化工热力学复习要点及先关试题.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,6,蒸汽动力循环和制冷循环,6.1,蒸汽动力循环,6.2,节流膨胀与作外功的绝热膨胀,6.3,制冷循环,6.1,蒸汽动力循环,汽轮机,水泵,冷凝器,锅炉,能量分析,Turbine,汽轮机,1 2,表示过热蒸汽在汽轮机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。,汽轮机,水泵,冷凝器,锅炉,能量分析,Condensor,冷凝器,2 3,表示乏汽在冷凝器中的等温等压冷凝过程，放出的热量。,汽轮机,水泵,冷凝器,锅炉,能量分析,Pump,水泵,3 4,表示冷凝水通过水泵由,P3,升压至,P4,的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功,把水看作是不可压缩流体，则,汽轮机,水泵,冷凝器,锅炉,Energy Analysis,能量分析,Boiler,锅炉,4 1,表示液体水在锅炉中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸收的热量,汽轮机,水泵,冷凝器,锅炉,理想,Rankine,循环的热效率,蒸汽动力循环,中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量,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。,汽耗率,作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用,SSC(Specific Steam Consumption),表示。,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寸大小和过程的经济性。,工质为水蒸气,因为水蒸气不是理想气体，气体的性质不能用理想气体方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。,计算方法,状态点,1,根据,P,1,、,t,1,值可查得,H,1,、,S,1,值,;,状态点,2,S,2,=S,1,根据,P,2,、,S,2,值可查得,H,2,、,t,2,值,;,状态点,3,P,3,=P,2,查,P3,下的饱和液体可得,H,3,、,V,3,、,S,3,值,;,状态点,4,P,4,=P,1,S,4,=S,3,根据,P,4,、,S,4,可查得,H,4,值,;,或,H,4,=H,3,+W,p,=H,3,+V(P,4,-P,3,),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。,蒸汽通过,汽轮机,膨胀，实际做出的功应为,H,1,H,2,，,它小于等,熵,膨胀的功,H,1,H,2,。,两者之比称为透平机的等,熵,效率。,实际,Rankine,循环的热效率,例,6-1,某一理想的,Rankine,循外，锅炉的压力为,4MPa,，,产生,440,过热蒸汽,汽轮机出口压力为,0.004MPa,蒸汽流量,60t/h,求,（,1,）过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量；,（,2,）乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量；,（,3,）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功率；,（,4,）循环的热效率。,（,1,）确定各点的参数,1,点（过热蒸汽）,根据,P,1,=4MPa,、,t,1,=440,查过热水蒸气表 得,H,1,=3307.1kJ/kg,、,S,1,=6.9041kJ/(kg,K),;,2,点（湿蒸汽）,P,2,=4kPa,S,2,=S,1,=6.9041kJ/(kg,K),查,饱和水蒸气表得,H,g,=2554.4kJ/kg H,l,=121.46kJ/(kg,K),S,g,=8.4746kJ/kg,S,l,=0.4226kJ/(kg,K),V,l,=1.004cm,3,/g,2,点处的干度为,x,8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041 x=0.8050,H,2,=2554.4,0.805+(1-0.805),121.46=2080.0,3,点（饱和液体）,P,3,=4kPa H,3,=H,l,=121.46 kJ/kg,S,3,=,S,l,=0.4226kJ/(kg,K),4,点（未饱和水）,方法,1,H,4,=H,3,+W,p,=H,3,+V(P,4,-P,3,),=121.46+0.001004,(4000-4)=125.5kJ/kg,方法,2,已知,P,4,=4MPa,S,4,=S,3,=0.4226kJ/(kg,K),查,未饱和水性质表,H,2,=126.1kJ/kg,2.5MPa,H S,5MPa,H S,4MPa,H S,20,86.30 0.2961,88.65 0.2956,40,169.77 0.5715,171.97 0.5705,87.71 0.2958,171.09 0.5709,（,2,）计算,过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量,Q,1,=m(H,1,-H,4,)=60,10,3,(3307.1-125.5),=190.9 10,6,kJ/h,乏气在冷凝器放出的热量,Q,2,=m(H,2,-H,3,)=,60,10,3,(2080.0-121.5),=117.5 10,6,kJ/h,乏气的湿度为,1-x=1-0.805=0.195,汽轮机作出的理论功率,水泵消耗的理论功率,热效率,例,6-2,在某核动力循环装置，锅炉温度为,320,的核反应堆吸入热量,Q,1,，,产生压力为,7MPa,、,温度为,360,的过热蒸汽,(,点,1),，过热蒸汽经汽轮机膨胀作功后于,0.008MPa,压力下排出,(,点,2),，乏气在冷凝器中向环境温度,t,0,20,进行定压放热变为饱和水,(,点,3),，然后经泵返回锅炉,(,点,4),完成循环。已知汽轮机的额定功率为,510,4,kW,，汽轮机作不可逆的绝热膨胀，其等熵效率为,0.75,，,水泵作等熵压缩。试求：,(1),蒸气的质量流量；,(2),乏气的湿度；,(3),循环的热效率。,1,点（过热蒸汽）,根据,P,1,=7MPa,、,t,1,=360,查过热,水蒸气表得,H,1,=3045.5kJ/kg,、,S,1,=6.2801kJ/(kg,K),;,2,点（湿蒸汽）,P,2,=0.008MPa,查饱和水蒸气表得,H,g,=2577.0kJ/kg H,l,=173.88kJ/(kg,K),S,g,=8.2287kJ/kg,S,l,=0.5926kJ/(kg,K),汽轮机作等熵膨胀,S,2,=S,1,=6.2801kJ/(kg,K),S,2,=S,g,x,2,+(1-x,2,)S,l,6.2801=8.2287x,2,+(1-x,2,),0.5926,x,2,=0.7448,H,2,=H,g,x,2,+(1-x,2,)H,l,=2577.0,0.7488+(1-0.7488),173.88=1963.7,汽轮机作等熵膨胀过程,1-2,所作的理论功,W,R,W,R,=H,2,-H,1,=1963.7-3045.5=-1081.8kJ/kg,汽轮机作实际膨胀过程,1-2,所作的功,W,s,W,s,=,s,W,R,=-1081.8,0.75=-811.4kJ/kg,W,s,=H,2,-H,1,H,2,=H,1,+W,s,=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg,汽轮机作实际膨胀后,乏气的干度为,x,2,H,2,=H,g,x,2,+(1-x,2,)H,l,2234.1=2577.0,x,2,+(1-,x,2,)173.9,x,2,=0.8573,乏气的湿度为,1-0.8573=0.1427,3,点,0.008MPa,饱和液体,H,3,=173.88kJ/(kg,K),S,3,=0.5926kJ/(kg,K),4,点,P,4,=7MPa,S,4,=S,3,=0.5926kJ/(kg,K),查未饱和水性质表,5MPa,H S,7.5MPa,H S,4MPa,H S,40,171.97 0.5705,174.18 0.5696,80,338.85 1.0720,340.84 1.0704,173.74 0.5698,340.44 1.0707,H,4,=181.33kJ/kg,水泵所消耗的功,W,P,=H,4,-H,3,=181.33-173.88=7.45kJ/kg,热效率,通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率,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时,可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低汽耗率。同时乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。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,当蒸汽压力提高时，热效率提高、而汽耗率下降。但是随着压力的提高，乏汽的干度下降，即湿含量增加，因而会引起透乎机相对内部效率的降低还会使透平中最后几级的叶片受到磨蚀，缩短 寿命。乏汽的干度一般不应低于,0.88,。,另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力,，,而且设备制造费用也会大幅上升。,6.2,节流膨胀与作外功的绝热膨胀,6.2.1,节流膨胀,H=0,流体进行节流膨胀是，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,J,0,节流后温度降低,J,=0,节流后温度不变,J,0,节流后温度升高,理想气体,J,=0,实际气体,J,值可为,正值、负值或零,6.2.2,作外功的绝热膨胀,等熵膨胀效应系数,s,必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体温度总是下降。,6.3,制冷循环,高温 环境,低温 环境,6.3.1,蒸汽压缩制冷循环,1,逆向,Carnot,循环,蒸发器,冷凝器,膨胀机,q,0,q,2,压缩机,1,2,3,4,T,1,T,2,T,S,1,2,3,4,循环的吸热量,q,0,=T,L,(S,1,-S,4,),循环的放热量,q,2,=T,H,(S,3,-S,2,)=-T,H,(S,1,-S,4,),H,q,W,S,制冷剂完成一个循环,H,0,，净功为,制冷系数,T,L,T,H,T,S,1,2,3,4,逆卡诺循环,逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。,在相同温度区间工作的制冷循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最大。,制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。,某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在,5,K,吸收热量,Q,L,在,K,放出热量,-Q,H,压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为,W,N,，判断下列情况是,A,可逆的,B,不可逆的,C,不可能的,（,1,）,Q,L,=2000kJ W,N,=400kJ,（,2,）,Q,L,=1000kJ Q,H,=,1500kJ,（,3,）,W,N,=100kJ Q,H,=,700kJ,（,1,）,该制冷过程是可逆的,（,2,）,Q,L,=1000kJ Q,H,=,1500kJ,（,3,）,W,N,=100kJ Q,H,=,700kJ,该制冷过程是不可逆的,该制冷过程是不可能的,2,单级蒸汽压缩制冷,蒸发盘管,冷冻室,冷凝盘管,压缩机,毛细管,高温 环境,低温 冷室,蒸发器,冷凝器,高温 环境,低温 冷室,蒸发器,冷凝器,1-2,可逆绝热压缩过程,W,s,=H,2,H,1,kJ/kg,2-4,等压冷却、冷凝过程,q,2,=H,4,-H,2,kJ/kg,4-5,节流膨胀过程,H,5,=H,4,4-1,等压、等温蒸发过程,q,0,=H,1,H,5,kJ/kg,制冷系数,T,0,T,T,S,1,2,3,4,5,焓值：查图、表或计算,若制冷剂的“制冷能力”为,Q,0,kJ/h,，,那么，制冷剂的循环量为,压缩机消耗的功率,某压缩制冷装置，用,R134a,作为制冷剂，蒸发器中的温度为,-25,，冷却器中的压力为,1.0MPa,，假定,R134a,进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，压缩过程按绝热可逆计算，每小时制冷量,Q,0,为,1.6710,5,kJh,-1,。,求：（,1,）所需的制冷剂流率；,（,2,）制冷系数。,1,点,-25,饱和蒸汽,查表得,H,1,231.9kJ/kg,S,1,0.9367kJ/(kgK),T,0,T,T,S,1,2,3,4,5,2,点,P,2,1MPa,，,S,2,S,1,0.9367kJ/(kgK),查表得,H,2,278.7 kJ/kg,T,0,T,T,S,1,2,3,4,5,4,点,1MPa,饱和液体,查表得,H,4,104.2 kJ/kg,T,0,T,T,S,1,2,3,4,5,H,1,231.9kJ/kg H,2,278.7 kJ/kg,H,4,104.2 kJ/kg H,5,H,4,T,0,T,T,S,1,2,3,4,5,T,0,T,T,S,1,2,3,4,5,2,5,4,3,制冷剂,Refrigerants,制冷剂的选择原则：,（,1,）潜热要大。,（,2,）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高，蒸发压力（低压）不要过低。,（,3,）化学稳定性、不,易燃、不分解、无,腐蚀性。,（,4,）价格,低,。,（,5,）冷冻剂对环境应该无公害。,1 Conventional refrigerants:,NH,3,CH,3,Cl,CO,2,C,3,H,8,2,Chloro,Fluoro,Carbons CFCs,C,F,Cl,3,(R-11),C,F,2,Cl,2,(R-12),大气：,O,2,2 O,O,+O,2,O,3,ozone,CFCs:,C,F,Cl,3,+UV light,CCl,2,F,+,Cl,Cl,+O,3,O,2,+,ClO,ClO,+O,Cl,+O,2,3 Hydro,Chloro,Fluoro,Carbons HCFCs:,CHCl,2,F(R-22),CHCl,2,CF,3,(R-123),4(Hydro),Fluoro,Carbons,HFCs,CF,4,(R-14),CHF,3,(R-23),CF,3,F,3,(R-116),CHF,2,CHF,2,(R-134a),