第七章-压缩、膨涨、动力循环与制冷循环

第七章压缩、膨涨、动力循环与制冷循环引言循环:系统从初态开始，经历一系列的中间状态后，又重新回到初态，此封闭的热力过程称为循环。循环本质:功与热之间的相互转化。能量的转化：借助工质在循环过程中连续不断、周而复始的发生p-T-V变化，状态变化过程中将热转化为功。动力循环—正向循环制冷循环—逆向循环工质的膨胀和压缩构成了这两类循环的基本元素。图7-1水吸收热变为水蒸气，其能量可以顶开壶盖。空气压缩机7.1气体的压缩•7.1.1活塞式压气机•的压气过程•7.1.2压缩过程的•热力学分析图7-2活塞式压气机的理想过程图7-3压缩过程的p-V图图7-4压缩过程的T-S图•等温压缩过程，等温线1→2T•绝热压缩过程，绝热线1→2S•多变压缩过程，实际的压缩过程是多变压缩过程，多变线1→2m•等温过程方程式•绝热过程方程式•实际（多变）过程方程1122pVpVpV1mk,,,SRSRSR绝热多变等温2,2,2,VVV绝热多变等温2,2,2,TTT绝热多变等温1122kkkpVpVpVk为绝热指数1122mmmpVpVpVm为多变过程指数•若为可逆过程，按照“得功为正（或耗功为正）”的规定，其轴功可按式(7-1)计算•理想气体等温、多变及绝热压缩过程的方程式代入式(7-1)积分得理论功耗的计算式。22111,ddJsppsRtppWVpnVp(7-1)1211121,lnlnppVpppRTwRs等温(7-2a)12,1111kksRpkwRTkp绝热（7-3a）12,1111mmsRpmwRTmp多变（7-4a）121,lnppZRTwRs等温(7-2b)12,11Z11kksRpkwRTkp绝热(7-3b)12,11Z11mmsRpmwRTmp多变(7-4b)压缩真实气体，其耗功的计算公式又将如何？•【例7-1】某厂每天至少需要1.0MPa的压缩空气100m3，用于生产。因此，要将室温（取20℃）的空气从常压的0.1MPa压缩至1.0MPa，要求技术人员通过计算，选择、确定所需要的空气压缩机的技术参数，以便购买时参考。如果技术人员是你，如何处理？假定进出口平均压缩因子为1.05。•提示：如果耗功较少、压缩空气的温度升高不大，一般比较有利。可分别计算可逆等温压缩、可逆绝热压缩及可逆多变压缩过程的耗功量及最终温度等技术参数，以便采购时参考。•求三种压缩过程的功耗和终温。•解（1）可逆等温压缩过程，由式(7-2b)，得2,11ln1.01.058.314293.15ln0.1sRpwZRTp等温-1=5893Jmol过程等温12,293.15KTT等温622,-121101000.475.s8.314293.15243600tpVnmolRT1,,2799sRsRWnwJs等温等温（2）可逆绝热压缩过程，由式（7-3b）得12,111.411.4111.41.01.058.314293.1511.410.1kksRpkwZRTkp绝热-18336Jmol1,,3960sRsRWnwJs绝热绝热由理想气体的绝热过程方程式得111122kkkkpTpT，因此绝热压缩的终温为111.41.422,111.293.15565.98K0.1kkSpTTp0（3）取空气的多变指数m=1.2，可逆多变压缩过程功耗由式（7-4b）计算12,1111mmsRpmwZRTmp多变1.211.21.21.01.058.314293.1511.210.1-17182Jmol1,,3411sRsRWnwJs多变多变由多变过程的方程式111122mmmmpTpT111.21.2212,11.0293.15430.3K0.1mmpTTp多变•讨论：从计算可知，把一定量的气体从相同的初态压缩到相同的终压时，绝热压缩消耗的功为3960Js-1，为最大值；等温压缩2799Js-1，为最小值；多变压缩3411Js-1，介于两者之间。实际生产过程中，消耗的功越多，表明生产成本越高、利润越少。•绝热压缩后被压缩气体的温度565.98K，为最高；等温压缩后为293.15K，为最低；多变压缩后为430.3K，介于两者之间。实际上，温度过高将不利于保证压气机汽缸得到良好的润滑和机器的安全运行。•因此，在出口压力达到1.0MPa的条件下，选择多变压缩指数m较小的空气压缩机为宜。7.2气体的膨胀7.2.1节流膨胀膨胀阀高压流体流经管道中的某一节流元件(如孔板、节流阀、毛细管等)，迅速膨胀到低压的过程称节流膨胀。特点：过程等焓由热力学第一定律：ΔH=0•流体进行节流膨胀，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或Joule-thomson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。数学式为：ppHJCVTVTpT(7-6)（1）理想气体0HJpT理想气体在节流过程中温度不发生变化；不能用于制冷。是否可以制热？（2）真实气体μJ﹥0节流后温度降低，制冷。μJ=0节流后温度不变。μJ﹤0节流后温度升高，制热。转化点转化温度转化曲线J图7-7节流效应的T-P图图7-8不同气体的转化曲线利用转化曲线可以确定节流膨胀后获得低温的操作条件。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。2121dpHJpTTTp（7-7）图7-9节流效应及等熵膨胀效应在T-s图上的表示工程上，积分节流效应ΔTH可直接利用热力学图求得，极为简便，见图7-9。7.2.2绝热作外功膨胀气体从高压向低压作绝热膨胀时，若通过膨胀机来实现，则可对外作功，如果过程是可逆的，称为等熵膨胀；特点是膨胀前后熵值不变。透平膨胀机等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的温度变化，称为微分等熵膨胀效应系数，以μs表示。ppSSCTVTpT(7-8)气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体的温度总是下降,是吗？为什么？积分等熵膨胀效应气体等熵膨胀时，压力变化为一有限值，所引起的温度变化，称积分等熵膨胀效应21'21dpSSpTTTp(7-9)由图7-9可以明显看出，ΔTsΔTH，这是工业上将其用于大中型气体液化装置中，做大幅度降温用的原因。由于两种膨胀各具有优、缺点，工程上常将两种膨胀结合并用。膨胀类型节流膨胀绝热做外功膨胀特点ΔH=0ΔS=0ΔT与制冷量ΔTH小/制冷量小ΔTs大/制冷量大预冷个别气体需预冷，方能使温度下降不需预冷，任何气体温度均下降作功WsWs=0Ws0设备、操作、投资节流阀/结构简单/操作方便/投资小膨胀机/结构复杂/操作较复杂/投资大流体相态汽液两相区、液相区不适于出现液滴的场合应用普冷、小型深冷大、中型的气体液化表7-1节流膨胀与绝热作外功膨胀优缺点比较【例7-2】某工厂某一压缩机出口的空气状态为P1=9.12MPa(90atm)，T1=300K,K，现需膨胀到P2=0.203MPa(2atm)。作为工程技术人员，如果有下列两种膨胀供你选择，选择那一种？为什么？取环境温度为25℃。①节流膨胀；②做外功的绝热膨胀，已知膨胀机的实际输出的功等于可逆绝热膨胀时轴功的80%（即等熵效率为80%）。提示：只有求出两种膨胀发生后气体的温度、膨胀机的作功量（有效功）及膨胀过程的损失功；然后，确定较经济、节能的一种作为选项。例7-2图1空气的T–S示意图解：取1mol作为计算基准。①对于节流膨胀过程，根据式（6-24）计算损失功。先计算环境的熵变ΔSsur。根据节流膨胀的特点Q→0，ΔH→0，于是有Qsur→0。则sursursur00298.15QST计算系统的熵变ΔSsys。查附录13空气的T-s图得：P1＝9.12MPa、T1＝300K时：1113012molJh11103.87KmolJs由H1的等焓线1→2与P2的等压线交点2，得KT2802(节流膨胀后温度)11241.118KmolJssys21sss节流膨胀所做功0SW节流节流膨胀过程的损失功00LWTSTSStsyssur（）10.9356]0)03.8741.118[()2515.273(molJ②做外功的绝热膨胀，过程绝热，若同时是可逆的，则为等熵过程。从压缩机出口状态1作等熵线1→2′，与P2＝0.203MPa等压线的交点2′。查附录13得KT98'2（可逆绝热膨胀后温度）1288.7614'molJH112,12.53971301288.7614'molJHHHWRS由式（6-4）得可逆轴功过程的等熵效率为0.8，此过程实际是不可逆的绝热膨胀，故8.012.53971301222121,'HHHHHWWRSSS123.8694molJH由H2与P2，在附录13空气的T-s图上查得T2＝133K(作外功绝热膨胀后温度)。膨胀机实际所作功17.4317)12.5397(8.0molJWWRSS7.3蒸汽动力循环蒸汽动力装置主要由四种设备组成：(1)称为锅炉的蒸汽发生器；(2)蒸汽轮机；(3)冷凝器；(4)水泵。工质周而复始地流过上述四种设备，构成了（绝热）压缩、（等温）膨胀、等温压缩、绝热膨胀四个步骤的热力循环，使吸自高温热源的热能的一部分转变成有用功输出，实现热向功的转换。由式（6-23）得作外功绝热膨胀的损失功1,42.107912.53977.4317molJΔT/KWs／J·mol-1WL／J·mol-1节流膨胀280-2009356.0作外功绝热膨胀133-167-4317.71079.42从计算结果，作外功绝热膨胀的损失功小，降温幅度大，还对外做功，比较经济。因此选择作外功的绝热膨胀。•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。蒸汽动力循环的作用：•如何将1atm300atm?•需要压缩机，消耗动力。电•高温热源废热锅炉，产生高压蒸汽压缩机透平机33004002223NHHNatmC，合成氨高温热源可以是温度较高的工业废热、地热、太阳的辐射热等，也可以是矿物燃料燃烧产生的高温烟气的热能或核燃料通过核裂变转变而来的热能。7.3.1卡诺（Carnot）蒸汽循环工作于高温和低温两个热源之间的Carnot热机，又称Carnot循环。它由两个等温可逆过程和两个绝热可逆过程构成。如果以水蒸气为工质，则可以实现等温吸热和等温放热过程。图7-10Carnot循环的p-V图图7-11Carnot循环的T–S图Carnot循环是由可逆过程构成的、效率最高的热力循环。它可以最大限度地将高温热源输入的热量转变为功。,1LSCHLHHTWQQQT(7-10a)Carnot循环效率,1SCLCHHWTQT(7-10b)Carnot循环对外作(最大)功Ws,cCarnot循环虽然是效率最高的循环，但它却不能用于生产。7.3.2Rankine循环及其热效率7.3.2.1理想Rankine循环第一个具有实践意义的蒸汽动力循环是