化工热力学压缩膨胀

化工热力学压缩膨胀1第一页，共四十五页，2022年，8月28日6蒸汽动力循环与制冷循环

6.1蒸汽动力循环

6.2气体的压缩

6.3膨胀过程6.4制冷循环

6.5深度冷冻循环第二页，共四十五页，2022年，8月28日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。在各类压气机（如压缩机、鼓风机、通风机等）,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缩来实现的6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩气体压缩按操作方式分类:等温压缩绝热压缩多变压缩第三页，共四十五页，2022年，8月28日1)等温压缩过程可逆轴功与传递热量计算

对理想气体：（压缩过程保持恒温下进行）以１kmol气体为计算基准：

PV=RTV=RT/P

WsR=RTln(P2/P1)

上式的P2/P1是压缩后的气体压力与压缩前的气体压力之比，称为压缩比6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩第四页，共四十五页，2022年，8月28日等温过程有ΔH=0（理想气体等温压缩是等焓过程），根据热力学第一定律ΔH=Q+WsQ=-Ws

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。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6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩第五页，共四十五页，2022年，8月28日

对非理想气体

①用真实气体的P-V-T关系

a)状态方程

b)P-V-T实验数据图解积分

c)普压法

d)普维法6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩第六页，共四十五页，2022年，8月28日②根据热力学基本定律求得根据热力学第一定律：Ws=ΔH-Q对于可逆过程：QR=TΔS对等温可逆过程：WsR=ΔH-TΔS即：WsR与气体的ΔS、ΔH相联系。计算ΔS、ΔH的方法有a).查热力学图表b).利用剩余性质设计过程计算ΔS、ΔH6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩第七页，共四十五页，2022年，8月28日

2）绝热压缩过程可逆轴功与传递热量计算：

（等熵过程）体系与环境之间无热量交换：Q=0

对理想气体:

理想气体绝热过程的P-V-T关系,在“物化”中学过，为：PVk=常数或T2/T1=(P2/P1)(k-1)/k

T2/T1=(V2/V1)1-k

式中：k=Cp/Cv----绝热指数

P1V1k=PVk

6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩第八页，共四十五页，2022年，8月28日

绝热指数k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k值可取

单原子气体：k=1.667

双原子气体：k=1.40

三原子气体：k=1.3336蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩第九页，共四十五页，2022年，8月28日某些气体的绝热指数k值为：

3H2+N21.406CO21.28H21.406NH31.29O21.40Air1.40N21.413CH41.34CO1.417乙烷1.23丙烷1.133饱和烷1.136过热蒸汽1.30Ar1.676蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩第十页，共四十五页，2022年，8月28日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6.2气体的压缩第十一页，共四十五页，2022年，8月28日

对真实气体：也是两类方法：

①根据热力学基本定律求得：（很方便）(利用热力学图表)

根据热力学第一定律Q=0ΔH=Q+Ws

Ws=ΔH

（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有限制。

②普遍化方法：

PV=ZRT6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩第十二页，共四十五页，2022年，8月28日

3）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，压缩过程中气体温升小于绝热过程，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PVm=常数方程中m----多变指数1<m<k

相应的：T2/T1=(P2/P1)(m-1)/m

T2/T1=(V2/V1)1-m

多变指数m可由实验测得：如：P1/P2=(V2/V1)m

m=ln(p1/p2)/ln(V2/V1)6蒸汽动力循环与制冷循6.2气体的压缩第十三页，共四十五页，2022年，8月28日多变过程交换的热量由热力学第一定律求得：ΔH=Q+WsR

Q=ΔH-WsR所消耗的功6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩若为绝热过程，上式中的m用k代替即可。第十四页，共四十五页，2022年，8月28日4）气体的等温、绝热、多变压缩的比较

条件：把一定量的气体，从相同的初态压缩到相同的终态压力6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩压缩气体的终温：T2（等温）<T2’(多变)<T2’’(绝热)T2’0SP2P11()S()m()TT2’’T22’’2’2第十五页，共四十五页，2022年，8月28日所消耗的轴功：Ws（等温）<Ws（多变）<Ws(绝热)6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩P20V122’2’’()T()S()mP1第十六页，共四十五页，2022年，8月28日6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩

优点：满足工艺要求、减少压缩功、提高生产的安全性、保护压缩机。5)多级多变压缩功耗第十七页，共四十五页，2022年，8月28日6蒸汽动力循环与制冷循环6.2气体的压缩

上式的使用条件：

各级的压缩比均相等(最佳压缩比)；各级的进口温度、压缩的气量、多变指数均相等。()m()TP0V第十八页，共四十五页，2022年，8月28日6蒸汽动力循环与制冷循环

6.1蒸汽动力循环6.2气体的压缩

6.3膨胀过程6.4制冷循环

6.5深度冷冻循环第十九页，共四十五页，2022年，8月28日膨胀过程在实际生产、生活中，经常遇到，如：高压流体流经喷嘴、汽轮机、膨胀器及节流阀等设备或装置所经历的过程，都是膨胀过程。下面讨论膨胀过程的热力学现象。着重讨论工业上经常遇到的节流膨胀和绝热膨胀过程及其所产生的温度效应6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十页，共四十五页，2022年，8月28日

1）节流膨胀过程

将高压流体经一节流阀迅速膨胀到低压的过程称为节流膨胀。

①特点：等焓过程

由热力学第一定律6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日

②微分节流效应(焦汤效应-Joule-Thomson)

定义：流体节流时，由于压力的变化而引起温度变化称为节流效应。节流时微小压力的变化所引起的温度变化，称为微分节流效应。其比值称为微分节流效应系数。数学式为6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日节流过程实际上是由于压力变化而引起温度变化的过程，是一个等焓过程6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日③节流膨胀制冷的可能性

a）对理想气体说明理想气体在节流过程中温度不发生变化6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

b）对真实气体有三种可能的情况由定义式表示节流后压力减小，温度降低制冷

第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日

表示节流过程温度不变

表示节流后压力降低，温度升高,制热

6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日小结⑴节流过程的主要特征是等焓；⑵理想气体节流时温度不变，不能用于制冷或制热；⑶真实气体节流效应取决于气体的状态，在不同的状态下节流，具有不同的微分节流效应值。6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日

④转化点，转化曲线

由于真实气体的节流效应值随着状态的不同而发生变化，所以在实际当中，要产生制冷效应，必须选择适当的节流前状态，使其节流效应系数大于0。欲达到这一目的，首先要找到转化点。

所谓转化点:就是节流效应系数为μJ=0时的温度、压力所对应的点.6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日

转化曲线：将图上各转化点连接起来所组成的曲线就叫转化曲线。

转化曲线左侧：等焓线上，压力减小，温度降低，为制冷区；

转化曲线右侧：等焓线上，压力减小，温度升高，为制热区；

转化曲线上：节流效应系数为零。T0Pi6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

上、下转化温度，最大转化压力。T上T下PHHH第三十页，共四十五页，2022年，8月28日

⑤积分节流效应

实际节流时，压力变化为一有限值，由此所引起的温度变化称为积分节流效应6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日

积分节流效应的求法

（1）公式法若压力变化不大，节流效应系数为常数6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

（2）经验公式估算对于空气，当压力变化不大时，不考虑温度的影响，可按下式进行估算第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日

(3)T-S图法有了T-S图，积分节流效应就不必用公式计算，可直接算出来，这是最方便最可行的方法。6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日2）对外作功的绝热膨胀

工程上，除了节流膨胀外，还有另外一种膨胀作功过程——绝热膨胀

,对外作功的绝热膨胀，如果可逆进行，则为等熵过程，因而又称为等熵膨胀

①可逆绝热膨胀

特点：等熵过程，要注意绝热过程是可逆的才能称为等熵过程，微分等熵膨胀效应系数：定义式：6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日

②等熵膨胀制冷的可能性6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

③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，称为积分等熵温度效应⑴利用微分等熵效应系数计算(公式法)第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日⑵理想气体6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日

⑶T-S图法

在有T-S图时，最方便的方法是从图上读出6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第三十八页，共四十五页，2022年，8月28日

⑷用等熵、等焓节流效应计算

若Cp=const.，Q=0时，ΔH=

WSR=VdP6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第三十九页，共四十五页，2022年，8月28日

④不可逆对外作功的绝热膨胀

实际上对外作轴功的膨胀过程并不是可逆的，因此不是等熵过程，而是向熵增大的方向进行，其终态位置可由等熵效率计算确定。对活塞式膨胀机，温度小于等于30℃时，等熵效率近似等于0.65，温度高于30℃时，等熵效率近似等于0.7和0.75之间；对透平机，等熵效率在0.8和0.85之间6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第四十页，共四十五页，2022年，8月28日

3)等熵膨胀与节流膨胀的比较

①等熵膨胀与气体属性及状态无关，μS>0对任何气体任何状态都产生制冷效应。节流膨胀(μJ<0、=0、>0)对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6蒸汽动力循环与制冷循环6.3膨胀过程

第四十一页，共四十五页，2022年，8月28日

②设备与操作

节流膨胀简单