7.1 可压缩流体的管道流动可压缩流体的管道流动高等化工热力学第7章 流动过程热力学是以流动过程热力学是以质量平衡质量平衡、能量平衡能量平衡、熵平衡熵平衡为基础。为基础。以气体通过管道为例。如果已知气体进出口的状态，就可以应用以气体通过管道为例。如果已知气体进出口的状态，就可以应用热力学第一定律热力学第一定律(质量、能量守恒质量、能量守恒)确定气体与环境交换的能量；如确定气体与环境交换的能量；如果进出状态资料不全面，就必须了解果进出状态资料不全面，就必须了解过程机理过程机理、流动细节流动细节、进出进出口途径口途径。 流体流动来自于流体内部的流体流动来自于流体内部的压力梯度压力梯度，并因此伴随着温度、，并因此伴随着温度、粘度、浓度的梯度；但粘度、浓度的梯度；但任何一点任何一点的强度性质的强度性质(密度、比热等密度、比热等)，则完，则完全由该点的全由该点的温度温度、压力压力、组成组成所确定，而不受任何梯度影响。所确定，而不受任何梯度影响。 先来考虑可压缩流体先来考虑可压缩流体(气体气体)在无轴功、无势能变化条件下的绝在无轴功、无势能变化条件下的绝热、稳态、一维流动；再将导出的热力学方程应用于管道、喷嘴热、稳态、一维流动；再将导出的热力学方程应用于管道、喷嘴等起适合的地方。等起适合的地方。7.1.1 气体管道流动的质量、能量方程气体管道流动的质量、能量方程高等化工热力学第7章 在第在第3章中，我们得出稳流过程的章中，我们得出稳流过程的能量方程能量方程： 在无轴功、无势能变化、无换热的稳定流动管道内：在无轴功、无势能变化、无换热的稳定流动管道内： 根据物质的根据物质的连续性方程连续性方程： 在稳定流动中：在稳定流动中： 下面的任务是确定流体的下面的任务是确定流体的体积体积V及及速度速度u在流动中的规律。在流动中的规律。7.1.2 气体管道流动的物性关系气体管道流动的物性关系高等化工热力学第7章 首先，对于组分不变的气体，首先，对于组分不变的气体，体积体积V可表示为可表示为S、p的函数：的函数： 为了解决两个偏导数，利用为了解决两个偏导数，利用体积膨胀系数体积膨胀系数和和等温压缩系数等温压缩系数： 热力学基本关系：热力学基本关系： 第一个偏导数为：第一个偏导数为：气体管道流动的物性关系气体管道流动的物性关系(2)高等化工热力学第7章 在物理学中，推导的流体在物理学中，推导的流体声速声速c的方程如下：的方程如下： 将两个偏导数代入将两个偏导数代入dV中：中： 两边除以两边除以V得：得：对照：对照： 可见，还需要处理可见，还需要处理du，再从能量平衡方程开始：，再从能量平衡方程开始：第二个偏导数为：第二个偏导数为：气体管道流动的物性关系气体管道流动的物性关系(3)高等化工热力学第7章可得：可得：将上述得到的将上述得到的dV、du代入可得：代入可得：同除以同除以u2：合并整理得：合并整理得：同乘以同乘以u2：由此建立了由此建立了dS、dp、dA的关系的关系气体管道流动的物性关系气体管道流动的物性关系(4)高等化工热力学第7章在声学中，定义在声学中，定义Mach(马赫马赫)数数M：上式可变如下，即上式可变如下，即 dS、dp、dA之间的关系：之间的关系：联合能量平衡方程：联合能量平衡方程：由此建立了由此建立了dS、du、dA之间的关系。之间的关系。合并整理得：合并整理得：气体管道流动的物性关系气体管道流动的物性关系(5)高等化工热力学第7章 如果将上述微分式表示成为沿管道长度上的变化，则如果将上述微分式表示成为沿管道长度上的变化，则dp、dS、dA之间的关系：之间的关系： du、dS、dA之间的关系。之间的关系。 根据热力学第二定律，管道中的摩擦不可避免，流动过程不根据热力学第二定律，管道中的摩擦不可避免，流动过程不可逆，属于熵增过程：可逆，属于熵增过程：7.1.3 管道流动的几个特例管道流动的几个特例高等化工热力学第7章(1) 关于音速的限制关于音速的限制 当在水平直管稳态流动时：当在水平直管稳态流动时： 当亚音速时：当亚音速时： 当流速在当流速在亚音速区亚音速区不断增大，其最大速度为不断增大，其最大速度为音速音速，即，即M=1，否则上式中分母为否则上式中分母为0；此时，即使在增加压力差或加长管长，也不；此时，即使在增加压力差或加长管长，也不能提高出口速度。能提高出口速度。(2) 不可压缩流体在水平直管的稳定流动不可压缩流体在水平直管的稳定流动高等化工热力学第7章 对不可压缩流体，根据物质的对不可压缩流体，根据物质的连续性方程连续性方程：所以，所以， 前面已经学过：前面已经学过： 对不可压缩流体：对不可压缩流体：所以，所以，所以，所以，(3) 可压缩流体的喷嘴可压缩流体的喷嘴高等化工热力学第7章 喷嘴是借助喷嘴是借助改变流动截面积改变流动截面积，而使流体的，而使流体的内能内能和和动能动能相互转相互转换的一种装置。合理的设计，如果截面积随长度有合理的变化，换的一种装置。合理的设计，如果截面积随长度有合理的变化，则流体流动几乎无摩擦，即熵增趋于则流体流动几乎无摩擦，即熵增趋于0，即，即dS/dx=0，则：，则：右表中不同右表中不同喷嘴的流动喷嘴的流动特征。特征。(4) 超音速喷嘴超音速喷嘴高等化工热力学第7章 如果气体在压力如果气体在压力p1下进入收缩喷嘴，出口压力为下进入收缩喷嘴，出口压力为p2，当出口速，当出口速度为音速时，度为音速时，p2/p1为为临界值临界值，水蒸气的，水蒸气的p2/p1临界值临界值0.55。 合理设计合理设计收缩收缩/扩张扩张的喷嘴，使流体在截面积最小处获得音速，的喷嘴，使流体在截面积最小处获得音速，在之后进入扩张段，根据上表，在在之后进入扩张段，根据上表，在M1的扩张段：的扩张段： 随着截面积扩大，压力减小，速度从随着截面积扩大，压力减小，速度从音速增大音速增大获得获得超音速超音速。如果是理想气体，喷嘴过程如果是理想气体，喷嘴过程dS=0，则，则(k为为多变指数多变指数)：当当u2=c，u1=0，可推出喉部和进口压力比：，可推出喉部和进口压力比：7.2 涡轮机和压缩机涡轮机和压缩机高等化工热力学第7章7.2.1 涡轮机涡轮机 高压气体经喷嘴将高压气体经喷嘴将内能内能转化为转化为动能动能，如果由一组，如果由一组喷嘴喷嘴和可转和可转动的动的叶片叶片交替组成，将气体的动能传递给叶轮，则结果是将高压交替组成，将气体的动能传递给叶轮，则结果是将高压气体的内能转化为气体的内能转化为轴功轴功。这种由。这种由蒸汽产生动力蒸汽产生动力的装置叫的装置叫涡轮机涡轮机。 根据稳流体系的能量方程：根据稳流体系的能量方程： 忽略散热忽略散热Q、位差、位差Z、速度差、速度差u，可得：，可得：或者：或者： 通常情况下，蒸汽的进口状态通常情况下，蒸汽的进口状态(T1，p1)和出口压力和出口压力(p2)是已知是已知的，因此的，因此H1是已知的。如果蒸汽在涡轮机中作可逆绝热膨胀，则是已知的。如果蒸汽在涡轮机中作可逆绝热膨胀，则过程可逆等熵，即过程可逆等熵，即S1=S2，可根据该特点计算出口的，可根据该特点计算出口的H2。涡轮机的等熵和实际过程涡轮机的等熵和实际过程高等化工热力学第7章 然而等熵然而等熵Ws是绝热涡轮机所能获得的最大功。实际过程是是绝热涡轮机所能获得的最大功。实际过程是不可逆的，做功要小一些。如在不可逆的，做功要小一些。如在H-S图中所示，等熵过程是垂直图中所示，等熵过程是垂直的，而实际过程的，而实际过程12是向着是向着S增加的方向倾斜的。增加的方向倾斜的。 定义涡轮机的效率，即常说的定义涡轮机的效率，即常说的等熵效率如下：等熵效率如下： 通常涡轮机的等熵效率通常涡轮机的等熵效率的范的范围为围为0.70.8。 具体的例子，我们在蒸汽动力具体的例子，我们在蒸汽动力循环一节中涉及。循环一节中涉及。7.2.2 压缩机压缩机(Compressor) 气体通过压缩机的过程中，外界对气体做功，气体在压力升高气体通过压缩机的过程中，外界对气体做功，气体在压力升高的同时，温度也会升高。的同时，温度也会升高。 压缩过程可以有两种极端情况，压缩过程可以有两种极端情况，(1) 是在压缩过程中，气体与外界传是在压缩过程中，气体与外界传热状况很好，使得气体的温度一直热状况很好，使得气体的温度一直保持不变，称为等温压缩；保持不变，称为等温压缩；(2)是压是压缩机的热绝缘性能很好，使得气体缩机的热绝缘性能很好，使得气体在压缩过程中没有热损失，称为绝在压缩过程中没有热损失，称为绝热压缩。热压缩。 但实际的压缩过程，既不等温但实际的压缩过程，既不等温也不绝热，我们称其为多变过程。也不绝热，我们称其为多变过程。 气体状态方程气体状态方程pVT关系描述某个状态下气体的内在关系，而关系描述某个状态下气体的内在关系，而压缩过程的两个状态下存在压缩过程的两个状态下存在pVT关系却不是状态方程关系却不是状态方程。Polytropic 2a 2b 2cV1Adiabatic Isothermalp高等化工热力学第7章(1) 气体的压缩功气体的压缩功 因为因为V和压缩过程中的压力和压缩过程中的压力p、温度、温度T有关有关(如果可以知道压缩过如果可以知道压缩过程中的温度、压力，即可计算出体积，并完成积分程中的温度、压力，即可计算出体积，并完成积分)，所以没有一，所以没有一个可以利用的方程，带入到积分式中完成计算。个可以利用的方程，带入到积分式中完成计算。 为此，采用简化处理。假设压缩过程中存在关系：为此，采用简化处理。假设压缩过程中存在关系： 外界对气体压缩做功的计算式如下：外界对气体压缩做功的计算式如下： 式中的指数式中的指数k称为称为绝热指数绝热指数(多变指数多变指数)，是不能通过理论方法计，是不能通过理论方法计算出来的。但是对一个特定的压缩机和气体，可以通过实际测量数算出来的。但是对一个特定的压缩机和气体，可以通过实际测量数据计算出绝热指数据计算出绝热指数(多变指数多变指数)，这一指数可以一定程度地评价压缩，这一指数可以一定程度地评价压缩机的操作性能；并在一定时间范围内，该实际测量的指数可以作为机的操作性能；并在一定时间范围内，该实际测量的指数可以作为已知数，计算另一种工况下的压缩功。已知数，计算另一种工况下的压缩功。高等化工热力学第7章(2) 理想气体的压缩功理想气体的压缩功(Compressing Work of Ideal Gas) 理想气体的状态方程：理想气体的状态方程： 理想气体的等温压缩过程：理想气体的等温压缩过程： 理想气体的非等温压缩过程：理想气体的非等温压缩过程：高等化工热力学第7章(3) 真实气体的压缩功真实气体的压缩功( Compressing Work of Real Gas) 真实气体的压缩功计算是在理想气体的压缩功基础上修正的，真实气体的压缩功计算是在理想气体的压缩功基础上修正的，这种修正也是极其简单的，仅仅加一个压缩因子：这种修正也是极其简单的，仅仅加一个压缩因子： 真实气体的等温压缩过程：真实气体的等温压缩过程： 真实气体的非等温压缩过程：真实气体的非等温压缩过程： 如果表示为多变压缩过程，多变指数为如果表示为多变压缩过程，多变指数为m：高等化工热力学第7章7.3 蒸气动力循环蒸气动力循环(Steam-Power Circulation)锅炉锅炉透透平平 给水给水P1P2乏汽乏汽P3轴功轴功WSQ1冷凝器冷凝器冷凝水冷凝水P4Q2WP 蒸气动力循环是将热能蒸气动力循环是将热能(煤、天然气煤、天然气)通过蒸气介质转通过蒸气介质转变为功的过程，热电厂就是利用这一循环发电的，化工过变为功的过程，热电厂就是利用这一循环发电的，化工过程中也利用这一循环提供动力。下图所示为典型的蒸气动程中也利用这一循环提供动力。下图所示为典型的蒸气动力力(Rankine)循环过程。循环过程。高等化工热力学第7章7.3.1 Rankine循环及其热效率循环及其热效率Rankine Circulation and Its Efficiency Rankine循环是最简单循环是最简单(理想理想)的蒸气的蒸气动力循环。由锅炉动力循环。由锅炉(过热器过热器)、气轮机、冷、气轮机、冷凝器和水泵组成，如右图所示。凝器和水泵组成，如右图所示。 12 锅炉中的水等压汽化，并升温锅炉中的水等压汽化，并升温过热，吸收热量：过热，吸收热量：T1234SRankine (1820-1872) 23 气轮机中工质膨胀气轮机中工质膨胀(可逆绝热可逆绝热过程过程)，对外作功：，对外作功： 34 蒸气等温冷凝：蒸气等温冷凝： 41 饱和水在水泵中升压：饱和水在水泵中升压： Rankine循环效率：循环效率：高等化工热力学第7章水蒸汽的水蒸汽的TS图图(T-S Diagram of Steam)高等化工热力学第7章例题例题7-1 某蒸汽动力装置产生的过热蒸汽压力为某蒸汽动力装置产生的过热蒸汽压力为8600kPa，温度为，温度为500。此蒸汽进入透平绝热膨胀作功，透平排出的乏汽压力为。此蒸汽进入透平绝热膨胀作功，透平排出的乏汽压力为10kPa。乏汽进入冷凝器全部冷凝成饱和液态水，然后泵入锅炉。乏汽进入冷凝器全部冷凝成饱和液态水，然后泵入锅炉。求求: (1) 理想理想Rankine循环的热效率；循环的热效率；(2) 已知透平和水泵的已知透平和水泵的 都为都为0.75，求实际动力循环的热效率；，求实际动力循环的热效率；(3) 设计要求实际动力输出轴功设计要求实际动力输出轴功率为率为80000kW，求蒸汽流量以及锅炉和冷凝器的传热速率。，求蒸汽流量以及锅炉和冷凝器的传热速率。高等化工热力学第7章 【解解】 查水蒸气图表查水蒸气图表(焓、熵基准态：焓、熵基准态：25、1atm)得得2点：点：ST1234续解例题续解例题7-1 先将先将23视为等熵过程，但视为等熵过程，但3点处于气液两相体系：点处于气液两相体系：高等化工热力学第7章 因为因为3点处于饱和状态，该点气液性质为：点处于饱和状态，该点气液性质为： 计算计算3点的混合湿度：点的混合湿度：续解例题续解例题7-1 因为实际因为实际23过程的效率为过程的效率为0.75，则实际，则实际3点性质：点性质：高等化工热力学第7章 计算计算3点的混合焓值：点的混合焓值：续解例题续解例题7-1 23过程的理想功和实际功：过程的理想功和实际功： 查得查得1点的数据为：点的数据为：?高等化工热力学第7章 12过程的吸热量及理想功为：过程的吸热量及理想功为：续解例题续解例题7-1 热功过程的热效率为：热功过程的热效率为： 热功过程的热力学效率为：热功过程的热力学效率为： 需要的水蒸气量为：需要的水蒸气量为：高等化工热力学第7章7.3.2 对对Rankine循环的分析循环的分析Influences on Rankine Circulation 由前面由前面Rankine循环的计算可知，当确定了气轮机进口蒸气循环的计算可知，当确定了气轮机进口蒸气(2点点)的温度、压力，循环效率也就确定。那么，哪些因素又如何影的温度、压力，循环效率也就确定。那么，哪些因素又如何影响循环过程的热效率？响循环过程的热效率？ (1) 蒸气温度的影响蒸气温度的影响 Temperature InfluenceTS12342 如右图所示，提高如右图所示，提高2点的点的温度，可以增加输出功温度，可以增加输出功Ws，提高循环热效率；但乏汽的湿提高循环热效率；但乏汽的湿度将会减小，乏汽焓值增加，度将会减小，乏汽焓值增加，对输出功是不利的。对输出功是不利的。高等化工热力学第7章(2) 蒸气压力的影响蒸气压力的影响(Influence of Steam Pressure) 如右图所示，当提高如右图所示，当提高2点的压力，在输出轴功点的压力，在输出轴功Ws不变的不变的前提下，减小加热所吸收的热量，可以提高循环热效率；但前提下，减小加热所吸收的热量，可以提高循环热效率；但乏汽的湿度增加，当湿度超过一定范围乏汽的湿度增加，当湿度超过一定范围(11%)时，就会对叶时，就会对叶轮造成机械性损坏。轮造成机械性损坏。 所以，现代工业中，一般是所以，现代工业中，一般是将温度、压力同时升高；在环境将温度、压力同时升高；在环境确定了乏汽的压力确定了乏汽的压力(温度温度)后，尽后，尽量保持乏汽湿度为量保持乏汽湿度为58。当乏。当乏汽湿度小于汽湿度小于3，明显设备有问题，明显设备有问题，就需要对设备进行检修。，就需要对设备进行检修。TS12342 3 高等化工热力学第7章(3) 蒸气再热循环蒸气再热循环 (Reheated Steam Circulation) 如前所述，单纯提高蒸气如前所述，单纯提高蒸气(2点点)的温度或压力，都存在缺的温度或压力，都存在缺陷。为了尽可能提高循环系统的热效率，针对提高压力后乏陷。为了尽可能提高循环系统的热效率，针对提高压力后乏汽湿度太高的问题，工业上也经常采用蒸气再热的方法，如汽湿度太高的问题，工业上也经常采用蒸气再热的方法，如右图所示。右图所示。TS12343 56 提高压力的蒸气提高压力的蒸气(2点点)，经透平一次膨胀到接近饱和经透平一次膨胀到接近饱和点点(3点点)时，再次进入锅炉加时，再次进入锅炉加热热(4点点) ，然后进入透平膨胀，然后进入透平膨胀到乏汽压力到乏汽压力(5点点) 。该措施不。该措施不仅可以提高循环热效率，而仅可以提高循环热效率，而且可以使乏汽湿度进入可行且可以使乏汽湿度进入可行范围范围(58%) 。 高等化工热力学第7章7.4 内燃机内燃机(Internal Combustion Engine) 高等化工热力学第7章 在内燃机中，燃料在发动机内燃在内燃机中，燃料在发动机内燃烧，燃烧产物即为工作介质，用来推烧，燃烧产物即为工作介质，用来推动汽缸内的活塞。燃料和空气稳定流动汽缸内的活塞。燃料和空气稳定流入内燃机，燃烧产物从中稳定流出。入内燃机，燃烧产物从中稳定流出。 然而，内部燃烧使得热力学分析然而，内部燃烧使得热力学分析变得复杂。为了简化分析，设想以空变得复杂。为了简化分析，设想以空气为工作流体的循环过程，并给空气气为工作流体的循环过程，并给空气加入等量的热取代燃烧步骤。这里只加入等量的热取代燃烧步骤。这里只对内燃机进行定性的分析。对内燃机进行定性的分析。 有有Otto内燃机内燃机和和Diesel内燃机内燃机。7.4.1 Otto内燃机内燃机高等化工热力学第7章 1876年，德国发明家年，德国发明家奥托奥托(Otto)创制成功第一台往复活创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、塞式、单缸、卧式、3.2kW(4.4马力马力)的的四冲程内燃机四冲程内燃机，以煤，以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7RPM，压缩比为，压缩比为2.66，热效率达到，热效率达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。是热效率，它都是最高的。 后来，后来，奥托奥托(Otto)内燃机获得推广，性能也在提高。内燃机获得推广，性能也在提高。1883年，德国的年，德国的戴姆勒戴姆勒(Daimler)创制成功第一台立式汽油创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过过200RPM，它却一跃而达到，它却一跃而达到800RPM，特别适应交通动输，特别适应交通动输机械的要求。机械的要求。18851886年，汽油机作为汽车动力运行成年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。汽油机的改进和提高。(1) Otto内燃机的循环过程内燃机的循环过程高等化工热力学第7章吸入冲程吸入冲程，活塞向外运动，将空气与，活塞向外运动，将空气与燃料吸入气缸；燃料吸入气缸；绝热压缩绝热压缩，阀门关闭；，阀门关闭；点燃燃烧点燃燃烧，因速度极快，近似与等体，因速度极快，近似与等体积过程；积过程；绝热膨胀绝热膨胀，高温高压的燃烧产物膨胀，高温高压的燃烧产物膨胀推动活塞运动；推动活塞运动；开阀排气开阀排气，冲程至最大位置，排气阀，冲程至最大位置，排气阀门打开，在正压力下排气；门打开，在正压力下排气；冲程排气冲程排气，活塞将燃烧气体排出气缸。，活塞将燃烧气体排出气缸。01：12：23：34：41：10： 上图为实际上图为实际Otto内燃机的循环过程，下内燃机的循环过程，下图为由空气代替的循环过程，二者热工转换图为由空气代替的循环过程，二者热工转换是一致的。是一致的。(2) Otto内燃机的热力学分析内燃机的热力学分析高等化工热力学第7章空气循环的空气循环的热效率热效率可表示为：可表示为：循环过程中，循环过程中，U=0，且，且AB即即CD为为绝热过程绝热过程，则：，则：代入代入温度温度，并按，并按理想气体理想气体处理，得：处理，得：绝热可逆过程：绝热可逆过程：整理可得：整理可得： 式中，式中，r为为压缩比压缩比，k绝热指数绝热指数(1.4)。可见，在。可见，在r较低时，效较低时，效率随率随r的增加而显著增加，在的增加而显著增加，在r较高时比较缓慢。较高时比较缓慢。7.4.2 Diesel内燃机内燃机高等化工热力学第7章 1892年，德国工程师年，德国工程师迪赛尔迪赛尔(Diesel)受面粉厂粉尘爆炸受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩高度压缩，使其温度超过，使其温度超过燃料的燃料的自然温度自然温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机压缩点火式内燃机(柴油机柴油机)于于1897年研制年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。成功，为内燃机的发展开拓了新途径。 狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧等压燃烧，其热效，其热效率达率达26%。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。尔引擎。 这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机柴油机。1920年左右开始用于汽车和农业机械。年左右开始用于汽车和农业机械。Diesel内燃机的热力学分析内燃机的热力学分析高等化工热力学第7章 Diesel循环与循环与Otto循环的区别在于：循环的区别在于： 高压缩比高压缩比，Diesel循环采用了循环采用了较高的压缩比，致使压缩阶段末期有较高的压缩比，致使压缩阶段末期有足够高的温度而使燃料自燃；足够高的温度而使燃料自燃； 等压燃烧等压燃烧，燃料是缓慢加入气，燃料是缓慢加入气缸，燃烧过程是在等压下完成。缸，燃烧过程是在等压下完成。膨胀比：膨胀比：整理可得：整理可得：7.5 喷气发动机喷气发动机(Turbojet Engine )高等化工热力学第7章涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机高等化工热力学第7章 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机(喷气发动机喷气发动机)，利用离开喷嘴时，排放的气，利用离开喷嘴时，排放的气体喷射的动能产生动力。由体喷射的动能产生动力。由压缩设备压缩设备、燃烧室燃烧室、以及、以及喷嘴喷嘴组成。组成。它将动能直接用来推动引擎及其附属设备，被广泛应用于飞机的它将动能直接用来推动引擎及其附属设备，被广泛应用于飞机的动力。如下图所示。动力。如下图所示。 轴流压缩机轴流压缩机完成空气压缩，然后在燃烧室注入燃料并燃烧。完成空气压缩，然后在燃烧室注入燃料并燃烧。热的燃烧气经过涡轮，热的燃烧气经过涡轮，膨胀产生的动力膨胀产生的动力刚好刚好驱动压缩机驱动压缩机。喷嘴排。喷嘴排出，气体高于空气进入的速度，产生向前的推动力。出，气体高于空气进入的速度，产生向前的推动力。7.6 制冷循环制冷循环(Refrigeration Circulation) 根据热力学第二定律，热根据热力学第二定律，热能不能自发地从低温热源传递能不能自发地从低温热源传递到高温热源。制冷过程通过消到高温热源。制冷过程通过消耗外界功，实现热量从低温热耗外界功，实现热量从低温热源向高温热源的传递过程。类源向高温热源的传递过程。类似与蒸气动力循环，制冷也是似与蒸气动力循环，制冷也是通过将一定的工作介质进行热通过将一定的工作介质进行热力循环实现的，主要利用了力循环实现的，主要利用了气气体压缩过程温度升高体压缩过程温度升高的特性。的特性。下图描述了制冷循环的基本过下图描述了制冷循环的基本过程。程。 冷凝器冷凝器 蒸发器蒸发器节节流流阀阀WS1243Q2Q1高等化工热力学第7章7.6.1 蒸汽压缩制冷蒸汽压缩制冷TS1234放热冷凝放热冷凝吸热蒸发吸热蒸发Q2 T0Q2Q1高等化工热力学第7章 如上图所示，制冷循环如上图所示，制冷循环由以下过程组成：由以下过程组成： (1) 12为可逆绝热压为可逆绝热压缩过程。制冷剂在蒸发器中缩过程。制冷剂在蒸发器中吸热吸热(Q1)完全气化完全气化(并适当过并适当过热热)之后之后(1点点)，进入压缩机中，进入压缩机中压缩以提高其温度和压力压缩以提高其温度和压力(2点点) 。实际过程可能不是等熵。实际过程可能不是等熵的，熵值增加，所以实际过的，熵值增加，所以实际过程终点为等压线上的程终点为等压线上的2点。点。制冷过程描述制冷过程描述 (2) 23过程为等压冷却、冷凝过程过程为等压冷却、冷凝过程(放热放热Q2)。因为压。因为压力的提高，工质的冷凝温度将高于高温热源力的提高，工质的冷凝温度将高于高温热源(环境环境)；气液混；气液混合体系又保证了冷凝过程可以在恒温过程中进行。如空调的合体系又保证了冷凝过程可以在恒温过程中进行。如空调的外机。外机。 (3) 34为液体节流膨胀过程。因为节流降压，液体汽为液体节流膨胀过程。因为节流降压，液体汽化，最终形成总体温度降低的气液混合物。化，最终形成总体温度降低的气液混合物。 (4) 41过程为等温、等压蒸发过程。当节流降温后的过程为等温、等压蒸发过程。当节流降温后的气液混合物温度低于低温热源气液混合物温度低于低温热源(环境环境)后，可以从低温热源吸后，可以从低温热源吸收热量；因为循环工质处于气液混合体系，可以保持等温的收热量；因为循环工质处于气液混合体系，可以保持等温的吸热过程。如空调的室内机。吸热过程。如空调的室内机。高等化工热力学第7章例题例题7-2 某空气调节装置的制冷能力为某空气调节装置的制冷能力为4.180 104kJ/h，采用氨蒸汽压，采用氨蒸汽压缩制冷循环。夏天室内温度维持缩制冷循环。夏天室内温度维持15 C，冷却水温度为，冷却水温度为35 。蒸。蒸发器与冷凝器的传热温差为发器与冷凝器的传热温差为5 。求。求: 工质的循环速率、压缩功率、工质的循环速率、压缩功率、冷凝器放热量和制冷系数。冷凝器放热量和制冷系数。高等化工热力学第7章TS1234Q2 T0Q2Q1【解解】 循环工质氨气在循环工质氨气在1点的点的性质：性质：续解例题续解例题7-2高等化工热力学第7章 氨气高温冷却温度为氨气高温冷却温度为(35+5)40，对应的饱和压力为：，对应的饱和压力为： 氨气压缩后的温度氨气压缩后的温度(已知已知p、S)为：为： 由由12的绝热压缩功为：的绝热压缩功为： 循环工质液氨在循环工质液氨在3点性质为：点性质为：续解例题续解例题7-2 循环工质氨气液混合物在循环工质氨气液混合物在4点性质为：点性质为： 34为节流膨胀过程，为节流膨胀过程，4点处于气液混合状态：点处于气液混合状态：高等化工热力学第7章 41过程吸收的热量为：过程吸收的热量为： 制冷系数为：制冷系数为： 工质的循环速率为：工质的循环速率为： 如果压缩过程不是等熵过程，则可以用等熵效率计算出如果压缩过程不是等熵过程，则可以用等熵效率计算出2点的焓值，进而计算出点的焓值，进而计算出2点的温度、熵，其他过程类似。在上点的温度、熵，其他过程类似。在上述数据的基础上，还能计算制冷过程的热力学效率。述数据的基础上，还能计算制冷过程的热力学效率。 从例题中可以看到，制冷过程的制冷量和消耗功之间接从例题中可以看到，制冷过程的制冷量和消耗功之间接近近8:1(4:1)的关系，在以后的应用中的关系，在以后的应用中(选购空调选购空调)应有概念。应有概念。续解例题续解例题7-2高等化工热力学第7章氨的氨的TS图图(T-S Diagram of Ammonium)高等化工热力学第7章7.6.2 提高制冷系数的途径提高制冷系数的途径 工业上为了节约能耗，尽量提高制冷系数。可以从以下几个工业上为了节约能耗，尽量提高制冷系数。可以从以下几个方面对循环过程进行改善：方面对循环过程进行改善： (1) 降低冷凝温度降低冷凝温度TH，从而减少，从而减少消耗功，达到提高制冷系数的目的。消耗功，达到提高制冷系数的目的。但但实际冷凝温度还受环境温度限制，实际冷凝温度还受环境温度限制，不能随意降低。不能随意降低。 (2) 提高蒸发温度提高蒸发温度TL，也可以减，也可以减少消耗功。但蒸发温度提高的前提是少消耗功。但蒸发温度提高的前提是要满足所获低温的需要，并且要维持要满足所获低温的需要，并且要维持足够的传热温差。所以往往受限制。足够的传热温差。所以往往受限制。 (3) 采用过冷工质，采用过冷工质，压缩功不变，压缩功不变，但制冷量却增加了。但制冷量却增加了。TS12344 QT0THTL高等化工热力学第7章作业题作业题(Exercises) 1. 某高压电厂的蒸气透平，采用中间蒸气再热循环。新某高压电厂的蒸气透平，采用中间蒸气再热循环。新蒸气的温度为蒸气的温度为565，压力，压力17000kPa；再热蒸气的压力为；再热蒸气的压力为3500kPa，再热后的温度为，再热后的温度为570；乏气压力为；乏气压力为5kPa。试求：。试求：(1) 再热循环理想热效率；再热循环理想热效率；(2) 与同样条件下无再热的郎肯循与同样条件下无再热的郎肯循环热效率进行比较；环热效率进行比较；(3) 乏气干度比相同条件下郎肯循环提乏气干度比相同条件下郎肯循环提高了多少？高了多少？ 2. 某一空气调节装置的制冷能力为某一空气调节装置的制冷能力为4.18104kJ.h-1，采用，采用氨蒸气压缩制冷循环。氨蒸发温度为氨蒸气压缩制冷循环。氨蒸发温度为283K，冷凝温度为，冷凝温度为313K。假定氨进入压缩机时为饱和蒸气，离开冷凝器为饱和。假定氨进入压缩机时为饱和蒸气，离开冷凝器为饱和液体，且压缩过程为可逆过程。求：液体，且压缩过程为可逆过程。求：(1) 循环氨的流量；循环氨的流量；(2) 在冷凝过程中制冷剂放出的热量；在冷凝过程中制冷剂放出的热量；(3) 压缩机的理论功率；压缩机的理论功率；(4) 理论制冷系数。理论制冷系数。高等化工热力学第7章