化工熱力學(xué)壓縮膨脹

1、化工熱力學(xué)壓縮膨脹1第1頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán) 6.1 蒸汽動(dòng)力循環(huán) 6.2 氣體的壓縮 6.3 膨脹過程 6.4制冷循環(huán) 6.5 深度冷凍循環(huán) 第2頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 氣體的壓縮是化工廠中最基本的操作之一。它是氣體增壓與輸送的最基本過程。在各類壓氣機(jī)（如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)等）,氣體從低壓到高壓的狀態(tài)變化過程是通過消耗外功對(duì)氣體的壓縮來實(shí)現(xiàn)的 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 氣體壓縮按操作方式分類: 等溫壓縮 絕熱壓縮 多變壓縮 第3頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星

2、期二1)等溫壓縮過程可逆軸功與傳遞熱量計(jì)算 對(duì)理想氣體：（壓縮過程保持恒溫下進(jìn)行） 以kmol氣體為計(jì)算基準(zhǔn)： PV = RT V = RT/P WsR= RTln(P2/P1) 上式的P2/P1是壓縮后的氣體壓力與壓縮前的氣體壓力之比，稱為壓縮比6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 第4頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 等溫過程有H = 0（理想氣體等溫壓縮是等焓過程），根據(jù)熱力學(xué)第一定律 H = Q +Ws Q =-Ws 即：等溫壓縮的特點(diǎn)，壓縮所消耗的理論功與所傳遞的熱量相等。 或：壓縮氣體所耗的的功除氣體壓力升高外，其余轉(zhuǎn)變成熱量了 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷

3、循環(huán)6.2 氣體的壓縮 第5頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 對(duì)非理想氣體 用真實(shí)氣體的P-V-T關(guān)系 a) 狀態(tài)方程 b) P-V-T實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖解積分 c) 普壓法 d) 普維法 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 第6頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二根據(jù)熱力學(xué)基本定律求得 根據(jù)熱力學(xué)第一定律：Ws =H-Q 對(duì)于可逆過程：QR = TS 對(duì)等溫可逆過程：WsR=H -TS 即：WsR與氣體的S、H相聯(lián)系。 計(jì)算S、H的方法有 a). 查熱力學(xué)圖表 b). 利用剩余性質(zhì)設(shè)計(jì)過程計(jì)算S、H 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 第7

4、頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 2）絕熱壓縮過程可逆軸功與傳遞熱量計(jì)算： （等熵過程） 體系與環(huán)境之間無熱量交換：Q=0 對(duì)理想氣體: 理想氣體絕熱過程的P-V-T關(guān)系,在“物化”中學(xué)過，為： PVk= 常數(shù) 或T2/T1= (P2/P1)(k-1)/k T2/T1= (V2/V1)1-k 式中：k=Cp/Cv-絕熱指數(shù) P1V1k=PVk 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 第8頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 絕熱指數(shù)k與氣體性質(zhì)有關(guān)，嚴(yán)格的說與溫度有關(guān)，在化工計(jì)算中，理想氣體的k值可取 單原子氣體：k=1.667 雙原子氣體：k=1

5、.40 三原子氣體：k=1.333 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 第9頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二某些氣體的絕熱指數(shù)k值為： 3H2 + N2 1.406 CO2 1.28 H2 1.406 NH3 1.29 O2 1.40 Air 1.40 N2 1.413 CH4 1.34 CO 1.417 乙烷 1.23 丙烷 1.133 飽和烷 1.136 過熱蒸汽 1.30 Ar 1.67 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 第10頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二混合氣體的絕熱指數(shù)可按下式計(jì)算 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2

6、 氣體的壓縮 第11頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 對(duì)真實(shí)氣體：也是兩類方法： 根據(jù)熱力學(xué)基本定律求得：（很方便）(利用熱力學(xué)圖表) 根據(jù)熱力學(xué)第一定律Q=0 H = Q+Ws Ws =H （所得的功用于提高氣體的焓值） 此式用于計(jì)算非理想氣體的軸功對(duì)過程可逆與否沒有限制。 普遍化方法： PV = ZRT 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 第12頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 3）多變壓縮過程可逆軸功與傳遞熱量計(jì)算 多變過程是介于等溫過程與絕熱過程之間的情況，壓縮過程中氣體溫升小于絕熱過程，實(shí)際的壓縮過程多屬于此種情況，例如，有水夾套

7、的多變式壓縮機(jī) PVm= 常數(shù) 方程中m -多變指數(shù)1mk 相應(yīng)的：T2/T1= (P2/P1)(m-1)/m T2/T1= (V2/V1)1-m 多變指數(shù)m可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得： 如： P1/P2= (V2/V1)m m=ln(p1/p2)/ln(V2/V1) 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循 6.2 氣體的壓縮 第13頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 多變過程交換的熱量由熱力學(xué)第一定律求得： H = Q +WsR Q =H-WsR 所消耗的功6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 若為絕熱過程，上式中的m用k代替即可。第14頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二

8、4）氣體的等溫、絕熱、多變壓縮的比較 條件：把一定量 的氣體，從相同 的初態(tài)壓縮到相 同的終態(tài)壓力 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2 氣體的壓縮 壓縮氣體的終溫： T2（等溫） T2(多變) T 2 (絕熱) T20SP2P11()S()m()TT2T2222第15頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 所消耗的軸功： Ws（等溫） Ws（多變）0 對(duì)任何氣體任何狀態(tài)都產(chǎn)生制冷效應(yīng)。節(jié)流膨脹 (J0)對(duì)理想氣體不產(chǎn)生溫度效應(yīng)，真實(shí)氣體視氣體狀態(tài)而定，若真實(shí)氣體產(chǎn)生制冷效應(yīng)，那么等熵膨脹的溫度效應(yīng)大于節(jié)流膨脹的溫度效應(yīng)，獲得更好的制冷效果，同時(shí)回收軸功，即6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循

9、環(huán)6.3 膨脹過程 第41頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二 設(shè)備與操作 節(jié)流膨脹簡(jiǎn)單，針形閥，毛細(xì)管； 等熵膨脹復(fù)雜，需要低溫潤(rùn)滑油 操作條件與運(yùn)行情況 一般大中型企業(yè)這兩種都用，小型企業(yè)用節(jié)流膨脹。 這兩種膨脹過程是化工過程制冷的依據(jù)，也是氣體液化的依據(jù) 6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3 膨脹過程 第42頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán) 6.1 蒸汽動(dòng)力循環(huán) 6.2 氣體的壓縮 6.3 膨脹過程 6.4制冷循環(huán) 6.6 深度冷凍循環(huán) 第43頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二思考題：1. 在實(shí)際生產(chǎn)中為什麼多采用多級(jí)壓縮的方法提高氣體的壓力？2. 節(jié)流膨脹和等熵膨脹各有什麼優(yōu)缺點(diǎn)？3. 在T-S圖上描述下列過程： 飽和液體的節(jié)流；過熱蒸汽冷卻冷凝為過冷液體；濕蒸汽的節(jié)流；飽和蒸汽的絕熱可逆壓縮；過熱蒸汽的絕熱可逆膨脹。第44頁，共45頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)5分，星期二作業(yè)題： 6-2 我國(guó)某化肥廠用一種六段壓縮機(jī)，生產(chǎn)能力為16000m3h-1（以一段進(jìn)口狀態(tài)計(jì)），已知給定條件為： 壓縮機(jī)段數(shù) 壓 力/MPa進(jìn)口 出口進(jìn)口溫度 0