1、第第4章章 热力学基本定律及其应用热力学基本定律及其应用4.1 热力学第一定律热力学第一定律主要内容主要内容 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。2.体系分类：体系分类：根据体系与环境的关系，将体系分
2、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体系与环境既有物质交换，又有能量交换换，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体系与环境没有物质交换，有能量交换换，有能量交换基本概念基本概念（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。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。又被称为隔离体系。有时又把封闭体系和环境一起作为孤立体系有时又把封闭体系和环境一起作为孤立体系研究研究基本概念基本概念3.状态和状态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
3、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热和功不是状态函数，它们与经历的途径有关；关；（2）它们只是能量的传递形式，
4、而不是储存形式。）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，增加的是物当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是物质的能量。质的能量。（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。递。 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），分子尺度层面上的物质内部部 的能量的能量 动能
5、：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，中的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式转变为另一种形式，在转变定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转变过程中总能量是守恒的。过程中总能量是守恒的。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,H1p
6、2,T2,V2,U2,u2,H2Z2m1m2dE/dt, dm/dt,12ddddmmmttt 12ddddddE mE mmEQWttttt 12SWWpV mpV mWs, QSfWWW pVAVpAlFWf 1212ddddddddsE mE mpV mpV mmEWQttttttt 热力学第一定律数学表达热力学第一定律数学表达212KpEUEEUugZ 1212ddddddddsE mE mpV mpV mmEWQttttttt 2212121122ddddddsmEWmmQHugZHugZttttt 单位质量的总能量表达：单位质量的总能量表达：HUpV 221122ddddddjis
7、ijmmEmWQHugZHugZttttt 封闭系统热力学第一定律封闭系统热力学第一定律 12ddddddE mE mmEQWttttt120mm ddddmEQWttt封闭系统封闭系统 ddmEm U dm UQWUQW单位质量，积分单位质量，积分（4-12）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。 120d,mEmmm 2212121122dddd
8、ddsmEWmmQHugZHugZttttt 221211022ddsWQHugZmHugZmtt p1,T1,V1,U1，H1p2,T2,V2,U2，H2QWSZ1Z2u2u1221211022ddsWQHugZmHugZmtt 214 132sHug ZQW单位：单位：J/kg化工中常见的稳流装置化工中常见的稳流装置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sWQZguH 221sWQH （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：12HHWHs H1H2高温高压
9、蒸汽带动透平做功高温高压蒸汽带动透平做功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sWQZguH 221（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QH 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、换热当通过反应器、换热器时，体系发生反应、器时，体系发生反应、相变化、温度变化相变化、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（3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀过程或绝热闪蒸过程过程或绝热闪蒸过程sWQZguH 221稳流系统热
10、力学第一定律的应用稳流系统热力学第一定律的应用0 H如：冷冻过程通过节流阀，如：冷冻过程通过节流阀，焓未变，通过等焓线，但温焓未变，通过等焓线，但温度降低。度降低。5413等等焓焓线线2TSTHTL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sWQZguH 221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 21222122121uuHHHu 212122HHuuu 若若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）伯努利（）伯努利（Bernoul
11、li）方程）方程sWQZguH 221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STQpVSTHdddd SWZguupV ddd V是单位质量的体积是单位质量的体积1 V 微分微分022 Zgup 无轴功，积分无轴功，积分 4 14dddsHu ug ZQW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，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为度为3m，空气的恒压平均热容为，空气的恒
12、压平均热容为 试求试求50kg空气从换热器吸收的热量。空气从换热器吸收的热量。 Kkg/kJ005. 1 PCsWQZguH 221TCHP 3 ZconstRTpV 222111RTVpRTVp 1212VVuu 12TT 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？4.2 热力学第二定律热力
13、学第二定律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热力学第二定律说明自发过程具有一定的自发过程具有一定的方向性，而不是按照方向性，而不是按照任意方向进行任意方向进行 第一定律告诉我们能量必须守衡，但没有第一定律告诉我们能量必须守衡，但没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。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克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体温物体l开尔文
14、说法：不可能从单一热源吸热使之完全变开尔文说法：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为有用的功而不引起其他变化 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 T21211QQWQQ卡诺热机的效率卡诺热机的效率1212121111QQTTQQWQQTQ 11WQ 热与功不等价热与功不等价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：12120QQTT 0TQrevdrevQST 12120QQTT 121211TTQQTQ 任意的可逆循环任意的可
15、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孤立体系孤立体系drQST 0Q 0d孤立S熵增原理熵增原理1221111QQQWQQQ 122max111TTTTT irQT 2211QTQT 12120QQTTir0QT 或：或：S系统系统 S环境环境 00S 孤孤立立= 0，可逆，可逆 0，不可逆，不可逆熵增原理熵增原理 熵是表征系统混乱程度的量度；自然界的自发过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程都是从有序到无序；即自然界中的自发过程向熵值增大的方向进行；熵值增大的方向进行； 热力学第一定律阐述了能量的数量恒定，但能量热力学第一
16、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；熵值的增加是能量品位降低的结果；降低；熵值的增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。的过程是不可逆的，是熵增大的过程。熵与熵增原理熵与熵增原理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。rirdQQSTTirgQSST 熵产生熵产生irddgQSST 熵产生熵产生irrdgT SWW封闭系统封闭系统熵产生减少了系统对外做功
17、的能力。熵产生越大，熵产生减少了系统对外做功的能力。熵产生越大，造成造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iniim S iniim S outiim S QT 熵平衡熵平衡QWgSoutiim S AS 熵的积累熵的积累（过程熵变）（过程熵变）稳流系统稳流系统0ASiniim S QT gS outiim S =0封闭系统封闭系统in0iim S out0iim S gAQSST 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；熵平衡方程如同质量能
18、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；转化为热，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，将能量分为将功作为度量能量质量高低的量度，将能量分为三类：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：不能全部转化为功的能量僵态能量：完全不能转化为功的能量
19、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低，即意味着能量做功能力的损耗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时，理论上可能产生的（或消耗的）过程时，理论上可能产生的（或消耗的）有用功有用功。数值上讲，指可能产生的最大功或消耗的最小功；数值上讲，指可能产生的最大功或消耗的最小功； 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
20、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； （1）封闭体系封闭体系 （2）稳流系统稳流系统STVpUWid00STHWid0体积功体积功2012idWHug ZTS 动能和势能忽略动能和势能忽略 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
21、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 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：QSTWL系统0idacLWWWQHWsSTHWid0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：0TQS环境孤立环境系统STSSTWL00 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： idactWWacidtWW热力学效率热力学效率 4.5 有效能和无效能有效能和无效能
22、有效能有效能 体系在一定的状态下的有效能，就是系统从该状体系在一定的状态下的有效能，就是系统从该状态变化到态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表表示示。Available Energy（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；系统温度和压力系统温度和压力不同于基态不同于基态XidEW物质组成不同于基态物质组成不同于基态而发生物质交换或化而发生物质交换或化学反应学反应有
23、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有效能效率指输出的有效能与输入的有效能之比能之比。 out1inin1XXEXXEEEE 有效能损失有效能损失 1inoutXXLEEEW 例例:设有压力为设有压力为1.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的饱和蒸汽以及的饱和蒸汽以及1.013MPa，573K的过热蒸汽的过热蒸汽,若这四种蒸汽都经过若这四种蒸汽都经过充分利用，最后排出充分利用，最后排出0.1013MPa,298K的冷凝水。试比较每蒸汽的有效能和的冷凝水。试比较每蒸汽的有效能和所能放出的热，并就计算结果对蒸汽所能放出的热，并就计算结果对蒸汽的合理利用加以讨论。的
24、合理利用加以讨论。压力压力p/MPa温度温度T/K焓焓H-H0/(kJ/kg)Ex/(kJ/kg)饱和蒸汽饱和蒸汽 1.013453267181430.66过热蒸汽过热蒸汽 1.013573294893431.68饱和蒸汽饱和蒸汽 6.868557.52670104339.06饱和蒸汽饱和蒸汽 8.6115732678109240.78%/1000 HHEx 例例:设有一逆流换热器，利用废热加热空气。设有一逆流换热器，利用废热加热空气。105Pa的空气的空气由由20 被加热到被加热到125 ，空气的流量为，空气的流量为1.5kg/s，而，而1.3105Pa的废气从的废气从250 冷却到冷却到9
25、5 。空气的等压热容。空气的等压热容为为1.04kJ/(kgK)，废气的等压热容为，废气的等压热容为0.84kJ /(kgK) ，假，假定空气与废气通过换热器的压力与动能变化可忽略不计，定空气与废气通过换热器的压力与动能变化可忽略不计，而且换热器与环境无热量交换，环境状态为而且换热器与环境无热量交换，环境状态为105Pa和和20 。 试求（试求（1）换热器中不可逆传热的有效能损失；）换热器中不可逆传热的有效能损失； （2）换热器的有效能效率。）换热器的有效能效率。4.6 化工过程热力学分析的三种方化工过程热力学分析的三种方法及其比较法及其比较2003年，中国消耗了全球年，中国消耗了全球30的主
26、要能源和原的主要能源和原材料，但是创造的材料，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，化工节能有特殊重要的意，因此，化工节能有特殊重要的意义。义。化工过程的能量分析化工过程的能量分析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
27、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。 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
28、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设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，如图所设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，如图所示。转化气进入废热锅炉的温度为示。转化气进入废热锅炉的温度为1273K，离开时为，离开时为653K，其流量为其流量为5160Nm3/tNH3. 降温过程压力变化可以忽略。废热锅降温过程压力变化可以忽略。废热锅炉产生炉产生4MPa、703K的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽压力透平乏汽压力p3为为0.01235MPa,其焓为其焓为2557.0kJ/kg。在有关。在有关温度范围内，转化气的平均等
29、压热容为温度范围内，转化气的平均等压热容为36kJ/(kmol K）。乏）。乏汽进入冷凝器用汽进入冷凝器用303K的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅炉。进入锅炉的水温为炉。进入锅炉的水温为323K。试分别用能量衡算法和有效。试分别用能量衡算法和有效能分析法评价其能量利用情况。能分析法评价其能量利用情况。输入输入/(kJ/tNH3)%输出输出/(kJ/tNH3)%高温气余热高温气余热5.1416106100透平做功透平做功Ws1.215210623.63冷却水带走热冷却水带走热3.926310676.37合计合计5.14161061005.1416106100项目项
30、目输入输入%输出输出%有效能有效能/(kJ/tNH3)有效能有效能/(kJ/tNH3)高温气余热高温气余热4.438106100透平做功透平做功Ws1.215210627.38冷却水带走热冷却水带走热0.973110621.93有效有效能损能损失失废热锅炉废热锅炉1.44710632.61透平透平0.557010612.55冷凝器冷凝器2.2491065.53小计小计50.69合计合计4.4381061004.437106100某 工 厂 高 压 蒸 汽 系 统 副 产 中 压 冷 凝 水 ， 产 量 为某 工 厂 高 压 蒸 汽 系 统 副 产 中 压 冷 凝 水 ， 产 量 为3500kg
31、h-1.这些中压冷凝水一般要经过闪蒸，以产生这些中压冷凝水一般要经过闪蒸，以产生低压蒸汽，回收利用，闪蒸器与外界环境（低压蒸汽，回收利用，闪蒸器与外界环境（298.15K）没有热交换。共有三种方案，已知的参数见图。试用没有热交换。共有三种方案，已知的参数见图。试用有效能法进行能量的热力学分析。有效能法进行能量的热力学分析。 有效能损失：有效能损失：E3E1E2（1）中间换热器的加入，可以提高中压蒸汽能量）中间换热器的加入，可以提高中压蒸汽能量的回收效果；方案二比方案一多用一个中间换热的回收效果；方案二比方案一多用一个中间换热器，降低了能量利用梯度，能量的利用率提高；器，降低了能量利用梯度，能量
32、的利用率提高；（2）即使采用中间换热器，受热流体的温度与施）即使采用中间换热器，受热流体的温度与施热流体之间的温差不能过大，即适当安排推动力热流体之间的温差不能过大，即适当安排推动力，避免高温能量直接降为低温，可以降低过程的，避免高温能量直接降为低温，可以降低过程的不可逆程度，减少有效能损失，充分利用能量。不可逆程度，减少有效能损失，充分利用能量。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
33、梯度）用的原则（组织能量利用梯度）4.8 气体的压缩气体的压缩为什么要对气体进行压缩为什么要对气体进行压缩？u对气液反应、气固反应为了增加反应速率，必须在较对气液反应、气固反应为了增加反应速率，必须在较高压下进行，而有些反应必须在高压才能进行。高压下进行，而有些反应必须在高压才能进行。u气体的输送，如天然气西气东输。气体的输送，如天然气西气东输。u气体的液化气体的液化u利用气体带着液体进行输送，流化床利用气体带着液体进行输送，流化床u自控仪表自控仪表u制冷循环过程制冷循环过程气体的压缩应用气体的压缩应用压缩机的分类压缩机的分类广义上讲，凡是能升高气体压力的设备均可称为压缩机广义上讲，凡是能升高
34、气体压力的设备均可称为压缩机（1）根据压缩比）根据压缩比r=p2/p1分为三类：分为三类： r1.01.1 通风机通风机 r1.14.0 鼓风机鼓风机 r4.0 压缩机（狭义）压缩机（狭义）（2）按体积的变化情况：容积式和速度型按体积的变化情况：容积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
35、压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的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，从而将速度能转为压力气体加速，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 和回转式和回转式活塞往复式压缩机活塞往复式压缩机罗茨鼓风机 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
36、程中的变化规律；（2）不同压缩过程中消耗的功怎样；）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 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 三种压缩过程的p-V图及T-S图 从图中得到等温多变绝热,SSSWWW等温多变绝热, 2, 2, 2TTT等温多变绝热, 2, 2, 2VVV有余隙的压缩过程有余隙的压缩过程p1p2VaVbVcVdABCDpV(a)(b)(c)(d)压缩功计算压缩功计算 可逆轴功可
37、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)多变压缩多变压缩：21dppSpVW1111211kkSppVpkkW1111211nnSppVpnnW21121lndppSppRTpVQWSWHQ 绝热指数绝热指数多变指数多变指数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 211lnSpWZRTp 121111kkSpkWZRTkp 121111nnSpnWZRTnp pVZRT多级压缩中间冷却111222333三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思考：思考
38、：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？4.9 气体的膨胀过程气体的膨胀过程4.9.1节流膨胀节流膨胀 H = 0 流体进行节流膨胀是，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JHTp 节流过程：节流过程：dddpTHHHTpTp0dHTHpHpTHpT H=f（T，p）ppHCTdddpPVHCTVTpTd0T pTHVVTpT1JpPVV TCT时，时，故故JHTppVRTp
39、0JpRRTTppC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这说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 JHTp0pVVTT0pVV TT0pVVTT 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 00，致冷区，致冷区在转化曲线右侧，等焓线上，在转化曲线右侧，等焓线上，随随p
40、，T ，J 0 C0 Cp00恒大于零恒大于零. . 利用积分等熵温度效应利用积分等熵温度效应dpTTTppss2112dpCTVTdpTppppppss2121 (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 S 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 SkkppTT11212kkppTT11212111
41、211112112kkkksppTTppTTTT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 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=const2.2.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
42、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绝热绝热 Q=0Q=0三三. .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=Ho-H2=(Ho-H1)+(H1-H2)=QOH+WRsHTT 1s2TTT 21- HTTT 制冷量：制冷量：QOSQOHQOH=Ho-H2= Ho-H12.2.3.3.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，针形阀等熵膨胀
43、：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。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擎：4.10 蒸汽动力循环蒸
44、汽动力循环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。应用实例应用实例322NH23HN 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。动压缩机的缘故。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 15
45、001800度电度电/吨吨NH3中国中国70年代年代1030度电度电/吨吨NH3Carnot 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理想理想Rankine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。 1SWQ 水泵的耗功常
46、可以忽略。水泵的耗功常可以忽略。1214HHHH 34251TS6WsWpQ1 1SPWWQ 工质吸收的热工质吸收的热循环过程中的净功循环过程中的净功 12HHWS 411HHQ 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的净功所消耗的蒸汽量。的净功所消耗的蒸汽量。用用SSC（Specific Steam Consumption)表示。表示。 hkW/kg3600 SWSSC过冷过冷水水过热过热水蒸水蒸气气气液气液两相两相共存共存区区饱和水饱和水蒸气蒸气气液两相共存区气液两相共存区的热力学性质采的热力学性质采用饱和水蒸
47、气表用饱和水蒸气表和干度进行计算和干度进行计算(1)lvMMxM x 使用饱和使用饱和水蒸气表水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过程分析过程分析 272321xSxSS 272321xHxHH 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S7x2 34ppVWP 水水H4=H3+WP实际的实际的Rankine循环循环34251TS62121HHHH 42 可逆可逆不可逆不可逆SSSWW S 等熵效率等熵效
48、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，进点的焓值，进一步计算一步计算2点的点的湿度。湿度。例题例题 某核动力循环如图所示，锅炉某核动力循环如图所示，锅炉从核反应堆吸收热量产生压力从核反应堆吸收热量产生压力为为6MPa、温度为、温度为350的过热的过热蒸汽（点蒸汽（点1），过热蒸汽经透），过热蒸汽经透平机膨胀做功后于平机膨胀做功后于0.008MPa压力下排出（点压力下排出（点2），乏气在），乏气在冷凝器中进行定压放热变为饱冷凝器中进行定压放热变为饱和水（点和水（点3），然后经泵返回），然后
49、经泵返回锅炉（点锅炉（点4）完成循环，已知）完成循环，已知透 平 机 的 额 定 功 率 为透 平 机 的 额 定 功 率 为15104kW，透平机等熵效率，透平机等熵效率为为0.75，水泵可以认为是绝热，水泵可以认为是绝热压缩过程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例题例题试求：试求：（1）此循环过程中蒸汽）此循环过程中蒸汽的质量流量；的质量流量；（2）透平机出口乏气的）透平机出口乏气的湿度；湿度；（3）循环的热效率；）循环的热效率；350，6MPa3421TS20.008MPa提高热效率的措施提高热效率的措施1. 过热蒸汽温度过热蒸汽温度T
50、升高，升高，Q增大，但相对来说增大，但相对来说净功的增加比例更大，净功的增加比例更大，即提高了整个循环的即提高了整个循环的热效率。热效率。2. T增大后，乏气的湿度增大后，乏气的湿度降低，有利于透平的降低，有利于透平的安全运行。安全运行。pHpL提高平均吸热温度。可以提提高平均吸热温度。可以提高循环的热效率高循环的热效率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
