《化工热力学》课程授课教案（讲稿）第七章 压缩、制冷和蒸汽动力循环

课程名称：《化工热力学》第周，第16讲次摘要第七章压缩、制冷和蒸汽动力循环第一节气体压缩过程授课题目（章、节）本讲目的要求及重点难点：【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握压缩过程热力学分析和压缩机轴功的计算。理解多级压缩的原理及压缩功的计算。[重点】压缩过程热力学分析和压缩机轴功的计算。【难点】压缩机轴功的计算。内容【本讲课程的引入】气体的压缩过程在化工生产中是很常见的，如石油裂解分离、空气液化分离、合成氨用压缩气体，及一些需要在高压下进行的化学反应也需事先对气体加压。化工厂用于气体压缩的动力消耗占很大比重，因此，压缩功（理论的和实际的）的计算是很重要的。常用于压缩气体的机械有压缩机（终压>0.3Mpa，压缩比>4）鼓风机（终压0.015～0.3Mpa，压缩比<4=，通风机（终压<0.015Mpa=（表压）。按运动机构，压缩机分为往复式和叶轮式，无论那种运动机构，它都是耗功设备，需要外界输入功。要用气轮机，内燃机，电动机等产功设备来带动。。【本讲课程的内容】一.压缩过程热力学分析：先以理想的压缩过程为例进行分析理想压缩过程：整个过程均为可逆，不存在任何摩擦损耗，输入的功完全用于压缩气体。对于往复式压缩机，假定在排气时汽缸中的气体完全排除，不留余隙容积（余隙容积：排气终了时，压缩腔内被残余气体占有的容积，称为余隙容积）。如图为往复式压缩机汽缸简图，讨论不同的压缩P232a2b2c一活塞排气阀冲程P.1图7-1往复式压缩机压缩过程示意图冲程：活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程。1.恒温压缩过程：气体状态为Vi，压力Pi，对应P-V图上点1

课程名称：《化工热力学》 第 周，第 16 讲次 摘 要 授课题目（章、节） 第七章压缩、制冷和蒸汽动力循环 第一节气体压缩过程 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握压缩过程热力学分析和压缩机轴功的计算。理解多级压缩的原 理及压缩功的计算。 【重 点】压缩过程热力学分析和压缩机轴功的计算。 【难 点】压缩机轴功的计算。 内 容 【本讲课程的引入】气体的压缩过程在化工生产中是很常见的，如石油裂解分离、空气液化 分离、合成氨用压缩气体，及一些需要在高压下进行的化学反应也需事先对气体加压。化工 厂用于气体压缩的动力消耗占很大比重，因此，压缩功（理论的和实际的）的计算是很重要 的。 常用于压缩气体的机械有压缩机（终压＞0.3Mpa，压缩比＞4）鼓风机（终压 0.015～0.3Mpa， 压缩比＜4＝,通风机（终压＜0.015Mpa＝（表压）。 按运动机构，压缩机分为往复式和叶轮式，无论那种运动机构，它都是耗功设备，需要外界 输入功。要用气 轮机，内燃机，电动机等产功设备来带动。 【本讲课程的内容】一.压缩过程热力学分析： 先以理想的压缩过程为例进行分析 理想压缩过程：整个过程均为可逆，不存在任何摩擦损耗，输入的功完全用于压缩气体。对 于往复式压缩机，假定在排气时汽缸中的气体完全排除，不留余隙容积（余隙容积：排气终 了时，压缩腔内被残余气体占有的容积，称为余隙容积）。 如图为往复式压缩机汽缸简图，讨论不同的压缩 P2 3 2a 2b 2c 活塞 排气阀 P 冲程 P1 4 图 7-1 往复式压缩机压缩过程示意图 冲程：活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程。 ⒈恒温压缩过程：气体状态为 V1，压力 P1，对应 P-V 图上点 1 1

开始活塞在最右端，体积V1，压力P1，两个阀门均关闭，随着活塞从右向左移动，体积逐渐减小，压力逐渐增大，直到加到P2，整个过程无气体排除，PV沿曲线1→2a变化，若为理想气体，恒温压缩过程，△H=0，则Q=Ws放热，消耗功。(-) (-)即此压缩过程的外加功全部转化为热，为保持恒温，必须将热量及时排出。当气体压力达到P2时（已达到排气阀开启压力），活塞继续向移动，排气阀打开，气体排出，一直使活塞到达最左端，气体全部排出。整个过程维持压力（P2）不变，直到V2=0，PV线沿2a→3变化，到达最左端，汽缸不再有气体。当活塞向右返回时（两阀都关闭），压力从P2降直P1，3-→4，在Pi压力下进行阀打开，并在保持Pi的情况下，气体不断吸入，体积不断增大，一直最右端，整个过程为等压吸气过程，4→1。2.绝热压缩过程：初态仍为Pr，Vi，但绝热压缩到P2，由于与外界无热量传递，压缩过程产生的热量全部用来升高气体的温度，压缩终了使体系的温度升高，压缩过程产生的热量全部用来升高气体的温度。T2=T(P2/P）（-)/(k为绝热指数，理想气体)。：Tz>T：终态体积必大于等温过程终态体积，绝热压缩沿1-→2c曲线进行，此曲线服从PV=常数的关系。3.多变压缩过程。在实际情况下，既不能做到完全的等温，也不会没有一点热量的损失，因此等温压缩和绝热压缩是两种极限情况。真实压缩过程往往介于等温和绝热压缩之间，称为多变压缩过程。其终态温度T<T<T2，因此终态体积应位于2a和2c之间，压缩沿曲线1-→2b进行，此曲线服从PV=常数的关系，m称为多变指数。1<m<k在PV图上可以看到，做功大小可以12341所围的面积表示，因此就功的绝对值而言，等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，多变过程居中。因此，为了减小损耗，压缩机都装有冷却设备（水夹套或翅片），可以放走压缩过程中所产生的热量。水夹套是通过冷却水的流动吸取汽缸壁传出的热量称为水冷，翅片是通过增大散热面积，让外界空气把热量带走，称为风冷。），但无论是水冷还是风冷，都不可能将产生热量全部放走，实际压缩只能尽量接近等温过程，但却无法实现等温过程。一，单级压缩机可逆轴功的计算：1.等温压缩理想气体：AH=0,Ws(R)=Q2

开始活塞在最右端，体积 V1，压力 P1，两个阀门均关闭，随着活塞从右向左移动，体积逐渐 减小，压力逐渐增大，直到加到 P2，整个过程无气体排除，PV 沿曲线 1→2a 变化，若为理想 气体，恒温压缩过程，ΔH=0，则 Q = WS 放热，消耗功。 （-） （-） 即此压缩过程的外加功全部转化为热，为保持恒温，必须将热量及时排出。 当气体压力达到 P2 时（已达到排气阀开启压力），活塞继续向移动，排气阀打开，气体 排出，一直使活塞到达最左端，气体全部排出。整个过程维持压力（P2）不变，直到 V2=0， PV 线沿 2a→3 变化，到达最左端，汽缸不再有气体。当活塞向右返回时（两阀都关闭），压 力从 P2降直 P1，3→4，在 P1压力下进行阀打开，并在保持 P1的情况下，气体不断吸入，体积 不断增大，一直最右端，整个过程为等压吸气过程，4→1。 ⒉绝热压缩过程： 初态仍为 P1，V1，但绝热压缩到 P2，由于与外界无热量传递，压缩过程产生的热量全部 用来升高气体的温度，压缩终了使体系的温度升高，压缩过程产生的热量全部用来升高气体 的温度。T2= T1（P2/ P1）((k-1)/k) (k 为绝热指数，理想气体)。∵T2＞T1 ∴终态体积必大于等 温过程终态体积，绝热压缩沿 1→2c 曲线进行，此曲线服从 PVK =常数的关系。 ⒊多变压缩过程。 在实际情况下，既不能做到完全的等温，也不会没有一点热量的损失，因此等温压缩和 绝热压缩是两种极限情况。真实压缩过程往往介于等温和绝热压缩之间，称为多变压缩过程。 其终态温度 T1＜T＜T2，因此终态体积应位于 2a 和 2c 之间，压缩沿曲线 1→2b 进行，此曲线 服从 PVm =常数的关系，m 称为多变指数。1＜m＜k 在 PV 图上可以看到，做功大小可以 12341 所围的面积表示，因此就功的绝对值而言，等 温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，多变过程居中。因此，为了减小损耗，压缩机都装有 冷却设备（水夹套或翅片），可以放走压缩过程中所产生的热量。水夹套是通过冷却水的流动 吸取汽缸壁传出的热量称为水冷，翅片是通过增大散热面积，让外界空气把热量带走，称为 风冷。），但无论是水冷还是风冷，都不可能将产生热量全部放走，实际压缩只能尽量接近等 温过程，但却无法实现等温过程。 一.单级压缩机可逆轴功的计算： ⒈等温压缩 理想气体： ,0 RS )(  QWH 2

"nR dP =-nRT,InBWS(R)=QlpPF可逆轴功由气体初态温度和压缩比决定，T，越大，压缩比越大，耗功越多。2.绝热过程：Q=0AH = -Ws(R) AH =nC,(T, -T)nCpTRAH =nCRCK-..AHK.WnRTK绝热指数K与气体的性质有关，严格的说与温度也有关。在化工热力学的粗略计算中理想气体的K可取：单原子气体：K=1.667双原子气体：K=1.40三原子气体：K=1.333常压下几种气体的K值见表6-1y混合气体的绝热指数K，可按下式计算：Km-1K,-1K,为混合气体中某组分的绝热指数，y,为混合气体中某组分的摩尔数。有公式可知：气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下绝热指数K和压缩比。3.多变过程：气体在实际压缩中，通常都是介于绝热很等温之间的多变过程，多变过程的PVT关系和压缩功的计算与绝热过程相似，只不过将公式中K用多变指数m代替，因此3

1 2 1 1 )( ln 2 1 2 1 P P nRTdP P nRT QW VdP P P P P RS    可逆轴功由气体初态温度和压缩比决定，T1越大，压缩比越大，耗功越多。 ⒉绝热过程： Q  0  WH RS )(   12 *  P  TTnCH K K P P TT 1 1 2 12                                                                           1 1 1 1 2 ** 1 * 1 1 1 2 * 1 1 1 2 1 * K K cP P K K P K K P P P nRT CC C P P R RTnC T P P TnCH K C C V P                                               1 1 1 1 1 1 2 11 1 1 2 1 K K K K P P VP K K P P nRT K K H                                             1 1 1 1 1 1 2 11 1 1 2 )( 1 K K K K RS P P VP K K P P nRT K K W 绝热指数 K 与气体的性质有关，严格的说与温度也有关。在化工热力学的粗略计算中理想气 体的 K 可取： 单原子气体：K =1.667 双原子气体：K=1.40 三原子气体：K=1.333 常压下几种气体的 K 值见表 6-1 混合气体的绝热指数 Km 可按下式计算：     i i i m K y K 1 1 1 Ki 为混合气体中某组分的绝热指数， 为混合气体中某组分的摩尔数。 i y 有公式可知：气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下绝热指数 K 和压缩比。 ⒊多变过程： 气体在实际压缩中，通常都是介于绝热很等温之间的多变过程，多变过程的 PVT 关系和 压缩功的计算与绝热过程相似，只不过将公式中 K 用多变指数 m 代替，因此 3

-普[()Ws(R)m-对于有水夹套的往复式压缩机，1K.4.真实气体压缩功的计算：工业生产中，很少遇到理想气体，有时要将气体压缩到很高的压力[如合成氨厂氮氢压缩机的高压段出口压力可达15Mpa（150atm）]，对一些易液化的气体进行压缩（如氨压缩机），也不能按理想气体处理。(1)当Z变化不大时Z进-Z若压缩机进出口Z变化不大，可取平均值，乙，然后将其看成常数。/2等温压缩：-Wsca=ZunRT,inP绝热压缩：-Ws(R)~ZmnRTm多变压缩：-WnRS(R)m-l(2)易液化气体易液化气体在压缩过程中压缩因子变化较大，必须借助热力学图表计算。绝热过程：-Ws(R)=AH多变过程：-Ws(R)=△H-Q多变进程：只要知道汽缸夹套带走热量，和进出温度、压力，查表求出△H。可求出Ws。绝热过程：已知压缩机进出口温度和压力，可借助于T-S图或P-H图（第四章介绍），查得进出口烩值，求△H，就可知Ws。若只知P1、TI、P2，不知道T2，可试差法，假定T2→用普遍化关联法求△S△S=0，T2即为可逆过程终温→普遍化关联法求△H△S≠0，重新试差，直至△S=0。例 6-6多级压缩功的计算

                                            1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 )( 11 m m m m RS P P nRT m m P P VP m m W 对于有水夹套的往复式压缩机，1＜m＜K，如空气压缩机，K=1.40，m=1.25。离心式压缩 机一般无水夹套。由于克服流体阻力所消耗的工全部转化为热，使温度较绝热过程还高，此 时 m＞K. ⒋真实气体压缩功的计算： 工业生产中，很少遇到理想气体，有时要将气体压缩到很高的压力[如合成氨厂氮氢压缩 机的高压段出口压力可达 15Mpa(150atm)],对一些易液化的气体进行压缩（如氨压缩机），也 不能按理想气体处理。 ⑴当 Z 变化不大时 若压缩机进出口 Z 变化不大，可取平均值，   2 ZZ 出进 Zm   ，然后将其看成常数。 等温压缩： 1 2 )( 1 ln P P  mRS nRTZW 绝热压缩：                      1 1 1 2 )( 1 K K mRS P P nRTZW 多变压缩：                       1 1 1 1 2 )( 1 m m RS m P P nRTZ m m W ⑵易液化气体 易液化气体在压缩过程中压缩因子变化较大，必须借助热力学图表计算。 绝热过程： RS )(  HW 多变过程：  RS )(    QHW 多变进程：只要知道汽缸夹套带走热量，和进出温度、压力，查表求出△H 。可求出 WS®。 绝热过程：已知压缩机进出口温度和压力，可借助于 T-S 图或 P-H 图（第四章介绍），查得进 出口焓值，求△H ，就可知 WS®。 若只知 P1、T1、P2，不知道 T2，可试差法，假定 T2→用普遍化关联法求△S △S=0，T2即为可逆过程终温→普遍化关联法求△H △S≠0,重新试差，直至△S=0。 例 6-6 多级压缩功的计算 4

气体的压缩，通常都是采用分级压缩，因为单级压缩（由常压压缩到很高的压力）使压缩比很高，压缩近于绝热，使终温很高，不仅在机械结构上带来困难（使汽缸、管道、阀门等易腐蚀损坏），而且温度过高是润滑、设备材质方面难于解决（润滑必须使温度低于润滑油的闪点），另外，过高温度会引起气体的分解和聚合（甚至会引起爆炸），因此必须采用多级压缩。多级压缩可用适的压缩比，并且各级都设有中间冷凝器，使之更趋近于等温压缩。对于多级压缩，假定每级压缩后，使其通过中间冷却器进行等压降温，将气体冷却到第次进气温度，中间各级压力分别为P2、P3、使依次进行多变压缩和冷却，使气体压力增大，而温度不至于升的过高，多级应为各级压缩所消耗功的代数和，因此可减少总的功耗。T多级压缩1、4---汽缸；2、5---中间冷却器；3、6---油水分离器-以二级压缩为例如图3-11为二级压缩的PV图，气体从P:压至P2，若进行单级等温压缩，功为ABGFHA所包围的面积，若为单级绝热压缩。则功为ABCDHA所包围的面积。若采用二级压缩，先将气体绝热压缩到某个中间压力P2，此为第一级压缩，以曲线BC表示，所耗功为BCIAB包围的面积，然后将压缩气体导入中间冷凝器，冷却直初温。冷却过程为CG（恒压降温），第二级绝热压缩，沿曲线GE进行，所耗功为曲线GEHIG所包围的面积。则二级压缩与单级压缩相比，节省的功为CDEGC所包围的面积（阴影部分）。若中间级数越多越接近等温压缩线BGF，但计数越多零部件和附属装置越多，造价也越大，而且经过阀门、中间冷凝器的压降也越大。当级数超过某一数值后，节省的动力费就可能不足以抵消设备费用的增长，所以一般往复式压缩为2～5级，最多不能超过七级。5

气体的压缩，通常都是采用分级压缩，因为单级压缩（由常压压缩到很高的压力）使压缩比 很高，压缩近于绝热，使终温很高，不仅在机械结构上带来困难（使汽缸、管道、阀门等易 腐蚀损坏），而且温度过高是润滑、设备材质方面难于解决（润滑必须使温度低于润滑油的闪 点），另外，过高温度会引起气体的分解和聚合（甚至会引起爆炸），因此必须采用多级压缩。 多级压缩可用适的压缩比，并且各级都设有中间冷凝器，使之更趋近于等温压缩。 对于多级压缩，假定每级压缩后，使其通过中间冷却器进行等压降温，将气体冷却到第 一次进气温度，中间各级压力分别为 P2、P3、P4.使依次进行多变压缩和冷却，使气体压力 增大，而温度不至于升的过高，多级压缩所消耗的总功，应为各级压缩所消耗功的代数和， 因此可减少总的功耗。T 2 5 1 T1 P2 T1 P3 1 4 T1 3 多级压缩 1、4-汽缸；2、5-中间冷却器；3、6-油水分离器 以二级压缩为例 如图 3-11 为二级压缩的 PV 图，气体从 P1压至 P2，若进行单级 等温压缩，功为 ABGFHA 所包围的面积，若为单级绝热压缩。 则功为 ABCDHA 所包围的面积。若采用二级压缩，先将气体 绝热压缩到某个中间压力 P2 ′ ，此为第一级压缩，以曲线 BC 表示，所耗功为 BCIAB 包围的面积，然后将压缩气体导入中 间冷凝器，冷却直初温。冷却过程为 CG（恒压降温），第二级 绝热压缩，沿曲线 GE 进行，所耗功为曲线 GEHIG 所包围的面 积。则二级压缩与单级压缩相比，节省的功为 CDEGC 所包围的面积（阴影部分）。 若中间级数越多越接近等温压缩线 BGF，但计数越多零部件和附属装置越多，造价也越大 ， 而且经过阀门、中间冷凝器的压降也越大。当级数超过某一数值后，节省的动力费就可能不 足以抵消设备费用的增长，所以一般往复式压缩为 2～5 级 ，最多不能超过七级。 5

气体通过多级压缩，压缩比选择很重要。如果选择的中间压力能使总的功耗最小，则此压力称为最佳中间压力，可以证明各级压缩比相等时，总的压力功耗最小。设某理想气体由P1压缩至PS+1（S级压缩）则总功耗为各级压缩功之和。0-1PmYm" +"PV[1-PV[1-WS(R)=J+..P,V,[1m-1m-1P.m-1D因唯已设各级进气温度相同，且为理想气体。故PV=PV,=…=PVs=RT,因此上式写成。mRTSWs(R) S---压缩机级数m+使绝热值最小的条件使它对中间各压力的一阶偏导数等于零，即[aWs(R)[OWs(R)[OWs(R)=0=0=0aPsap,ap,Jpp...JAP...JRB....P_PPs±L =PsPP于是得：(压缩比）:P,=PrP =Pr=Pr2P+, =Pr=Pr代入表示总功的式子,则所以最适宜的压缩比rPm-l_11-1SmSmP-11-Ws(R)RT1=PVPP(3-41a)m-lm-实际多级压缩因各级有水冷却器及油水分离器等，都存在压力降。因为实际压缩比数值比理论求得的r高1.11.5倍。四、气体压缩的实际功耗以上介绍压缩功的计算都只是适用于无任何摩擦损耗的可逆过程，但实际过程都存在摩擦，必定有一部分功耗散为热。例如，机内流体流动阻力，可能存在涡流、瑞流以及气体泄WsWs(R)

气体通过多级压缩，压缩比选择很重要。如果选择的中间压力能使总的功耗最小，则此压力 称为最佳中间压力，可以证明各级压缩比相等时，总的压力功耗最小。 设某理想气体由 P1 压缩至 PS+1(S 级压缩)则总功耗为各级压缩功之和。 因唯已设各级进气温度相同，且为理想气体。故 因此上式写成。                                            1 1 1 2 3 1 1 2 )( 1 1 m m S S m m m m RS P P P P P P SRT m m W  S-压缩机级数 使绝热值最小的条件使它对中间各压力的一阶偏导数等于零，即 于是得: (压缩比) 所以最适宜的压缩比 S S P P r 1 1  代入表示总功的式子,则 (3-41a) 实际多级压缩因各级有水冷却器及油水分离器等，都存在压力降。因为实际压缩比数值 比理论求得的 r 高 1.1～1.5 倍。 四、气体压缩的实际功耗 以上介绍压缩功的计算都只是适用于无任何摩擦损耗的可逆过程，但实际过程都存在摩 擦，必定有一部分功耗散为热。例如，机内流体流动阻力，可能存在涡流、湍流以及气体泄 ] 1 1[ 1 1[ ] 1 1[ ] 1 1 1 2 3 22 1 1 2 )( 11 m m s s SS m m m m RS P P VP m m P P VP m m P P VP m m W                                       VPVP 2211    SS  RTVP 1 0 31 )(          PP  S RS P W 0 31 2 )(          PP  RS P W 0 21 3 )(          PP  RS P W r P P P P P P 2 S S  3 1 1 2    12 rPP s ss1  1rPrPP 2 123  rPrPP [ ] ] 1 1 1 1 11 1 1 1 ( 1                     m m S m m S RS P VP m Sm P P RT m Sm W [ 1 1 1 1 )        P 6 WS W RS )(

漏等均造成部分损耗，另外，由于传动机械和轴承的机械摩擦、活塞与气缸的摩擦等也要消耗一部分功，因此实际需要的功要比可逆轴功大（绝对值）设n㎡为考虑各种摩擦损耗因素的机械效率。W,-Ws由压缩机类型及实际而异，由实验测定。7m五、叶轮式压缩机叶轮式压缩机分为离心式和轴流式两种类型，常用的是高速离心式压缩机。往复式压缩机是靠活塞的往复运动吸排气，因此转速不高，排气量小，而且有余隙容积，而叶轮式压缩机克服了这些缺点，其转速比活塞式压缩机高几十倍，可连续地吸排气，且没有余隙容积，所以机体小排气量较大，但压缩比较小，若需要较高的压力则需要很多级，另因气体流速大，各部分的摩擦损失也较大，使n降低。在叶轮式压缩机中，由于叶轮的高速旋转造成负压，使气体以很大的流速流入（动能大），后经弯道进入扩压器（由动能转变为势能），使压力增高。一般，当需要气量大而压缩比不太大时采用叶轮式压缩机，反之，气量小而压缩比要求较高时采用往复式压缩机。【本讲课程的小结】今天我们主要介绍了（1）压缩过程热力学分析。（2）单级压缩功的计算（3）多级压缩功的计算。本讲课程的作业】复习压缩过程热力学分析和压缩功的计算。7

漏等均造成部分损耗，另外，由于传动机械和轴承的机械摩擦、活塞与气缸的摩擦等也要消 耗一部分功，因此实际需要的功 要比可逆轴功 大（绝对值） 设 m 为考虑各种摩擦损耗因素的机械效率。 m S S W W   由压缩机类型及实际而异，由实验测定。 五、叶轮式压缩机 叶轮式压缩机分为离心式和轴流式两种类型，常用的是高速离心式压缩机。往复式压缩 机是靠活塞的往复运动吸排气，因此转速不高，排气量小，而且有余隙容积，而叶轮式压缩 机克服了这些缺点，其转速比活塞式压缩机高几十倍，可连续地吸排气，且没有余隙容积， 所以机体小排气量较大，但压缩比较小，若需要较高的压力则需要很多级，另因气体流速大， 各部分的摩擦损失也较大，使 m 降低。 在叶轮式压缩机中，由于叶轮的高速旋转造成负压，使气体以很大的流速流入（动能大），后 经弯道进入扩压器（由动能转变为势能），使压力增高。 一般，当需要气量大而压缩比不太大时采用叶轮式压缩机，反之，气量小而压缩比要求 较高时采用往复式压缩机。 【本讲课程的小结】今天我们主要介绍了（1）压缩过程热力学分析。（2）单级压缩功的计算 （3）多级压缩功的计算。 本讲课程的作业】复习压缩过程热力学分析和压缩功的计算。 7

课程名称：《化工热力学》第周，第17讲次摘要授课题目（章、节）第二节蒸汽动力循环本讲目的要求及重点难点：【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握卡诺循环和朗肯循环的原理、特点及热力学分析，了解朗肯循环的改进方法。[重 点】卡诺循环、朗肯循环原理、过程热力学分析。【难点】朗肯循环。内容【本讲课程的引入】化工生产中要输送物料，因此需要输送设备要耗功（动力：推动设备的力即功）。化工生产过程需要在一定条件下（T、P）进行，有做功和热传递，有些反应过程放出大量的热，反应后的气体温度有的高达千度。因此可用这些“余热”产生动力。（如：甲烷转化放出大量热，如某种装置将能量进行转化将热变成功（动力）。因此，在现代化大型合成氨和尿素工厂中，合理利用工艺过程本身放出的热能，不仅不需外界供电，甚至还能向外界供电或输送蒸汽，达到了动力自给而且有余的程度。这是化工生产现代化的先进标志之一。由于热量传递的推动力一一温度差不能直接产生功，所以利用某种装置，借助于某种介质可将其转化为功，其中最易使用的是水蒸气，用蒸汽将热转化为功的循环称为蒸汽动力循环。本节介绍蒸汽动力循环过程，并应用T一S图进行热力学分析。【本讲课程的内容】一、卡诺循环“物化”中已详细介绍过卡诺热机。整个循环为四个步骤：压缩、吸热、膨胀、放热。动力循环是将热能转化为功。最早的提出效率最高的是卡诺循环。取循环为封闭体系：AH=Q-W(W--净功）T一S图对卡诺循环应用：整个卡诺循环由两个等温过程和两个等嫡过程组成，而且每一过程均为可逆。那么如何将卡诺循环变为简单的蒸汽动力循环呢？首先以水蒸气为工质：1、一般取锅炉为高温热源Th，锅炉：1→2（图见62）流体在恒温T，和恒压下汽化，产生高压蒸汽。能量平衡方程为：QH=AH=H,-H

课程名称：《化工热力学》 第 周，第 17 讲次 摘 要 授课题目（章、节） 第二节蒸汽动力循环 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握卡诺循环和朗肯循环的原理、特点及热力学分析，了解朗肯循 环的改进方法。 【重 点】卡诺循环、朗肯循环原理、过程热力学分析。 【难 点】朗肯循环。 内 容 【本讲课程的引入】化工生产中要输送物料，因此需要输送设备要耗功（动力：推动设备 的力即功）。化工生产过程需要在一定条件下（T、P）进行，有做功和热传递，有些反应过 程放出大量的热，反应后的气体温度有的高达千度。因此可用这些“余热”产生动力。（如： 甲烷转化放出大量热，如某种装置将能量进行转化将热变成功（动力）。因此，在现代化大 型合成氨和尿素工厂中，合理利用工艺过程本身放出的热能，不仅不需外界供电，甚至还 能向外界供电或输送蒸汽，达到了动力自给而且有余的程度。这是化工生产现代化的先进 标志之一。由于热量传递的推动力——温度差不能直接产生功，所以利用某种装置，借助 于某种介质可将其转化为功，其中最易使用的是水蒸气，用蒸汽将热转化为功的循环称为 蒸汽动力循环。本节介绍蒸汽动力循环过程，并应用 T—S 图进行热力学分析。 【本讲课程的内容】 一、卡诺循环 “物化”中已详细介绍过卡诺热机。整个循环为四个步骤：压缩、吸热、膨胀、放热。 动力循环是将热能转化为功。最早的提出效率最高的是卡诺循环。 取循环为封闭体系：      WWQH NN  净功 T—S 图对卡诺循环应用：整个卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程组成，而且每一过 程均为可逆。那么如何将卡诺循环变为简单的蒸汽动力循环呢？ 首先以水蒸气为工质： 1、一般取锅炉为高温热源 ，锅炉： TH  21 （图见 62） 流体在恒温 和恒压下汽化，产生高压蒸汽。 TH 能量平衡方程为： H   HHHQ 12 8

摘平衡：Qu=TAS=T(S,-S)QH锅炉WsTurTHWspunp2水泵平TL3冷凝器65LT-S图上的卡诺循环简单的蒸汽动力装置2、透平：2→3在绝热可逆情况下操作：（绝热膨胀）能量平衡方程为：-WsTu=AH=H-H,摘平衡：AS=0=S-S,S, = S23、透平排出的废气（称冷气）经冷凝器凝结为水：Q, = T,AS= T(S4-S,)O, = AH = H, - H,4、泵：泵使工作物质恢复到原来的能量水平。将液态水送回锅炉。能量平衡式：Wspump=H,-H4嫡平衡式：AS=S,-S4因此，整个循环：AH=Q-WN =0Q=WNW%=WsTur +Wspump=Q=Q +Q,=Qu/-[Q,（Q为高温热源吸热，9,为低温热源放热）卡诺热机循环的热效率：W-Qu+QL=1+Cn. =QHQnQH从T—s图中：-T,(S,-S4)=Q,Th(S, -S,)=QHAS相等9

熵平衡：   12 HH H  SSTSTQ 2、透平：  32 在绝热可逆情况下操作：（绝热膨胀） 能量平衡方程为： STur  HHHW 23 熵平衡： 0   SSS 23  SS 23 3、透平排出的废气（称冷气）经冷凝器凝结为水： L  HHHQ 34    LL   L  SSTSTQ 34 4、泵：泵使工作物质恢复到原来的能量水平。将液态水送回锅炉。 能量平衡式： spump  HHW 41 熵平衡式： 41  SSS 因此，整个循环：  0 WQH N  WQ N N sTur spump  QQQQQWWW LHLH （ 为高温热源吸热， 为低温热源放热） QH QL 卡诺热机循环的热效率： H L H LH H N c Q Q Q QQ Q W     1 从 T—S 图中：   L 43  QSST L   H  12  QSST H S 相等 9

.%=11Qn-1"Th.n。=1-=岁=12341所围面积ThQh12561所围面积因此，卡诺热机效率与工质无关，仅于高低温两热源温度有关。.n。=(T,T)。由讨论可知，即使整个循环皆由可逆过程构成，但是由于受到必须向环境热源放热的限制而小于1。要使n。=1，必须使高温热源温度无限高，低温热源温度0K，很显然，这样两个温度都是不能达到的，所以热机效率也不可能等于1。由于在卡诺热机中每一步都是可逆的，因而在给定的高、低温热源之间，卡诺机的热效率最高，但是实际上它是不可能实现的。第一、如果我们企图使循环中的吸热和放热的步骤可逆的进行。则高、低温热源和锅炉以及冷凝器中工作物质的温差都将是无穷小。很显然这将导致锅炉和冷凝器无穷大，为了使设备不致过于庞大，所以使工作物质和温源之间存在一定的温差是必要的，这样一来，则工质最高温度将低于高温热源温度。而放热时最低温度将高于低温热源温度，当7卖1过程改变，使2到过热蒸汽，状态4应为过冷液体（至少为饱和液体），所以，与卡诺循环的区别：吸热过程为变温过程。但是过程也为近似，由于机械摩擦和流体内摩擦，不能实现绝热可逆膨胀。1、高温吸热：1→2该过程分为三步：先将水加热到沸点，然后在恒温、恒压下汽化变成饱和蒸汽，再将饱0

H L H L T T Q Q 1 所围面积 所围面积 12561 12341 1  H N H L c Q W T T  因此，卡诺热机效率与工质无关，仅于高低温两热源温度有关。   c  TTf LH 。由讨论 可知，即使整个循环皆由可逆过程构成，但是由于受到必须向环境热源放热的限制而小于 1。 要使c  1，必须使高温热源温度无限高，低温热源温度 0 K，很显然，这样两个温度都是 不能达到的，所以热机效率也不可能等于 1。 由于在卡诺热机中每一步都是可逆的，因而在给定的高、低温热源之间，卡诺机的热 效率最高，但是实际上它是不可能实现的。第一、如果我们企图使循环中的吸热和放热的 步骤可逆的进行。则高、低温热源和锅炉以及冷凝器中工作物质的温差都将是无穷小。很 显然这将导致锅炉和冷凝器无穷大，为了使设备不致过于庞大，所以使工作物质和温源之 间存在一定的温差是必要的，这样一来，则工质最高温度将低于高温热源温度。而放热时 最低温度将高于低温热源温度，当 实 c W 。第二、即使是最好的膨胀机和压缩机，也不可 能在完全可逆的情况下操作。因此，在膨胀和压缩过程中都将不可避免的要发生某些能量 的退化，即机械能转化为热能，压缩机所需实际功大于可逆压缩最小功。而膨胀机所产生 的实际功则小于可逆膨胀的最大功。即： 实  WN 、 实 c  90% 。另外在工程上实施卡诺循 环也有困难：（1）若状态 2 为饱和蒸汽，在透平中放热膨胀为状态 3（对应于透平出口点） 为汽—液混合。在透平机中机器无法承受。因为透平机中形成汽—液混合物。凝出的饱和 水将使透平发生侵蚀现象。因此实际透平需求蒸汽干度 。（2）泵压缩液体由 ， 4 为水泵入口，若进入气体会发生气蚀，汽—液混合物使泵不能运转。因此卡诺热机是一个 理想的、不能实现的热机。它的意义在于：提供了一个实际热机与之比较的最高标准。  14 第一个有工业价值的、循环为朗肯循环。 二、朗肯循环：（朗肯蒸汽动力循环的简称）（图见 64 页） 朗肯循环与卡诺循环类似，但将 、 过程改变，使 2 到过热蒸汽，状态 4 应为过冷液体（至少为饱和液体），所以，与卡诺循环的区别：吸热过程为变温过程。但是 过程也为近似，由于机械摩擦和流体内摩擦，不能实现绝热可逆膨胀。  32  14 1、高温吸热：  21 该过程分为三步：先将水加热到沸点，然后在恒温、恒压下汽化变成饱和蒸汽，再将饱 10