工程热力学第9讲-第二部分复习-工质热力性质及热力过程计算.ppt

工程热力学 第十一讲 山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所,过程装备与控制工程专业,本讲内容,1 复习 Ch3 工质性质（理想气体、实际气体、水蒸汽、湿空气） Ch4 热力过程 Ch5 火用分析基础 Ch6 热力循环 2 练习 3 测验,复习,CH3 工质性质,1 掌握理想气体的状态方程 2 掌握定压比热、定容比热 3 掌握理想气体及其混合物的内能、焓、比热、熵的计算方法 4 掌握实际气体的状态方程 5 会用普遍化压缩因子和常用的状态方程计算实际气体的状态参数 6 掌握水蒸汽的一点二线三区五态。 7 能熟练使用水蒸汽图表。 8 掌握湿空气的特性,会使用焓湿图计算。,理想气体,定义： 理想气体是从实际气体抽象出来的物理模型。 所谓理想气体是一种经过科学抽象的假想气体，认为气体分子是完全弹性的、不占据体积的质点，分子之间不存在相互作用力。 实质： 实际气体在压力趋近于0，比容趋近于无穷时的极限状态。 应用： 理想气体实际上是不存在的。在温度不太低，压强不太大的情况下，可将实际气体看做是理想气体 T常温，p7MPa的双原子分子，如O2、 N2、 Air、 CO、 H2 、 汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等可看做是理想气体。 三原子分子（H2O, CO2)一般不能当作理想气体。 特殊情况下，如空调的湿空气，高温烟气的CO2 ，可以。,理想气体状态方程,理想气体状态方程,p：绝对压力，Pa ； T：热力学温度，K,统一单位（最好均用国际单位）,计算时注意事项：,理想气体混合物的参数计算,原则：各组分的参数按照其分压和混合气体的温度确定。 广延量（H、U 、S、m、n）计算：混合物的总量等于其各组分相应参数的总和。 比参数计算（h、u 、s、c） ：混合气体的比参数等于其各组分相应参数与质量分数乘积的总和。 千摩尔量（h、u 、s、c）计算：混合气体的千摩尔量等于其各组分相应参数与摩尔分数乘积的总和。 道尔顿分压定律:,实际气体： 在较高密度上,气体的p-V-T的行为关系脱离理想气体状态方程。 应用：工程实际中，工质常在高压、深冷等特殊状态下工作。 举例：如超高压聚氯乙烯装置几百兆帕；冷库工作介质深冷环境，气液两相。 压缩因子： 定义： 压缩因子的实质是反映了气体压缩性的大小。Z值偏离1的大小可表示它偏离理想气体的程度。对理想气体 即Z = 1，对实际气体，Z可以大于、小于或等于1。 压缩因子与物质的种类、物质所处的状态有关。在一般的情况下，Z随气体的压力和温度而变化。,实际气体和压缩因子,实际气体状态方程,实际气体状态方程是研究实际气体热力性质的基本方程。 其导出方法有：实验法、经验法、半经验法、理论法。 纯理论性的气体状态方程的代表维里方程。 范德华方程式是半经验半理论方程。 范德瓦尔方程的意义：指出了理想气体与实际气体的主要区别，且范德华常数有明确的物理意义，故有较高的理论价值。 R-K 方程式可以称作最成功的双参数状态方程。 多参数方程本身含大量参数，其计算较为麻烦，形式不够简洁。但对于少数几种参数已经精确测定的常见物质，可以很精确地计算。 由实验得出的状态方程式：,气体状态方程的选用,1 接近理想（高温低压），精确度要求不高时，使用理想气体状态方程。 2 理论研究应使用理论意义明确的方程，如维里方程。 3 一般性计算可使用精确度较好且不是很烦琐的半经验半理论方程。如范德华方程，RK方程等。 4 一次性的或偶尔进行的高精度运算应使用普遍化程度低，精度极高的多参数方程。 另外补充一下，在工程计算等大量例行计算常用其他较为简单的方法，而不需要通过方程的计算来得到结果。例如用压缩因子法来判断气体状态等。 总的而言，对于低、中密度而言,各种状态方程是适用的;对于高密度,譬如超临界流体性质的研究,则气体的状态方程无能为力。,纯物质的状态,纯物质的状态: 临界状态： 自然界中的各种物质都存在临界状态，此时其液态的比体积与气态比体积相同。 讨论： 一点（临界点）三区五线,水蒸气p-v图，T-s图,一点 二线 三区 五态,五种状态： 未饱和水；饱和水；湿饱和蒸汽；干饱和蒸汽；过热蒸汽。,湿蒸气区状态参数的确定,湿蒸气的实质是饱和液体和饱和蒸气的混合物。 纯物质的饱和温度和饱和压力是一一对应的，不相互独立。 为确定湿蒸气的状态，引入干度 x 作为补充参数。 杠杆规则：,水蒸气焓熵(h-s)图,1904年德国人莫里尔首先绘制，也称莫里尔图。,在计算循环中的功、热、效率方面非常方便。,湿空气,湿空气与一般理想混合气体的最大区别是水蒸气的成分可能变化。 饱和湿空气 = 干空气 饱和水蒸气 温度一定，不能再加入水蒸气 未饱和湿空气 = 干空气 过热水蒸气 温度一定，可以再加入水蒸气 绝对湿度：每立方米湿空气中含有水蒸气的质量。 相对湿度：湿空气中水蒸气的实际含量接近最大可能含量的程度。 含湿量：湿空气所含水蒸气质量与所含干空气质量之比。,湿空气的比容： 湿空气的焓： 计算方法：按理想混合气体计算。 工程上焓值零点规定：取0 时，干空气的焓、饱和水的焓为0。 简化：空气比热取定值。 温度单位： 湿空气的熵： 计算方法：按理想混合气体计算。 工程上熵值零点规定：取0 、1bar时的熵值为0。 简化：比热按定值计算。 压力单位：kPa 温度单位：K,湿空气,湿空气的焓湿图,不同的pb 不同的h-d图,=100%,td,tw,t,湿球温度tw=绝热饱和温度,热湿比：h-d图上为直线 经常作为过程斜率出现,CH4 热力过程,熟练掌握理想气体的定容、定压、定温、绝热、多变过程中状态参数p、v、T、u、h、s的计算，过程量Q、W的计算。 能定性分析理想气体p-v 、T-s图上的过程。 熟练利用h-s图和蒸气表计算水蒸气的热力过程。 能利用h-d图进行湿空气的典型过程分析。 熟悉节流、压气机、膨胀机、锅炉、汽轮机中热力过程。,过程计算,计算步骤： (1) 根据过程特点，列出过程方程式； (2) 建立基本状态参数间的关系式； (3) 在pv图、Ts图上绘出过程曲线； (4) 计算u，h，s； (5) 计算过程中的能量传递、转换量：q，w，wt。,理想气体过程计算公式,可逆过程 第一定律 理想气体 过程方程 状态方程 其他关系式,计算要决,工质性质（理想/实际） R k cp cv 状态方程（初态/终态）p v R T Z m V 过程方程（简化） 能量方程（功/热/内能） 质量方程（ n m换算/守恒） （理想气体）焓、熵、内能/比热,理想气体的p-v 、T-s图 ,h0,u,h (T ) w (v ) wt (p ) q (s ),蒸气的热力过程分析方法,理想气体的热力过程分析方法： 公式计算法 蒸气的热力过程分析方法： 利用图表 (1).定性：p-v图 T-s图 p-T图 (2).定量：h-s图(热机) lgp-h图(制冷),研究蒸气热力过程的依据,1)第一定律 2)状态参数 查图、查表 3)过程参数（可逆过程）,研究蒸气热力过程的步骤,研究步骤： (1).利用图表，由已知的初态参数确定未知的初态参数； (2).利用图表，根据过程特点和已知的终态参数确定未知的终态参数； (3).由初态参数和代入有关公式计算过程中的能量传递、转换量：q，w，wt。,水蒸气图、表的应用,应用： 1.已知某状态任意两个独立参数（p，v，t，u，h，s，x） 就能查出其余各参数，并可判别工质的状态。 2.分析计算热力过程中工质状态变化及与外界的能量交换。 分析计算的一般步骤： （1）已知任意两个初态参数，查出其它各初态参数（p1，v1，t1，u1，h1，s1，x1）。 （2）根据过程条件（定压、定温、定熵、定容）及终态的一个参数，查得终态各参数（p2，v2，t2，u2，h2，s2，x2）。 （3）根据初终态参数及过程条件计算能量交换。 （4）将过程表示在状态图上（p-v，T-s，h-s）。,湿空气的基本热力过程,单纯加热或冷却过程 特点：含湿量不变 冷却去湿过程 特点：凝析前含湿量不变，凝析后水蒸气饱和 增压冷凝过程 特点：比较压力是否饱和以确定凝析情况 绝热加湿过程 特点：绝热，近似定焓 加热加湿过程 特点：能量守恒，吸热等于焓增，过程需补充条件 绝热混合过程 特点：能量、质量守恒,绝热节流,概念：流体在管道中流过突然缩小的截面，而又未及与外界进行热量交换的过程。 过程的基本特性等焓、压降 h1h2 推导： 根据 Q=0 + 第一定律,焦耳汤姆逊效应,时间：1852年 实验装置： 结论：节流前后，气流温度发生变化 原因：h = f ( p , T ) 分析： 理想气体：节流后，焓不变、温度不变、压力降低、比容增大，由于是不可逆绝热过程，节流后熵的值增大。 实际气体：节流前后焓不变，但温度有三种可能，即升高、不变或降低。,压气机,压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机，而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机。 压气机分类： 按工作原理和构造：容积式（活塞式或往复式）压气机 、速度式（叶轮式或离心式）压气机、特殊引射式压缩器。 按压缩气体压力范围：通风机（110 kPa) 、鼓风机（110400 kPa) 、压气机（400 kPa)。（绝压） 压气功的耗量可认为等于技术功。,可能的压气过程,特别快，来不及换热。 绝热过程 特别慢，热全散走。 定温过程 实际压气过程是 多变过程,单级活塞式压缩机的理论耗功,讨论： 对压缩机而言，示功图 p-V 图所包围的面积表示压缩机的耗功，从 p-V图可以看出定温压缩耗功最少，而绝热压缩所消耗的机械功最大。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。 通常为多变压缩, 1nk。,余隙容积,余隙容积：空气压缩机在排气时，活塞位于上死点位置，它和气缸壁保留一部分空间，这些空间叫作余隙容积 原因：防止排气时，活塞与气缸壁碰撞，引起事故。压气机余隙容积的存在，则余隙容积残留气体在工作中产生气垫作用，增强压气机在运行中的平稳性。 影响：生产量、理论耗功,余隙容积的存在，避免了活塞与进排气阀碰撞，是必须的。 余隙容积的存在，使容积效率降低，每周期吸气量变小。 余隙容积的存在，对压缩定量气体的理论耗功没有影响。 余隙容积的存在，使得单级增压具有最大值。,多级压缩和级间冷却,多级压缩和级间冷却是指气体依次在几个气缸中连续压缩，同时为了避免过高的温度和减少气体的比容以降低下一级所消耗的功，在前一级压缩后，将气体引入中间冷却器进行定压冷却至初始温度，然后进行下一级继续压缩，直到所需要的压力为止。 作用：降低排气温度，节省功耗，增大容积效率。,p,V,节流膨胀与定熵膨胀的关系,这就说明了在相同条件下等熵膨胀系数大于节流膨胀系数,因此由等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的致冷效果。, 任何气体均有V0 Cp0,恒大于零.,CH5 火用分析基础,火用是系统由任一状态经可逆过程变化到与给定环境状态相平衡时所做的最大理论功。 符号：Ex Ex的基本含义是以环境为基准时系统的理论做功能力。 Ex的本质是系统与环境之间存在着不平衡势。 凡是不能转换成火用的能量称为火无。 符号：An 在能量转换过程中，火用和火无的总和恒定不变。 E = Ex + An,热一律和热二律的Ex含义,热一律：一切过程， Ex+An总量恒定。 热二律：由An转换为Ex不可能；在可逆过程中，Ex保持不变 ；在不可逆过程中， 部分Ex转换为An。 孤立系Ex减原理：任何一孤立系， Ex只能不变或减少，不能增加。,能量贬值原理,能不仅有数量，还有品质！ 能量贬值原理：在不可逆过程中，能量的数量不变，但Ex减小了，能量的品质下降，能级降低了，做功能力下降了。 能级分析在大系统的能量匹配中有用。如果供能的能级与用户的用能能级差较小，则匹配就比较合理。,技术上可行、经济上合理,一项工程能被人们所接受必须具备两个条件：一是技术上的可行性；二是经济上的合理性。 经济效果可用效率型指标表示，如下式： 经济效果收益/费用 或用价值型指标表示： 经济效果收益费用 经济效果和技术效果是密不可分的，经济效果包含技术效果。,CH6 热力循环,熟练掌握朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成。 会利用蒸汽图表对循环进行热力分析和计算。 掌握提高蒸汽动力循环热效率的方法和途径。 熟悉热电联供循环。 掌握空气和蒸汽压缩制冷循环的组成。 掌握制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。 了解制冷剂的热力学要求和环保要求。 了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷、热泵、空调原理。 掌握气体液化循环的原理和特点。,动力循环,动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功。 研究目的：合理安排循环，提高热效率。 动力循环的分类：,气体卡诺循环,工质：气体 效率：最高效率 缺点： 定温吸热和定温放热两个过程在实际上难以实现； 在p-v图上，气体定温线与绝热线的斜率相差不大，所以每次完成的功较小。,蒸汽动力循环,蒸汽动力循环：以蒸汽为工质，在湿蒸汽区，可以克服气体卡诺循环的两个缺点。 实际生产中不采用蒸汽卡诺循环。 原因： 湿蒸汽的绝热压缩难以实现，缺少压缩汽水混合物的合适设备； 定熵膨胀的末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利； 蒸汽比容比水大上千倍，压缩时设备庞大，耗功也大； 由于上限温度受限于临界温度，温差不可能很大，因此热效率不高，每循环完成的功也不大。,朗肯循环,4,3,2,1,T,s,朗肯循环功和热的计算,汽轮机作功 凝汽器中的定压放热 水泵绝热压缩耗功 锅炉中的定压吸热,提高朗肯循环热效率的途径,改变循环参数,提高初温度,提高初压力,降低乏汽压力,改变循环形式,回热循环,再热循环,改变循环形式,热电联产,燃气-蒸汽联合循环,新型动力循环,IGCC,PFBC-CC,.,朗肯循环的改进,朗肯循环热效率有限： 乏汽的压力和温度受限于环境，降低的可能很小。 提高初始压力虽然可以提高朗肯循环的效率，但是由于乏汽干度下降，对汽轮机的运行会产生不利后果。 提高蒸汽进入汽轮机的初温又会对锅炉、管道、阀门的材质、强度提出更高的要求。 存在两个温差吸热造成朗肯循环效率变低。 朗肯循环的改进：回热循环、再热循环等。,蒸汽回热循环,(1- )kg, kg,6,5,a,s,4,3,2,1,1kg,T,由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功,蒸汽再热循环,热电联产(供)循环,用发电厂汽轮机后的乏汽的余热来满足低热用户的需要。 原因： 乏汽的能量数量多，但由于压力和温度低，可用能很少，无法得到充分的利用。 生活和生产中需要耗费大量燃料以产生大量温度不太高的热能。 热电联供将二者结合起来，一方面产生动力，另一方面提供低品位的热能。由此节约的能量比因动力循环效率下降而损失的能量多，综合节能效果非常显著。,制冷循环的计算内容,1,4,2,3,T2,T,s,T0,制冷量q2,耗净功w0, 制冷量, 循环放热量, 循环耗净功, 制冷系数,性能系数,空气压缩制冷循环,优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。 缺点：不能实现等温传热，空气比热很小，换热量小。,以电能/机械能直接驱动的制冷循环,回热空气压缩制冷循环,（1）同样制冷系数下，增压比下降，这为采用大流量的叶轮式压气机和膨胀机提供可能； （2）增压比减小，使压缩过程和膨胀过程的不可逆损失的影响减小。,以电能/机械能直接驱动的制冷循环,压缩蒸汽制冷循环,以电能/机械能直接驱动的制冷循环,吸收式制冷循环,制冷剂(氨) 吸收剂（水）,优点： 直接利用热能； 可用低品质热； 环境性能好。 缺点： 设备体积大； 启动时间长。,以热能直接驱动的制冷循环,蒸汽喷射制冷循环,以热能直接驱动的制冷循环,制冷剂,制冷剂是制冷机（包括电冰箱）用来实现能量转换的工作物质，又称制冷工质。 制冷剂的分类 根据制冷剂化学成份及组成可分为四类，即无机化合物、碳氢化合物、氟里昂系列和混合共沸溶液。 根据蒸发温度的高低，制冷剂可分为三大类: 高温低压制冷剂_水、盐水溶液：适用于0以上的制冷循环，被广泛用于空调装置。 中温中压制冷剂_氯化钠、氯化钙的水溶液：用于5-50制冷装置中。 低温高压制冷剂_R11、三氯乙烯：适用于低于-50的制冷装置。,选用制冷剂的基本原则,1.安全性 2.热力学特性: 蒸发潜热要大。 临界温度要高于环境温度。 凝固点要低。 操作压力要合适。 制冷剂的导热系数和放热系数要高。 3.其它要求: 制冷剂的粘度和密度要尽量小。 在高温下不会分解，稳定。 无毒，没有明显的侵蚀作用。 易于与润滑油混合。 有一定的吸水能力。 价格便宜，易于购买 。 冷冻剂对环境应该无公害。,热泵,逆向循环不仅可以用来制冷，还可以把热能释放给某物体或空间，使其温度升高。作这一用途的逆向循环系统称为热泵。 用途：将热能从低温热源送往高温热源。 热泵与制冷机在热力学原理上是完全相同的，它们的区别主要有两点： 两者的目的不同。 两者的工作温区往往有所不同。,热泵与制冷循环的比较,热泵循环的计算,T1,T,s,T0,耗净功w0,吸热量q2,耗净功w0,供暖量w0q2, 供暖量, 吸热量, 循环耗净功, 供暖系数,深冷循环（气体液化循环）,深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体。 当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力都不能使其液化。因此，气体的临界温度越低，所需要的液化温度越低。 如：氮气 Tc=126.2K(-146.95) 氢气 Tc=33.2K(-249.95) 气体液化循环方式：节流膨胀(林德循环),定熵膨胀(克劳德循环) 。,练习,填空题,理想气体的实质是实际气体在压力趋近于_，比容趋近于_时的极限状态。 _是能发生气液相转变的最高温度。 锅炉是将_转变为_的设备。,判断题,理想气体吸热后熵一定增大； 理想气体吸热后温度一定升高； 理想气体吸热后内能一定增大。,简答题,为什么工质的内能、焓、熵为0的基准可以任选？理想气体通常选哪个状态？水和水蒸气通常选哪个状态？ 理想气体内能和焓有何特点？ 道尔顿分压定律是否适用于实际气体？ 实际气体性质与理想气体性质差异产生的原因是什么？在什么条件下才可以把实际气体作为理想气体处理？ 压缩因子Z的物理意义怎么理解？能否将其当作常数处理？ 范德瓦尔方程的精度不高，但在实际气体状态方程中它的地位却很高，为什么？,作图题,某一个由等熵压缩、等容加热、等压加热、等熵膨胀、等容放热过程组成的循环，若去掉其中某一过程（原过程先后顺序不变），由剩余四个过程组成循环，指出哪些循环是可能的，哪些循环是不可能的，并将原循环以及后来组成的可能和不可能的循环表示在p-v和T-s图上。,作图题,有1kg空气，在15C和0.5MPa的状态下，定压加热到200C，然后绝热膨胀，温度降低到100C，接着定容冷却到15C，最后等温压缩到初始状态。所有过程都是可逆的，并已知空气的k=1.4，cp=1.004kJ/kg.K，cv=0.715kJ/kg.K，R=0.287kJ/kg.K，试将该循环画在p-v和T-s图上。,计算题,计算题题型 1 状态参数计算 2 过程参数计算 3 效率计算 计算要决 工质性质（理想/实际） R k cp cv 状态方程（初态/终态）p v R T Z m V 过程方程（简化） 能量方程（功/热/内能） 质量方程（ n m换算/守恒） （理想气体）焓、熵、内能/比热,习题1,试证：理想气体在T-s图上任意两条定压线间的水平距离相等。,分析： 要证明理想气体在T-s图上任意两条定压线间的水平距离相等，实际就是要证明,习题1,证： 由图可知，1-2为定温过程 ，3-4为定温过程 又 故,习题2,习题3,已知：氮气由初态p1，t1绝热膨胀到终态v2。 分别按下列过程计算熵的变化量。 可逆绝热膨胀； 向保持恒外压p2的气缸膨胀。 向真空膨胀。,习题3,解：计算熵的变化量：关键是确定初终状态。 熵是状态量，其变化量只与初终状态有关，而与过程无关。 可逆绝热膨胀； 向保持恒外压p2的气缸膨胀。 向真空膨胀。,习题4,一容积为0.15m3的储气罐内有氧气，初态温度t1=38，压力p1= 0.55MPa，罐上装有压力控制阀，压力超过0.7MPa时，阀门打开维持罐内压力为0.7MPa，对罐内氧气加热，问：当