第7章 压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环.pdf

第七章
第七章压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环
本章学习目的
通过本章的学习,掌握蒸汽动力循环和制冷循环的基本原理和基本计算方法。
本章主要内容
(1) 气体的压缩和膨胀在热力装置中的作用和功量的计算。
(2) 工业上获得低温和冷量的两种方法。
(3) Rankine 循环的热力过程及热效率的计算。
(4) 再热循环和回热循环的原理。
(5) 制冷循环的基本概念和计算。
(6) 蒸汽压缩制冷循环在T − S 图和 p − H 图上的工作过程、各过程的特点及计算。
(7) 化工生产中常见的制冷设备。
(8) 制冷过程中对制冷剂的基本要求。
热能和功之间的相互转化通常是借助于工质在循环过程中的状态变化而实现的。据循环
效果及进行方向的不同,可以把循环分为正向循环和逆向循环。将热能转化为机械能的循环
为正向循环,也叫动力循环,这种循环是产功的过程,其主要设备是各种热机;将热能从低
温热源传给高温热源的循环为逆向循环,也叫制冷循环,这种循环是耗功的过程,其主要设
备是各种制冷机。这两类循环都是由工质的吸热、放热、压缩和膨胀四个过程所组成。目前,
分析和讨论这两类循环均采用稳定流动系统的热力学第一定律。这种方法以能量的数量为立
足点,从能量转化的数量关系来评价循环的经济性,以热效率为其指标。基于这两类循环遵
循以上相同的原则,因此把它们放在同一章里讨论。
本章主要介绍这两类循环的工作原理和基本的热力学计算。
气体的压缩
压缩机、鼓风机等是化工生产中常用的压气机,它是借助于机械能或电能,来实现气体
由低压到高压的状态变化。各类压气机的结构和工作原理虽然不同,但从热力学观点来看,
气体状态变化过程并没有本质的不同,都是消耗外功,使气体压缩升压的过程,在正常工况
下都可以视为稳定流动过程。
气体的压缩,一般有等温、绝热、多变三种过程,又分单级和多级压缩。对于稳定流动
体系,压缩过程的理论轴功可用稳定流动系统的热力学第一定律来描述。在忽略动能和势能
的情况下,有
WS = ∆H − Q (7-1)
此式具有普遍意义,适用于任何介质的可逆和不可逆过程。
为了方便,对可逆过程的轴功,还可按下式计算
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p2
WS = Vdp (7-2)
∫p
1
只要有合适的状态方程代入上式积分即可。
下面简单介绍气体压缩过程的变化规律以及理论功耗的计算。
1. 等温压缩
对于理想气体, pV = RT ,等温过程∆H = 0 ,则
p
2 p2
WS = −Q = Vdp = RT1 ln (7-3)
∫p1 p1
式中 WS 为等温可逆压缩的轴功。显然,压缩比越大,温度越高,压缩所需的功耗也越大。
2. 绝热压缩
绝热压缩时, Q = 0 ,则
p2
WS = ∆H = Vdp (7-4)
∫p
1
对于理想气体,可将 pV k = 常数的关系式代入上式积分,得
⎡ k −1 ⎤
k ⎛ p ⎞ k
W = RT ⎢⎜ 2 ⎟−1⎥(7-5)
S 1 ⎢⎜⎟⎥
k +1 ⎝ p1 ⎠
⎣⎢⎦⎥
⎡ k −1 ⎤
k ⎛ p ⎞ k
或 W = p V ⎢⎜ 2 ⎟−1⎥(7-6)
S 1 1 ⎢⎜⎟⎥
k +1 ⎝ p1 ⎠
⎣⎢⎦⎥
式中 k 为绝热指数,与气体性质有关(见第二章)。
3. 多变压缩
等温压缩和绝热压缩都是理想的,要做到完全的等温或绝热是不可能的。实际进行的压
缩过程都是介于等温和绝热之间的多变过程。多变过程的 p 、V 服从下式
pV n = 常数
该式即为多变过程的过程方程式, n 为多变指数,它可以是−∞到+∞之间的任意值。
对于给定的某一过程, n 为定值。
对于理想气体,进行多变压缩的轴功为
⎡ n−1 ⎤
n ⎛ p ⎞ n
W = RT ⎢⎜ 2 ⎟−1⎥(7-7)
S 1 ⎢⎜⎟⎥
n +1 ⎝ p1 ⎠
⎣⎢⎦⎥
⎡ n−1 ⎤
n ⎛ p ⎞ n
W = p V ⎢⎜ 2 ⎟−1⎥(7-8)
S 1 1 ⎢⎜⎟⎥
n +1 ⎝ p1 ⎠
⎣⎢⎦⎥
图 7-1 是三种压缩过程的 p −V 及T − S 图。
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图 7-1 压缩过程的 p −V 和 T − S 图

其中 1-2T 表示等温压缩,1-2n 表示多变压缩,1-2S 表示绝热压缩。
从图中得到
WS,绝热>WS,多变>WS,等温, T2,绝热>T2,多变>T2,等温,V2,绝热>