化工热力学-第6章(自学考试参考)..
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
转化曲线 : 将各转化点 联结起来所组成的曲线. T μJ =0 T↘ μJ >0 致冷区 等 H线 T↗ μJ <0 制热区 P
图示：
在 转 化 曲 线 左 侧 ， 等
焓线上，随P↘，T↘， μJ >0，致冷区 在 转 化 曲 线 右 侧 ， 等 焓线上，随P↘，T↗， μJ <0，制热区 转化线上, μJ =0
T J P H
当μJ>0时，表示节流后压力下降，温度也下降
V V T 0 T P
致冷
当μJ=0时，表示节流后压力下降，温度不变化
V V T 0 T P
不产生温度效应
当μJ<0时，表示节流后压力下降，温度上升，
第六章
蒸汽动力循环与制冷循环
6.1
蒸汽动力循环
一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环 二. 蒸汽动力循环
1. 工作原理及T-S图 蒸汽动力循环的主要设备有： 透平机（汽轮机）
冷凝器
水泵 锅炉、过热器等组成 工作介质一般为水
1
气 轮 机
P1T1的高压高温蒸汽进入 气轮机等熵膨胀到状态2，
同时wk.baidu.com外做功，2点状态
T p S
S p T S T p
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。
S V p T p T
（Maxwell第一关系式）
为乏汽从汽轮机流出后进 入冷凝器，乏汽在冷凝器 中放出汽化潜热而变为该
2
锅炉 冷 凝 器
压力下的饱和水，放出的 热量由冷却水带走，达到 状态3，饱和水经水泵升
4
水泵
3
压到P1进入锅炉，在锅炉
吸收热量，使工质变化到 状态1，完成一个循环。
问题在于： （1）湿蒸汽对 汽轮机和水泵有浸蚀 作用，汽轮机带水量 不得超过 10% ，水泵 不能带入蒸汽进泵； （2）绝热可逆 过程实际上难以实现 。 第一个具有 实际意义的蒸汽动力 循环是郎肯循环。
T-S图
T
T吸 T放
4
3
QH
1
Ws 2
QL
S
2.
郎肯循环
卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在 （1）工质进汽轮机状态不同
郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同 （3）工质出冷凝器状态不同 （4）压缩过程不同 卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程 卡诺循环：气液共存 郎肯循环：饱和水 卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽 略掉工作介质水的摩擦与散热，可 简化为可逆过程。 卡诺循环：等温过程 郎肯循环：不可逆吸热过程， 沿着等压线变化
Cp S T T p
T S p S
V T T Cp
（6-16）
V 0 T p
T 0
Cp 0
∴μS衡大于0
将（6-16）式与（6-13）式比较，得
V S J Cp
③ 热电循环效率 =循环热效率+提供热用户的热量/输入的总 热量。
QL QH
（2） 抽气式汽轮机联合供电供热循环
特点： –① 工质部分供热，部分作功 –② 供热量与乏汽无关 –③ 热电循环效率
QRH QH
QH H 1 H 7
Q RH H 6 H 2 ws 热效率 QH
V V T 0 T P
致热
（ 3）
结论
节流膨胀过程的主要特征是等焓过程；
理想气体节流时温度不变，不能用于制
①
②
冷、制热；
③
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。
3 转化点，转化曲线
T 转化点： 当 J 0 时，T，P所对应的点。 P H
∵ 任何气体均有V>0 Cp>0
∴
S J
恒大于零.
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.
(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 利用积分等熵温度效应
ws QH QL (1 )(H 3 H 2 ) 1 QH QH H1 H 6
抽气量α取回热器作能量衡算
H 2 H 5 (1 )H 5 H 4
,
H5 H4 H 2, H 4
结论：
（1）减少了工作介质吸热过程的温差（不可逆），由TH-T4
但很麻烦，一般不用。
(2) T-S图法
T T1 T2
等H线
P1 P2
TH T2 T1
(3)
利用经验公式估算
S
对于空气，当压力变化不太大时，不考虑温度的 影响，可直接按下式近似估算： 2 273 TH 0.29( p 2 p1 ) T 1
式中：压力单位为大气压atm，温度单位为热力学温度开尔文。
减少到TH-T6 （2）热效率提高，但设备成本提高。
3. 热电循环
分为两种： （1）
特点： ① 冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质（不一定是冷 却水）冷凝温度由供热温度决定，QL得以利用；
背压式汽轮机联合供电供热循环
② 排气压力受供热温度影响，较郎肯循环排气压力高 , 大于 大气压力；
4.
应用举例
[P135-138 例6-1~6-2]自看
例6-2
插图
1
t=320 ℃ 核 反 应 堆
汽轮机
T P1=7MPa t1=360 ℃ 1
锅 炉 4
2
或 2’ 冷 凝 器
4 3 2 2’ P2=0.008MPa S
3
一. 提高郎肯循环热效率的措施
ws TL 1 对卡诺循环： c QH TH
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
对于理想气体
绝热可逆过程
k 1 k k 1 k
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
对郎肯循环：
要使η↑： (1) H2↓，降低压力P2（汽轮机出口蒸汽压力） (2) H1↑，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度 (3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率
ws H1 H 2 H1 H 2 QH H 1 H 4 H 1 H 3
1.再热循环(略)
T 1 8 7 6 2 P1
1
p
2.不可逆对外做功的绝热膨胀
T
对活塞式膨胀机
当t<30℃ 当t>30℃ ηs=0.65 ηs=0.7～0.47
1
2’ 2
（5）工作介质吸热过程不同
水
定压升温 沸点定温定压汽化 饱和蒸汽定压升温 过热蒸汽
1—2’ 机 1 2’—3 冷凝器进行 对应于汽轮
T
， 在 冷凝 器里 冷 却水 把 4 3 2 2’ 工 作 介质 的热 量 带走 使 其由气体转变为液体。
3 —4
S 4 —1
T2 p2 T1 p1
③ T-S图法
在 有 T-S 图 时 ，
最方便的方法是由TS图读取ΔTS
④
用等焓节流效应计算
V s J Cp
V Ts J dp dp Cp p1 p
1
p2
p2
若Cp=Const
1 2 Ts TH V dp Cp p
对于不同的流体，其表达式不同。
二.对外作功的绝热膨胀
1. 可逆绝热膨胀 特点：等熵过程 (1) 微分等熵温度效应 定义式：
T s p S
（6-15）
(2) 等熵膨胀致冷的可能性 对于定组成单相体系，自由度为2，S=f（T，P） 对于等熵过程：
S S dS dT dP 0 T p p T
(3) 汽轮机工作介质的单位产功量
ws H12' H 2' H1 ws H12 H 2 H1
∵
kJ/kg （理想）
WS H1 H 2' s WSR H1 H 2
∴
WS sWSR
(4) 耗功量
水泵中工作介质的单位 kJ/kg
wp H H 4 H 3
由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列 式近似计算
w p vdp vp v p 4 p3
(5) 热效率 定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量 数学式：
ws wp QH
H 2 H1 H 4 H 3 H1 H 4
wp ws ws QH
水泵中进行
锅炉进行，
水在锅炉中恒压加热。
3. 郎肯循环过程的热力学计算
(1) 工作介质在锅炉中吸热量
QH H 41 H1 H 4
(2) 工作介质在冷凝器中排放的热量
kJ/kg
QL H 2'3 H 3 H 2'
kJ/kg （理想）
QL H 23 H 3 H 2
H cp T P
V dH c p dT [V T ]dp T P
dT 0
时，
H V V T P T T P
（6-13）
故
1 V J [V T ] cP T P
4 积分节流效应
1 V TH V dp T Cp p1 T p
p2
（6-14）
积分节流效应的求法:三种 （1） 公式法
若p变化不太大，μJ为常数
TH J ( p2 p1 )
若p变化大，μJ不为常数，用式（6-14）计算，
T J P H
（6-12）
∵H=f（T，P） 节流过程：
dH 0
H H dH dT dP T P P T
T P H
H P H T
T P
w w w w Q Q Q
s SH SL H RH
再热循环的热效率
p
wSH wSL QH QRH
3
p2
p3
1
4 5
2 QR
H
3
wsh+wsL 4
S 结论： （1）η 提高 （2）乏汽湿含量减少，干度增加。
2.回热循环
回热循环的热效率：
ws w p QH
ws H 1 H 2 (1 )H 2 H 3
ws Qh 能量利用参数 QH
4.应用举例
[P140-143
例6-3~6-4] 自看
6.2
节流膨胀与作外功的绝热膨胀
一. 节流膨胀过程
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。 1. 特点：等焓过程 由热力学第一定律：
(2)节流膨胀致冷的可能性
① 对理想气体
T =0 J P H
∵
PV=RT
R V T P P
V=RT/P
R RT T J P P 0 cp
这说明了理想气体在
节流过程中温度不发 生变化
②
体
真实气
有三种可能的情况，由定义式知
1 2 H c gZ q ws 2
Q=0（来不及传热）， Ws=0（不做功） 若忽略掉动能、位能的影响 ∴ΔH=0 对于 H=f （ T ， P ） 之发生变化 ∵ P 发生变化 ∴ T 也随
2. 微分节流效应（焦汤效应）
（1） 定义式 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 数学式：
图示：
在 转 化 曲 线 左 侧 ， 等
焓线上，随P↘，T↘， μJ >0，致冷区 在 转 化 曲 线 右 侧 ， 等 焓线上，随P↘，T↗， μJ <0，制热区 转化线上, μJ =0
T J P H
当μJ>0时，表示节流后压力下降，温度也下降
V V T 0 T P
致冷
当μJ=0时，表示节流后压力下降，温度不变化
V V T 0 T P
不产生温度效应
当μJ<0时，表示节流后压力下降，温度上升，
第六章
蒸汽动力循环与制冷循环
6.1
蒸汽动力循环
一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环 二. 蒸汽动力循环
1. 工作原理及T-S图 蒸汽动力循环的主要设备有： 透平机（汽轮机）
冷凝器
水泵 锅炉、过热器等组成 工作介质一般为水
1
气 轮 机
P1T1的高压高温蒸汽进入 气轮机等熵膨胀到状态2，
同时wk.baidu.com外做功，2点状态
T p S
S p T S T p
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。
S V p T p T
（Maxwell第一关系式）
为乏汽从汽轮机流出后进 入冷凝器，乏汽在冷凝器 中放出汽化潜热而变为该
2
锅炉 冷 凝 器
压力下的饱和水，放出的 热量由冷却水带走，达到 状态3，饱和水经水泵升
4
水泵
3
压到P1进入锅炉，在锅炉
吸收热量，使工质变化到 状态1，完成一个循环。
问题在于： （1）湿蒸汽对 汽轮机和水泵有浸蚀 作用，汽轮机带水量 不得超过 10% ，水泵 不能带入蒸汽进泵； （2）绝热可逆 过程实际上难以实现 。 第一个具有 实际意义的蒸汽动力 循环是郎肯循环。
T-S图
T
T吸 T放
4
3
QH
1
Ws 2
QL
S
2.
郎肯循环
卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在 （1）工质进汽轮机状态不同
郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同 （3）工质出冷凝器状态不同 （4）压缩过程不同 卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程 卡诺循环：气液共存 郎肯循环：饱和水 卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽 略掉工作介质水的摩擦与散热，可 简化为可逆过程。 卡诺循环：等温过程 郎肯循环：不可逆吸热过程， 沿着等压线变化
Cp S T T p
T S p S
V T T Cp
（6-16）
V 0 T p
T 0
Cp 0
∴μS衡大于0
将（6-16）式与（6-13）式比较，得
V S J Cp
③ 热电循环效率 =循环热效率+提供热用户的热量/输入的总 热量。
QL QH
（2） 抽气式汽轮机联合供电供热循环
特点： –① 工质部分供热，部分作功 –② 供热量与乏汽无关 –③ 热电循环效率
QRH QH
QH H 1 H 7
Q RH H 6 H 2 ws 热效率 QH
V V T 0 T P
致热
（ 3）
结论
节流膨胀过程的主要特征是等焓过程；
理想气体节流时温度不变，不能用于制
①
②
冷、制热；
③
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。
3 转化点，转化曲线
T 转化点： 当 J 0 时，T，P所对应的点。 P H
∵ 任何气体均有V>0 Cp>0
∴
S J
恒大于零.
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.
(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 利用积分等熵温度效应
ws QH QL (1 )(H 3 H 2 ) 1 QH QH H1 H 6
抽气量α取回热器作能量衡算
H 2 H 5 (1 )H 5 H 4
,
H5 H4 H 2, H 4
结论：
（1）减少了工作介质吸热过程的温差（不可逆），由TH-T4
但很麻烦，一般不用。
(2) T-S图法
T T1 T2
等H线
P1 P2
TH T2 T1
(3)
利用经验公式估算
S
对于空气，当压力变化不太大时，不考虑温度的 影响，可直接按下式近似估算： 2 273 TH 0.29( p 2 p1 ) T 1
式中：压力单位为大气压atm，温度单位为热力学温度开尔文。
减少到TH-T6 （2）热效率提高，但设备成本提高。
3. 热电循环
分为两种： （1）
特点： ① 冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质（不一定是冷 却水）冷凝温度由供热温度决定，QL得以利用；
背压式汽轮机联合供电供热循环
② 排气压力受供热温度影响，较郎肯循环排气压力高 , 大于 大气压力；
4.
应用举例
[P135-138 例6-1~6-2]自看
例6-2
插图
1
t=320 ℃ 核 反 应 堆
汽轮机
T P1=7MPa t1=360 ℃ 1
锅 炉 4
2
或 2’ 冷 凝 器
4 3 2 2’ P2=0.008MPa S
3
一. 提高郎肯循环热效率的措施
ws TL 1 对卡诺循环： c QH TH
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
对于理想气体
绝热可逆过程
k 1 k k 1 k
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
对郎肯循环：
要使η↑： (1) H2↓，降低压力P2（汽轮机出口蒸汽压力） (2) H1↑，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度 (3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率
ws H1 H 2 H1 H 2 QH H 1 H 4 H 1 H 3
1.再热循环(略)
T 1 8 7 6 2 P1
1
p
2.不可逆对外做功的绝热膨胀
T
对活塞式膨胀机
当t<30℃ 当t>30℃ ηs=0.65 ηs=0.7～0.47
1
2’ 2
（5）工作介质吸热过程不同
水
定压升温 沸点定温定压汽化 饱和蒸汽定压升温 过热蒸汽
1—2’ 机 1 2’—3 冷凝器进行 对应于汽轮
T
， 在 冷凝 器里 冷 却水 把 4 3 2 2’ 工 作 介质 的热 量 带走 使 其由气体转变为液体。
3 —4
S 4 —1
T2 p2 T1 p1
③ T-S图法
在 有 T-S 图 时 ，
最方便的方法是由TS图读取ΔTS
④
用等焓节流效应计算
V s J Cp
V Ts J dp dp Cp p1 p
1
p2
p2
若Cp=Const
1 2 Ts TH V dp Cp p
对于不同的流体，其表达式不同。
二.对外作功的绝热膨胀
1. 可逆绝热膨胀 特点：等熵过程 (1) 微分等熵温度效应 定义式：
T s p S
（6-15）
(2) 等熵膨胀致冷的可能性 对于定组成单相体系，自由度为2，S=f（T，P） 对于等熵过程：
S S dS dT dP 0 T p p T
(3) 汽轮机工作介质的单位产功量
ws H12' H 2' H1 ws H12 H 2 H1
∵
kJ/kg （理想）
WS H1 H 2' s WSR H1 H 2
∴
WS sWSR
(4) 耗功量
水泵中工作介质的单位 kJ/kg
wp H H 4 H 3
由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列 式近似计算
w p vdp vp v p 4 p3
(5) 热效率 定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量 数学式：
ws wp QH
H 2 H1 H 4 H 3 H1 H 4
wp ws ws QH
水泵中进行
锅炉进行，
水在锅炉中恒压加热。
3. 郎肯循环过程的热力学计算
(1) 工作介质在锅炉中吸热量
QH H 41 H1 H 4
(2) 工作介质在冷凝器中排放的热量
kJ/kg
QL H 2'3 H 3 H 2'
kJ/kg （理想）
QL H 23 H 3 H 2
H cp T P
V dH c p dT [V T ]dp T P
dT 0
时，
H V V T P T T P
（6-13）
故
1 V J [V T ] cP T P
4 积分节流效应
1 V TH V dp T Cp p1 T p
p2
（6-14）
积分节流效应的求法:三种 （1） 公式法
若p变化不太大，μJ为常数
TH J ( p2 p1 )
若p变化大，μJ不为常数，用式（6-14）计算，
T J P H
（6-12）
∵H=f（T，P） 节流过程：
dH 0
H H dH dT dP T P P T
T P H
H P H T
T P
w w w w Q Q Q
s SH SL H RH
再热循环的热效率
p
wSH wSL QH QRH
3
p2
p3
1
4 5
2 QR
H
3
wsh+wsL 4
S 结论： （1）η 提高 （2）乏汽湿含量减少，干度增加。
2.回热循环
回热循环的热效率：
ws w p QH
ws H 1 H 2 (1 )H 2 H 3
ws Qh 能量利用参数 QH
4.应用举例
[P140-143
例6-3~6-4] 自看
6.2
节流膨胀与作外功的绝热膨胀
一. 节流膨胀过程
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。 1. 特点：等焓过程 由热力学第一定律：
(2)节流膨胀致冷的可能性
① 对理想气体
T =0 J P H
∵
PV=RT
R V T P P
V=RT/P
R RT T J P P 0 cp
这说明了理想气体在
节流过程中温度不发 生变化
②
体
真实气
有三种可能的情况，由定义式知
1 2 H c gZ q ws 2
Q=0（来不及传热）， Ws=0（不做功） 若忽略掉动能、位能的影响 ∴ΔH=0 对于 H=f （ T ， P ） 之发生变化 ∵ P 发生变化 ∴ T 也随
2. 微分节流效应（焦汤效应）
（1） 定义式 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 数学式：