第5章 熱力循環(huán)———熱力學第二定律及其應(yīng)用

1、化工熱力學化工熱力學熵2熱力學第二定律1第5章 熱力循環(huán)熱力學第二定律及其應(yīng)用水蒸氣動力循環(huán)4熱力學圖表及其應(yīng)用3熱泵6制冷5化工熱力學化工熱力學 常用的表述有如下三種：（）有關(guān)熱流方向的表述，常用的是Clausius的說法：熱不可能自動地從低溫物體傳給高溫物體。（）有關(guān)循環(huán)過程的表述，常用的是Kelvin的說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變成有用功，而不引起其他方面的變化。（）有關(guān)熵的表述，常用的是：孤立系統(tǒng)的熵只能增加，或者到達極限時保持恒定。其數(shù)學表達式為5.1 熱力學第二定律化工熱力學化工熱力學5.2 熵12熱力學第二定律用于閉系熱力學第二定律用于閉系孤立系統(tǒng)熵平衡式孤立系統(tǒng)熵平衡式

2、3開系熵平衡式開系熵平衡式化工熱力學化工熱力學5.2 熵化工熱力學化工熱力學 由式（5-3）可導(dǎo)出閉系熱力學第二定律的數(shù)學表達式。先將式（5-3）寫成微分式（）熵流（）熵產(chǎn)（）閉系的熵平衡式5.2.1 熱力學第二定律用于閉系化工熱力學化工熱力學 將熵產(chǎn) 引入式（5-3），則可建立起孤立系統(tǒng)的熵平衡式，即此式與式（5-2）對照，可得 顯然，熵產(chǎn)量等于孤立系統(tǒng)總熵變（即孤立系統(tǒng)的總熵增量）。由此可見， 應(yīng)包括閉系與外界環(huán)境熱源兩部分產(chǎn)生的熵。倘若外界環(huán)境熱源中進行的是可逆過程，那么外界環(huán)境熱源的熵產(chǎn)量為零，這時 即為閉系內(nèi)部產(chǎn)生的熵。5.2.2 孤立系統(tǒng)熵平衡式化工熱力學化工熱力學 圖5-3是一個

3、有多股物流進出的開系，其熵變應(yīng)寫成5.2.3 開系熵平衡式若有K股恒溫熱流與開系交換，則式（5-13）可簡化成化工熱力學化工熱力學對于穩(wěn)流過程， ，式（5-12）變成對于絕熱過程， ，式（5-15）變成5.2.3 開系熵平衡式化工熱力學化工熱力學5.3 熱力學圖表及其應(yīng)用12T-ST-S圖的構(gòu)成和性質(zhì)圖的構(gòu)成和性質(zhì)焓熵圖（焓熵圖（h-sh-s圖）圖）3壓焓圖（壓焓圖（p-hp-h圖）圖）化工熱力學化工熱力學5.3 熱力學圖表及其應(yīng)用化工熱力學化工熱力學5.3.1 T-S圖的構(gòu)成和性質(zhì)化工熱力學化工熱力學5.3.1 T-S圖的構(gòu)成和性質(zhì)同樣，對于濕蒸氣的熵也可按下式計算化工熱力學化工熱力學5.3

4、.1 T-S圖的構(gòu)成和性質(zhì)（）等壓加熱和冷卻過程（）節(jié)流膨脹過程化工熱力學化工熱力學（）等熵膨脹或壓縮過程5.3.1 T-S圖的構(gòu)成和性質(zhì)如圖，12為可逆絕熱壓縮過程；12為不可逆絕熱壓縮過程。壓縮過程的等熵效率為化工熱力學化工熱力學（圖2-12(b)見教材P131）5.3.2 焓熵圖（h-s圖）化工熱力學化工熱力學 在液相區(qū)內(nèi)等溫線幾乎是垂直的，這是因為壓力對焓的影響很小。在過熱蒸氣區(qū)，等溫線陡峭下降，在低壓區(qū)又接近于垂直，這同樣是由于壓力對稀薄蒸氣焓的影響很小的緣故。5.3.3 壓焓圖（p-h圖）化工熱力學化工熱力學5.4 水蒸氣動力循環(huán)12卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)朗肯（朗肯（RankineRan

5、kine）循環(huán)）循環(huán)3朗肯循環(huán)的改進朗肯循環(huán)的改進化工熱力學化工熱力學循環(huán)過程作出的凈功 為根據(jù)熱力學第一定律，取熱機為開系，則有循環(huán)過程的 ，故5.4.1 卡諾循環(huán)化工熱力學化工熱力學5.4.1 卡諾循環(huán)化工熱力學化工熱力學 若忽略動能和位能的變化，根據(jù)式（4-9）和式（4-17），上述兩種情況下能量的關(guān)系可簡化為5.4.2 朗肯(Rankine)循環(huán)化工熱力學化工熱力學（）提高水蒸氣的過熱溫度（）提高水蒸氣的壓力5.4.3 朗肯循環(huán)的改進化工熱力學化工熱力學（）采用再熱循環(huán)5.4.3 朗肯循環(huán)的改進再熱循環(huán)的熱效率為化工熱力學化工熱力學5.5 制冷12制冷原理與逆卡諾循環(huán)制冷原理與逆卡諾循

6、環(huán)蒸氣壓縮制冷循環(huán)蒸氣壓縮制冷循環(huán)3吸收式制冷循環(huán)吸收式制冷循環(huán)4制冷工質(zhì)的選擇制冷工質(zhì)的選擇化工熱力學化工熱力學 循環(huán)過程的 ，循環(huán)過程需要的凈功為 ，根據(jù)熱力學第一定律，應(yīng)有或5.5.1 制冷原理與逆卡諾循環(huán)化工熱力學化工熱力學衡量制冷機效能的參數(shù)稱制冷系數(shù)（效能系數(shù)），其定義為 倘若制冷溫度為5，環(huán)境溫度為30，則逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為5.5.1 制冷原理與逆卡諾循環(huán)化工熱力學化工熱力學 實際循環(huán)的制冷系數(shù)為m可通過蒸發(fā)器的熱量衡算求出，即5.5.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)化工熱力學化工熱力學5.5.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)化工熱力學化工熱力學吸收式制冷裝置運行的經(jīng)濟指標稱為熱力系數(shù)，的定義為5.5.3 吸收式制冷循環(huán)化工熱力學化工熱力學 從工作原理和生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟性等方面考慮，對制冷工質(zhì)的性質(zhì)提出如下要求。（）汽化潛熱要大（）有關(guān)溫度下的蒸氣壓要合適（）制冷工質(zhì)應(yīng)具有化學穩(wěn)定性（）為了安全操作，制冷工質(zhì)不應(yīng)有易燃性和爆炸性（）價格要低5.5.4 制冷工質(zhì)的選擇化工熱力學化工熱力學 熱泵的操作費用取決于驅(qū)動壓縮機的機械能或者電能的費用，因此熱泵的經(jīng)濟性能是以消耗單