化工热力学课件化工专业本科阶段(6)

1、1第六章第六章蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环 2本章主要内容n6.1 气体的压缩过程n6.2 膨胀过程n6.3 蒸汽动力循环n6.4 制冷循环过程36.1 气体的压缩过程WPdVsWVdp n讨论气体压缩过程中状态变化规律和以及压缩过程中所需的功和传递的热气体的压缩一般有等温、绝热和多变三种功的计算：1、非流动的情况下，压缩所需外功（可逆）：2、流动的情况下，理论轴功的计算有两种方法：按热力学第一定律的能量衡算计算，忽略过程动能和位能的变化sWQH该方法适应于可逆和不可逆的过程4一、等温压缩过程1221PVPVPV 常数 体系在保持恒温的情况下，进行压缩，则该过程为等温压缩过程1

2、、理想气体2122112211()00lnlnlnslnlnVVVPVPPVPVSUHSRWPdVRTRTWVdPRTRTQWQW 可逆可逆功：理论轴功：等温压缩过程所放出的热量：或者P2T12P1PSV12P1P22/2/2/2/5等温过程中，流动非流动过程中理论功和传递的热都相等结论2、真实气体(2)SSSWPdVWVdPQHQT SWT SHQT S (1)真实气体理论轴功、可逆功的计算可用状态方程对下式积分得到：或者如已知压缩的初始状态，理论轴功可依据能量平衡方程得到。 W由传热：等温压缩过程是压缩过程的理想情况，其耗功最小。6二、绝热压缩过程12211( )1.333KKPVTPkT

3、PCCPVkk常数 为绝热指数， k=单原子气体：k1.667双原子气体：k=1.40多原子气体：体系与环境之间无热交换的情况下，进行压缩，则该过程为绝热压缩过程。Q=01、理想气体P2T12P1PSV12P1P22/2/2/2/7112211112211()111 1111()1 11110s1( )1( )s1( )1( )KKKKKKKKkPPkPkPPPKKkPkPSWPdVWVdPPVWPdVPVRTWVdPPVRT可逆可逆可逆绝热过程中熵不变：可逆功和理论轴功:按和结合常数计算可逆功：理论轴功：SWUWH 2、真实气体利用热力学第一定律：由于Q0则12211( )KKTPTP 终温

4、：8三、多变压缩过程mPV常数 实际的压缩过程中，如果压力和体积的关系可用P2T12P1PSV12P1P22/2/2/2/表示，则称为多变压缩多变压缩是有规律压缩的总称。10mmkmm 等温过程绝热过程等容过程等压过程91、理想气体112211112211()111 1111()1 1111s1( )1( )s1( )1( )mmmmmmmmmPPmPkPPPmmmPmPWPdVWVdPPVWPdVPVRTWVdPPVRT可逆可逆可逆功和理论轴功:按和结合常数计算可逆功：理论轴功：SQUWQHW 热量的计算：或者10sssWWWTTT把一定量的气体，从相同的始态压缩到终压消耗的轴功：（等温）

5、（多变）（绝热）终温：（等温） （多变）（绝热）2、真实气体按一般的方法计算比较结论11四、多级压缩中间冷却过程多级压缩中间冷却过程，就是将气缸冷却器气缸冷却器气缸，依次连接起来，使气体在气缸里被多次压缩，而每压缩一次就经过冷却器冷却到初温，然后到下一级压缩，直到预期的压力。2112112211S1 11s1( )( )msmmsmPPPsmmPTPTPSWVdPPV初始压力为P1, 终压为P2， 当增压比相等时，耗功最小。增压比 为压缩机的级数最小理论轴功：终温：12例6.1工程上要求一压气机每小时提供压力为40*105Pa的压缩空气120kg, 进气压力为1.013*105Pa ，温度为2

6、0，此过程为多变压缩,m=1.2, 如果采用单级压缩、两级压缩，中间冷却。试计算压送每千克空气的理论压气功，压缩机消耗的功率以及空气的终温。解：单级11222111121211 113600( )( )540.9s1( )426.3(/)14.21mmsmsmmmSTPPTPPPmmPGWTTKWPVkJkgNkW 终温：最小理论轴功：功率：13两级压缩：2111211S211 1136006.28( )( )398.2s1( )361.5(/)12.05mmmmmmSPPTTsmmGWTTKWPVkJkgNkW 初始压力为P1, 终压为P2， 当增压比相等时，耗功最小。增压比 终温：最小理论

7、轴功：功率：146.2 6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀节流膨胀与作外功的绝热膨胀 n一一. .节流膨胀过程节流膨胀过程n高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程称为节高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程称为节流膨胀。流膨胀。n1.1.特点：等焓过程特点：等焓过程n由热力学第一定律：由热力学第一定律： SWQZgcH221 Q=0=0（来不及传热），（来不及传热）， Ws=0=0（不做功）（不做功）若忽略掉动能、位能的影响若忽略掉动能、位能的影响 H=0=0对于对于H=f（T，P） P发生变化发生变化 T也随之发生变化也随之发生变化15（1 1） 定义式定义式流体节流时，由于压力变化而引

8、起的温度变化，流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化，称为微分节流效应称为微分节流效应 2. 2. 微分节流效应（焦汤效应）微分节流效应（焦汤效应）（6-126-12）数学式：数学式：HJPT节流过程：节流过程：dPPHdTTHdHTP0dHPTHTHPHPTH=fH=f（T T，P P）16pPCTH（6-136-13） dpTVTVdTCdHPp0dTPTTVTVPH1PPJTVTVC时，时，故故17HJPTPRTVP0pJCPRTPRT(2)(2)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/PPV=RT V=RT/P这说明了理想气体在这说

9、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 18HJPT0PTVTV0PTVTV0PTVTV 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 000，致冷区，致冷区在转化曲线右侧，等在转化曲线右侧，等焓线上，随焓线上，随PP，TT，J J 00 Cp0V0 Cp0恒大于零恒大于零. .26 利用积分等熵温度效应利用积分等熵温度效应dpTTTppss211

10、2dpCTVTdpTppppppss2121 (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，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 S27 在有在有T-ST-S图时，图时，最方便的方法是由最方便的方法是由T-ST-S图读取图读取TTS SkkppTT11212kkppTT11212111211112112kkkksppTTppTTTT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

11、图法P1P2T1T2TS28 用等焓节流效应计算用等焓节流效应计算pJsCVdpCVdpTpppppJs2121dpVCTTpppHs211若若C Cp p=const=const292.2.不可逆对外做功的绝热膨胀不可逆对外做功的绝热膨胀 n对活塞式膨胀机对活塞式膨胀机 当当t t 30 s=0.7t30 s=0.70.750.75n对透平机对透平机 s=0.8s=0.80.850.85n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理想功实际功SRSWWsWsQH2121H-HH-Hs

12、绝热绝热 Q=0Q=030三三. .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=H1-H2HTTs12TTTs -TTT12H制冷量：制冷量：QOSQOHQOH=H1-H22.2.313.3.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

13、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。326.4 6.4 制冷循环制冷循环 n当冷冻温度大于当冷冻温度大于-100 -100 ，称普通冷冻。，称普通冷冻。n小于小于-100 -100 称深度称深度冷冻。冷冻。高温环境33STTLTH4321正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。 制冷循环为逆向卡诺循环制冷循环为逆向卡诺循环 STTLTH432134透平机水泵冷凝器锅炉高温

14、环境低温冷室35二二. .蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环 n1.1.工作原理及工作原理及T-ST-S图图主要设备有：主要设备有：n压缩机压缩机n冷凝器冷凝器 n膨胀机（节流阀）膨胀机（节流阀）n蒸发器蒸发器四部分组成。四部分组成。在制冷过程中，要涉及到工质相变、压力、沸点等问题在制冷过程中，要涉及到工质相变、压力、沸点等问题 蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器压缩机压缩机膨胀机或膨胀机或节流阀节流阀1234QHQL 载冷体载冷体36特点：特点： 传热过程可逆传热过程可逆(1)(1)卡诺压缩制冷循环卡诺压缩制冷循环压缩、膨胀过程可逆压缩、膨胀过程可逆由热力学第一定律：由热力学第一定律： sWQH0H循环

15、过程循环过程 WsQ 吸放QQQ）（放1423SSTSSTQHH）（）（吸1441SSTSSTQLL37)(14SSTTQLH）（故：故：)(14SSTTWLHs）（定义：消耗单位功所获得的冷量。定义：消耗单位功所获得的冷量。 WsQ吸衡量制冷效果好坏的一个技术指标是制冷系数。衡量制冷效果好坏的一个技术指标是制冷系数。卡诺压缩制冷循环制冷系数卡诺压缩制冷循环制冷系数 LHLLHLTTTSSTTSSTWsQ4141吸38等温蒸发等温蒸发等温冷凝等温冷凝TS1234T放T吸WS耗功过程：耗功量最小。耗功过程：耗功量最小。实际过程的耗功量要大于逆向卡诺循环的耗功量实际过程的耗功量要大于逆向卡诺循环的

16、耗功量39制冷系数与冷却温度制冷系数与冷却温度T TH H和载冷体（被冷物质）和载冷体（被冷物质）T TL L有关。有关。若制冷温度若制冷温度T TL L（由工艺条件决定）一定，（由工艺条件决定）一定，T TH H，结论结论: :若冷却水（空气）若冷却水（空气）T TH H一定，一定，T TL L，因此要以满，因此要以满足工艺条件为依据。如果工艺条件为足工艺条件为依据。如果工艺条件为-20-20，一般选取，一般选取T TL L= -25= -25即可性。过冷即可性。过冷55，不能太多。，不能太多。40(2)(2) 实际压缩制冷循环实际压缩制冷循环n实际压缩制冷循环就其循环所需的设备来说，完全实

17、际压缩制冷循环就其循环所需的设备来说，完全与卡诺压缩制冷循环所需要的设备相同，与卡诺压缩制冷循环所需要的设备相同，n关键在于在循环的过程中，每一步都不一定是可逆关键在于在循环的过程中，每一步都不一定是可逆的。的。n它与卡诺压缩制冷循环不同处表现在五个方面。它与卡诺压缩制冷循环不同处表现在五个方面。 41sWQHHHHss 制冷剂（工质）进压缩机状态不同制冷剂（工质）进压缩机状态不同卡诺：湿气卡诺：湿气实际：干气实际：干气 压缩过程不同压缩过程不同卡诺：等熵过程卡诺：等熵过程实际：不可逆绝热过程实际：不可逆绝热过程等熵效率：等熵效率： s=s=等熵过程耗功等熵过程耗功/ /实际过程耗功实际过程耗

18、功s1s1若若Q=0则则Ws=1 12 222223 333114 44444ST42卡诺：等温过程卡诺：等温过程实际：不可逆过程，沿着等压线变化。实际：不可逆过程，沿着等压线变化。 冷凝过程不同冷凝过程不同 制冷剂出冷凝器状态不同制冷剂出冷凝器状态不同 卡诺：饱和液体卡诺：饱和液体 实际：过冷液体实际：过冷液体 膨胀过程不同膨胀过程不同 卡诺：等熵（膨胀机）卡诺：等熵（膨胀机） 实际：等焓（节流阀）实际：等焓（节流阀） 实际压缩制冷循环：实际压缩制冷循环：1234112341理想压缩制冷循环：理想压缩制冷循环：12”34”112”34”1卡诺压缩制冷循环：卡诺压缩制冷循环：12341 123

19、41 1 12 222223 333114 44444ST43T0TTS1234525444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单级蒸汽压缩制冷单级蒸汽压缩制冷452.2.压缩制冷过程的热力学计算压缩制冷过程的热力学计算 410HHq23HHqH12HHWs12410HHHHwqs)(4100HHGGqQ 单位冷冻量：单位冷冻量：1kg1kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量。制冷剂在循环过程中所提供的冷量。 kJ/kg kJ/kg 冷凝器的单位热负荷冷凝器的单位热负荷 kJ/kg kJ/kg 单位耗功量单位耗功量 kJ/kg kJ/kg 制冷系数制冷系数 冰机的制

20、冷能力冰机的制冷能力Q Q0 0 kJ/h kJ/hGG制冷剂循环量制冷剂循环量1 12 222223 333114 44444ST4611冷冻吨冷冻吨=1=1* *10103 3* *334.5/24=1.394334.5/24=1.394* *10104 4 kJ/h kJ/h1 1冷冻吨冷冻吨= =每天将每天将273.16K273.16K的的1 1吨水凝结为同温度的冰所需取走的热量。吨水凝结为同温度的冰所需取走的热量。由于由于1kg1kg水凝结为冰要放出水凝结为冰要放出334.5 kJ334.5 kJ的热量的热量00/qQGHHGqQ 3600/sTGwN00/qQG/0qws制冷剂循环

21、量制冷剂循环量kg/h 冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷kJ/hQH是设计冷凝器的基本依据。是设计冷凝器的基本依据。Kw 压缩机的轴功率压缩机的轴功率360036000000QqqQNTKw47计算举例计算举例n 某压缩制冷装置，用某压缩制冷装置，用R134a作为制冷剂，蒸发器作为制冷剂，蒸发器中的温度为中的温度为-25，冷却器中的压力为，冷却器中的压力为1.0MPa，假定，假定R134a进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，压缩过程按绝热可逆计算，每小时制冷量液体，压缩过程按绝热可逆计算，每小时制冷量Q0为为1.67105kJh-1。n求：

22、（求：（1）所需的制冷剂流率；）所需的制冷剂流率；n（2）制冷系数。）制冷系数。nn1点点-25饱和蒸汽饱和蒸汽n查表得查表得H1231.9kJ/kgnS10.9367kJ/(kgK)T0TTS123454849n 2点点P21MPa，S2S10.9367kJ/(kgK)n查表得查表得H2278.7kJ/kgn T0TTS123455051n nn4点点1MPa饱和液体饱和液体n查表得查表得H4104.2kJ/kgn T0TTS123455253n H1231.9kJ/kgH2278.7kJ/kgnH4104.2kJ/kgH5H4T0TTS1234501514231.9104.2127.7/q

23、HHHHkJ kg 5001.67 101308/127.7QGkg hq 21278.7231.946.8/sWHHkJ kg 0127.72.7346.8sqW 543 制冷剂 Refrigerants制冷剂的选择原则：制冷剂的选择原则：（1）潜热要大。）潜热要大。（2）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高，蒸发压力（低压）不要过低。要过高，蒸发压力（低压）不要过低。（3）化学稳定性、不）化学稳定性、不易燃、不分解、无易燃、不分解、无腐蚀性。腐蚀性。（4）价格）价格低低。（5）冷冻剂对环境应该无公害。）冷冻剂对环境应该无公害。554.4.载冷体的

24、选用载冷体的选用 n工业上一般选用冷冻盐水工业上一般选用冷冻盐水CaCl2，MgCl2 56三三. . 多级压缩制冷和复迭式制冷多级压缩制冷和复迭式制冷 n在氨制冷剂中，一般蒸发温度低于在氨制冷剂中，一般蒸发温度低于-30-30时，时，采用两级压缩采用两级压缩n低于低于-45-45时，采用三级压缩时，采用三级压缩1.1.两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环 (1) (1) 工作原理及工作原理及T-ST-S图图 57低压蒸发器低压蒸发器高压蒸发器高压蒸发器冷凝器冷凝器低压汽缸低压汽缸高压汽缸高压汽缸中间冷却器中间冷却器节流阀节流阀I节流阀节流阀II汽液分离器汽液分离器1223456785812345

25、678STPm 耗功小，节能耗功小，节能 制冷率大制冷率大 可同时得到不同可同时得到不同温度的低温温度的低温 (2) (2)两级压缩两级蒸发的好处两级压缩两级蒸发的好处思考一下三级压缩三级思考一下三级压缩三级蒸发的原理图蒸发的原理图 ? ?59四四. .吸收式制冷吸收式制冷 n1.1.吸收式制冷的工作原理吸收式制冷的工作原理 泵泵吸吸收收器器换热器换热器解解吸吸器器蒸发器蒸发器节流阀节流阀QL载冷体载冷体水水低品低品位蒸位蒸汽汽TRQR冷凝器冷凝器QH水水60将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相比较，其比较，其不同点不同点仅在于：仅在于：蒸汽压缩制冷循环：蒸

26、汽压缩制冷循环：压缩机（消耗机械功）压缩机（消耗机械功）吸收式制冷循环：吸收式制冷循环：吸收塔，解吸器，换热器，泵（消耗低品吸收塔，解吸器，换热器，泵（消耗低品位热量位热量） 612.2.评价吸收式制冷循环的经济指标评价吸收式制冷循环的经济指标 最大热力系数：最大热力系数： 低品位蒸汽供热量制冷量0QQQRLRHRLHLRLTTTTTTQQ用于评价吸收式制冷循环的经济指标是热力系数（能量用于评价吸收式制冷循环的经济指标是热力系数（能量利用系数）利用系数）62高温高温环境环境低温低温环境环境热泵制热效率QH/WN636.4 6.4 深冷循环（气体液化循环）深冷循环（气体液化循环） n深度冷冻循环

27、的目的就是获得低温度液体。深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体。n当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力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。因此，气体的临界温度越低，所都不能使其液化。因此，气体的临界温度越低，所需要的液化温度越低。需要的液化温度越低。n如：氮气如：氮气 Tc=126.2K(-146.95)Tc=126.2K(-146.95)n 氢气氢气 Tc=33.2K(-249.95)Tc=33.2K(-249.95)n利用一次节流膨胀液化气体是最简单的气体液化循利用一次节流膨胀液化气体是最简单的气体液化循环。环。64 一一. Linde Cycle (. L

28、inde Cycle (林德循环林德循环) ) n18951895年德国工程师年德国工程师LindeLinde（林德）首先应用此法液化（林德）首先应用此法液化空气，故称简单的林德循环。空气，故称简单的林德循环。 1.1.工作原理及工作原理及T TS S图图 此系统由此系统由压缩机压缩机冷却器冷却器换热器换热器节流阀节流阀气液分离器气液分离器组成组成65121(1-x)kg1kg 气体天然水3450换热器节流阀气液分离器Xkg产品66这是操作稳定时所表示的这是操作稳定时所表示的T-ST-S图。从这一图示来看，图。从这一图示来看，深冷深冷与普通冷冻循环主要区别与普通冷冻循环主要区别表表现在：现在：

29、普冷普冷：两个封闭式循环两个封闭式循环。制制冷循环与被冷物系是两种物冷循环与被冷物系是两种物质，彼此独立封闭循环。质，彼此独立封闭循环。深冷深冷：制冷循环与分离或液制冷循环与分离或液化物质是同一种物质，且是化物质是同一种物质，且是不封闭循环。不封闭循环。ST123450T4672.2. 热力学计算热力学计算n以处理以处理1kg1kg气体为基准气体为基准n（1 1） 气体液化量（液化率）气体液化量（液化率）x xn所谓液化率：所谓液化率：1kg1kg被处理的气体所能产生的液体被处理的气体所能产生的液体kgkg数。数。n取换热器、节流阀、气液分离器为研究体系取换热器、节流阀、气液分离器为研究体系

30、sWQH0sW0Q0H出入HH102Hx-1xHH）（由热力学第一定律：由热力学第一定律：因体系与环境无轴功交换，若无冷损失，因体系与环境无轴功交换，若无冷损失，由体系的能量平衡，则有由体系的能量平衡，则有680121H-HH-Hx （6-266-26）理论液化量理论液化量(6-29) (6-29) 实际液化量实际液化量013221H-Hq-q-H-Hx 冷量损失。这是由于气体液化装置绝热不完全，环冷量损失。这是由于气体液化装置绝热不完全，环境介质热量传给低温设备而引起的冷量损失。境介质热量传给低温设备而引起的冷量损失。TCx)1 (qp2pCT3q（换热器不完全交换换热器不完全交换）低压气体

31、平均热容低压气体平均热容换热器热端温差换热器热端温差6921o1oH-H)H-x(Hq322132o1oq-q-H-Hq-q-)H-x(Hq (2) (2) 制冷量制冷量q qo o在稳定操作下，液化在稳定操作下，液化xkgxkg气体所取走的热量。气体所取走的热量。理论制冷量：理论制冷量： 实际制冷量：实际制冷量： P P1 1、T T1 1被液化气体初态的压力、温度被液化气体初态的压力、温度 P P2 2被液化气体压缩后的压力被液化气体压缩后的压力121pplnRTWs T12T1pplnRTWs（3 3） 功耗功耗WsWs按理想气体的可逆等温压缩按理想气体的可逆等温压缩（6-286-28）理想理想实际耗功实际耗功 式中：式中：RR气体常数，单位取气体常数，单位取kJ/kgkJ/kgK K压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.590.597012T1xpplnxRTxWsWxo1so1s21soWH-HW)H-x(HWH-HWq (4) (4) 比功比功WxWx每液化每液化1kg1kg气体所消耗的功称为比功。气体所消耗的功称为比功。（5 5） 制冷系数制冷系数问题问题: :一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目前只有小型气一次节流液化循环比较简