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1、第第6 6章流动系统的热力学原理及应用章流动系统的热力学原理及应用主要内容主要内容热力学第一定律及在化工中的应用热力学第一定律及在化工中的应用热力学第一定律及在化工中的应用热力学第一定律及在化工中的应用热功间的转换热功间的转换热功间的转换热功间的转换(热力学第二定律）热力学第二定律）热力学第二定律）热力学第二定律）化工过程有效能分析化工过程有效能分析化工过程有效能分析化工过程有效能分析蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环制冷循环制冷循环制冷循环制冷循环6.1 热力学第一定律热力学第一定律6.1.1 能量守恒与转换一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常能量可分为两大类：一类是
2、系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能量的数量是守恒的。对于任意体系有 体系能量的积累=输入能量-输出能量 热力学第一定律热力学第一定律-能量转化和守恒原理能量转化和守恒原理此处约定：此处约定：此处约定：此处约定：体系吸热为正值，放热为负值；体系吸热为正值，放热为负值；体系吸热为正值，放热为负值；体系吸
3、热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。体系得功为正值，对环境做功为负值。体系得功为正值，对环境做功为负值。体系得功为正值，对环境做功为负值。物料流入和流出的能量包括:1.动能,记为Ek2.势能(在重力场中则为位能),记为EP3.物料的内能,U因此此外规定所有流入体系能量为正,流出能量为负6.1.2 封闭体系的能量平衡方程封闭体系的能量平衡方程在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为表达式为 对于孤立体系，由于不存在功和热的交换，故6.1.3 稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况
4、稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。积累。稳态流动系统的能量平衡关系式为：稳态流动系统的能量平衡关系式为：单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)、势能(gz)和热力学能(U)。流体从截面1通过设备流到截面2，在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度为z1，流动平均速度u1，比容V1，压力P1以及内能U1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标2表示。g为重力加速度。系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换
5、的轴功Ws；另一部分是单位质量物质被推入系统时，接受环境所给予的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为P1，则推动力为P1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环境)所给予的功；同样,单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体(环境)，即对环境作 P2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和 稳态流动系统的能量平衡关系可写为 将焓的定义
6、 H=U+PV 代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程 稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一项的单位为 Jkg-1。动能和位能的单位流动功包含在焓中轴功 H、u2/2、g z、Q和Ws 分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。可逆条件下的轴功可逆条件下的轴功对于稳定流动体系,以单位质量流体计,有对于可逆变化,则若忽略动能和位能变化,则积分封闭体系的热力学基本关系对稳态流动体系也是适用的可逆条件下的轴功可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般对于液体，在积分时一般可将可将V当作常数。当作常数。对于理想气体等温过程对于
7、理想气体等温过程左式只适用于理想气体左式只适用于理想气体等温过程等温过程对于气体怎么办？对于气体怎么办？可逆条件下的轴功可逆条件下的轴功体积功可逆轴功可逆体积功与可轴功的比较喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管的结构喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积特点是进出口截面积变化很大。变化很大。流体通过时，使压力流体通过时，使压力沿着流动方向降低，沿着流动方向降低，而使流速加快的部件而使流速加快的部件称为喷嘴。称为喷嘴。反之，使流体流速减反之，使流体流速减缓，压力升高的部件缓，压力升高的部件称为扩压管。称为扩压管。喷嘴扩压管喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管 是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略
8、通常可以忽略位能是否变化?否否流体通过焓值的改变来换取动能的调整流体通过焓值的改变来换取动能的调整流体通过焓值的改变来换取动能的调整流体通过焓值的改变来换取动能的调整透平机和压缩机透平机和压缩机透平机是借助流体的减压透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功和降温过程来产出功 压缩机可以提高流体的压压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功力，但是要消耗功 透平机和压缩机透平机和压缩机 是否存在轴功?是是!是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略通常可以忽略流体通过焓值的改变对外作功流体通过焓值的改变对外作功流体通过焓值
9、的改变对外作功流体通过焓值的改变对外作功,或消耗功而升高焓值或消耗功而升高焓值或消耗功而升高焓值或消耗功而升高焓值节流阀节流阀 Throttling Valve理想气体通过节流阀温度不变理想气体通过节流阀温度不变节流阀节流阀是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?通常可以忽略通常可以忽略混合设备混合设备 混合两种或多种流体是很常见。混合两种或多种流体是很常见。混合器混合器混合设备混合设备是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?通常不变或可忽略通常不变或可忽略动能是否变化?通常可忽略通常可忽略混合设备混合设
10、备 1 3 2 混合器混合器Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。当不止一个输入物流或（和）输出物流时分别为第i流入股和第j股流出物流的质量流量。为总质量流量。换热设备换热设备 若整个换热设备的热损失可以忽略不计，换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，只是物流之间不发生混合。mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量管路和流体输送管路和流体输送是否存在轴功?有时存在有时存在是否和环境交换热量?通常是通常是位能是否变化?有时变化有时变化动能是否变化?通常可以忽
11、略通常可以忽略Bernoulli 方程方程实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗变为热力学能，有摩擦损耗对于无热、对于无热、无轴功交换、无轴功交换、不可压缩流体的稳流过程不可压缩流体的稳流过程对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则则例例 6-1 6-1 1.5MPa1.5MPa的的湿湿蒸蒸汽汽在在量量热热计计中中被被节节流流到到0.1MPa0.1MPa和和403.15K403.15K，求原湿蒸汽的干度，求原湿蒸汽的干度解节流过程无功的传递，忽略散热、动能变化和位
12、能变化T H kJ/kg1202716.61602796.2130H2在0.1 MPa时1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2解例例 6-2 30 的空气，以的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到热交换器，被加热到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，换热器高度为相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气，空气Cp=1.005kJ(kgK),求求50kg空气从换热器吸空气从换热器吸收的热量收的热量将空气当作理想气体，并将空气当作理想气体，并忽略压降时忽略压降
13、时由此例可以看出由此例可以看出,对于换热过程对于换热过程,换热器的动换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计能变化和位能变化可以忽略不计对孤立体系对封闭体系对稳流体系本节小结本节小结对封闭体系6.2热功间的转化（热力学第二定律）热功间的转化（热力学第二定律）6.2.1 热力学第二定律热力学第二定律&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。&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。功而不引起其他变化。热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方热力学第
14、二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。克劳修斯的说法说明了热传导过程的不可逆性，开向进行。克劳修斯的说法说明了热传导过程的不可逆性，开尔文说法则描述了功转化为热过程的不可逆性。尔文说法则描述了功转化为热过程的不可逆性。其实质是其实质是其实质是其实质是“自发过程都是不可逆的自发过程都是不可逆的自发过程都是不可逆的自发过程都是不可逆的”。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。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 第第一一定定律律没没有有说说明明过过程程发发生生的的方方向向，它它告告诉诉我我们们能量必须守衡。能量
15、必须守衡。第二定律告诉我们过程发生的方向和限度。第二定律告诉我们过程发生的方向和限度。我我们们可可以以使使这这些些过过程程按按照照相相反反方方向向进进行行，但但是是需需要要付出代价付出代价,即消耗功。即消耗功。热力学第一定律与第二定律的意义热力学第一定律与第二定律的意义熵增原理熵增原理熵增原理熵增原理等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。孤立体系孤立体系 6.2.2 熵函数熵函数熵与熵增原理熵与熵增原理熵与熵增原理熵与熵增原理熵平衡熵平衡熵平衡熵平衡 熵流熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的熵变化是由于有热量流入或流出系统所伴有的熵变化 可逆过程可逆
16、过程 由于传递的热量可正、可负、可零，熵流也亦可正、可负、可零。由于传递的热量可正、可负、可零，熵流也亦可正、可负、可零。熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化 不可逆过程不可逆过程 稳态流动体系稳态流动体系 绝热节流过程绝热节流过程可逆绝热过程可逆绝热过程单股流体单股流体封闭体系封闭体系，只有单股流体，只有单股流体，mimjm,对孤立体系对封闭体系对稳流体系对开放体系本节小结本节小结6.3 化工过程的有效能分析化工过程的有效能分析上节内容回顾上节内容回顾上节内容回顾上节内容回顾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热力学第二定律热力学第二定
17、律热力学第二定律热力学第二定律对孤立体系对封闭体系对稳流体系对孤立体系对封闭体系对稳流体系对开放体系第六章第六章第六章第六章 流动系统的热力学基本原理及应用流动系统的热力学基本原理及应用流动系统的热力学基本原理及应用流动系统的热力学基本原理及应用6.3 6.3 6.3 6.3 有效能及过程热力学分析有效能及过程热力学分析有效能及过程热力学分析有效能及过程热力学分析主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：1.1.引言引言引言引言2.2.有效能、无效能有效能、无效能有效能、无效能有效能、无效能3.3.理想功、损失功及其计算理想功、损失功及其计算理想功、损失功及其计算理想功、损失功及其计算4.4.有
18、效能的计算有效能的计算有效能的计算有效能的计算5.5.有效能与理想功的区别与联系有效能与理想功的区别与联系有效能与理想功的区别与联系有效能与理想功的区别与联系引言引言能量不仅有数量、而且有质量（品位）。例如，1kJ功和1kJ热，从热力学第一定律来看，它们在数量上是相等，但从热力学第二定律来看，它们的质量并不相等，功可以全部转化为热，而热不能全部转化为功。学习目的：掌握一些基本的概念，为以后分析化工过程中的能量转化、传递、使用和损失情况，改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法奠定基础。思考：思考：思考：思考：（1）在冬天用电炉取暖和制热空调取暖，哪种方式的效率更高？（2）试分析以下火力发电过
19、程。总能量分析有效能分析其它6.3.1 6.3.1 有效能与无效能的概念有效能与无效能的概念(1)能量的分类按可转化为有用功的能力，分为三类：高(品）质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能；僵态能量：理论上不能转化为有用功的能量。如海水、地壳、环境状态下的能量；低（品）质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量、内能、焓等。6.3.1 6.3.1 有效能与无效能的概念有效能与无效能的概念 为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。有有效效能能：一一定定形形式式的的能能量量,可可逆逆变变化化到到给给定定环环境境状
20、状态态相相平平衡衡时时,理论上所能做出的最大有用功的能力。理论上所能做出的最大有用功的能力。常用常用B或或Ex表示；表示；无效能无效能无效能无效能：理论上不能转化为功的能量。常用理论上不能转化为功的能量。常用El表示。表示。推论推论推论推论高质能量高质能量高质能量高质能量=有效能有效能有效能有效能僵态能量僵态能量僵态能量僵态能量=无效能无效能无效能无效能低质能量低质能量低质能量低质能量=有效能有效能有效能有效能+无效能。无效能。无效能。无效能。(1)机械能、电能的有效能机械能、电能的有效能 机械能和电能全部是有效能，即机械能和电能全部是有效能，即 EX=W （2）物理有效能物理有效能 物理有效
21、能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的有效能。化工过程中主要涉及：具有的有效能。化工过程中主要涉及：与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程（热有效能）（热有效能）；与压力变化有关的压缩、膨胀等过程与压力变化有关的压缩、膨胀等过程（压力有效能）（压力有效能）。6.3.2 6.3.2 有效能的形式有效能的形式 （3）化学有效能 处于环境温度与压力下的系统，与环境之间处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物质交换或化学反应，最后达到与环境平衡进行物质交换或化学反应，最后达到与环境平衡时，所能做的最大有用功。
22、时，所能做的最大有用功。在计算化学有效能时，不但要确定环境的温度和压力，而且要指定基准物种类和浓度。6.3.3 6.3.3 理想功、损失功理想功、损失功理理想想功功：系系统统的的状状态态变变化化以以完完全全可可逆逆方方式式完完成成，理理论论上上产产生最大功或者消耗最小功。生最大功或者消耗最小功。所谓的完完全全可可逆逆，指的是不仅系统内的所有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。理想功是一个理想的极限值，可作为实际功的比较标准。1 理想功的定义理想功的定义 稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：稳定流
23、动系统的热力学第一定律表达式为：假假定定过过程程是是完完全全可可逆逆的的，而而且且系系统统所所处处的的环环境境可可认认为为是是个个温温度度为为T0的的恒恒温温热热源源。根根据据热热力力学学第第二二定定律律，系系统统与与环环境境之之间的可逆传热量为间的可逆传热量为 Qrev=T0S体系体系忽略动能和势能变化2 稳态流动体系理想功计算公式的推导稳态流动体系理想功计算公式的推导稳稳流流过过程程的的理理想想功功只只与与状状态态变变化化有有关关，即即与与初初、终终态态以以及及环环境温度境温度T0有关，而与变化的途径无关。有关，而与变化的途径无关。也也就就是是说说，只只要要初初、终终态态以以及及环环境境温
24、温度度T0相相同同，无无论论是是否否可可逆过程，其理想功相同。逆过程，其理想功相同。理理理理想想想想功功功功与与与与轴轴轴轴功功功功的的的的区区区区别别别别：理理想想功功是是完完全全可可逆逆过过程程所所作作的的功功，它它在在与与环环境境换换热热Q过过程程中中使使用用卡卡诺诺热热机机作作可可逆逆功功。轴轴功功是是实实际际过过程中体系与环境所交换的功。程中体系与环境所交换的功。3 理想功的特点理想功的特点若对外做功，若对外做功，Wid WRS若对内做功，若对内做功，Wid WRS例1例2 4 4 损失功的定义损失功的定义损失功的定义损失功的定义 系系统统在在相相同同的的状状态态变变化化过过程程中中
25、，不不可可逆逆过过程程的的实实际功与完全可逆过程的理想功之差称为际功与完全可逆过程的理想功之差称为损失功损失功。5 稳态流动过程损失功稳态流动过程损失功由由于于环环境境可可视视为为恒恒温温热热源源，Q相相对对环环境境而而言言，是是可可逆逆热热，但但是用于环境时为负号，即是用于环境时为负号，即-QT0S0。u根据热力学第二定律，根据热力学第二定律，S总总 0，所以，所以实际过程总是有损失实际过程总是有损失功的，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越功的，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。大。uu损失功不是状态函数，与过程有关。损失功不是状态函数，与过程有关。损失功不是状态函数
26、，与过程有关。损失功不是状态函数，与过程有关。u损失的功转化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆损失的功转化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程都是有代价的。过程都是有代价的。6 损失功的特征损失功的特征6.3.4 6.3.4 有效能的计算有效能的计算稳流过程，从状态稳流过程，从状态1变到状态变到状态2，过程的理想功为，过程的理想功为：当系统由任意状态当系统由任意状态(P,T)变到基态变到基态(T0,P0)时稳流系统时，时稳流系统时，有效能有效能：一定形式的能量一定形式的能量,可逆变化到给定环境状态相平衡时可逆变化到给定环境状态相平衡时,理论上所能做出的最大有用功的能力。理论上所能做出
27、的最大有用功的能力。也就是说，也就是说，有效能在数值上等于系统从所处状态变化到环境状有效能在数值上等于系统从所处状态变化到环境状态过程中所作的理想功的负值。态过程中所作的理想功的负值。习惯上，为保证有效能为正值，定义习惯上，为保证有效能为正值，定义变温过程的热有效能变温过程的热有效能 A 热有效能热有效能 温度为温度为T的恒温热源的热量的恒温热源的热量Q,其有效能按卡诺热其有效能按卡诺热机所能做的最大功计算：机所能做的最大功计算：B 压力有效能压力有效能对于理想气体每摩尔理想气体的压力有效能为6.3.5 6.3.5 理想功与有效能的区别和联系理想功与有效能的区别和联系理想功与有效能的区别理想功
28、与有效能的区别理想功与有效能的区别理想功与有效能的区别（1 1）终态不一定相同，理想功的终态不确定，而有效能的终）终态不一定相同，理想功的终态不确定，而有效能的终）终态不一定相同，理想功的终态不确定，而有效能的终）终态不一定相同，理想功的终态不确定，而有效能的终态为环境状态；态为环境状态；态为环境状态；态为环境状态；（2 2）研究对象不同，理想功是对两个状态而言，可正可负，）研究对象不同，理想功是对两个状态而言，可正可负，）研究对象不同，理想功是对两个状态而言，可正可负，）研究对象不同，理想功是对两个状态而言，可正可负，而有效能是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。而有效能是对某一状态而言，
29、与环境有关，只为正值。而有效能是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。而有效能是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。例3小结小结小结小结主要介绍了有效能、无效能、理想功和损失功四个概念；学习了有效能、理想功和损失功的计算方法比较了理想功和有效能之间的区别和联系。作业作业作业作业1.思考题：在化工生产过程中，为了提高能量的利用率，应如何利用化工厂的低压乏汽和热水？采用什么途径可以将化石燃料转化为电能时，不受卡诺效率的限制？2.P172 计算题的第3小题本节小结本节小结例例例例 1 1 计算稳态流动过程中计算稳态流动过程中计算稳态流动过程中计算稳态流动过程中N N2 2从从从从813K813K、
30、4.052MPa4.052MPa变到变到变到变到373K373K、1.013MPa1.013MPa时可做的理想功。（可视时可做的理想功。（可视时可做的理想功。（可视时可做的理想功。（可视N N2 2为理想气体）为理想气体）为理想气体）为理想气体）N N2 2的等压热容的等压热容的等压热容的等压热容C Cp p=27.89+4.27110=27.89+4.27110-3-3T kJ/(kmolK),TT kJ/(kmolK),T0 0=293K=293K。解：讨论：讨论：此例很好地说明理想功是一个状态函数，其大小与过程变化是否可逆无关例例 2 2 求求298K298K，0.1013MPa0.10
31、13MPa的的水水变变成成273K273K和和同同压压力力下下的的冰冰的的过过程程的的理想功。设环境温度分别为理想功。设环境温度分别为(1)298K(1)298K；(2)248K(2)248K。解：忽略压力的影响。查得有关数据状态温度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kgK)H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)环境温度为298K，高于冰点时表明若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为表明若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为35.04kJ/kg。(2)环境温度为248K，低于冰点时 当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要
32、消耗外功，而当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，而且理论上可以回收的最大功为且理论上可以回收的最大功为44.61kJ/kg。此例进一步表明此例进一步表明此例进一步表明此例进一步表明:理想功不仅与系统的始、终态有关，理想功不仅与系统的始、终态有关，而且与环境温度有关。而且与环境温度有关。例3 比较l.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的饱和蒸汽以及1.013MPa，573K的过热蒸气的有效能大小。取环境状态P0.1013MPa、T0298.15K，并就计算结果对蒸气的合理利用加以讨论。解：P/MPaT/K(H-H0)/kJ/kg(S-S0)/kJ/kg/KEx/kJ
33、/kg水 0.1013298.15饱和蒸汽1.013 453 26716.23814过热蒸汽1.013 57329486.75934饱和蒸汽6.868 557.526705.46 1042饱和蒸汽8.611 57326786.32 792讨论蒸汽1和2比较，表明压力相同时，过热蒸汽的有效能较饱和蒸汽大；蒸汽2和3比较，表明高压蒸汽的有效能较低压蒸汽的有效能为大蒸汽2和4比较表明，温度相同时，高压蒸汽的焓值反较低压蒸汽小实际能量应用的原则实际能量应用的原则实际能量应用的原则实际能量应用的原则防止能量无偿降级采用最佳推动力方案合理组织能量的梯次使用6.4 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.4.1 Ran
34、kine蒸汽动力循环蒸汽动力循环汽轮机水泵冷凝器锅炉T4321STCarnot CycleEnergy Analysis 能量分析能量分析 Turbine 汽轮机1-2 表示过热蒸汽在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程，则汽轮机水泵冷凝器锅炉T稳态流动体系，若忽略动能和势能变化，则Energy Analysis 能量分析能量分析Condenser 冷凝器 2-3 表示乏汽在冷凝器中的等温等压冷凝过程，放出的热量。Ws=0，则汽轮机水泵冷凝器锅炉TEnergy Analysis 能量分析能量分析Pump 水泵3-4 表示冷凝水通过水泵由P3升压至P4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功把水看作是不可压缩流
35、体，则 汽轮机水泵冷凝器锅炉TEnergy Analysis 能量分析能量分析Boiler 锅炉4-1表示液体水在锅炉中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程。Ws=0，故汽轮机水泵冷凝器锅炉T6.4.2 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37%高温热源 TH低温热源 TL卡诺热机的效率卡诺热机的效率理想理想Rankine循环的热效率循环的热效率蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量热效率的高低反映了不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。Steam Consumption汽耗率汽耗率作出单位量净功所消耗的蒸汽量称
36、为汽耗率，用 SSC(Specific Steam Consumption)表示。当对外作出的净功相同时，汽耗率大的装置其尺寸相应增大。汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺寸大小和过程的经济性。工质为水蒸气时工质为水蒸气时 因为水蒸气不是理想气体，气体的性质不能用理想气体方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。热效率的计算热效率的计算热效率的计算方法热效率的计算方法状态1：根据P1、t1 值可查得 H1、S1值;状态2：S2=S1,根据P2、S2 值可查得 H2、t2值;状 态 3：P3=P2,查 P3下 的 饱 和 液 体 可 得 H3、V3、S3值;T状态4：P4=P1,S4=
37、S3,根据P4、S4可查得 H4值;或 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是向着墒增加的方向偏移，用1-2线表示。水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆的影响。蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为H1 H2，它小于等熵膨胀的功H1 H2。两者之比称为透平机的等熵效率。说明：说明：T实际实际 Rankine 循环的热效率循环的热效率T例例例例6-10 6-10 某某一一理理想想的的Rankine循循环环，锅锅炉炉的的压压力力为为4MPa，产产 生生 440过过 热热 蒸蒸 汽汽,汽汽 轮轮 机机 出出 口口 压压 力力 为为0.004M
38、Pa,蒸汽流量蒸汽流量60t/h,求求 （1）过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量；过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量；（2）乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量；）乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量；（3）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功 率；率；（4）循环的热效率。）循环的热效率。（1）确定各点的参数1 1点点点点（过热蒸汽）,根据P1=4MPa、t1=440,查过热水蒸气表 得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kgK);2 2点点点点（湿蒸汽）,P2=4kPa,S2=S1=6.9041kJ/(kgK),查饱和水蒸气表得 Hg=25
39、54.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kgK)Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kgK)Vl=1.004cm3/g 2点处的干度为x 8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041 x=0.8050 H2=2554.40.805+(1-0.805)121.46=2080.03 3点点点点（饱和液体）P P3 3=4kPa H=4kPa H3 3=H=Hl l=121.46 kJ/kg=121.46 kJ/kg S S3 3=S=Sl l=0.4226kJ/(kgK)=0.4226kJ/(kgK)4 4点点点点（未饱和水）方法方法1 1 H H4 4=H=H3
40、 3+W+Wp p=H=H3 3+V(P+V(P4 4-P-P3 3)=121.46+0.001004 =121.46+0.001004 (4000-4)=125.5kJ/kg(4000-4)=125.5kJ/kg方法方法2 2 已知已知 P P4 4=4MPa,S=4MPa,S4 4=S=S3 3=0.4226kJ/(kgK),=0.4226kJ/(kgK),查未饱查未饱和水性质表，得和水性质表，得 H4=126.1kJ/kg（2）计算 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量 Q1=m(H1-H4)=60 103(3307.1-125.5)=190.9 106kJ/h 乏气在冷凝器放出的热量 Q2=
41、m(H2-H3)=60 103(2080.0-121.5)=117.5 106kJ/h 乏气的湿度为 1-x=1-0.805=0.195 汽轮机作出的理论功率 水泵消耗的理论功率水泵消耗的理论功率 热效率热效率 例6-11 在某核动力循环装置，锅炉温度为 420 的核反应堆吸入热量Q1，产生压力为7MPa、温度为 360 的过热蒸汽(点1)，过热蒸汽经汽轮机膨胀作功后于0.008MPa压力下排出(点2)，乏气在冷凝器中向环境温度 t020 进行定压放热变为饱和水(点3)，然后经泵返回锅炉(点4)完成循环。已知汽轮机的额定功率为5104kW，汽轮机作不可逆的绝热膨胀，其等熵效率为0.75，水泵作
42、等熵压缩。试求：(1)蒸气的质量流量；(2)乏气的湿度；(3)循环的热效率。1点（过热蒸汽）,根据P1=7MPa、t1=360,查过热 水蒸气表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kgK);2点（湿蒸汽）,P2=0.008MPa,查饱和水蒸气表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kgK)Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kgK)汽轮机作等熵膨胀 S2=S1=6.2801kJ/(kgK),S2=Sgx2+(1-x2)Sl 6.2801=8.2287x2+(1-x2)0.5926 x2=0.7448H2=Hgx2+(1-x2)H
43、l =2577.0 0.7488+(1-0.7488)173.88=1963.7汽轮机作等熵膨胀过程汽轮机作等熵膨胀过程1-2所作的理论功所作的理论功 WRWR=H2-H1=1963.7-3045.5=-1081.8kJ/kg汽轮机作实际膨胀过程汽轮机作实际膨胀过程1-2所作的功所作的功 WsWs=sWR=-1081.8 0.75=-811.4kJ/kg Ws=H2-H1H2=H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2H2=Hgx2+(1-x2)Hl2234.1=2577.0 x2+(1-x2)173.9 x2=
44、0.8573 乏气的湿度为乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3点 0.008MPa饱和液体 H3=173.88kJ/(kgK)S3=0.5926kJ/(kgK)4点点 P4=7MPa,S4=S3=0.5926kJ/(kgK)查未饱和水性质表查未饱和水性质表5MPaH S7.5MPaH S4MPaH S40 171.97 0.5705174.18 0.569680 338.85 1.0720340.84 1.0704173.74 0.5698340.44 1.0707H4=181.33kJ/kg插值水泵所消耗的功水泵所消耗的功WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ
45、/kg热效率热效率p1,t1,p2影响热效率的参数？影响热效率的参数？提高朗肯循环热效率的措施提高朗肯循环热效率的措施s654321TsT654321蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响优点：优点：，有利于汽机有利于汽机安全。安全。缺点：缺点：对耐热及强度要对耐热及强度要求高，目前最高求高，目前最高初温一般在初温一般在550左右左右 汽机出口尺汽机出口尺寸大寸大p1,p2不变不变，t1sT654321蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响t1,p2不变不变，p1优点：优点：，汽轮机出口汽轮机出口尺寸小尺寸小缺点：缺点：对强度要求高对强度要求高 不不
46、利于汽利于汽轮机安全。一般轮机安全。一般要求出口干度大要求出口干度大于于0.85 0.88sT654321乏汽压力对郎肯循环热效率的影响乏汽压力对郎肯循环热效率的影响优点：优点：缺点：缺点：受环境温度限制，受环境温度限制，现在大型机组现在大型机组p2为为0.00350.005MPa，相应的饱和温度约为相应的饱和温度约为27 33，已接近事，已接近事实上可能达到的最低实上可能达到的最低限度。冬天热效率高限度。冬天热效率高p1,t1不变不变，p2学习Rankine蒸汽动力循环的能量分析及其计算；介绍了热机效率的概念本节小结本节小结卡诺热机的效率卡诺热机的效率Rankine循环热机效率及计算循环热机
47、效率及计算提高Rankine热机效率的措施6.5 制冷循环制冷循环高温高温 环境环境低温低温 环境环境蒸发器冷凝器膨胀机q0q2压缩机1234T1T2TS12346.5.1 6.5.1 逆向逆向CarnotCarnot循环循环6.5 制冷循环制冷循环循环的吸热量循环的吸热量q0=TL(S1-S4)循环的放热量循环的放热量 q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)HqWS制冷剂完成一个循环制冷剂完成一个循环 H0，净功为，净功为制冷系数制冷系数TLTHTS1234 逆卡诺循环制冷系数逆卡诺循环制冷系数 逆逆卡卡诺诺循循环环的的制制冷冷系系数数仅仅是是工工质质温温度度的的函函数数，与与工工质
48、质无关。无关。在在相相同同温温度度区区间间工工作作的的制制冷冷循循环环，以以逆逆卡卡诺诺循循环环的的制制冷系数为最大。冷系数为最大。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。某某蒸蒸汽汽压压缩缩制制冷冷过过程程,制制冷冷剂剂在在250K吸吸收收热热量量QL,在在300K放放出出热热量量-QH,压压缩缩和和膨膨胀胀过过程程是是绝绝热热的的，向向制制冷冷机机输输入入的的净功为净功为WN，判断下列情况是，判断下列情况是 A可逆的可逆的 B 不可逆的不可逆的 C 不可能的不可能的 （1）QL=2000kJ WN=400kJ （2）QL=1000kJ QH=-1
49、500kJ （3）WN=100kJ QH=-700kJ（1）该制冷过程是可逆的该制冷过程是可逆的（2）QL=1000kJ QH=-1500kJ该制冷过程是不可逆的该制冷过程是不可逆的 该制冷过程是不可能的该制冷过程是不可能的 （3）WN=100kJ QH=700kJ 6.5.2 6.5.2 单级蒸汽压缩制冷单级蒸汽压缩制冷蒸发盘管蒸发盘管冷冻室冷冻室冷凝盘管冷凝盘管压缩机压缩机毛细管毛细管高温高温 环境环境低温低温 冷室冷室蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器高温高温 环境环境低温低温 冷室冷室蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器1-2 可逆绝热压缩过程可逆绝热压缩过程 Ws=H2 H1 kJ/kg2-4 等压冷却、
50、冷凝过程等压冷却、冷凝过程 q2=H4-H2kJ/kg4-5 节流膨胀过程节流膨胀过程 H5=H44-1 等压、等温蒸发过程等压、等温蒸发过程 q0=H1-H5 kJ/kg制冷系数制冷系数T0TTS12345焓值：查图、表或计算焓值：查图、表或计算若若制制冷冷剂剂的的“制制冷冷能能力力”为为Q0 kJ/h，那那么么，制制冷冷剂的循环量为剂的循环量为压缩机消耗的功率压缩机消耗的功率 某某压压缩缩制制冷冷装装置置，用用R134a作作为为制制冷冷剂剂，蒸蒸发发器器中中的的温温度度为为-25，冷冷却却器器中中的的压压力力为为1.0MPa，假假定定R134a进进入入压压缩缩机机时时为为饱饱和和蒸蒸汽汽，