化工熱力學壓縮膨脹

化工熱力學壓縮膨脹1第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)

6.1蒸汽動力循環(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，2023年，2月20日，星期一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（如壓縮機、鼓風機、通風機等）,氣體從低壓到高壓的狀態(tài)變化過程是通過消耗外功對氣體的壓縮來實現(xiàn)的6蒸汽動力循環(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，2023年，2月20日，星期一1)等溫壓縮過程可逆軸功與傳遞熱量計算

對理想氣體：（壓縮過程保持恒溫下進行）以１kmol氣體為計算基準：

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，稱為壓縮比6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一等溫過程有ΔH=0（理想氣體等溫壓縮是等焓過程），根據(jù)熱力學第一定律ΔH=Q+WsQ=-Ws

即：等溫壓縮的特點，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，其余轉變成熱量了6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

對非理想氣體

①用真實氣體的P-V-T關系

a)狀態(tài)方程

b)P-V-T實驗數(shù)據(jù)圖解積分

c)普壓法

d)普維法6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一②根據(jù)熱力學基本定律求得根據(jù)熱力學第一定律：Ws=ΔH-Q對于可逆過程：QR=TΔS對等溫可逆過程：WsR=ΔH-TΔS即：WsR與氣體的ΔS、ΔH相聯(lián)系。計算ΔS、ΔH的方法有a).查熱力學圖表b).利用剩余性質設計過程計算ΔS、ΔH6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

2）絕熱壓縮過程可逆軸功與傳遞熱量計算：

（等熵過程）體系與環(huán)境之間無熱量交換：Q=0

對理想氣體:

理想氣體絕熱過程的P-V-T關系,在“物化”中學過，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蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

絕熱指數(shù)k與氣體性質有關，嚴格的說與溫度有關，在化工計算中，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蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一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過熱蒸汽1.30Ar1.676蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一混合氣體的絕熱指數(shù)可按下式計算6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

對真實氣體：也是兩類方法：

①根據(jù)熱力學基本定律求得：（很方便）(利用熱力學圖表)

根據(jù)熱力學第一定律Q=0ΔH=Q+Ws

Ws=ΔH

（所得的功用于提高氣體的焓值）此式用于計算非理想氣體的軸功對過程可逆與否沒有限制。

②普遍化方法：

PV=ZRT6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

3）多變壓縮過程可逆軸功與傳遞熱量計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，實際的壓縮過程多屬于此種情況，例如，有水夾套的多變式壓縮機PVm=常數(shù)方程中m----多變指數(shù)1<m<k

相應的：T2/T1=(P2/P1)(m-1)/m

T2/T1=(V2/V1)1-m

多變指數(shù)m可由實驗測得：如：P1/P2=(V2/V1)m

m=ln(p1/p2)/ln(V2/V1)6蒸汽動力循環(huán)與制冷循6.2氣體的壓縮第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一多變過程交換的熱量由熱力學第一定律求得：ΔH=Q+WsR

Q=ΔH-WsR所消耗的功6蒸汽動力循環(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，2023年，2月20日，星期一4）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15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一所消耗的軸功：Ws（等溫）<Ws（多變）<Ws(絕熱)6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮P20V122’2’’()T()S()mP1第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮

優(yōu)點：滿足工藝要求、減少壓縮功、提高生產的安全性、保護壓縮機。5)多級多變壓縮功耗第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.2氣體的壓縮

上式的使用條件：

各級的壓縮比均相等(最佳壓縮比)；各級的進口溫度、壓縮的氣量、多變指數(shù)均相等。()m()TP0V第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)

6.1蒸汽動力循環(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19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一膨脹過程在實際生產、生活中，經常遇到，如：高壓流體流經噴嘴、汽輪機、膨脹器及節(jié)流閥等設備或裝置所經歷的過程，都是膨脹過程。下面討論膨脹過程的熱力學現(xiàn)象。著重討論工業(yè)上經常遇到的節(jié)流膨脹和絕熱膨脹過程及其所產生的溫度效應6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

1）節(jié)流膨脹過程

將高壓流體經一節(jié)流閥迅速膨脹到低壓的過程稱為節(jié)流膨脹。

①特點：等焓過程

由熱力學第一定律6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

②微分節(jié)流效應(焦湯效應-Joule-Thomson)

定義：流體節(jié)流時，由于壓力的變化而引起溫度變化稱為節(jié)流效應。節(jié)流時微小壓力的變化所引起的溫度變化，稱為微分節(jié)流效應。其比值稱為微分節(jié)流效應系數(shù)。數(shù)學式為6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一節(jié)流過程實際上是由于壓力變化而引起溫度變化的過程，是一個等焓過程6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一③節(jié)流膨脹制冷的可能性

a）對理想氣體說明理想氣體在節(jié)流過程中溫度不發(fā)生變化6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

b）對真實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26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

表示節(jié)流過程溫度不變

表示節(jié)流后壓力降低，溫度升高,制熱

6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一小結⑴節(jié)流過程的主要特征是等焓；⑵理想氣體節(jié)流時溫度不變，不能用于制冷或制熱；⑶真實氣體節(jié)流效應取決于氣體的狀態(tài)，在不同的狀態(tài)下節(jié)流，具有不同的微分節(jié)流效應值。6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

④轉化點，轉化曲線

由于真實氣體的節(jié)流效應值隨著狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，所以在實際當中，要產生制冷效應，必須選擇適當?shù)墓?jié)流前狀態(tài)，使其節(jié)流效應系數(shù)大于0。欲達到這一目的，首先要找到轉化點。

所謂轉化點:就是節(jié)流效應系數(shù)為μJ=0時的溫度、壓力所對應的點.6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

轉化曲線：將圖上各轉化點連接起來所組成的曲線就叫轉化曲線。

轉化曲線左側：等焓線上，壓力減小，溫度降低，為制冷區(qū)；

轉化曲線右側：等焓線上，壓力減小，溫度升高，為制熱區(qū)；

轉化曲線上：節(jié)流效應系數(shù)為零。T0Pi6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

上、下轉化溫度，最大轉化壓力。T上T下PHHH第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

⑤積分節(jié)流效應

實際節(jié)流時，壓力變化為一有限值，由此所引起的溫度變化稱為積分節(jié)流效應6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

積分節(jié)流效應的求法

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

（2）經驗公式估算對于空氣，當壓力變化不大時，不考慮溫度的影響，可按下式進行估算第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

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

第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一2）對外作功的絕熱膨脹

工程上，除了節(jié)流膨脹外，還有另外一種膨脹作功過程——絕熱膨脹

,對外作功的絕熱膨脹，如果可逆進行，則為等熵過程，因而又稱為等熵膨脹

①可逆絕熱膨脹

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

第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

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

第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

③積分等熵溫度效應

等熵膨脹時，壓力變化為有限值所引起的溫度變化，稱為積分等熵溫度效應⑴利用微分等熵效應系數(shù)計算(公式法)第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一⑵理想氣體6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

⑶T-S圖法

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

第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

⑷用等熵、等焓節(jié)流效應計算

若Cp=const.，Q=0時，ΔH=

WSR=VdP6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第39頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

④不可逆對外作功的絕熱膨脹

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

第40頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

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)無關，μS>0對任何氣體任何狀態(tài)都產生制冷效應。節(jié)流膨脹(μJ<0、=0、>0)對理想氣體不產生溫度效應，真實氣體視氣體狀態(tài)而定，若真實氣體產生制冷效應，那么等熵膨脹的溫度效應大于節(jié)流膨脹的溫度效應，獲得更好的制冷效果，同時回收軸功，即6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)6.3膨脹過程

第41頁，共45頁，2023年，2月20日，星期一

②設備與操作

節(jié)流膨