第六章化工热力学课件

枣庄学院 化学化工系
化工热力学
6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
S V p T p T
T s p S
S p T S T p
1 3600 SSC kg / kJ kg / kW h W W
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化工热力学
6.1蒸汽动力循环
(5) 热效率（实际，理想） 热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所 消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指 标。 (6) 汽耗率
当对外作出的净功相同时，汽耗率大的装置其尺寸相应 增大。所以汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺ห้องสมุดไป่ตู้大小和 过程的经济性。
s
Ws 不 Ws 可
H1 H 2 H1 H 2
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6.1蒸汽动力循环
提高郎肯循环热效率的措施
ws TL 1 对卡诺循环： c QH TH
对郎肯循环： 要使η↑：
ws H1 H 2 H1 H 2 QH H 1 H 4 H 1 H 3
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6.1蒸汽动力循环
计算方法
• 状态点 1,
• 状态点 2, • 状态点 3, S3值; • 状态点 4, •
根据P1、t1 值可查得 H1、S1值;
S2=S1 ,根据P2、S2 值可查得 H2、t2值; P3=P2 ,查P3下的饱和液体可得 H3、V3 、 P4=P1 ,S4=S3,根据P4、S4可查得 H4值;
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6.1蒸汽动力循环
3. 热电循环
• 分为两种：
• （1）背压式汽轮机联合供电供热循环
• 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；
• 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；
• ③ 热电循环效率 =循环热效率+提供热用户的热量/输入的总
2
锅炉
冷 凝 器
冷凝器，等压等温冷凝，放出汽化潜热 而变为饱和水，放出的热量由冷却水带 走 3、饱和水经水泵升压（可逆绝热压缩）
4
水泵
3
4、进入锅炉，等压升温、气化，吸收热 量，使工质变化到状态1，完成一个循环。
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6.1蒸汽动力循环
1
气 轮 机 过热器
第一个具有实际意义的蒸汽动力循环是郎肯循环。

ws w p QH
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 减少到TH-T6
（2）热效率提高，但设备成本提高。
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当μJ>0时，表示节流后压力下降，温度也下降 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
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，
致热
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
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1、Rankine(朗肯)循环及其热效 率
1.工作原理
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6.1蒸汽动力循环
主要设备有：透平机、冷凝器、水泵、锅炉、过热器等
组成。工作介质一般为水。 蒸汽动力循环为正向卡诺循环。
1
气 轮 机
1、高压高温蒸汽进入气轮机等熵膨胀到 状态2，同时对外做功（可逆绝热膨胀）
过热器
2、从汽轮机流出的乏汽（湿蒸汽）进入
(3) 水泵中工作介质的单位耗功量
wp H H 4 H 3
kJ/kg
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
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6.1蒸汽动力循环
(4) 工作介质在锅炉中吸热量
QH H 41 H1 H 4
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
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
T J P H
②
真实气体 有三种可能的情况，由定义式知
V V T 0 T P
6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
特点：等熵过程
二.对外作功的绝热膨胀
1. 可逆绝热膨胀 (1) 微分等熵温度效应
定义式：
T s p S
(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 p T p T
（3）结论
① 节流膨胀过程的主要特征是等焓过程；
②理想气体节流时温度不变，不能用于制冷、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。
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
3 转化点，转化曲线
T J 0 时，T，P所对应的点。 转化点： 当 P H
6.1蒸汽动力循环
郎肯循环过程的热力学计算
(1) 汽轮机工作介质的单位产功量
ws H12' H 2' H1 kJ/kg ws H12 H 2 H1 （理想）
(2) 工作介质在冷凝器中排放的热量
QL H 2'3 H 3 H 2'
kJ/kg
（理想）
QL H 23 H 3 H 2
转化曲线:将各转化点联 结起来所组成的曲线. T μJ =0 致冷区 T↘ μJ >0 等H线 T↗ μJ <0 制热区 P
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
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(5) 热效率
kJ/kg
评价蒸汽动力循环的积极性的指标是热效率和汽耗率 锅炉中所提供的热量中转化为净功的量
Ws WP H1 H 2 H 3 H 4 Q1 H1 H 4
Ws H1 H 2 Q1 H1 H 4
(6) 汽耗率 作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率。
(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
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6.1蒸汽动力循环
1.再热循环
T 1 8 7 6 2 P1
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
结论： 1）η 提高 （
S
（2）乏汽湿含量减少，干度增加。
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化工热力学 2.回热循环
6.1蒸汽动力循环
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化工热力学 回热循环的热效率：
6.1蒸汽动力循环
ws QH QL (1 )(H 3 H 2 ) 1 QH QH H1 H 6
热量。

QL QH
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6.1蒸汽动力循环

QRH 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
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
• 一. 节流膨胀过程
冷。这与节流膨胀不同。
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
比较微分节流效应系数与微分等熵膨胀系数可得
V S J Cp
∵ ∴ 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.
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V T T Cp
Cp S T p T
T S p S
T 0
Cp 0
V 0 T p
说明了任何气体在任何状
态下经绝热膨胀，都可致
∴μS衡大于0
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
T P H H P H T T P
J T
H cp T P
故
H V V T P T T P
（2）膨胀过程不同
（3）工质出冷凝器状态不同
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 质水的摩擦与散热，可简化为可逆过程。 卡诺循环：等温过程
（4）压缩过程不同
（5）工质吸热过程不同
郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着等压线变化
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化工热力学
Chemical Engineering thermodynamics
丛兴顺
枣庄学院 2008.9
第六章 蒸汽动力循环与制冷循环
本章的知识点与重点
1、了解卡诺循环
2、掌握Rankine循环的组成过程及其改进措施
3、掌握蒸汽压缩制冷循环与吸收式制冷循环
4、掌握节流过程与绝热过程及其区别
5、理解热效率、等熵效率、节流效应系数、等熵膨 胀系数、制冷系数等
1 V J [T V ] cP T P
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
(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
• 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：
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
或 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)
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6.1蒸汽动力循环
蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是向 着墒增加的方向偏移，用1 - 2´线表示。 水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆 的影响。 等熵效率 对膨胀做功过程，不可逆绝热过程的做功量与可逆绝热 过程的做功量之比
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
2. 微分节流效应（焦汤效应系数）
（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：
T J P H
H H ∵H=f（T，P） dH dT dP T P P T H dH 0 T P T H P H T P
T
T 2
冷 凝 器
1
锅炉
T吸
3 T放
4
3
QH
1 Ws 2
4 3 2 2’
4
水泵
QL
卡诺循环T-S图
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S
朗肯循环T-S图 S
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6.1蒸汽动力循环
卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环、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
卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程
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6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
三.等熵膨胀与节流膨胀的比较
1.等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状
态都产生制冷效应。
2. Ts TH
1 0 2’ P2 2
T
Ts T2 T1
P1
TH T2 '-T 1