奧鵬教育中國石油大學(xué)16秋考試--《化工熱力學(xué)》

1、中國石油大學(xué)（北京）遠程教育學(xué)院期末考核 化工熱力學(xué) 學(xué)習(xí)中心： 姓名： 學(xué)號： 1、在眾多的狀態(tài)方程中 , 寫出三個常用的狀態(tài)方程。 根據(jù)本人的工作 或者生活選擇一個體系、 選擇其中一個狀態(tài)方程、 對其 PVT關(guān)系的計 算準確度進行分析，并提出改進的方向和意見。答： 丙烯的 PVT狀態(tài)分析近期我在煉化公司甲醇車間進行培訓(xùn)，在甲醇凈化工段 丙烯為利用最多的制冷劑，在學(xué)習(xí)丙烯壓縮工段的同時對丙 烯的物化性質(zhì)也有了深入了解。丙烯的理化學(xué)性質(zhì)：丙烯是一種無色略帶甜味的易燃氣 體，分子式為 CH3CH=CH2，分子量為 42.08 ，沸點 -47.7 ， 熔點為 -185.25 ，其密度為空氣的 1.

2、46 倍，臨界溫度為 91.8 ，臨界壓力為 4.6Mpa，爆炸極限為 2.011 （vol ）, 閃點為-108 。（因此，丙烯在貯藏時要特別小心，如果發(fā) 生泄漏，因為它比空氣重，積聚在低洼處及地溝中，如在流 動過程中遇到火星，則極易引起爆炸，釀成嚴重后果。 ）選擇用 R-K 狀態(tài)方程計算對液態(tài)丙烯的 PVT關(guān)系計算準 確度進行分析，從化工熱力學(xué)、陳光進等編著中查得丙 烯的臨界數(shù)據(jù)為 Tc=364.9K;p c=46.0*10 -1MPa,下面是上海焦化廠給定的丙烯性質(zhì)數(shù)據(jù)。為了計算方便， 用 excel 換算和簡單計算得到新的數(shù)據(jù)如下R-K 方程：RTav b T 0.5v v ba 0.

3、42748R2Tc2.50.42748 8.3146 364.92.5pc4.6 10616.3409 m6 ? Pa ? K 0.5 ?mol 20.08664RTc 0.08664 8.3146 364.9 bpc4.6 1065.7145 10 5 m3 ?mol 1由上表又知道摩爾體積 v，故根據(jù) R-K 方程，用 excel可分別計算得到各溫度下的壓力值P1：溫度 （）-40-30-20-1001020304050溫度（ K）233243253263273283293303313323壓 力 P(1*10 -1 MPa)1.41962.12483.06314.31345.84857.

4、786810.179113.082116.523120.5680摩 爾 體 積 v(1*10 -5m3/mol)54560.92826948.03219520.91214403.98410810.3528235.0566354.0806354.0804952.8163879.776R-K 狀態(tài)方程計算得數(shù)據(jù)與給定值比較可得如下數(shù)據(jù)圖：溫度 （）-40-30-20-1001020304050壓力 （ atm ）1.4012.0973.0234.2575.7727.68510.04612.91116.30720.299體積（ mL/g）1296664044639342325691957151015

5、101177922通過計算和上圖的數(shù)據(jù)對比，可得結(jié)論：利用上海焦 化廠給定丙烯性質(zhì)數(shù)值 ，代入 v 值，用 R-K 方程計算所得 的壓力值 P1與給定的 P 值偏差很小。即對于氣態(tài)丙烯，利用 R-K 狀態(tài)方程計算其 PVT關(guān)系式很可靠的。制冷流程簡述：從 Recfisol 來的丙烯氣體與丙烯過冷器殼側(cè)排出的氣體混合，壓力為 0.13Mpa，溫度為 -40 ，進入壓縮機入口分離器飽和并計量后，氣體壓力為 0.12Mpa 溫度為 -40 進入，丙烯壓縮機一段，由閃蒸罐出來的丙烯閃蒸汽壓力為0.525Mpa 溫度為 -5.5 ，進入丙烯壓縮機的中段， 兩股氣體均被壓縮到 1.9Mpa， 102排出，

6、壓縮后的氣體被丙烯冷凝器冷凝，液體丙烯進入丙烯貯槽，壓力為 1.85Mpa 溫度為45，為防丙烯壓縮機喘振，在丙烯機氣體排出口有一回到入口分離器回路管線補充氣量之不足。從丙烯貯槽出來的液體丙烯進入閃蒸槽，閃蒸氣進入丙烯機中段，從丙烯壓縮機出口處引一管線為防喘振二段回路。液體丙烯壓力0.525Mpa 溫度為 -5.5 ，從閃蒸槽底部引出來， 一路進入壓縮機入口分離器，通過液位調(diào)節(jié)以補充進口丙烯氣流量，另一路進丙烯深冷器，通過自身丙烯閃蒸以降低溫度，殼側(cè)丙烯氣與 Recfisol 來的會合，從管程中來的液體通過旁路進一步調(diào)節(jié)溫度至-20 ，壓力為 0.485Mpa，離開系統(tǒng)進Recfisol ，以

7、提供低溫甲醇洗所需冷量。為防止丙烯中微量水份在閃蒸過程中凍結(jié)，還需向系統(tǒng)注入少量甲醇，甲醇的噴淋是通過計量泵出口甲醇與丙烯貯槽到閃蒸槽的液體丙烯大小，調(diào)節(jié)噴淋混合來完成的。由于丙烯易燃易爆，因此，在設(shè)備維修前后都必須用N2置換丙烯，然后用空氣置換 N2，開車時先用 N2 置換空氣，再 用丙烯置換 N2 。2. 根據(jù)功熱轉(zhuǎn)換的原理， 選擇一個體系或者工況進行節(jié)能過 程分析。要求給出詳細的計算步驟和過程分析。 答：空調(diào)制冷原理空調(diào)在日常生活中隨處可見，下面分別用溫熵關(guān)系和壓 焓關(guān)系分析其制冷過程和原理?？照{(diào)制冷原理涉及了了熱力 學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，為逆卡諾循環(huán)，以下是用理 論制冷循環(huán)的分析

8、和計算。：逆卡諾循環(huán)理想制冷循環(huán)的功能計算：圖 1 溫熵圖 它由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。假設(shè)低溫熱 源（即被冷卻介質(zhì)）的溫度為 T0，高溫熱源（即環(huán)境）的溫 度為 Tk, 則工質(zhì)的溫度在吸熱過程中為 T0， 在放熱過程中 為 Tk, 就是說在吸熱和放熱過程中工質(zhì)與冷源及高溫熱源之 間沒有溫差，即傳熱是在等溫下進行的，壓縮和膨脹過程是 在沒有任何損失情況下進行的。其循環(huán)過程為：首先工質(zhì)在 T0 下從冷源（即被冷卻介質(zhì)）吸取熱量 q0， 并進行等溫膨脹 4-1 ，然后通過絕熱壓縮 1-2 ，使其溫度由 T0 升高至環(huán)境介質(zhì)的溫度 Tk, 再在 Tk下進行等溫壓縮 2-3 ， 并向環(huán)境介質(zhì)放

9、出熱量 qk, 最后再進行絕熱膨脹 3-4 ，使其 溫度由 Tk 降至 T0即使工質(zhì)回到初始狀態(tài) 4，從而完成一個循 環(huán)。對于逆卡諾循環(huán)來說，由圖可知：q0=T0（S 1-S 4）qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4)w0=qk-q 0=Tk(S 1-S 4)-T 0(S 1-S 4)=(T k-T 0)(S 1-S4) 則逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù) k 為： k = w0/ qk=(T k-T 0) / Tk 由上式可見，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)與工質(zhì)的性質(zhì)無 關(guān)，只取決于冷源(即被冷卻物體)的溫度T 0 和熱源(即環(huán)境介質(zhì))的溫度 T k；降低 T k，提高 T0 ，均可提高制冷系 數(shù)。此外，由

10、熱力學(xué)第二定律還可以證明：“在給定的冷源 和熱源溫度范圍內(nèi)工作的逆循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù) 為最高”。任何實際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)都小于逆卡諾循環(huán) 的制冷系數(shù)。制冷系統(tǒng)四大部件及制冷劑的變化過程： 蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)主要由四大部件組成，即壓縮 機、冷凝器、節(jié)流元件和蒸發(fā)器，用不同直徑的管道把它們 串接起來，就形成了一個能使制冷劑循環(huán)流動的封閉系統(tǒng)。 制冷壓縮機由原動機如電機拖動而工作，不斷地抽吸蒸發(fā)器 中的制冷劑蒸氣，壓縮成高壓( pk)、過熱蒸氣而排出并送 入冷凝器，正是由于這一高壓存在，使制冷劑蒸氣在冷凝器 中放出熱量，把熱量傳遞給周圍的環(huán)境介質(zhì)，從而使制冷劑 蒸氣冷凝成液體，當然，制

11、冷劑蒸氣冷凝時的溫度一定要高 于周圍介質(zhì)的溫度。冷凝后的液體仍處于高壓狀態(tài)，流經(jīng)節(jié) 流元件進入蒸發(fā)器。制冷劑在節(jié)流元件中，從入口端的高壓 pk降低到低壓 p0，從高溫 tk降低到 t 0，并出現(xiàn)少量液體汽化變?yōu)檎魵?二： 逆卡諾循環(huán)理想制冷循環(huán)的過程計算 根據(jù)理論循環(huán)的假設(shè)條件，單級蒸氣壓縮式制冷理論循 環(huán)工作過程，在壓焓圖上的表示如圖 2 所示。1）制冷壓縮機從蒸發(fā)器吸取蒸發(fā)壓力為p0 的飽和制冷劑蒸氣（狀態(tài)點 1），沿等熵線壓縮至冷凝壓力 p（k 狀態(tài)點 2）， 壓縮過程完成。2）狀態(tài)點 2 的高溫高壓制冷劑蒸氣進入冷凝器，經(jīng)冷凝器與環(huán)境介質(zhì)空氣或水進行熱交換，放出熱量qk 后，沿等壓線

12、pk 冷卻至飽和蒸氣狀態(tài)點 2，然后冷凝至飽和液狀態(tài)點 3，冷凝過程完成。在冷卻過程（ 2-2 ）中制冷劑與環(huán)境介 質(zhì)有溫差， 在冷凝過程 （2-3 ）中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)無溫差。3）狀態(tài)點 3 的飽和制冷劑液體經(jīng)節(jié)流元件節(jié)流降壓，沿等焓線（節(jié)流過程中焓值保持不變）由冷凝壓力pk 降至蒸發(fā)壓力 p0，到達濕蒸氣狀態(tài)點 4，膨脹過程完成。4）狀態(tài)點 4 的制冷劑濕蒸氣進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi) 吸收被冷卻介質(zhì)的熱量沿等壓線 p0汽化， 到達飽和蒸氣狀態(tài) 點 1 ，蒸發(fā)過程完成。制冷劑的蒸發(fā)溫度與被冷卻介質(zhì)間無 溫差。理論循環(huán)的計算方法：1、單位質(zhì)量制冷量制冷壓縮機每輸送 1kg 制冷劑經(jīng)循環(huán)從被冷卻介

13、質(zhì)中制取的冷量稱為單位質(zhì)量制冷量，用q0表示。q0=h1- h4=r 0（ 1- x4）（ 1-1 ）式中 q0?單位質(zhì)量制冷量（ kJ/kg ）；h1?與吸氣狀態(tài)對應(yīng)的比焓值（ kJ/kg ）； h4?節(jié)流后濕蒸氣的比焓值（ kJ/kg ）； r 0?蒸發(fā)溫度下制冷劑的汽化潛熱（ kJ/kg ）； x4?節(jié)流后氣液兩相制冷劑的干度。單位質(zhì)量制冷量 q0在壓焓圖上相當于過程線 1-4 在 h 軸 上的投影（見圖 1-2 ）。2、單位容積制冷量 制冷壓縮機每吸入 1m3 制冷劑蒸氣 （按吸氣狀態(tài)計）經(jīng)循環(huán)從被冷卻介質(zhì)中制取的冷量，稱為 單位容積制冷量，用 qv 表示1-2)qv qv0 h1v

14、h4v1 v1式中 qv?單位容積制冷量（ kJ/m 3）；v1?制冷劑在吸氣狀態(tài)時的比體積（ m3/kg ）。3、理論比功 制冷壓縮機按等熵壓縮時每壓縮輸送 1kg制冷劑蒸氣所消耗的功，稱為理論比功，用w0 表示。1-3）w0=h2- h1式中 w0?理論比功（ kJ/kg ）；h2?壓縮機排氣狀態(tài)制冷劑的比焓值（kJ/kg ）；h1?壓縮機吸氣狀態(tài)制冷劑的比焓值（kJ/kg ）。4、單位冷凝熱負荷制冷壓縮機每輸送1kg 制冷劑在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱負荷，用qk 表示。1-4）式中qk?單位冷凝熱負荷（ kJ/kg ）；qk=（ h2- h2）+（ h2- h3）=h2- h3h2?與冷凝壓力對應(yīng)的干飽和蒸氣狀態(tài)所具有的比焓值（ kJ/kg ）； h3?與冷凝壓力對應(yīng)的飽和液狀態(tài)所具有的比焓值（ kJ/kg ）； 在壓焓圖中，qk 相當于等壓冷卻、 冷凝過程線 2