1、第6章流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)原理及應(yīng)用,主要內(nèi)容,熱力學(xué)第一定律及在化工中的應(yīng)用 熱功間的轉(zhuǎn)換(熱力學(xué)第二定律） 化工過(guò)程有效能分析 蒸汽動(dòng)力循環(huán) 制冷循環(huán),6.1 熱力學(xué)第一定律,6.1.1 能量守恒與轉(zhuǎn)換 一切物質(zhì)都具有能量，能量是物質(zhì)固有的特性。通常能量可分為兩大類： 一類是系統(tǒng)蓄積的能量，如動(dòng)能、勢(shì)能和熱力學(xué)能，它們都是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。 另一類是過(guò)程中系統(tǒng)和環(huán)境傳遞的能量，常見(jiàn)有功和熱量，它們不是狀態(tài)函數(shù)，而與過(guò)程有關(guān)。 熱量是因?yàn)闇囟炔顒e引起的能量傳遞，而做功是由勢(shì)差引起的能量傳遞。因此，熱和功是兩種本質(zhì)不同且與過(guò)程傳遞方式有關(guān)的能量形式。,能量的形式不同，但是可以相互轉(zhuǎn)化或傳遞，在轉(zhuǎn)化或

2、傳遞的過(guò)程中，能量的數(shù)量是守恒的。 對(duì)于任意體系有 體系能量的積累=輸入能量-輸出能量,熱力學(xué)第一定律-能量轉(zhuǎn)化和守恒原理,此處約定： 體系吸熱為正值，放熱為負(fù)值； 體系得功為正值，對(duì)環(huán)境做功為負(fù)值。,物料流入和流出的能量包括: 1.動(dòng)能, 記為Ek 2.勢(shì)能(在重力場(chǎng)中則為位能), 記為EP 3.物料的內(nèi)能, U 因此,此外規(guī)定所有流入體系能量為正, 流出能量為負(fù),6.1.2 封閉體系的能量平衡方程,在閉系非流動(dòng)過(guò)程中的熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式為,對(duì)于孤立體系，由于不存在功和熱的交換，故,6.1.3 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系的能量平衡方程,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)是指流體流動(dòng)途徑中所有各點(diǎn)的狀況都不隨時(shí)間而變化，系統(tǒng)中

3、沒(méi)有物料和能量的積累。,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式為：,單位質(zhì)量的流體帶入、帶出能量的形式為動(dòng)能(u2/2)、勢(shì)能(gz)和熱力學(xué)能(U)。,流體從截面1通過(guò)設(shè)備流到截面2，在截面1處流體進(jìn)入設(shè)備所具有的狀況用下標(biāo)1表示，此處距基準(zhǔn)面的高度為z1，流動(dòng)平均速度u1，比容V1，壓力P1以及內(nèi)能U1等。同樣在截面2處流體流出所具有的狀況用下標(biāo)2表示。,g為重力加速度。,系統(tǒng)與環(huán)境交換功W，實(shí)際上由兩部分組成。一部分是通過(guò)泵、壓縮機(jī)等機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使系統(tǒng)與環(huán)境交換的軸功Ws；另一部分是單位質(zhì)量物質(zhì)被推入系統(tǒng)時(shí)，接受環(huán)境所給予的功，以及離開(kāi)系統(tǒng)時(shí)推動(dòng)前面物質(zhì)對(duì)環(huán)境所作的功。 假設(shè)系統(tǒng)入口處截面面

4、積為Al，流體的比容為V1，壓力為P1，則推動(dòng)力為P1A1，使單位質(zhì)量流體進(jìn)入系統(tǒng)，需要移動(dòng)的距離為V1/A1,推動(dòng)單位質(zhì)量流體進(jìn)入系統(tǒng)所需要的功為,這是單位質(zhì)量流體進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，接受后面流體(環(huán)境)所給予的功；同樣,單位質(zhì)量流體離開(kāi)系統(tǒng)時(shí)，必須推動(dòng)前面的流體(環(huán)境)，即對(duì)環(huán)境作 P2V2的功。這種流體內(nèi)部相互推動(dòng)所交換的功，稱為流動(dòng)功。只有在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程中才有這種功。,對(duì)于流動(dòng)過(guò)程，系統(tǒng)與環(huán)境交換的功是軸功與流動(dòng)功之和,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系可寫為,將焓的定義 H=U+PV 代入上式可得穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡方程,穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：,使用上式時(shí)要注意單位必須一致。按照S

5、I單位制，每一項(xiàng)的單位為 Jkg-1。動(dòng)能和位能的單位, H、 u2/2、g z、Q和Ws 分別為單位質(zhì)量流體的焓變、動(dòng)能變化、位能變化、與環(huán)境交換的熱量和軸功。,可逆條件下的軸功,對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)體系, 以單位質(zhì)量流體計(jì),有,對(duì)于可逆變化, 則,若忽略動(dòng)能和位能變化, 則,積分,封閉體系的熱力學(xué)基本關(guān)系對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系也是適用的,可逆條件下的軸功,對(duì)于液體，在積分時(shí)一般可將V當(dāng)作常數(shù)。,對(duì)于理想氣體等溫過(guò)程,左式只適用于理想氣體等溫過(guò)程,對(duì)于氣體怎么辦？,可逆條件下的軸功,體積功,可逆軸功,可逆體積功與可軸功的比較,噴嘴與擴(kuò)壓管,噴嘴與擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是進(jìn)出口截面積變化很大。 流體通過(guò)時(shí)，使壓力沿

6、著流動(dòng)方向降低，而使流速加快的部件稱為噴嘴。 反之，使流體流速減緩，壓力升高的部件稱為擴(kuò)壓管。,噴嘴,擴(kuò)壓管,噴嘴與擴(kuò)壓管,是否存在軸功?,否,是否和環(huán)境交換熱量?,通?？梢院雎?位能是否變化?,否,流體通過(guò)焓值的改變來(lái)?yè)Q取動(dòng)能的調(diào)整,透平機(jī)和壓縮機(jī),透平機(jī)是借助流體的減壓和降溫過(guò)程來(lái)產(chǎn)出功,壓縮機(jī)可以提高流體的壓力，但是要消耗功,透平機(jī)和壓縮機(jī),是否存在軸功?,是!,是否和環(huán)境交換熱量?,通?？梢院雎?位能是否變化?,不變化或者可以忽略,動(dòng)能是否變化？,通常可以忽略,流體通過(guò)焓值的改變對(duì)外作功, 或消耗功而升高焓值,節(jié)流閥 Throttling Valve,理想氣體通過(guò)節(jié)流閥溫度不變,節(jié)流閥

7、,是否存在軸功?,否,是否和環(huán)境交換熱量?,通?？梢院雎?位能是否變化?,否,動(dòng)能是否變化?,通?？梢院雎?混合設(shè)備,混合兩種或多種流體是很常見(jiàn)。,混合器,混合設(shè)備,是否存在軸功?,否,是否和環(huán)境交換熱量?,通常可以忽略,位能是否變化?,通常不變或可忽略,動(dòng)能是否變化?,通?？珊雎?混合設(shè)備,1 3 2,混合器,Hi為單位質(zhì)量第i股輸出物流的焓值， xi為第i股輸出物流占整個(gè)輸出物流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 Hj為單位質(zhì)量第j股輸入物流的焓值， xj為第j股輸入物流占整個(gè)輸入物流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。,當(dāng)不止一個(gè)輸入物流或（和）輸出物流時(shí),分別為第i流入股和第j股流出物流的質(zhì)量流量。,為總質(zhì)量流量。,換熱設(shè)備,若整

8、個(gè)換熱設(shè)備的熱損失可以忽略不計(jì)，換熱設(shè)備的能量平衡方程與混合設(shè)備的能量平衡方程相同，只是物流之間不發(fā)生混合。,mA和mB分別為流體A和流體B的質(zhì)量流量,管路和流體輸送,是否存在軸功?,有時(shí)存在,是否和環(huán)境交換熱量?,通常是,位能是否變化?,有時(shí)變化,動(dòng)能是否變化?,通?？梢院雎?Bernoulli 方程,實(shí)際流體的流動(dòng)過(guò)程存在摩擦損耗，意味機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能，有摩擦損耗,對(duì)于無(wú)熱、,無(wú)軸功交換、,不可壓縮流體的穩(wěn)流過(guò)程,對(duì)于非粘性流體或簡(jiǎn)化的理想情況，可忽略摩擦損耗，則,例 6-1 1.5MPa的濕蒸汽在量熱計(jì)中被節(jié)流到0.1MPa和403.15K，求原濕蒸汽的干度,解,節(jié)流過(guò)程無(wú)功的傳遞，

9、,忽略散熱、,動(dòng)能變化,和位能變化,130,H2,在0.1 MPa時(shí),1.5MPa 飽和液體焓值 Hl=844.9 飽和蒸汽焓值 Hg=2792.2,解,例 6-2 30 的空氣，以5m/s的流速流過(guò)一垂直安裝的熱交換器，被加熱到150 ，若換熱器進(jìn)出口管直徑相等，忽略空氣流過(guò)換熱器的壓降，換熱器高度為3m，空氣Cp=1.005kJ(kgK),求50kg空氣從換熱器吸收的熱量,將空氣當(dāng)作理想氣體，并忽略壓降時(shí),由此例可以看出, 對(duì)于換熱過(guò)程, 換熱器的動(dòng)能變化和位能變化可以忽略不計(jì),對(duì)孤立體系,對(duì)封閉體系,對(duì)穩(wěn)流體系,本節(jié)小結(jié),對(duì)封閉體系,6.2熱功間的轉(zhuǎn)化（熱力學(xué)第二定律）,6.2.1 熱力

10、學(xué)第二定律 克勞修斯說(shuō)法：熱不可能自動(dòng)從低溫物體傳給高溫物體。 開(kāi)爾文說(shuō)法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?熱力學(xué)第二定律說(shuō)明過(guò)程按照特定方向，而不是按照任意方向進(jìn)行?？藙谛匏沟恼f(shuō)法說(shuō)明了熱傳導(dǎo)過(guò)程的不可逆性，開(kāi)爾文說(shuō)法則描述了功轉(zhuǎn)化為熱過(guò)程的不可逆性。其實(shí)質(zhì)是“自發(fā)過(guò)程都是不可逆的”。 自然界中的物理過(guò)程能夠自發(fā)地向平衡方向進(jìn)行。,水往低處流,氣體由高壓向低壓膨脹,第一定律沒(méi)有說(shuō)明過(guò)程發(fā)生的方向，它告訴我們能量必須守衡。 第二定律告訴我們過(guò)程發(fā)生的方向和限度。 我們可以使這些過(guò)程按照相反方向進(jìn)行，但是需要付出代價(jià), 即消耗功。,熱力學(xué)第一定律與第二定律的意義,熵增

11、原理,等號(hào)用于可逆過(guò)程，不等號(hào)用于不可逆過(guò)程。 孤立體系,6.2. 2 熵函數(shù),熵與熵增原理,熵平衡,熵流是由于有熱量流入或流出系統(tǒng)所伴有的熵變化,可逆過(guò)程,由于傳遞的熱量可正、可負(fù)、可零，熵流也亦可正、可負(fù)、可零。,熵產(chǎn)生是體系內(nèi)部不可逆性引起的熵變化,不可逆過(guò)程,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系,絕熱節(jié)流過(guò)程,可逆絕熱過(guò)程,單股流體,封閉體系,，只有單股流體，mimjm,對(duì)孤立體系,對(duì)封閉體系,對(duì)穩(wěn)流體系,對(duì)開(kāi)放體系,本節(jié)小結(jié),6.3 化工過(guò)程的有效能分析,上節(jié)內(nèi)容回顧,熱力學(xué)第一定律,熱力學(xué)第二定律,對(duì)孤立體系,對(duì)封閉體系,對(duì)穩(wěn)流體系,對(duì)孤立體系,對(duì)封閉體系,對(duì)穩(wěn)流體系,對(duì)開(kāi)放體系,第六章 流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)

12、基本原理及應(yīng)用,6.3 有效能及過(guò)程熱力學(xué)分析,主要內(nèi)容： 引言 有效能、無(wú)效能 理想功、損失功及其計(jì)算 有效能的計(jì)算 有效能與理想功的區(qū)別與聯(lián)系,引言,能量不僅有數(shù)量、而且有質(zhì)量（品位）。例如，1kJ功和1kJ熱，從熱力學(xué)第一定律來(lái)看，它們?cè)跀?shù)量上是相等，但從熱力學(xué)第二定律來(lái)看，它們的質(zhì)量并不相等，功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，而熱不能全部轉(zhuǎn)化為功。,學(xué)習(xí)目的：掌握一些基本的概念，為以后分析化工過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況，改進(jìn)工藝過(guò)程，提高能量利用率指出方向和方法奠定基礎(chǔ)。,思考：（1）在冬天用電爐取暖和制熱空調(diào)取暖，哪種方式的效率更高？ （2）試分析以下火力發(fā)電過(guò)程。,6.3.1 有效能

13、與無(wú)效能的概念,(1)能量的分類 按可轉(zhuǎn)化為有用功的能力，分為三類： 高(品）質(zhì)能量：理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如電能、機(jī)械能； 僵態(tài)能量：理論上不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如海水、地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量； 低（品）質(zhì)能量：能部分轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如熱量、內(nèi)能、焓等。,6.3.1 有效能與無(wú)效能的概念,為了衡量能量的可利用程度或比較體系在不同狀態(tài)下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。 有效能：一定形式的能量,可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí),理論上所能做出的最大有用功的能力。常用B或Ex表示； 無(wú)效能：理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量。常用El表示。,推論 高質(zhì)能量=有

14、效能 僵態(tài)能量=無(wú)效能 低質(zhì)能量=有效能+無(wú)效能。,(1) 機(jī)械能、電能的有效能 機(jī)械能和電能全部是有效能，即 EX=W,（2）物理有效能 物理有效能是指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的有效能?；み^(guò)程中主要涉及： 與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過(guò)程（熱有效能）； 與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過(guò)程（壓力有效能）。,6.3.2 有效能的形式,（3）化學(xué)有效能 處于環(huán)境溫度與壓力下的系統(tǒng)，與環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng)，最后達(dá)到與環(huán)境平衡時(shí)，所能做的最大有用功。,在計(jì)算化學(xué)有效能時(shí)，不但要確定環(huán)境的溫度和壓力，而且要指定基準(zhǔn)物種類和濃度。,6.3.3 理想功、損失功,理想功：系統(tǒng)的狀態(tài)

15、變化以完全可逆方式完成，理論上產(chǎn)生最大功或者消耗最小功。 所謂的完全可逆，指的是不僅系統(tǒng)內(nèi)的所有變化是完全可逆的，而且系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量交換，例如傳熱過(guò)程也是可逆的。環(huán)境通常是指大氣溫度T0和壓力P0=0.1013MPa的狀態(tài)。 理想功是一個(gè)理想的極限值，可作為實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。,1 理想功的定義,穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：,假定過(guò)程是完全可逆的，而且系統(tǒng)所處的環(huán)境可認(rèn)為是個(gè)溫度為T0的恒溫?zé)嵩?。根?jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)與環(huán)境之間的可逆?zhèn)鳠崃繛?Qrev=T0S體系,忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化,2 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系理想功計(jì)算公式的推導(dǎo),穩(wěn)流過(guò)程的理想功只與狀態(tài)變化有關(guān)，即與初、終態(tài)以及環(huán)境溫

16、度T0有關(guān)，而與變化的途徑無(wú)關(guān)。 也就是說(shuō)，只要初、終態(tài)以及環(huán)境溫度T0相同，無(wú)論是否可逆過(guò)程，其理想功相同。 理想功與軸功的區(qū)別：理想功是完全可逆過(guò)程所作的功，它在與環(huán)境換熱Q過(guò)程中使用卡諾熱機(jī)作可逆功。軸功是實(shí)際過(guò)程中體系與環(huán)境所交換的功。,3 理想功的特點(diǎn),若對(duì)外做功，WidWRS 若對(duì)內(nèi)做功，WidWRS,例1,例2,4 損失功的定義,系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過(guò)程中，不可逆過(guò)程的實(shí)際功與完全可逆過(guò)程的理想功之差稱為損失功。,5 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程損失功,由于環(huán)境可視為恒溫?zé)嵩矗琎相對(duì)環(huán)境而言，是可逆熱，但是用于環(huán)境時(shí)為負(fù)號(hào)，即 - QT0S0 。,根據(jù)熱力學(xué)第二定律， S總 0 ，所以實(shí)際過(guò)程總

17、是有損失功的，過(guò)程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功也越大。 損失功不是狀態(tài)函數(shù)，與過(guò)程有關(guān)。 損失的功轉(zhuǎn)化為熱，使系統(tǒng)作功本領(lǐng)下降，因此，不可逆過(guò)程都是有代價(jià)的。,6 損失功的特征,6.3.4 有效能的計(jì)算,穩(wěn)流過(guò)程，從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，過(guò)程的理想功為：,當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)(P, T)變到基態(tài)(T0, P0)時(shí)穩(wěn)流系統(tǒng)時(shí)，,有效能：一定形式的能量,可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí),理論上所能做出的最大有用功的能力。,也就是說(shuō)，有效能在數(shù)值上等于系統(tǒng)從所處狀態(tài)變化到環(huán)境狀態(tài)過(guò)程中所作的理想功的負(fù)值。,習(xí)慣上，為保證有效能為正值，定義,變溫過(guò)程的熱有效能,A 熱有效能 溫度為T的恒溫?zé)嵩吹臒崃縌,

18、 其有效能按卡諾熱機(jī)所能做的最大功計(jì)算：,B 壓力有效能,對(duì)于理想氣體,每摩爾理想氣體的壓力有效能為,6.3.5 理想功與有效能的區(qū)別和聯(lián)系,理想功與有效能的區(qū)別 （1）終態(tài)不一定相同，理想功的終態(tài)不確定，而有效能的終態(tài)為環(huán)境狀態(tài)； （2）研究對(duì)象不同，理想功是對(duì)兩個(gè)狀態(tài)而言，可正可負(fù)，而有效能是對(duì)某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關(guān)，只為正值。,例3,小結(jié) 主要介紹了有效能、無(wú)效能、理想功和損失功四個(gè)概念； 學(xué)習(xí)了有效能、理想功和損失功的計(jì)算方法 比較了理想功和有效能之間的區(qū)別和聯(lián)系。,作業(yè) 1. 思考題： 在化工生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高能量的利用率，應(yīng)如何利用化工廠的低壓乏汽和熱水？ 采用什么途徑可以將化

19、石燃料轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，不受卡諾效率的限制？ 2. P172 計(jì)算題的第3小題,本節(jié)小結(jié),例 1 計(jì)算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程中N2從813K、4.052MPa變到373K、 1.013MPa時(shí)可做的理想功。（可視N2為理想氣體）N2的等壓熱容Cp=27.89+4.27110-3T kJ/(kmolK), T0=293K 。,解：,討論： 此例很好地說(shuō)明理想功是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，其大小與過(guò)程變化是否可逆無(wú)關(guān),例 2 求298K，0.1013MPa的水變成273K和同壓力下的冰的過(guò)程的理想功。設(shè)環(huán)境溫度分別為(1)298K；(2)248K。,解：忽略壓力的影響。查得有關(guān)數(shù)據(jù),(1) 環(huán)境溫度為298K，高于冰點(diǎn)時(shí),

20、表明若使水變成冰，需用冰機(jī)，理論上應(yīng)消耗的最小功為35.04kJ/kg。,(2) 環(huán)境溫度為248K，低于冰點(diǎn)時(shí),當(dāng)環(huán)境溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，水變成冰，不僅不需要消耗外功，而且理論上可以回收的最大功為44.61kJ/kg。,此例進(jìn)一步表明: 理想功不僅與系統(tǒng)的始、終態(tài)有關(guān)，而且與環(huán)境溫度有關(guān)。,例3 比較l.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的飽和蒸汽以及1.013MPa，573K的過(guò)熱蒸氣的有效能大小。取環(huán)境狀態(tài)P0.1013MPa、T0298.15K，并就計(jì)算結(jié)果對(duì)蒸氣的合理利用加以討論。,解：,討論 蒸汽1和2比較，表明壓力相同時(shí)，過(guò)熱蒸汽的有效能較飽和蒸汽大； 蒸汽2和3比較，

21、表明高壓蒸汽的有效能較低壓蒸汽的有效能為大 蒸汽2和4比較表明，溫度相同時(shí)，高壓蒸汽的焓值反較低壓蒸汽小,實(shí)際能量應(yīng)用的原則,防止能量無(wú)償降級(jí) 采用最佳推動(dòng)力方案 合理組織能量的梯次使用,6.4 蒸汽動(dòng)力循環(huán),6.4.1 Rankine蒸汽動(dòng)力循環(huán),T,4,3,2,1,Carnot Cycle,Energy Analysis 能量分析,Turbine 汽輪機(jī) 1-2 表示過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)中的可逆絕熱膨脹過(guò)程，則,T,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系，若忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化，則,Energy Analysis 能量分析,Condenser 冷凝器 2-3 表示乏汽在冷凝器中的等溫等壓冷凝過(guò)程，放出的熱量。Ws=0，則

22、,T,Energy Analysis 能量分析,Pump 水泵 3-4 表示冷凝水通過(guò)水泵由P3升壓至P4的可逆絕熱壓縮過(guò)程，需要消耗的軸功,把水看作是不可壓縮流體，則,T,Energy Analysis 能量分析,Boiler 鍋爐 4-1表示液體水在鍋爐中被等壓加熱汽化成為過(guò)熱蒸汽的過(guò)程。Ws=0，故,T,6.4.2 熱機(jī)的熱效率,火力發(fā)電廠的熱效率大約為37%,卡諾熱機(jī)的效率,理想Rankine循環(huán)的熱效率,蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量,熱效率的高低反映了不同裝置輸出相同功量時(shí)所消耗的能量的多少，它是評(píng)價(jià)蒸汽動(dòng)力裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。,Steam Consumption

23、汽耗率,作出單位量?jī)艄λ牡恼羝糠Q為汽耗率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。,當(dāng)對(duì)外作出的凈功相同時(shí)，汽耗率大的裝置其尺寸相應(yīng)增大。 汽耗率的高低可用來(lái)比較裝置的相對(duì)尺寸大小和過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。,工質(zhì)為水蒸氣時(shí),因?yàn)樗魵獠皇抢硐霘怏w，氣體的性質(zhì)不能用理想氣體方程計(jì)算，需要通過(guò)熱力學(xué)圖表或?qū)嶋H流體的狀態(tài)方程求得。,熱效率的計(jì)算,熱效率的計(jì)算方法,狀態(tài)1：根據(jù)P1、t1 值可查得 H1、S1值; 狀態(tài)2：S2=S1 ,根據(jù)P2、S2 值可查得 H2、t2值; 狀態(tài)3：P3=P2 ,查P3下的飽和液體可得 H3、V3 、 S3值;,T,狀態(tài)4：P4=P1,

24、 S4=S3, 根據(jù)P4、S4可查得 H4值; 或 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3),蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)的絕熱膨脹實(shí)際上不是等熵的，而是向著墑增加的方向偏移，用1 - 2線表示。 水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量，可不考慮不可逆的影響。 蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)膨脹，實(shí)際做出的功應(yīng)為H1 H2，它小于等熵膨脹的功H1 H2。兩者之比稱為透平機(jī)的等熵效率。,說(shuō)明：,T,實(shí)際 Rankine 循環(huán)的熱效率,T,例6-10 某一理想的Rankine循環(huán)，鍋爐的壓力為4MPa，產(chǎn)生440過(guò)熱蒸汽, 汽輪機(jī)出口壓力為0.004MPa,蒸汽流量60t/h, 求,（1） 過(guò)熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量； （2）乏

25、氣的濕度以及乏氣在冷凝器放出熱量； （3）汽輪機(jī)作出的理論功率和水泵消耗的理論功 率； （4）循環(huán)的熱效率。,（1）確定各點(diǎn)的參數(shù) 1點(diǎn)（過(guò)熱蒸汽）, 根據(jù)P1=4MPa、t1 =440 ,查過(guò)熱水蒸氣表 得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kgK); 2點(diǎn)（濕蒸汽）, P2=4kPa, S2=S1 =6.9041kJ/(kgK) , 查飽和水蒸氣表得 Hg=2554.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kgK) Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kgK) Vl=1.004cm3/g 2點(diǎn)處的干度為x 8.4746x+(1-x)0.4226=6

26、.9041 x=0.8050 H2=2554.40.805+(1-0.805) 121.46=2080.0,3點(diǎn)（飽和液體） P3=4kPa H3= Hl =121. 46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kgK) 4點(diǎn)（未飽和水） 方法1 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3) = 121.46+0.001004 (4000-4)=125.5kJ/kg 方法2 已知 P4=4MPa, S4=S3=0. 4226kJ/(kgK),查未飽和水性質(zhì)表，得,H4=126.1kJ/kg,（2）計(jì)算 過(guò)熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量 Q1=m(H1 - H4)=60 103 (3307.1

27、- 125.5) =190.9 106kJ/h 乏氣在冷凝器放出的熱量 Q2=m(H2 - H3)=60 103 (2080.0 - 121.5) =117.5 106kJ/h 乏氣的濕度為 1-x=1-0.805=0.195 汽輪機(jī)作出的理論功率,水泵消耗的理論功率,熱效率,例6-11 在某核動(dòng)力循環(huán)裝置，鍋爐溫度為 420 的核反應(yīng)堆吸入熱量Q1，產(chǎn)生壓力為7MPa、溫度為 360 的過(guò)熱蒸汽 (點(diǎn)1) ，過(guò)熱蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)膨脹作功后于0.008MPa壓力下排出(點(diǎn)2)， 乏氣在冷凝器中向環(huán)境溫度 t020 進(jìn)行定壓放熱變?yōu)轱柡退?點(diǎn)3)，然后經(jīng)泵返回鍋爐(點(diǎn)4)完成循環(huán)。已知汽輪機(jī)的額定功

28、率為5104kW，汽輪機(jī)作不可逆的絕熱膨脹，其等熵效率為0. 75，水泵作等熵壓縮。試求： (1)蒸氣的質(zhì)量流量； (2)乏氣的濕度； (3)循環(huán)的熱效率。,1點(diǎn)（過(guò)熱蒸汽）, 根據(jù)P1=7MPa、t1 =360 ,查過(guò)熱 水蒸氣表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kgK); 2點(diǎn)（濕蒸汽）, P2=0.008MPa, 查飽和水蒸氣表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kgK) Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kgK) 汽輪機(jī)作等熵膨脹 S2=S1 =6.2801kJ/(kgK) , S2=Sgx2+(1-x2)Sl 6

29、.2801=8.2287x2+(1-x2) 0.5926 x2=0.7448,H2=Hgx2+(1-x2)Hl =2577.0 0.7488+(1-0.7488) 173.88=1963.7 汽輪機(jī)作等熵膨脹過(guò)程1-2所作的理論功 WR WR=H2-H1=1963.7-3045.5= -1081.8kJ/kg 汽輪機(jī)作實(shí)際膨脹過(guò)程1-2所作的功 Ws Ws=sWR=-1081.8 0.75= - 811.4kJ/kg Ws=H2 - H1 H2 = H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg 汽輪機(jī)作實(shí)際膨脹后乏氣的干度為x2 H2=Hgx2+(1-x2)Hl 2234.1=

30、2577.0 x2+(1- x2) 173.9 x2 =0.8573,乏氣的濕度為 1-0.8573=0.1427 3點(diǎn) 0.008MPa飽和液體 H3=173.88kJ/(kgK) S3=0.5926kJ/(kgK) 4點(diǎn) P4=7MPa, S4=S3=0.5926kJ/(kgK) 查未飽和水性質(zhì)表,173.74 0.5698,340.44 1.0707,H4=181.33kJ/kg,插值,水泵所消耗的功 WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg 熱效率,p1, t1, p2,影響熱效率的參數(shù)？,提高朗肯循環(huán)熱效率的措施,s,6,5,4,3,2,1,T,s,T,6,5

31、,4,3,2,1,蒸汽初溫對(duì)郎肯循環(huán)熱效率的影響,s,T,6,5,4,3,2,1,蒸汽初壓對(duì)郎肯循環(huán)熱效率的影響,s,T,6,5,4,3,2,1,乏汽壓力對(duì)郎肯循環(huán)熱效率的影響,缺點(diǎn)： 受環(huán)境溫度限制，現(xiàn)在大型機(jī)組p2為0.00350.005MPa，相應(yīng)的飽和溫度約為27 33 ，已接近事實(shí)上可能達(dá)到的最低限度。冬天熱效率高,學(xué)習(xí)Rankine蒸汽動(dòng)力循環(huán)的能量分析及其計(jì)算； 介紹了熱機(jī)效率的概念,本節(jié)小結(jié),卡諾熱機(jī)的效率 Rankine循環(huán)熱機(jī)效率及計(jì)算,提高Rankine熱機(jī)效率的措施,6.5 制冷循環(huán),蒸發(fā)器,冷凝器,q0,q2,1,2,3,4,6.5.1 逆向Carnot循環(huán),6.5 制冷循環(huán),循環(huán)的吸熱量 q0=TL(S1-S4) 循環(huán)的放熱量 q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4) HqWS 制冷劑完成一個(gè)循環(huán) H0，凈功為 制冷系數(shù),逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù) 逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)溫度的函數(shù)，與工質(zhì)無(wú)關(guān)。 在相同溫度區(qū)間工作的制冷循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最大。 制冷循環(huán)中，高溫