《化工热力学》课程教学资源（PPT课件）第七章 压缩、制冷与蒸汽动力循环

主讲：龙小柱第七章压缩、制冷和蒸家.汽动力循环

第七章 压缩、制冷和蒸 汽动力循环

主讲：龙小柱引言循环：系统从初态开始，经历一系水汽列的中间状态后文重新回到初态液态水此封闭的热力过程称为循环。循环本质：功与热之间的相互转化加热能量的转化：借助工质在循环过程周而复始的发生p-T-中连续不困图7-1水吸收热变为水蒸气，其能量可以顶开壶盖。V变化，状态变化过程中将热转化为功。动力循环正向循环制冷循环逆向循环工质的膨胀和压缩构成了这两类循环的基本元素W-1/30-空气压缩机

引 言 图7-1水吸收热变为水蒸气，其能量可以 顶开壶盖。 循环:系统从初态开始，经历一系 列的中间状态后，又重新回到初态， 此封闭的热力过程称为循环。 循环本质:功与热之间的相互转化。 能量的转化：借助工质在循环过程 中连续不断、周而复始的发生p-T￾V变化，状态变化过程中将热转化 为功。 动力循环—正向循环 制冷循环—逆向循环 工质的膨胀和压缩构成了这两类循 环的基本元素。 空气压缩机

主讲：龙小柱.7.11活塞压气体的还他活的压气过程塞7.1.2 压缩过程的图7-2活塞式压气机的理想过程热力学分析PATrP20bac0Vi图7-4压缩过程的T-S图图7-3压缩过程的p-V图

7.1 气体的压缩 ❖ 7.1.1 活塞式压气机 ❖ 的压气过程 ❖ 7.1.2 压缩过程的 ❖ 热力学分析 图7-2 活塞式压气机的理想 过程 图7-3 压缩过程的p -V 图 图7-4 压缩过程的T -S 图

主讲：龙小柱等温线1→2T等温压缩过程绝热线1→2S绝热压缩过程多变压缩过程，实际的压缩过程是多变压缩过程，多变线12m(Ws.R)绝热>(WS.R)多变>(Ws.R)等温T.,绝热 >T2,多变 >T,等温>VV2,绝热 >V2,多变2,等温pV= p2V2 = pV等温过程方程式绝热过程方程式plV* = pVk = pVkk为绝热指数：实际（多变）过程方程pV" = p2V" = pVmm为多变过程指数1<m<k

❖ 等温压缩过程，等温线1→2T ❖ 绝热压缩过程，绝热线1→2S ❖ 多变压缩过程，实际的压缩过程是多变压缩过程，多变线 1→2m ❖ 等温过程方程式 ❖ 绝热过程方程式 ❖ 实际（多变）过程方程 1 1 2 2 pV p V pV = = 1  m k (W W W S R S R S R , , , )   ( ) ( ) 绝热 多变 等温 V V V 2, 2, 2, 绝热   多变 等温 2, 2, 2, T T T 绝热   多变 等温 1 1 2 2 k k k p V p V pV = = k为绝热指数 1 1 2 2 m m m p V p V pV = = m 为多变过程指数

主讲：龙小柱（或耗功若为可逆过程，按照“得功为正入为正）”的规定，其轴功可按式(7-1)计算(W.,R)=[v.dp=n[VdpJ.s-(7-1)Pi理想气体等温、多变及绝热压缩过程的方程式代入式(7-1)积分得理论功耗的计算式P2P2= RT InW.n= p,V,In(7-2a)S,R等温PiPiP2RT-1(7-3a)s,R绝热k-PimP2RT(7-4a)Ms,R多变m-1Pi

❖ 若为可逆过程，按照“得功为正（或耗功 为正）”的规定，其轴功可按式(7-1)计算 ❖ 理想气体等温、多变及绝热压缩过程的方 程式代入式(7-1)积分得理论功耗的计算式。 ( ) 2 2 1 1 1 , d d J s p p s R t p p W V p n V p − = =    (7-1) ( ) 1 2 1 1 1 2 , 1 ln ln p p pV p p ws R = RT = 等 温 (7-2a) ( ) 1 2 , 1 1 1 1 k k s R k p w RT k p −       = −   −         绝热 （7-3a） ( ) 1 2 , 1 1 1 1 m m s R m p w RT m p −       = −   −         多变 （7-4a）

主讲：龙小柱压缩过程：状态1→2压缩过程除T,P,V[P:低→高】和能量变化外1.PVT大→小还可能发生T：低→高什么现象？2.状态能量：低→高3.过程耗功量Ws:绝热>多变>等温P2ZRTInW(7-2b)压缩真实气体sR等温P1其耗功的计算kP2ZRT(7-3b)公式又将如SR绝热k-Pi何?mP(7-4b)ZRTs.R多变m-1P

( ) 12 , 1 ln pp w s R = ZRT 等温 (7 -2b) ( ) 1 2 , 1 1 Z 1 1 k k s R k p w RT k p −       = −   −         绝热 (7 -3b) ( ) 1 2 , 1 1 Z 1 1 mm s R m p w RT m p −       = −   −         多变 (7 -4b) 压缩真实气体， 其耗功的计算 公式 又将如 何？

主讲：龙小柱【例7-1】某厂每天至少需要1.0MPa的压缩空气100m3，用于生产因此，要将室温（取20C）的空气从常压的0.1MPa压缩至1.0MPa要求技术人员通过计算，选择、确定所需要的空气压缩机的技术参数以便购买时参考。如果技术人员是你，如何处理？假定进出口平均压缩因子为1.05。提示：如果耗功较少、压缩空气的温度升高不大，一般比较有利。可分别计算可逆等温压缩、可逆绝热压缩及可逆多变压缩过程的耗功量及最终温度等技术参数，以便采购时参考。求三种压缩过程的功耗和终温解（1）可逆等温压缩过程，由式(7-2b），得P2(w.r) = = ZRT l n(1pi1.0=1.05×8.314×293.15ln0.1=5893J·mol-l过程等温T2,等温 = T = 293.15 K1×106P.V100=0.475mol.s*lRT,8.314×293.1524x3600

❖ 【例7-1】某厂每天至少需要1.0 MPa的压缩空气100 m3，用于生产。 因此，要将室温（取20℃）的空气从常压的0.1MPa压缩至1.0MPa， 要求技术人员通过计算，选择、确定所需要的空气压缩机的技术参数， 以便购买时参考。如果技术人员是你，如何处理？假定进出口平均压 缩因子为1.05。 ❖ 提示：如果耗功较少、压缩空气的温度升高不大，一般比较有利。可 分别计算可逆等温压缩、可逆绝热压缩及可逆多变压缩过程的耗功量 及最终温度等技术参数，以便采购时参考。 ❖ 求三种压缩过程的功耗和终温。 ❖ 解（1）可逆等温压缩过程，由式(7-2b)，得 ( ) 2 , 1 1 ln 1.0 1.05 8.314 293.15ln 0.1 s R p w ZRT p   =     =   等温 -1 =5893J mol  过程等温 2, 1 T T 等温 = = 293.15 K 6 2 2, -1 2 1 10 100 0.475 .s 8.314 293.15 24 3600 t p V n mol RT  = =  =  

主讲：龙小柱= 2799J.s-1s.R等温童温（2）可逆绝热压缩过程，由式（7-3b）得k_lkP2ZRTR绝热k-1p1.411.41.01.4x1.05×8.314x293.15x1.4-11= 8336 J·mol-l=3960 J.s-1W热=ns,R）绝热s,R）绝热由理想气体的绝热过程方程式得Pl*T*=p*T，因此绝热压缩的终温为1-k11.41.01.4293.15>=565.98K0.1P（3）取空气的多变指数m=1.2，可逆多变压缩过程功耗由式（7-4b）计算

( ) ( ) 1 , , 2799 W n w J s s R s R − = =  等温 等温 （2）可逆绝热压缩过程，由式（7-3b）得 ( ) 1 2 , 1 1 1.4 1 1.4 1 1 1.4 1.0 1.05 8.314 293.15 1 1.4 1 0.1 k k s R k p w ZRT k p − −       = −   −             =     −     −       绝热 -1 =  8336 J mol ( ) ( ) 1 , , 3960 W n w J s s R s R − = =  绝热 绝热 由理想气体的绝热过程方程式得 1 1 1 1 2 2 k k k k p T p T − − = ，因此绝热压缩的终温为 1 1 1.4 1.4 2 2, 1 1 1. 293.15 565.98 K 0.1 k k S p T T p − −     = =  =         0 （3）取空气的多变指数m=1.2 ，可逆多变压缩过程功耗由式（7-4b）计算

主讲：龙小柱mZRTWs,R）多变m-1.211.21.01.2x1.05×8.314×293.15x0.11.2-1= 7182 J ·mol-l=3411J.sS.R多变多变Tn1-"T" = p-"/由多变过程的方程式01-m[-1.21.0m1.2P2=293.15x= 430.3 K0.1p

( ) 1 2 , 1 1 1 1 m m s R m p w ZRT m p −       = −   −         多变 1.2 1 1.2 1.0 1.2 1.05 8.314 293.15 1 1.2 1 0.1 −     =     −     −       -1 =  7182 J mol ( ) ( ) 1 , , 3411 W n w J s s R s R − = =  多变 多变 由多变过程的方程式 1 1 1 1 2 2 m m m m p T p T − − = 1 1 1.2 1.2 2 2 , 1 1 1.0 293.15 430.3 K 0.1 m m p T T p − −     = =  =         多变

主讲：龙小柱讨论：从计算可知，把一定量的气体从相同的初态压缩到相同的终压时，绝热压缩消耗的功为3960Js-1，为最大值等温压缩2799Js-1，为最小值：多变压缩3411Js-1，介于两者之间。实际生产过程中，消耗的功越多，表明生产成本越高、利润越少。绝热压缩后被压缩气体的温度565.98k，为最高；等温压X缩后为293.15K，为最低；多变压缩后为430.3K，介于两者之间。实际上，温度过高将不利于保证压气机汽缸得到良好的润滑和机器的安全运行。因此，在出口压力达到1.0MPa的条件下，选择多变压缩指数m较小的空气压缩机为宜。7.2 气体的膨胀V7.2.1节流膨胀高压流体流经管道中的某一节流元件（如孔板、节流阀、毛细管等)，迅速膨胀到低压的过程称节流膨胀。特点：过程等焰由热力学第一定律：△H=0膨胀阀

❖ 讨论：从计算可知，把一定量的气体从相同的初态压缩到 相同的终压时，绝热压缩消耗的功为3960Js-1，为最大值； 等温压缩2799Js-1，为最小值；多变压缩3411Js-1，介于 两者之间。实际生产过程中，消耗的功越多，表明生产成 本越高、利润越少。 ❖ 绝热压缩后被压缩气体的温度565.98K ，为最高；等温压 缩后为293.15 K ，为最低；多变压缩后为430.3 K ，介于 两者之间。实际上，温度过高将不利于保证压气机汽缸得 到良好的润滑和机器的安全运行。 ❖ 因此，在出口压力达到1.0 MPa的条件下，选择多变压缩 指数 m 较小的空气压缩机为宜。 7.2 气体的膨胀 7.2.1 节流膨胀 膨胀阀 高压流体流经管道中的某一节流元件(如孔板、节 流阀、毛细管等)，迅速膨胀到低压的过程称节流 膨胀。特点：过程等焓 由热力学第一定律：ΔH = 0