热压缩过程锅炉锅炉冷凝器冷凝器水泵水泵透平机透平机4312Q过热器过热器核核反反应应堆堆第102页，本讲稿共129页例题例题试求：试求：（1）此循环过程中蒸汽的质）此循环过程中蒸汽的质量流量；量流量；（2）透平机出口乏气的湿）透平机出口乏气的湿度；度；（3）循环的热效率；）循环的热效率；350，6MPa3421TS20.008MPa第103页，本讲稿共129页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
47、的增增加加比比例例更更大大，即即提提高高了了整个循环的热效率。整个循环的热效率。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安全运行。全运行。pHpL提高平均吸热温度。可以提高循提高平均吸热温度。可以提高循环的热效率环的热效率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第104页，本讲稿共129页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、
48、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。第105页，本讲稿共129页4.11制制冷冷循循环环第106页，本讲稿共129页制制冷冷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。第107页，本讲稿共129页制冷的应用制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第108页，本讲稿共129页制冷过程制冷过程低温低温高温环境高温环境Q第109页，本讲稿共129页制冷实质制冷实质Q自发自发制冷的实质：消耗外功
49、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)第110页，本讲稿共129页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第111页，本讲稿共129页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第112页，本讲稿共129页逆向逆向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THTL
50、TS第113页，本讲稿共129页逆向逆向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第114页，本讲稿共129页逆向逆向Carnot循环特点循环特点=f(TH,TL)与制冷剂无关与制冷剂无关逆向逆向Carnot=max由两个等熵和两个等温由两个等熵和两个等温四个可四个可逆过程组成，是逆过程组成，是理想理想的制冷循环的制冷循环第115页，本讲稿共129页逆向逆向Carnot循环的缺