化工熱力學(xué)壓縮膨脹

化工熱力學(xué)壓縮膨脹1第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日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(guò)程6.4制冷循環(huán)

6.5深度冷凍循環(huán)第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日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(guò)程。在各類(lèi)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(guò)程是通過(guò)消耗外功對(duì)氣體的壓縮來(lái)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(lèi):等溫壓縮絕熱壓縮多變壓縮第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日1)等溫壓縮過(guò)程可逆軸功與傳遞熱量計(jì)算

對(duì)理想氣體：（壓縮過(guò)程保持恒溫下進(jìn)行）以１kmol氣體為計(jì)算基準(zhǔn)：

PV=RTV=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(chēng)為壓縮比6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日等溫過(guò)程有ΔH=0（理想氣體等溫壓縮是等焓過(guò)程），根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔH=Q+WsQ=-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?；颍簤嚎s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)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

對(duì)非理想氣體

①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氣體的壓縮第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日②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=ΔH-Q對(duì)于可逆過(guò)程：QR=TΔS對(duì)等溫可逆過(guò)程：WsR=ΔH-TΔS即：WsR與氣體的ΔS、ΔH相聯(lián)系。計(jì)算ΔS、ΔH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(guò)程計(jì)算ΔS、ΔH6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

2）絕熱壓縮過(guò)程可逆軸功與傳遞熱量計(jì)算：

（等熵過(guò)程）體系與環(huán)境之間無(wú)熱量交換：Q=0

對(duì)理想氣體:

理想氣體絕熱過(guò)程的P-V-T關(guān)系,在“物化”中學(xué)過(guò)，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氣體的壓縮第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

絕熱指數(shù)k與氣體性質(zhì)有關(guān)，嚴(yán)格的說(shuō)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=1.40

三原子氣體：k=1.3336蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日某些氣體的絕熱指數(shù)k值為：

3H2+N21.406CO21.28H21.406NH31.29O21.40Air1.40N21.413CH41.34CO1.417乙烷1.23丙烷1.133飽和烷1.136過(guò)熱蒸汽1.30Ar1.676蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日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氣體的壓縮第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

對(duì)真實(shí)氣體：也是兩類(lèi)方法：

①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=0ΔH=Q+Ws

Ws=ΔH

（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(guò)程可逆與否沒(méi)有限制。

②普遍化方法：

PV=ZRT6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

3）多變壓縮過(guò)程可逆軸功與傳遞熱量計(jì)算多變過(guò)程是介于等溫過(guò)程與絕熱過(guò)程之間的情況，壓縮過(guò)程中氣體溫升小于絕熱過(guò)程，實(shí)際的壓縮過(guò)程多屬于此種情況，例如，有水夾套的多變式壓縮機(jī)PVm=常數(shù)方程中m----多變指數(shù)1<m<k

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氣體的壓縮第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日多變過(guò)程交換的熱量由熱力學(xué)第一定律求得：ΔH=Q+WsR

Q=ΔH-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(guò)程，上式中的m用k代替即可。第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日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)<T2’’(絕熱)T2’0SP2P11()S()m()TT2’’T22’’2’2第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日所消耗的軸功：Ws（等溫）<Ws（多變）<Ws(絕熱)6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮P20V122’2’’()T()S()mP1第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮

優(yōu)點(diǎn)：滿(mǎn)足工藝要求、減少壓縮功、提高生產(chǎn)的安全性、保護(hù)壓縮機(jī)。5)多級(jí)多變壓縮功耗第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮

上式的使用條件：

各級(jí)的壓縮比均相等(最佳壓縮比)；各級(jí)的進(jìn)口溫度、壓縮的氣量、多變指數(shù)均相等。()m()TP0V第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日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(guò)程6.4制冷循環(huán)

6.5深度冷凍循環(huán)第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日膨脹過(guò)程在實(shí)際生產(chǎn)、生活中，經(jīng)常遇到，如：高壓流體流經(jīng)噴嘴、汽輪機(jī)、膨脹器及節(jié)流閥等設(shè)備或裝置所經(jīng)歷的過(guò)程，都是膨脹過(guò)程。下面討論膨脹過(guò)程的熱力學(xué)現(xiàn)象。著重討論工業(yè)上經(jīng)常遇到的節(jié)流膨脹和絕熱膨脹過(guò)程及其所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

1）節(jié)流膨脹過(guò)程

將高壓流體經(jīng)一節(jié)流閥迅速膨脹到低壓的過(guò)程稱(chēng)為節(jié)流膨脹。

①特點(diǎn)：等焓過(guò)程

由熱力學(xué)第一定律6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

②微分節(jié)流效應(yīng)(焦湯效應(yīng)-Joule-Thomson)

定義：流體節(jié)流時(shí)，由于壓力的變化而引起溫度變化稱(chēng)為節(jié)流效應(yīng)。節(jié)流時(shí)微小壓力的變化所引起的溫度變化，稱(chēng)為微分節(jié)流效應(yīng)。其比值稱(chēng)為微分節(jié)流效應(yīng)系數(shù)。數(shù)學(xué)式為6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日節(jié)流過(guò)程實(shí)際上是由于壓力變化而引起溫度變化的過(guò)程，是一個(gè)等焓過(guò)程6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日③節(jié)流膨脹制冷的可能性

a）對(duì)理想氣體說(shuō)明理想氣體在節(jié)流過(guò)程中溫度不發(fā)生變化6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

b）對(duì)真實(shí)氣體有三種可能的情況由定義式表示節(jié)流后壓力減小，溫度降低制冷

第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

表示節(jié)流過(guò)程溫度不變

表示節(jié)流后壓力降低，溫度升高,制熱

6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日小結(jié)⑴節(jié)流過(guò)程的主要特征是等焓；⑵理想氣體節(jié)流時(shí)溫度不變，不能用于制冷或制熱；⑶真實(shí)氣體節(jié)流效應(yīng)取決于氣體的狀態(tài)，在不同的狀態(tài)下節(jié)流，具有不同的微分節(jié)流效應(yīng)值。6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

④轉(zhuǎn)化點(diǎn)，轉(zhuǎn)化曲線

由于真實(shí)氣體的節(jié)流效應(yīng)值隨著狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，所以在實(shí)際當(dāng)中，要產(chǎn)生制冷效應(yīng)，必須選擇適當(dāng)?shù)墓?jié)流前狀態(tài)，使其節(jié)流效應(yīng)系數(shù)大于0。欲達(dá)到這一目的，首先要找到轉(zhuǎn)化點(diǎn)。

所謂轉(zhuǎn)化點(diǎn):就是節(jié)流效應(yīng)系數(shù)為μJ=0時(shí)的溫度、壓力所對(duì)應(yīng)的點(diǎn).6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

轉(zhuǎn)化曲線：將圖上各轉(zhuǎn)化點(diǎn)連接起來(lái)所組成的曲線就叫轉(zhuǎn)化曲線。

轉(zhuǎn)化曲線左側(cè)：等焓線上，壓力減小，溫度降低，為制冷區(qū)；

轉(zhuǎn)化曲線右側(cè)：等焓線上，壓力減小，溫度升高，為制熱區(qū)；

轉(zhuǎn)化曲線上：節(jié)流效應(yīng)系數(shù)為零。T0Pi6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

上、下轉(zhuǎn)化溫度，最大轉(zhuǎn)化壓力。T上T下PHHH第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

⑤積分節(jié)流效應(yīng)

實(shí)際節(jié)流時(shí)，壓力變化為一有限值，由此所引起的溫度變化稱(chēng)為積分節(jié)流效應(yīng)6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

積分節(jié)流效應(yīng)的求法

（1）公式法若壓力變化不大，節(jié)流效應(yīng)系數(shù)為常數(shù)6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

（2）經(jīng)驗(yàn)公式估算對(duì)于空氣，當(dāng)壓力變化不大時(shí)，不考慮溫度的影響，可按下式進(jìn)行估算第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

(3)T-S圖法有了T-S圖，積分節(jié)流效應(yīng)就不必用公式計(jì)算，可直接算出來(lái)，這是最方便最可行的方法。6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日2）對(duì)外作功的絕熱膨脹

工程上，除了節(jié)流膨脹外，還有另外一種膨脹作功過(guò)程——絕熱膨脹

,對(duì)外作功的絕熱膨脹，如果可逆進(jìn)行，則為等熵過(guò)程，因而又稱(chēng)為等熵膨脹

①可逆絕熱膨脹

特點(diǎn)：等熵過(guò)程，要注意絕熱過(guò)程是可逆的才能稱(chēng)為等熵過(guò)程，微分等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)：定義式：6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

②等熵膨脹制冷的可能性6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

③積分等熵溫度效應(yīng)

等熵膨脹時(shí)，壓力變化為有限值所引起的溫度變化，稱(chēng)為積分等熵溫度效應(yīng)⑴利用微分等熵效應(yīng)系數(shù)計(jì)算(公式法)第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日⑵理想氣體6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

⑶T-S圖法

在有T-S圖時(shí)，最方便的方法是從圖上讀出6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

⑷用等熵、等焓節(jié)流效應(yīng)計(jì)算

若Cp=const.，Q=0時(shí)，ΔH=

WSR=VdP6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

④不可逆對(duì)外作功的絕熱膨脹

實(shí)際上對(duì)外作軸功的膨脹過(guò)程并不是可逆的，因此不是等熵過(guò)程，而是向熵增大的方向進(jìn)行，其終態(tài)位置可由等熵效率計(jì)算確定。對(duì)活塞式膨脹機(jī)，溫度小于等于30℃時(shí)，等熵效率近似等于0.65，溫度高于30℃時(shí)，等熵效率近似等于0.7和0.75之間；對(duì)透平機(jī)，等熵效率在0.8和0.85之間6蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

3)等熵膨脹與節(jié)流膨脹的比較

①等熵膨脹與氣體屬性及狀態(tài)無(wú)關(guān)，μS>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(μJ<0、=0、>0)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)與制冷循環(huán)6.3膨脹過(guò)程

第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

②設(shè)備與操作

節(jié)流膨脹簡(jiǎn)單