第五章热力循环——热力学第二定律ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工热力学,Chemical Engineering Thermodynamics,华北科技学院,第五章 热力循环,热力学第二定律,化工热力学华北科技学院第五章 热力循环,1,1. 三种表述,5.1 热力学第二定律,(1) 有关热流方向的表述 ：,1850年克劳休斯：,热不可能自动的从低温物体传给高温物体。,(2) 有关循环过程的表述 ：,1851年开尔文：,不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功，而不引起其他变化。,(3) 有关熵的表述：,孤立体系的熵只能增加，或达到极限时保持恒定。,S,t,0,不可逆,可逆,孤立体系热力学第二定律另一种表达式：S,t,=S,sys,+S,sur,0熵增原理,1. 三种表述5.1 热力学第二定律(1) 有关热流方向的,2,5.1 热力学第二定律,2. 四个概念,热源,是一个具有很大热容量的物系。取出或接受热量，温度不变，热源里的过程为,可逆过程,。,功源,是一种可以做功或接受功的装置。功源里的过程是绝热可逆过程，即,等熵过程,。,绝热S,sur,=0S,t,=S,功源,=0，功源没有熵变。,5.1 热力学第二定律2. 四个概念 热源 是一个具有,3,5.1 热力学第二定律,热机,是一种,产生功,并将高温热源的热量传递给低温热源的一种机械装置。,热功率,热转化为功的效率。获得的功/投入的热。,T,=,W,s,/,Q,5.1 热力学第二定律 热机 是一种产生功并将高温热源,4,5.2 熵,熵S与微观状态数,1878年，L.Boltzmann提出了熵与微观状态数的关系：,S=k,ln,粒子的活动范围愈大，粒子的数目愈多，系统的微观状态数,愈多，系统的混乱度愈大。,5.2 熵熵S与微观状态数 1878年，L,5,5.2 熵,热机,低温热源,高温热源,功源,可逆热机循环示意图,由稳流过程的能量平衡式可得：,由热力学第二定律：,可逆过程：,热机为系统,循环过程：,则：,可逆：,可逆热机效率：,即使在可逆热机中做了最大功(可逆功)，也,不可能将热全部转化为功，,T,0，说明体系做功,能力损失了，而损失做功能力大小与S,t,成正比。,5.2 熵热机低温热源高温热源功源可逆热机循环示意图由稳流,6,循环,装置,热源,热源,两个热源之间的传热,5.2 熵,由稳流过程的能量平衡式可得：,则，Q=Q,H,+Q,L,=0，即，Q,H,= - Q,L,循环过程：,a. T,H,T,L,，成立，自发从高温热源传向低温热源,b. 传热温差T，熵增，即不可逆程度越小，,导致传热过程缓慢。增加传热面积，设备费用。,循环热源热源两个热源之间的传热5.2 熵由稳流过程的能量平,7,1. 闭系热力学第二定律,5.2 熵,S,sys,+S,sur,0,微分形式,dS,sys,+dS,sur,0,dS,sur,=dS,热源,+dS,功源,dS,功源,=0,dS,sur,=dS,热源,=,Q,sur,/T= -,Q,sys,/T,dS,sys,Q,sys,/T,通常形式,dS,sys,Q/T,不可逆,可逆,闭系热力学,第二定律,1. 闭系热力学第二定律5.2 熵Ssys+Ssur,8,5.2 熵,熵流,dS,f,可逆过程：,我们称,为随,热流产生的,熵流,。,熵流定义,：,功源熵变为零，因此功的传递不会引起熵的流动。,由于传热,Q,R,而引起体系熵的变化,(2),熵产,dS,g,熵产生,，,由于过程的不可逆性引起的熵变。,dS,sys,Q/T,等式,积分,过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大；熵产生永远,不会小于零。,S,g,0，,不可逆过程,S,g,=0，,可逆过程,S,g,0,P125，例题5-2，3,(1)稳流过程 (2)绝热过程 (3)封闭体系 (4)孤立体,11,概述,5.3 热力学图表,用于纯物质,使用方便：T-S，H-S，lnp-H,查热力学数据,分析热力学过程,概述5.3 热力学图表用于纯物质使用方便：T-S，H-S，,12,T-S图,5.3 热力学图表,(1)构成,T,S,C,临界点,T-S 示意图,(1),饱和蒸汽曲线,汽液共存区,A,饱和液体曲线,B,液相区,蒸汽区,气相区,T-S图5.3 热力学图表(1)构成 TSC 临界点,13,5.3 热力学图表,等焓线,T,S,C,B,A,T-S 示意图,(2),等压线,x,等干度线,湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量百分数称为干度,x,等容线,规律,5.3 热力学图表等焓线TSCBAT-S 示意图 (2)等,14,5.3 热力学图表,(2)使用,单相区：f = 2,两相区：f = 1,用相律分析,如：,已知某物系在两相区的位置，可由T-S图求出汽液相对量，汽液混合物系的热力学性质可通过汽液性质及干度求出。,5.3 热力学图表(2)使用 单相区：f = 2 两相区：,15,5.3 热力学图表,a.,等压过程,无相变,T,C,B,A,加热,外界所交换的热：,S,S,1,S,2,5.3 热力学图表a. 等压过程无相变TCBA加热外界所交,16,5.3 热力学图表,有相变：,T,S=S,2,S,1,外界所交换的热：,C,B,A,p,1,H=粉线区域的面积,S,1,S,2,S,5.3 热力学图表有相变：TS=S2 S1外界所交换的,17,5.3 热力学图表,b.,节流膨胀过程,T,S,无相变：,S=S,g,=S,2,S,1,有相变：,5.3 热力学图表b. 节流膨胀过程TS无相变：S=S,18,5.3 热力学图表,c.,等熵膨胀过程,T,S,可逆绝热过程,等熵过程的焓变：,),(,1,1,1,p,T,),(,2,2,2,p,T,实际过程,对外实际做的轴功：,或,等,熵,过,程,2,未知,等熵膨胀效率,T,2,T,2,，S,2,S,2,S,2,S,2,P130，例题5-4，焓熵图，压焓图,5.3 热力学图表c. 等熵膨胀过程TS可逆绝热过程 等熵,19,5.3 热力学图表,热力学性质图的共性,1. 制作原理及步骤相同，仅适用于特定物质。,2. 图形中内容基本相同，p,V,T,H,S都有。,热力学图表与普遍化热力学图表的区别,制作原理不同,应用范围不同,热：以实验数据为基础,普：以对比参数作为独立变量作出的,热：只适应于特定的物质,普：对物质没限制，适用于任一物质,5.3 热力学图表热力学性质图的共性1. 制作原理及步骤相,20,1. 卡诺循环,5.4 水蒸气动力循环,以水蒸气为工质的卡诺循环示意图：,5,锅,炉,冷凝,器,透,平,水泵,6,S,图1 简单的蒸汽动力装置,图,2,TS,图上的卡诺循环,4,3,4,1,2,3,1,2,卡诺循环各步骤的能量平衡和熵平衡式,1. 卡诺循环5.4 水蒸气动力循环以水蒸气为工质的卡诺循,21,2. 问题,5.4 水蒸气动力循环,第一个具有实际意义的蒸汽动力循环是,郎肯循环,。,（1）湿蒸汽对透平和水泵有浸蚀作用，透平带水量不得超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵；,（2）绝热可逆过程实际上难以实现。,2. 问题5.4 水蒸气动力循环第一个具有实际意义的蒸汽动,22,5.4 水蒸气动力循环,T,S,1,4,3,2,3,12：高温吸热,23：等熵膨胀做功,要求：湿蒸气干度90%,实际轴功：,透平产功：,34：低温放热,5.4 水蒸气动力循环TS1432312：高温吸热2,23,T,S,1,4,3,2,3,5.4 水蒸气动力循环,P135，例题5-5,41：水泵输送,水不可压缩：,循环过程：,实际功：,循环热效率：,T,=,W,N,/,Q,H,思考：郎肯循环与卡诺循环的不同,TS143235.4 水蒸气动力循环P135，例题5-5,24,3. 朗肯循环的改进提高热效率,5.4 水蒸气动力循环,对卡诺循环：,对郎肯循环：,(3) 采用再热循环,(1) 提高水蒸气的过热温度,(2) 提高水蒸汽的压力,总结,原因，P138，例题5-6,3. 朗肯循环的改进提高热效率5.4 水蒸气动力循环对,25,制冷定义与方法,5.5 制冷,使物系温度小于环境温度的操作称为,制冷,。,当冷冻温度大于-100 ，称普通冷冻。,小于-100 称深度冷冻。,制冷循环为逆向卡诺循环,正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。,逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。,工业上制冷循环,蒸汽压缩制冷,蒸汽喷射制冷（拉法尔喷嘴）,吸收式制冷,制冷定义与方法5.5 制冷使物系温度小于环境温度的操作称为,26,5.5 制冷,1. 制冷原理与逆卡诺循环,工质在低温下不断吸热,形成的蒸汽可逆绝热压缩,高压液体绝热可逆膨胀,在高温下放热,4,3,1,2,T,工质吸热蒸发,压缩升温,放热冷凝,恒熵膨胀,S,5.5 制冷1. 制冷原理与逆卡诺循环工质在低温下不断吸热,27,5.5 制冷,对于工质完成一个循环：,衡量制冷机效能的参数为,制冷系数,，用,表示；其定义为：,意义：,每消耗单位量的外功所获得的,制冷量,(Q,L,) 。,(1),制冷系数仅是工作温度的函数，与工质性质无关。,结论：,(2)在T,H,和T,L,两个温度之间操作的任何循环，逆卡诺循环的制冷系数最大。,(3)提高,，必须提高,T,L,或降低T,H,，而T,H,为环境温度，一般不变，所以提高低温热源温度T,L,，,提高,(很有使用价值，T,L,提高，可少消耗功),5.5 制冷对于工质完成一个循环： 衡量制冷机效能的参数为,28,5.5 制冷,2. 蒸汽压缩制冷循环,要实现逆卡诺循环有两个困难：,(1)饱和蒸汽膨胀产生液体，透平难以承受,。,(2)实现绝热可逆压缩有困难，压缩机不能承受。,蒸汽压缩制冷循环,为克服以上两个困难而提出。,绝热压缩过程：12(可逆) 或12,(不可逆),冷凝过程：23,节流膨胀过程：34,蒸发过程：41,5.5 制冷2. 蒸汽压缩制冷循环要实现逆卡诺循环有两个困,29,5.5 制冷,蒸发器,冷凝器,节流减压阀,压缩机,实际循环制冷系数：,若已知制冷量Q,L,，制冷剂的循环流量：,P141，例题5-7,提高,的措施,(1)降低冷凝温度T,H,，消耗功减少，制冷量增加，,升高；,(2)提高T,L,，即提高蒸发温度，制冷量增加，所以,升高；,(3)使饱和液体过冷，使之节流膨胀。制冷量加大，提高。,5.5 制冷蒸发器冷凝器节流减压阀压缩机实际循环制冷系数：,30,5.5 制冷,3. 吸收式制冷循环,吸收制冷,是,不用机械功,，通过吸收和精馏装置来完成循环过程。以溶液为工质(例如，氨)。,吸收式制冷装置运行的经济指标成为,热力系数,，定义：,Q,L,为吸收的热量(制冷量)，Q为外界提供的热量,。,=Q,L,/Q,优点：,可以利用低温热能，尤其是利用工业余热或废热；耗电量少。,缺点：,较低一般为0.30.5；,设备体积较庞大，灵活性较小。,5.5 制冷3. 吸收式制冷循环 吸,31,5.5 制冷,4. 制冷工质的选择,氨，CO,2,，SO,2,，C,2,H,6,，C,2,H,4,等，,氨应用最广泛。,选择汽化潜热大的工质。,操作压力要合适，即冷凝压力不宜过高。,制冷工质具有化学稳定性。,为了操作安全，制冷工质不应有易燃、易爆性。,价格要低，可以获得大量的供应。,5.5 制冷4. 制冷工质的选择 氨，CO2，SO2，C,32,5.6 热泵,概述,作用,：将低温热源的热量转移到高温下使用。,热泵循环,原理,：,工质在蒸发器中蒸发,吸收环境介质的热量,在冷凝器中压缩放热,经节流阀降温,加热房间或加热水,5.6 热泵概述作用：将低温热源的热量转移到高温下使用。,33,5.6 热泵,热泵的经济性指标以消耗单位功所得到的供热量来衡量，称为,制热系数,：,热能综合利用的两种途径：,a.,利用余热，从余热中取得能量，使其中部分热量转变为轴功进行利用。,b.,加入外功，将低温介质中的热量输送给高温介质，这就是热泵。,P146，例题5-8,可逆热泵,5.6 热泵 热泵的经济性指标以消耗单位功,34,