第五章 熱力循環(huán)-熱力學第二定律及其應用

第五章熱力循環(huán)——熱力學

第二定律及其應用學習要點：

1.預測實際過程的方向及深度；

2.建立起能量質量的觀念，樹立起開發(fā)“第五能源”的意識：

煤、石油、天然氣、原子能＋節(jié)能。重點：熵平衡式；某些過程熵變的計算；

T－S圖及其應用，包括各種過程在T－S圖上的表示，動力循環(huán)、制冷循環(huán)及熱泵循環(huán)各步的功、熱計算等。15.1

熱力學第二定律5.1.1

熱力學第二定律的概述傳熱：熱不可能從自動的從低溫傳遞到高溫。熱功轉換：不可能有一熱機從單一熱源吸熱而全部轉變?yōu)楣Α＃ㄍ饨绮涣粝氯魏巫兓幌颦h(huán)境散失熱量）概括地講，一句話：

2一切自發(fā)過程都是不可逆的不可逆指的是單向性。或者說凡是自發(fā)過程都是有方向性的。熱由高→低溫傳遞是自發(fā)的。反之不能自發(fā)進行，其它也一樣。

為什么治理環(huán)境污染要比污染環(huán)境難得多？？？

35.1.2

熱功轉化的效率熱機效率

對外所做功和在高溫熱源吸收熱量之比。（火力發(fā)電廠的熱效率大約為40%）

若該過程可逆地進行，效率應該是最高的。4逆循環(huán)不會自發(fā)地進行，需要外界輸入功。

55.2

熵

5.2.1卡諾循環(huán)及熵卡諾循環(huán)工質為理想氣體?？ㄖZ循環(huán)示意圖1→2 TH 等溫膨脹2→3 Q＝0 絕熱膨脹3→4 TL 等溫壓縮4→1Q＝0 絕熱壓縮6①

∵理想氣體

理氣

②

(A)功熱計算：7③

④

(B)應用循環(huán)來求功：循環(huán)為什么？

記住！比較(A)(B)二式：

因為是狀態(tài)函數(shù)。其它狀態(tài)函數(shù)均成立。

8

卡諾效率，實際效率之極限。結論：卡諾效率與工質無關，只與TH、TL有關。這是熱力學第二定律數(shù)學表達式的基礎工作，有人進一步研究了這個結果：

循環(huán)：∑做功＝∑熱。為什么？

∴9第二、四步Q＝0，即熱溫商等于零。寫成通式：循環(huán)過程

或寫成定義：可逆過程的熱與所對應的溫度之比稱為熵。

即

熵函數(shù)的引出問題：由聯(lián)想到示功圖(P－V圖)

類比出示熱圖：10N是什么？當時并不知道，稱之為N－Tropy，N方向上的矢量。為了拼寫方便，前面加上一個“E”變?yōu)镋ntropy

——熵。11復習一下有關熵計算的內容：對于環(huán)境熵變：a.可逆過程∵傳熱無溫差

∴b.實際過程環(huán)境認為是無限大熱源，傳熱不可能引起環(huán)境溫度改變即為可逆?zhèn)鳠?，所以不要人為設計可逆過程，對于物系一定要設計可逆過程。

12熵變計算并不難，關鍵概念要清楚！通過對熵變的計算可以總結出一個規(guī)律：對于一切實際過程：總成立！或

第二定律的數(shù)學表達式

即自然界進行的一切過程熵值不可能減小。做功本領不可能自動增加。13需要指出：自然界的工作方式服從兩個規(guī)律：這個結論僅適合于宏觀狀態(tài)大量分子。極少數(shù)分子在超微觀的情況下，可能出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，不在我們討論的范圍之內。判斷過程的可逆與否：不可逆可逆(平衡態(tài))過程進行的方向：熵值增的方向，限度：平衡態(tài)145.2.2熱力學第二定律用于閉系概念：①熵流

系統(tǒng)與環(huán)境之間由于能量的傳遞(能流)使系統(tǒng)增加的熵稱為熵流。

能量流動有功、熱兩種，功是有序能量，其傳遞結果不含有熵流，所以只有熱能流動才直接聯(lián)系到熵流動。隨熱流產生的熵流

其中,T是輸入界面的點溫度，所以熱交換是可逆的。

體系與外界傳遞的熱量可正、可負，可為零。因此熵流亦如此。15②熵產體系內部由于過程的不可逆性而產生的熵。時是可逆過程。一切實際過程均是不可逆的，也就是說熵是不守恒的，它會由于過程的不可逆而“產生”出來，我們稱之為熵產。過程的不可逆程度越大，熵產也就越大。若是不可能的。③封閉體系的熵平衡式：165.2.3孤立體系熵平衡式第二定律

若將不等式變?yōu)榈仁絼t

即即孤立體系的熵產生等于孤立物系的總熵增量。5.2.4開系熵平衡式體系熵變：若熵流是由變溫熱流流動引起的：17若熵流是由恒溫熱流流動引起的則：對于穩(wěn)流過程，熱力學狀態(tài)不隨時間而改變：或——敞開體系穩(wěn)流過程熵平衡式其中：為比熵——單位質量流體的熵，KJ·kg-1·K-1——質量，kg

——熵流，若為恒溫熱源吸熱為正恒溫熱源溫度，單位K(絕對溫度)。絕熱過程18一股流體經(jīng)過節(jié)流閥

絕熱可逆過程

∴

等熵過程若一股物流

(等熵過程)例5-2P12519小結熵的概念

過程進行的限度：

達到平衡狀態(tài)。判斷過程的方向性熵值增大的方向

熵流：由于熱量傳遞引起熵變?？烧?、可負、可為零。看P82熵產：由于過程的不可逆性而“產生”出來的熵。不可能

孤立體系20或

閉系：換一種理解：開系穩(wěn)流過程215.3熱力學圖表及其應用常見的有T－S圖，H－T圖，P－H圖，H－S圖等另外熱容、逸度系數(shù)、等很多。本課的重點：T－S圖及其應用。

5.3.1溫熵圖(T－S圖)

1.圖形分析（點、線、面的物理意義）

點：臨界點——飽和蒸汽線和飽和液體線的交點C點。

基本線型：①等壓線②等焓線③等比容線V＝const

（有的圖不畫出來）

22④等干度線x=const

x＝0

飽和液體，

x＝1

飽和蒸汽⑤等T線⑥等S線

面：兩相區(qū)——山包線內汽相區(qū)——山包線右側液相區(qū)——山包線左側流體區(qū)——時(又稱超臨界區(qū))232.表示狀態(tài)和過程相律F——自由度，數(shù)學上的獨立變量。在T－S圖上：狀態(tài)——用一個點表示；

過程——用一個線段表示。為什么？3.基本用途①等壓加熱和冷卻過程如圖，（反過來由2→1即為等壓冷卻過程）過程

又∵是等壓加熱

為什么？

等壓24③等熵膨脹或非等熵膨脹過程絕熱可逆過程為等熵過程：1→2

（垂直！）或

若為絕熱不可逆過程，熵值必定增大，線應該向右偏。一定記住！

1→2′，2′點由等熵效率來確定：若

解出膨脹壓縮后的溫度讀圖即可！25②節(jié)流膨脹過程如圖所示1→2。若在兩相區(qū)中：

則

由于過程不可逆。26④等熵壓縮、非等熵壓縮

（絕熱可逆、不可逆壓縮）

等熵

1→2

（垂直?。嚎s后的溫度亦可直接讀出，不必由迭代。

若為絕熱不可逆過程，向右偏！27例5-4P130⑤等溫可逆壓縮或膨脹

等溫可逆膨脹？倒回去！2→1等溫可逆壓縮：285.3.2焓－熵圖(h-s圖)P130頁圖(5-12(a))。線型比較簡單：等T、等P線。多應用高溫區(qū)。

296→1視為絕熱可逆壓縮

垂直！1→2預熱2→3汽化3→4過熱4→5膨脹做功（等熵膨脹即絕熱可逆）垂直！若為絕熱不可逆即實際膨脹4→7右偏?。?！5→6冷凝TS－圖示：記住！305.3.3壓－焓圖(p－h(huán)圖)P132頁圖[5-13]線型簡單：等T、等S線等。適用于和壓力有關的焓的計算。5.3.4焓－溫圖(h-T圖)線型比較簡單：等P、S線。計算過程的熱比較方便。

31325.4

水蒸氣動力循環(huán)顯然這個結論對提高實際熱機效率有指導意義。5.4.1

卡諾循環(huán)

以蒸氣為工質（工作介質）產生動力的循環(huán)——蒸氣動力循環(huán)。朗肯循環(huán)是典型的、最簡單的蒸氣動力循環(huán)。

5.4.2

朗肯循環(huán)工藝流程如圖所示：記??！

33以理想朗肯循環(huán)為例，進行熱、功計算：⑴鍋爐系統(tǒng)吸熱1→4

⑵透平機做功

4→5

5點的焓值

干度由熵確定：

⑶冷凝器中散熱量

5→6⑷

泵功計算按絕熱可逆

過冷液體區(qū)等壓線密集，h1不易讀出，采用近似計算：34整個循環(huán)的凈功循環(huán)過程熱效率

汽耗率

實際膨脹過程

S7>S4

透平機等熵效率

給定冷凝放熱

35P135

例5－5

5.4.3朗肯循環(huán)的改進前提：冷卻水溫一定。定性地分析：⑴提高水蒸氣過熱溫度過熱度

膨脹機希望x=1，沒有液滴出現(xiàn)，可防止水擊。但是隨著T上升，對材質要求上升。所以一般要求T4<600℃，否則設備費用增加。36⑵提高蒸氣的壓力

汽化熱減小QH↓當P>PC稱為超臨界鍋爐。需要特殊材質，目前一般不用，所以要求x>0.88。37⑶采用再熱循環(huán)既然都使但受材質影響T<600℃，x>0.88把二者結合起來

由T-S圖可以看出：再熱次數(shù)增加，都使但是，再熱次數(shù)越多，設備越復雜，投資越高，和壓縮機分段越多越省功，但設備投資愈高的道理一樣，所以取一個最佳值。P138例5－6

385.4.4其他動力循環(huán)（簡介）

傳統(tǒng)的動力循環(huán)

鍋爐系統(tǒng)39背壓式透平根據(jù)供熱需要選擇壓力

抽氣式透平根據(jù)供熱需要抽氣40c．蒸汽－燃氣聯(lián)合循環(huán)

41

b.

燃氣輪裝置循環(huán)425.5

制冷

<制得

Tlow

保持

－100℃

普通制冷

深冷

要點：制冷過程在T-S圖上標示以及冷凍量、消耗功量及制冷系數(shù)等的計算。43制冷的應用制冷氣體液化潤滑油凈化低溫反應食品儲存結晶分離氣溫調節(jié)44制冷的實質：利用外功將熱持續(xù)的從低溫物體傳給高溫環(huán)境介質代價(WS)OK!!Q自發(fā)4546制冷的常見類型蒸氣壓縮制冷空氣壓縮制冷消耗外功型消耗內能型制冷蒸汽噴射制冷吸收制冷475.5.1

制冷循環(huán)與蒸汽動力循環(huán)的比較48卡諾循環(huán)是熱機的極限，將其倒過來即逆卡諾循環(huán)——制冷機的極限

由此可看出：蒸發(fā)溫度TL越高，冷凝溫度TH與蒸發(fā)溫度TL的差值（TH－TL）越小，冷凍系數(shù)就越大。此結論指導制冷節(jié)能！495.5.2

蒸汽壓縮制冷循環(huán)A.在熱力學圖上的標示及功、熱計算

原則：點代表一個狀態(tài)，線代表一個過程。①由點1→2為等熵壓縮

即每公斤工質耗功量。Ws=mws②由點2→3→4為等壓冷凝過程

若工質循環(huán)速率為mKg/h,冷凝器每小時放熱量為即為冷凝器熱負荷。③由點4→5為節(jié)流過程，等焓過程

h4=h550④由點5→1為等壓汽化過程

每小時蒸發(fā)器吸收的熱量即制冷量為若已知求出工質循環(huán)速率

制冷系數(shù)

這里壓縮機功耗

51

單位時間在蒸發(fā)器中吸收的熱量，稱為冷凍能力。1冷凍噸——每天將273.16K的1噸水凝結為同溫度的冰所需取走的熱量，它等于非等熵壓縮過程：

52B.制冷循環(huán)的操作工況T汽化=T物系要求達到的溫度－4～5℃（傳熱溫差）壓縮機入口壓力即T汽對應的P飽為P1。T冷凝=T冷凝介質+5℃（傳熱溫差）壓縮機出口壓力即T冷凝對應的P飽為P2，整個冰機系統(tǒng)的操作工況無法人為控制，它隨著冷凝介質和被冷物料的溫度而浮動。（壓縮機出口壓力夏天高，冬天低）53冷凝溫度對制冷系數(shù)的影響：壓縮機出口壓力夏天高，冬天低

蒸發(fā)溫度對制冷系數(shù)的影響：TL升高，ξ增加過冷溫度對制冷系數(shù)的影響：冬天省電P141例（5-7）54C.冰機節(jié)能的探討——多級蒸汽壓縮制冷循環(huán)若采用一臺壓縮機，汽氨總管壓力必須是-15℃的飽和蒸汽壓，后兩臺氨冷器傳熱溫差就很大，怎么辦？分為三級，即為多級蒸汽壓縮制冷循環(huán)。

蒸發(fā)溫度TL越高，冷凝溫度TH與蒸發(fā)溫度TL的差值（TH－TL）越小，冷凍系數(shù)就越大。此結論指導制冷節(jié)能！55低壓蒸發(fā)器1低壓汽缸高壓汽缸中間冷卻器節(jié)流閥I節(jié)流閥II汽液分離器高壓蒸發(fā)器冷凝器22’3456787

356進入壓縮機二段缸的一共有四股氣體：低壓缸（一段缸）來的氣體中壓制冷所產生的蒸汽節(jié)流閥A后產生的蒸汽（5→6點汽液混合物）冷卻低壓缸來的氣體時液氨蒸發(fā)產生的蒸汽。（

→3時所需冷量）

計算結果表明制得相同冷量可節(jié)省一部分功，原因是采用了中壓節(jié)流，第一級冷凍系數(shù)提高了，

(低溫為負數(shù)℃，溫度越高TL↑)當冷凍溫度要求過低時，也可采用多級制冷，考慮壓縮機功耗，P入口很低，出口壓力受冷凝介質限制，不能改變，這樣壓縮比很大。（夏天冷卻水溫40℃，冷凝溫度達45℃的PS↑）壓力高，出口溫度相應提高，采用多級制冷（壓縮）既可降低壓縮功耗又可改善壓縮機潤滑狀況，如：滄化三級閃蒸制冷。5712345678ST

①

節(jié)能（耗功少）②

制冷率高③可同時得到不同溫度的低溫

分級壓縮、蒸發(fā)的優(yōu)點：思考：三級壓縮三級蒸發(fā)?585.5.3吸收式制冷循環(huán)

吸收制冷采用的工質是氨水溶液或溴化鋰溶液，前者可達208K左右，后者在278K以上，用于空調系統(tǒng)。所需的熱源屬于低品味熱能，工廠中的低壓蒸汽、熱水、煙道氣及某些工藝氣體（需要降低其溫度）。將這些所謂余熱加以利用，從而節(jié)省了電能或機械能，從節(jié)約能源的角度是很合理的。它的缺點是熱力系數(shù)比較低。吸收式制冷循環(huán)與蒸汽壓縮制冷循環(huán)的不同點在于：蒸汽壓縮制冷循環(huán)：壓縮機（消耗機械功）吸收式制冷循環(huán)：吸收塔，解吸器，換熱器，泵（消耗低品位熱量和少量泵功）

59吸收式制冷的工作原理

右邊紅框相當于壓縮機泵吸收器換熱器解吸器蒸發(fā)器節(jié)流閥QL載冷體水低品位熱量Q冷凝器QH水605.5.4制冷劑的選擇原則：P144汽化潛熱大，減少制冷