第七章_压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环

k 1 k p2 k Ws ( r ) Z m RT1 1 (7 3b) p1 k 1
n 1 n p2 n Ws ( r ) Zm RT1 1 (7 4b) p1 n 1
2 、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 温度的变化称为节流效应。 节流时微小压力的变化所引起的温度变化， 称为微分节流效应系数。 数学式为
T J＝ P H
P
V T V T T ＝ ＝ C P
气体压缩过程的变化规律以及理论功耗的计算 （1）等温压缩 对理想气体，pV=RT，等温过程的焓变为0，所以
Ws ( r ) p2 Q Vdp RT1 ln p1 p1
p2
(7 2a)
（2）绝热压缩—Q=0
Ws ( r ) H Vdp
p1 p2
对理想气体，pVk=常数， 代入上式得：
不可逆对外作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。
节流膨胀与等熵膨胀的比较
节流膨胀与等熵膨胀均是获取低温即制冷的方法
节流膨胀 △H=0 △TH较小，冷冻量小 等熵膨胀 △S=0 △TS较大，冷冻量大
少数气体要预冷，才能使T↓
不作功
任何气体均是T↓
作功
节流阀，设备简单，操作方便 汽液两相区、液相区均可用 用得最多，普冷，小型深冷
J H P
7 6
3.节流膨胀制冷的可能性分析
⑴对理想气体
PV RT
V T V T P J＝ CP
RT V P
R V T P P
R RT T J＝ P P 0 CP
说明理想气体在节流过程中温度不发生变化。
k 1 k p2 k- 绝热指数，与气 k Ws ( r ) RT1 1 (7 3a) 体性质有关。 k 1 p1
（3）多变压缩 pVn=常数, n-多变指数 1 <n<k
Ws ( r )
n 1 n p2 n RT1 1 p1 n 1
7.2 气体的膨胀
工业上通常利用高压气体的节流膨胀和绝热膨胀来 获得低温和冷量，这两种获得低温的方法虽然都是利用 气体膨胀降温的原理，但它们的热力学特征是不同的。
7.2.1 节流膨胀（throttling process） 流体在管道流动时，常流经阀门、孔板等管件，由
于局部阻力，使流体压力显著降低，这种现象—节流。
V T p2 p2 T p Ts s dp dp Cp p1 p
1
②
理想气体的积分等熵温度效应ΔTS 绝热可逆过程
k 1 k k 1 k
对于理想气体
p2 T2 T1 p 1 k 1 k 1 k k p2 p2 Ts T2 T1 T1 T T 1 1 1 p p 1 1
⑵对真实气体
J-T 是体系的强度性质。因为节流过程的 dp 0 ,
所以当：
①µ J＞0，表示节流后，随着压力的减小， 温度是降低的。制冷 ②µ J=0 ，表示节流过程温度不变。
③µ J<0 ，表示节流后，随着压力降低，温度 升高。制热
节流膨胀小结： 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。
2015/8/31
前言
蒸汽动力循环的作用： 400C， 300 atm 合成氨 N2 3H2 3NH3
•如何将1atm 300atm? •需要压缩机，消耗动力。 电 •中国60年代，1500~1800度电/吨NH3。 •中国70年代，仅10~30度电/吨NH3。 •这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。 •高温热源 压缩机
1、可逆绝热膨胀
(1) 微分等熵温度效应
T S＝ P S
T p S S p T S T p
对于等熵过程
S S dS dT dP 0 T p p T
P 1
P2
P2
P 1
V dP CP

P2
P 1
1 VdP ＝TH WSR CP
若Q＝0，WS＝H
H TS TH CP
2、不可逆对外做功绝热膨胀
W H H W H H
S 1
S
2
2″
SR
1
2
表示膨胀机的不可逆程度。 对活塞式膨胀机，等熵效率近似等于0.65和 0.75之间； 对透平机等熵效率在0.8和0.85之间。
等温、绝热、多变三种过程。
在正常工况下都可视为稳流过程。因此压缩过程的
理论轴功可用稳流体系的热力学第一定律来描述（一般
忽略动能和势能）：
Ws (r ) H Q (6 3)
适用于任何介质的可逆或不可逆过程。 对可逆过程的轴功，还可按下式计算：
Ws ( r ) Vdp
p1
p2
(7 1)
T2 p2 T1 p1
③ T-S图法 等焓线
△TH P1 P2
T1 T2 T2’
△TS
1
S
H
2’
2
TS TH
T S
④用过程焓变及等焓节流效应计算
V S J CP
CP const
1 TS TH CP
TS J dP
流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪
蒸过程。
1、特点：
（1）节流过程进行得很快，可以认为过程为绝热。
（2）节流过程不对外作功。
（ 3）节流过程是典型的不可逆过程，节流后流体 的熵必定增加 S2>S1 。 （4）节流过程是等焓过程。 （5）利用节流过程，获得低温和冷量。 （6）理想气体节流后温度不变。
4
过 热 器 锅炉 冷 凝 器 透 平 机
蒸汽动力循环主要由水泵、锅 炉、透平机和冷凝器组成。
6 1水在水泵中被压缩升压。
5 1
水泵
12、3、 4 进入锅炉被加热 汽化过 热，直至成为过热蒸 汽。 4 5 进入透平机膨胀作功。
5 6 作功后的低压湿蒸汽进 入冷凝器被冷凝成水，再回到 水泵中，完成一个循环。
T 0
Cp 0
∴μS恒大于0
说明了任何气体在任何状态下经绝热膨胀，都可 致冷。这与节流膨胀不同。
比较两式
＝
J
T P
H
V T V T ＝ C
P P
V S J Cp
∵ 任何气体均有V>0 ∴
V T T T C p
J
转化曲线（inversion curve)
显然，工作物质（即筒内
的气体）不同，转化曲线的T,p
区间也不同。
例如， N 2 的转化曲线温 度高，能液化的范围大； 而H 2 和 He 则很难液化。 结论：不是所有气体在所有 T ， p 下的节流膨胀均能使 T 降低。
4.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 。 P2 P2 1 V TH T2 T1 J dP T ( ) P V dP P P 1 1 C T P
1
(3)T-S图法 工程上，积分节流效应Δ TH 可直接利用热
力学图求得，极Baidu Nhomakorabea简便，见图7-9。
图7-9 积分节流效应
§7.2.2对外作功的绝热膨胀
对外作功的绝热膨胀：若过程为可逆，则为等S膨胀。 等S膨胀与节流膨胀有异同点。 异：等S膨胀通过膨胀机对外作功，而节流膨胀不作功 同：均为绝热膨胀。
1 锅炉加热 4 泵 透 平 机 5 汽 +液 缺点之二: 对于泵易 产生气缚 2015/8/31 现象 缺点之一: 透平机要求干度 X>0. 9 但2点的X<0.88 易损坏叶片 透平机后的乏气, 汽 +液
结论:卡诺循环不 太适合变热为功!
T
冷凝器 6
S
朗肯 Rankine 循环
(7 4a)
T
V
S
从上述图中可看出： WS (r ),绝热 WS (r ),多变 WS (r ),等温 在出口压力相同条件下： T2,绝热 T2,多变 T2,等温
对非理想气体：（均假设可逆过程） 等温压缩
Ws ( r ) p2 Z m RT1 ln p1 (7 2b)
绝热压缩 多变压缩
2015/8/31
废热锅炉，产生高压蒸汽
透平机
蒸汽动力循环原理 稳定流动体系的热力学第一定理：
H g Z u
2
2
Q Ws
流体通过压缩机、膨胀机
∵ u2≈0，g Z≈0，若绝热过程Q=0 Ws= H= H2-H1
高压高温蒸汽带动透平产生轴功。
2015/8/31
蒸汽动力循环设备与流程
S V p T p T
（Maxwell第一关系式）
Cp S T T p
T S p S
V T T Cp
（7-8）
V 0 T p
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6
§7.3 .1 Rankine 循环及其热效率
理想朗肯循环
图7-7 朗肯循环及其T-S图
4
水 加 热 至 过 锅炉 热 蒸 汽
透 平 机
蒸 汽 作 功
4
T
等 S1 压 缩 可逆吸热 等 S 膨 胀
5
水压缩
冷 凝 器
12015/8/31 水泵
6
蒸 汽 冷 凝 成 水
6
相变
5
S
卡诺循环的缺点
第七章
压缩、膨胀、蒸汽动力 循环与制冷循环
前言
热能和功之间如何实现互相转化？——通过工质 在循环过程中的状态变化而实现的。 循环的种类： 1.动力循环（正向循环）—将热能转化为机械能 的循环。这种循环是产功的过程，其主要设备是 各种热机。 2..制冷循环（逆向循环）—将热能从低温热源转 给高温热源的循环。制冷循环是耗功的过程，其 主要设备是各种制冷机。
T1，p1——节流膨胀前的温度、压力 T2，p2——节流膨胀后的温度、压力
(1) 若压力变化不大，节流效应系数为常数
T ( p p )
H J 2 1
H
273 ( 2)对于空气估算T 0.29P（ ） T
2
P TH ；T1 TH ， 需要预冷使T1
S S p
p
Cp>0

S
J
这就说明了在相同条件下等熵膨胀系数大于节流膨胀系 数,因此由等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的致冷效果.
(2) 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
Ts T2 T1
p2
p1
dp
s
计算积分等熵温度效应的方法有4种：
① 利用微分等熵温度效应

7.1 气体的压缩
功与变化的途径有关。 虽然始终态相同，但途径不同，所作的功也大不相同。 显然，可逆膨胀，体系对环境作最大功； 可逆压缩，环境对体系作最小功。
化工生产中常用的压气机：
压缩机，鼓风机等。
虽然机构和工作原理不尽相同，但从热力学观点来看， 气体状态变化过程并无本质区别，都是消耗电能或机械能使 气体压缩升压的过程。 从热力学的角度又可分为:
膨胀机，设备复杂 使用时不能有液滴 大、中型气体液化
§ 7.3 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环：
是以蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程，
其主要设备是各种热机。 产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂 常用的工质是水蒸气
冷冻循环：
是将热连续地由低温处输送到高温处的过程，
其主要设备是热泵。 耗功的过程。 -100 ℃以上为普冷， -100 ℃以下为深冷。