
thermo6-2汇总.ppt
50页6.5 气体的压缩与膨胀过程 气体的压缩 对于稳流过程,压缩过程的理论轴功计算 可用于任何介质的可逆和不可逆过程 实际压缩过程都是不可逆过程,压缩所需 要的功WS,肯定要比可逆轴功WS,rev大,这 部分损失功是由流体的流动过程损耗和机 械传动部分的损耗所造成的气体的膨胀 膨胀过程和压缩过程热和功的计算的基本原理是一样的膨 胀过程变化多两个典型的膨胀过程 a 绝热节流膨胀 当气体在管道流动时,遇到一节流元件,如阀门、孔板等, 由于局部阻力,使气体压力显著降低,称为节流现象 由于过程进行得很快,可以认为是绝热的,即Q = 0且不 对外作功,即Ws = 0根据稳流过程热力学关系式,绝热节 流过程 绝热节流过程是等焓过程 constant-enthalpy 节流过程是不可逆过程,节流后熵增,,,流体节流时,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 定义微分节流效应系数 由热力学基本关系式,μJ可以从P-V-T关系和CP性质来计算 理想气体:绝热节流后μJ=0,温度不变; 真实气体: μJ 0绝热节流后温度降低称冷效应; μJ =0绝热节流后温度不变称零效应; μJ 0绝热节流后温度升高称热效应。
同一气体在不同初始状态下节流,μJ有可能为正、为负或 为零>0,<0,零效应的状态点称为转换点转换点的温度称为转换温度转换点的轨迹称为转换曲线 它们都可以从状态方程和Cpig来预测 图6-4所示为由实验确定的氮气的转化曲线大多数气体的转换温度都比室温高,它们可以在室温下产生致冷效应少数气体如氦、氖、氢等的转换温度低于室温怎样才能产生 致冷?,压力变化所引起的温度变化(ΔTH),称为 积分节流效应 将真实气体状态方程关系式代入上式即可积分求算 常见气体如空气、氨、Freon等,人们已经积累了一 些常用的热力学性质图表,直接利用这些图表也比 较便利(不用EOS积分计算) 图6-5所示是T-S图,根据节流前状态(P1,T1), 沿等焓线交节流后压力P2的等压线得节流后的温度如果节流前压力为P3,节流膨胀到汽液两相区4,从T-S图上不仅可以读出温差ΔTH, 而且可以方便计算出液化的气体量2. 绝热可逆膨胀 流体从高压向低压作绝热膨胀时,如在膨胀机中进行,则对外做轴功如过程是可逆的,就是等熵膨胀过程 constant-entropy 在等熵膨胀过程中,压力的微小变化所引起的温度变化称为微分等熵效应系数,以μs表示。
因为CP0,T0,,,,,μS 0,任何气体在任何状态下,进行等熵膨胀,气体温度一定是降低的,总是得到制冷效应压力变化所引起温度变化称积分等熵膨胀效应ΔT S 等熵膨胀过程也可在T-S图上表示出来,如图6-5,膨 胀前的状态为1(T1,P1)由此点沿等熵线(作垂线) 与膨胀后的压力P2的等压线相交,即为膨胀后的状态 点2(T2,P2)等熵膨胀积分温度效应ΔTS = T2 - T1, 可由T-S图直接读出 等熵膨胀的冷冻量要比节流膨胀的冷冻量大,所超过 的数值相当于等熵膨胀对外所做的轴功同样的压力 差,产生的温度降比节流膨胀为大 注意:实际对外作功的绝热膨胀并不是可逆的,不是等熵过程,而是向着熵(增大? 减小?)的方向进行,它界于等焓和等熵膨胀之间实际膨胀机所作的轴功小于可逆膨胀所作的轴功 从温度降、冷冻量和回收轴功来说,做外功的绝热膨胀要比节流膨胀优越但绝热节流膨胀的优点是它所需的设备很简单,节流阀,便于调节工业和民用设备多采用节流膨胀 例题6-8 工质不妥 封闭 稳流 系统 动力循环也有同样结果6.6 动力循环 Power Cycle 朗肯循环(Rankine Cycle) 简单蒸汽动力循环由锅炉Boiler、过热器superheater、透平Turbine、冷凝器Condenser和冷凝水泵Pump所组成。
液体水进入锅炉,被加热升温至沸点(1→2),汽化为蒸汽(2→3),为了多做功,将饱和蒸汽通入过热器变成过热蒸汽(3→4),然后进透平膨胀机作功(4→5)尽可能地降低透平出口压力以产生较多的功,将膨胀后的乏气引入冷凝器中用冷却水移走热量,使其冷凝(5→6),冷凝水用锅炉给水泵升压(6→1)后再送回锅炉如此重复进行,构成对外连续作功的蒸汽动力装置循环,也称为朗肯循环若不考虑实际循环过程中的流动阻力、摩擦、涡流和散热等不可逆因素,加热和冷凝过程在T-S图上可表示为等压过程,蒸汽的膨胀和冷凝水的升压可近似为等熵过程此循环又称为理想朗肯循环,如图 (b) 的1→2→3→4→5→6→1循环 对理想朗肯循环的各个过程,应用稳流系统第一定律关系式,可以算出在各个过程中流体与外界交换的热和功计算时忽略位能和动能的变化 1→2→3→4是流体(工质)在锅炉中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程,加入的热量 4→5表示过热蒸汽在透平中的可逆绝热膨胀过程,对外所做轴功可由膨胀前、后水蒸汽的焓值求出5→6是乏气的冷凝过程,放热量 6→1是将冷凝水通过水泵由P2升压至P1的可逆绝热压缩(等熵压缩)过程,需要消耗的功 把水看作是不可压缩的 液体水的比容较小,即使压差很大,此项功耗可以忽略不计,故在T-S图上的6和1两点是非常接近的。
工质通过循环作出的净功WN为,,,,,,,,所吸收的净热为(Q + Q0),一次循环后,状态函数ΔH = 0, 则Q + Q0 = WN,吸收的净热和作出的净功是相等的 评价蒸汽动力装置的重要指标 循环的热效率η,即热源供给的热量中转化为净功的分率 汽耗率 作出单位量净功所消耗的蒸汽量,用SSC(Specific Steam Consumption)表示计算时所需要的焓值由附录C的水蒸汽表Steam Tables查得重点是1、4、5,实际装置的热效率肯定要比理想朗肯循环低,反之实际的汽耗率则较高理想朗肯循环中,冷凝水升压过程在T-S图上是等熵,实际过程是不可逆的,绝热压缩时熵值(增加?减少?),故6-1线应当是偏向(左?右?)上方的斜线,而不是直线不过由于点6和1本来就非常接近,为简化计算,还是以直线计 蒸汽通过透平机的绝热膨胀实际上不等熵的,而是向着熵增加的方向偏移,用4-7线表示 蒸汽通过透平机膨胀,实际做出的功应为H4-H7,显然它小于等熵膨胀的功H4-H5两者之比称为透平机的等熵膨胀效率或称相对内部效率,用ηs表示例题6-9 某一蒸汽动力循环装置,锅炉压力为4MPa,冷凝器工作压力为0.004MPa。
进入透平机的是过热蒸汽,温度为500℃,若此循环为理想朗肯循环,试求循环的热效率和汽耗率若过热蒸汽通过透平机进行实际的不可逆绝热膨胀过程,排出乏汽的干度为0.92,试求此实际朗肯循环的热效率和汽耗率 解: 该过程在T-S图上如下图所示首先由给定的条件通过附录 C水蒸汽的热力学性质表定出T-S图上主要点的参数 1状态: 高压水,4MPa,水近似不可压缩,,,4 状态: 过热蒸汽,4MPa, 500℃ 查得: H4=3445.3 kJ·kg-1 , S4=7.0901 kJ·kg-1·K-1 5 状态: 乏气,0.004MPa, 查得有关饱和性质表: 设状态5乏气的干度为x,则 (1-x)×0.4226+x×8.4746=7.0901 解得 x=0.828 对于焓有: =(1-0.828)×121.46+0.828×2554.4 =2135.9kJ·kg-1 6状态: 饱和水,0.004MPa,已查得,,,,,湿蒸汽的计算是关键,干度,S是“桥”,需要的是H,H6=121.46kJ·kg-1 , S6=0.4226kJ·kg-1·K-1 ▼若过程为理想朗肯循环 4→5过热蒸汽可逆绝热膨胀过程,轴功为 5→6乏气冷凝, 放热 6→1饱和水升压过程(变成不饱和水),泵耗功 =4.012×103J·kg-1=4.012kJ·kg-1 且 H1=H6+4.012=121.46+4.012=125.47 kJ·kg-1,由于 泵耗功很小,常可忽略不计。
1→4水吸热成过热蒸汽,吸热量,,,WP=(H1-H6)=VH2OΔP=1.004×10-3×(4-0.004)×106,,理想朗肯循环热效率 kJ·(kW·h)-1 ▼若过程为不可逆绝热膨胀 蒸汽在透平机中绝热膨胀至5′状态,由乏气的干度可求出5′状态焓值 循环热效率为:,,,,,,实际汽耗率,朗肯循环的改进 可逆过程热力学效率最高在卡诺循环中,工质在高温热源的温度下吸热,在低温热源的温度下放热(温差无限小),都是可逆过程但在朗肯循环中,吸热和排热则是在有一定温差情况下的不可逆过程整个吸热过程的平均温度与高温燃气的温度差很大,因此要想提高朗肯循环的热效率,主要在于减小这两者之间的温度差,就必须设法提高工质在吸热过程中的温度(使平均温度提高)1. 提高蒸汽的过热温度 在相同的蒸汽压力下,提高蒸汽的过热温度, 平均吸热温度相应地提高,优点: 做功增加, 循环热效率提高, 汽耗率下降, 乏气的干度增加,使透平机的效率提高 但是蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制, 不能无限地提高,一般过热蒸汽的最高温度以不超 873K为宜2. 提高蒸汽的压力 水的沸腾温度随着蒸汽压力的增高而升高,故在保持相同的蒸汽过热温度差时,提高水蒸汽压力,平均吸热温度也会相应提高。
优点:做功增加,热效率提高,汽耗率下降 缺点:乏汽的干度下降,湿含量增加,透平机相对内部效率的降低,透平机的叶片磨蚀加大,寿命缩短乏汽的干度一般不应低于0.88 蒸汽压力的提高,一般不超过水的临界压力(PC = 22.064MPa),但设备制造费用会大幅上升近年来,近临界水蒸气锅炉已经用于大型电厂3.采用再热循环Reheat 再热循环是使高压的过热蒸汽在高压透平中先膨胀到某一中间压力(一般为高压蒸汽压力的20~25%),然后引入锅炉中特设的再热器进行过热,再进入低压透平再膨胀到一定的排气压力, 优点:做功增加,热效率提高,汽耗率下降,可以避免乏气湿含量过高的缺点 缺点:多次膨胀,多次做功,6.7 制冷循环 Refrigeration Cycle 使物系的温度降低于周围环境 (如大气)的温度的过程称为制冷过程 本节重点介绍蒸汽压缩制冷, 其他制冷原理作简要的介绍 Power cycle: expansion Higher pressure steam lower p steam make work Refrigeration cycle: vaporization Higher pressure liquid lower p liquid and vapor absorption heat,● 蒸汽压缩制冷循环 Vapor compression refrigeration cycle ◆逆卡诺循环 Reversed Carnot Refrigeration cycle 制冷循环就是逆方向的热机循环。
理想制冷循环(可逆制冷)即为逆卡诺循环由四个可逆过程构成, 见逆向卡诺循环的示意图和T-S图 1-2: 绝热可逆压缩, 从T1升温至T2,等熵过程,消耗外功; 2-3: 等温可逆放热; 3-4: 绝热可逆膨胀,从T2降温至T1,等熵过程,对外作功; 4-1; 等温可逆吸热 逆卡诺循环中,功和热的关系和正向循环一样,符号相反循环放热量 循环吸热量 循环的ΔH = O,故循环所做的功净功为 说明制冷循环需要消耗外功 衡量制冷效率的参数称为制冷系数ξ,其定义为 ξ是制冷循环的经济技术指标对于逆卡诺循环,,,,,,,上式表明,逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数,与工质无关在两个温度之间操作的任何制冷循环,以逆卡诺循环的制冷系数为最大,任何实际循环的制冷系数都要比ξ卡小 ◆单级蒸汽压缩制冷循环 单级蒸汽压缩制冷循环的流程示意图和T-S图。












