第六章流動系統(xìtǒng)的熱力學原理及應用6.1引言6.2熱力學第一定律1、封閉系統的熱力學第一定律2、穩定流動系統的熱力學第一定律6.3熱力學第二定律和熵平衡6.4有效能與過程(guòchéng)的熱力學分析精品資料6.2熱力學第一(dìyī)定律1、封閉系統的熱力學第一(dìyī)定律克服恒定外壓所做的體積功為(6-1)(6-2)對于可逆過程精品資料2、穩定流動(liúdòng)系統的熱力學第一定律穩定流動狀態——

流體流動途徑所有各點的狀況都相等，且不隨時間而變化，即所有質量和能量的流率均為常量，系統中沒有(méiyǒu)物料和能量的積累。精品資料(6-3)(6-5)pV稱為(chēnɡwéi)“流動功”，流動所做功是軸功和凈流動功之和W=Ws-p2V2+p1V1 (6-4)H=U+pV在熱力學的許多應用(yìngyòng)中，動能和勢能與其他能量相比是比較小的，若略去不計，可得(6-7)精品資料可逆軸功表達式為

精品資料例題6-1將90℃的熱水，以12m3/h速率從儲罐1輸送到高度(gāodù)為15m的儲罐2，熱水泵的電動機功率為1.5kW，并且熱水經過一個冷卻器，放出熱量的速率為2.5×106kJ/h.試問：儲罐2的水溫度是多少？解：此例題是穩定流動過程式（6-5）的應用，水在儲罐的流動速度很慢，可以忽略動能變化，其他能量項單位為kJkg-1。從附錄C水性質表中可查得，90℃時水的密度為965.3kg·m-3，則水的質量流率為965.3×12=11583.6kgh-1得到放出的熱量軸功勢能精品資料將上述(shàngshù)各項代入式（6-5），得到從附錄C-1飽和水性質(xìngzhì)表中可查得90℃時飽和液體的焓再從飽和水性質表中可內插查到此時的溫度約為38.5℃。

精品資料6.3熱力學第二(dìèr)定律和熵平衡1、熱力學第二(dìèr)定律2、熵及熵增原理3、封閉系統的熵平衡4、穩定流動系統的熵平衡精品資料熵增原理(yuánlǐ)——自發過程的不可逆過程只能向著總熵增加的方向進行，最終趨向(qūxiàng)平衡態。此時總熵變達到最大值，即△St=0達到了過程的終點。△St

=△S

+△S0

≧0在封閉系統中進行的任何過程對孤立系統δQ=0dS孤立≥0或（△S）孤立≥0(6-13)(6-14)(6-15)精品資料熵產生(chǎnshēng)——系統在不可逆過程中，有序的能量(néngliàng)耗散為無序的熱能（如摩擦等），并為系統吸收而導致系統熵的增加，這部分熵稱為熵產生,記為△Sg。(6-16)(6-17)精品資料熵流——若有熱量流入或流出系統，則必定(bìdìng)伴有相應的熵變化，記為△Sf或dSf熵流可為正、為負、為零(6-18)精品資料敞開體系(tǐxì)熵平衡簡圖△Sg

物流流入物流流出△Sf圖6-3精品資料敞開系統的熵平衡方程式為：對穩流過程,系統熵的累積為0對絕熱穩流過程，且只有單股流體,有mi=mj=m△Sf=0對可逆絕熱的穩流過程△Sf=0,△Sg=0若為單股物料(wùliào)，有Si=Sj,為常見的等熵過程。這里△So為系統(xìtǒng)熵的累積量(6-19)(6-20)精品資料6.4有效能與過程(guòchéng)的熱力學分析1、理想功2、損失功3、有效能4、有效能效率(xiàolǜ)和有效能分析精品資料1、理想功：——系統的狀態變化以完全可逆方式完成，理論上產生(chǎnshēng)最大功或者消耗最小功。環境指大氣(dàqì)溫度T0，壓力P0=0.1013MPa的狀態完全可逆，指的是不僅系統內的所有變化是完全可逆的，而且系統和環境之間的能量交換,例如傳熱過程也是可逆的。(6-21)精品資料例題(lìtí)6-2求298K，0.1013MPa的水變成273K，同壓力下冰的過程的理想功。設環境溫度分別(fēnbié)為（1）25℃；（2）-5℃。已知273K冰的熔化焓變為334.7kJ/kg精品資料298K，0.1013MPa水273K，0.1013MPa冰WidH1，S1H2，S2例題(lìtí)6-2Hl2=-0.02kJkg-1和Sl2≈0(a)(b)理想(lǐxiǎng)功的計算與環境有關精品資料P160三（1）求算在流動過程中溫度為540℃，壓力(yālì)為5.0MPa的1kmol氮氣所能給出的理想功是多少？環境溫度為15℃，環境壓力(yālì)為0.1MPa。將氮氣當做(dàngzuò)理想氣體精品資料P160三（1）求算在流動過程中溫度(wēndù)為540℃，壓力為5.0MPa的1kmol氮氣所能給出的理想功是多少？環境溫度(wēndù)為15℃，環境壓力為0.1MPa。將氮氣當做(dàngzuò)理想氣體精品資料P160三（2）某廠有一輸送90℃熱水的管道，由于保溫不良，到使用單位(dānwèi)時，水溫已降至70℃。試求水溫降低過程的熱損失與損失功。設環境溫度為25℃。精品資料2、損失功：實際過程所作的功（產生或消耗(xiāohào)）與完全可逆過程所作的理想功之差，就稱為損失功。穩定流動(liúdòng)過程對于環境來說，Q為可逆熱，Q=-T0△S0不可逆性的熵增加+過程的熱損失損失功與總熵變的關系,且與環境溫度有關。實際過程總是有損失功，過程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功也越大(6-24)精品資料例題(lìtí)6-3用1.50MPa,773K的過熱蒸汽來推動透平機,并在0.07MPa下排出.此透平機既不是可逆的，也不是絕熱的，實際輸出的軸功相當于可逆絕熱功的85%。另有少量的熱散入293K的環境(huánjìng)，損失熱為79.4kJ/kg，求此過程的損失功。精品資料解：查附錄C-2過熱水蒸氣表可知(kězhī)，初始狀態1.50MPa,773K時的蒸氣焓、熵值為：若蒸汽按絕熱可逆膨脹，則是等熵過程，當膨脹至0.07MPa時，熵仍為S2=7.5698kJkg-1K-1。查過熱水蒸汽表可知(kězhī)，此時狀態近似為0.07MPa，373K的過熱水蒸汽，其焓值H2=2680kJkg-1。因可逆絕熱過程，Q=0，則此透平機實際輸出軸功，依據穩流系統熱力學第一定律(dìnglǜ)，得到實際狀態2’的焓為由0.07MPa和H2’可查得過熱水蒸汽狀態為393K，S2’=7.6375kJ·kg-1·K-1，則過程的損失功精品資料3、有效能（availableenergy）：系統在一定狀態下的有效能，就是從該狀態變化到基態過程所作的理想功，用符號(fúhào)B表示物理有效能：指系統的T、p等狀態不同于環境而具有的能量化學有效能：處于環境溫度和壓力下的系統，由于(yóuyú)與環境進行物質交換或化學反應，達到與環境平衡，所做的最大功即為化學有效能系統的有效能B僅與系統狀態有關，是狀態函數。但是它和內能、焓、熵等熱力學性質不同，有效能的數值與所選定的環境狀態有關。T0(S-S0)不能用于作功，又稱為無效能。有效能的終態是基態，即是環境狀態，此時的有效能可視為0。(6-25)精品資料當ΔB<0，即減小的有效能全部用于做可逆功，且所做功最大為Wid；當ΔB>0，即增加的有效能等于(děngyú)外界消耗最小可功（可逆功），對可逆過程有效能是守恒的，對不可逆過程則不守恒精品資料4、有效(yǒuxiào)能效率和有效(yǒuxiào)能分析有效(yǒuxiào)能平衡方程：有效能效率：當D=0時，是可逆過程；D>0是不可逆過程，D<0的過程不可能自發進行。不可逆過程，實際所作的功Ws總是小于有效能的減少，有效能有損失情況。(6-28)(6-29)(6-30)精品資料例題(lìtí)6-6某工廠有兩種余熱可資利用，其一是高溫的煙道氣，主要(zhǔyào)成分是二氧化碳、氮氣與水汽，流量為500kg/h，溫度為800℃，其平均比等壓熱容為0.8kJkg-1K-1；其二是低溫排水，流量是1348kgh-1,溫度為80℃,水的平均比等壓熱容為4.18kJkg-1K-1，假設環境溫度為298K。問兩種余熱中的有效能各為多少?精品資料解：高溫的煙道氣是高溫、低壓氣體，可作為理想氣體處理，按照式（6-25）高溫的煙道氣從800℃降低到環境溫度25℃放出(fànɡchū)的熱量低溫排水的有效能低溫排水從80℃降低到環境溫度25℃放出(fànɡchū)的熱量低溫排水的余熱等于高溫煙道氣的余熱，但是其有效能只有高溫煙道氣的1/6，因此有效能才能(cáinéng)正確評價余熱資源精品資料有效(yǒuxiào)能的分析例題6-7設有壓力為1.0MPa、6.0MPa的飽和水蒸氣以及1.0MPa、553.15K的過熱(ɡuòrè)水蒸氣，若這三種蒸汽都經過充分利用，最后排出0.1013MPa、298.15K的冷凝水。試比較每kg蒸汽的有效能(B)大小和所放出的熱。狀態壓力/MPa溫度/KS/kJkg-1K-1H/kJkg-10飽和液體水298.151飽和蒸汽1.02過熱蒸汽1.03飽和蒸汽6.0狀態壓力/MPa溫度/KS/kJkg-1K-1H/kJkg-10飽和液體水0.1013298.150.3671051飽和蒸汽1.0453.066.58727782過熱蒸汽1.0553.157.04730083飽和蒸汽6.0548.795.8892784精品資料序號狀態壓力p/MPa溫度T/K熵SkJ/kgK焓HkJ/kg（S-S0）（H-H0）BkJ/kg0液體水0.1013298.150.3671051飽和蒸汽1.0453.066.58727786.222673818.52過熱蒸汽1.0553.157.04730086.682903911.43飽和蒸汽6.0548.795.88927845.5226791033.2精品資料壓力相同（1.0MPa）時，過熱蒸汽的有效能較飽和蒸汽為大，故其作功本領也較大；高壓蒸汽的有效能較低壓蒸汽為大，而且熱轉化為功的效率也較高。目前在大型合成氨廠中，溫度在623K以上的高溫熱能都用于生產10.33MPa的蒸汽（過熱溫度753K），作為獲得動力的能源，以提高熱能的利用率；溫度相同（蒸汽2、3相近）時，高壓蒸汽的焓值反較低壓蒸汽略少，故通常(tōngcháng)總是用低壓蒸汽作為工藝加熱之用，以減少設備費用；表中所列1.0MPa和6.0MPa時，飽和蒸汽所放出來的熱量基本相等，但高溫蒸汽的有效能比低溫蒸汽大。由此進一步表明，盲目地把高溫高壓蒸汽作加熱就是一種浪費。故一般用來供熱的大都是0.5～1.0MPa的飽和蒸汽。精品資料能量的合理(hélǐ)利用1、防止能量(néngliàng)無償降級2、采用最佳推動力的方案3、合理組織能量(néngliàng)梯次利用精品資料6.5氣體的壓縮與膨脹過程6.6動力循環1、封閉系統的熱力學第一定律2、穩定流動系統的熱力學第一定律6.7制冷(zhìlěng)循環6.8熱泵精品資料氣體(qìtǐ)的壓縮與膨脹過程1、氣體(qìtǐ)的壓縮2、氣體(qìtǐ)的膨脹（1）絕熱節流膨脹（2）絕熱可逆膨脹精品資料（1）絕熱節流(jiéliú)膨脹節流效應（或Joule-Thomson效應）——流體節流時，由于壓力變化而引起(yǐnqǐ)的溫度變化微分節流效應系數積分節流效應精品資料（2）絕熱可逆膨脹(péngzhàng)微分(wēifēn)等熵效應系數積分等熵膨脹效應永遠是正值

精品資料絕熱節流(jiéliú)膨脹和絕熱可逆膨脹從熱力學角度出發(chūfā)，從溫度降、冷凍量和回收軸動來說，做外功的絕熱膨脹要比節流膨脹優越節流膨脹所需設備簡單，只需一個節流閥，便于調節且可直接得到液體精品資料6.6動力(dònglì)循環6.6.1朗肯循環(xúnhuán)（RankineCycle）透平機是借助流體的減壓和降溫過程來產出功壓縮機可以提高流體的壓力，但是要消耗功精品資料理想(lǐxiǎng)的朗肯循環1→2→3→4→5→6→11→2→3→4：流體在鍋爐、過熱器中被等壓加熱汽化成為過熱蒸汽(zhēnɡqì)的過程，加入的熱量：Q=H4－H1（正值）4→5：過熱蒸汽(zhēnɡqì)在透平機中的可逆絕熱膨脹過程，對外所做軸功可由膨脹前后水蒸汽(zhēnɡqì)的焓值求出-WS=－△H=H4－H5（負值）5→6：乏氣的冷凝過程，放出的熱量Q0=H6－H5（負值）6→1：將冷凝水通過泵由p2→p1Wp=△H=（H1－H6）(正值)=－VlH2O（p2－p1）精品資料理想(lǐxiǎng)朗肯循環循環(xúnhuán)的熱效率工質通過循環作出的凈功WNWN=WS+WP=（H5－H4）+（H1－H6）≈H5－H4所吸收的凈熱（Q+Q0）

經過一次循環后，ΔH=0，WN=Q+Q0汽耗率SSC等熵膨脹效率相對內部效率精品資料例題6-9某一蒸汽動力(dònglì)循環裝置，鍋爐壓力為4MPa，冷凝器工作壓力為0.004MPa。進入透平機的過熱蒸汽，溫度為500℃。若此循環為理想朗肯循環，試求循環的熱效率和汽耗率。若過熱蒸汽通過透平機進行實際的不可逆絕熱過程，排出乏汽的干度為0.92，試求此實際朗肯循環的熱效率和汽耗率。精品資料朗肯循環(xúnhuán)的改進1、提高蒸汽(zhēnɡqì)的過熱溫度2、提高蒸汽(zhēnɡqì)的壓力3、采用再熱循環在相同的蒸汽壓力下，提高蒸汽的過熱溫度時，可使平均吸熱溫度相應地提高。由圖6-7可見，功的面積隨過熱溫度的升高而增大，循環熱效率隨之提高，當然汽耗率也會下降。同時乏氣的干度增加，使透平機的相對內部效率也可提高。但是蒸汽的最高溫度受到金屬材料性能的限制，不能無限地提高，一般過熱蒸汽的最高溫度以不超873K為宜水的沸騰溫度隨著蒸汽壓力的增高而升高，故在保持相同的蒸汽過熱溫度時，提高水蒸汽壓力，平均吸熱溫度也會相應提高。從圖6-8可以看出，當蒸汽壓力提高時，熱效率提高，而汽耗率下降。但是隨著壓力的提高，乏汽的干度下降，即濕含量增加，因而會引起透平機相對內部效率的降低，還會使透平中最后幾級的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應低于0.88。另外，蒸汽壓力的提高，不能超過水的臨界壓力(pC=22.064MPa)，而且設備制造費用也會大幅上升。這都是不利的方面。再熱循環是使高壓的過熱蒸汽在高壓透平中先膨脹到某一中間壓力(一般取再熱壓力為新汽壓力的20~25%)，然后全部引入鍋爐中特設的再熱器進行加熱，升高了溫度的蒸汽，進入低壓透平再膨脹到一定的排氣壓力，這樣就可以避免乏氣濕含量過高的缺點。如圖6-9所示，高壓蒸汽由狀態點4等熵膨脹到某一中間壓力時的飽和狀態點4‘(膨脹后的狀態點也可以在過熱區),作出功。飽和蒸汽在再熱器中吸收熱量后升高溫度，其狀態沿等壓線由4’變至5(再熱溫度與新汽溫度可以相同，也可以不同)，最后再等熵膨脹到一定排氣壓力時的濕蒸汽狀態6，又做出功。精品資料6.7制冷(zhìlěng)循環1、逆卡諾循環制冷(zhìlěng)系數循環放熱量Q0=T2(S3-S2)循環吸熱量q0=T1(S1–S4)循環所做的凈功-WN=Q0+q0=(T1–T2)(S2–S3)T1<T2,S1>S2,WN>0逆卡諾循環的制冷系數僅是工質溫度的函數，與工質無關（6-40）精品資料2、單級壓縮(yāsuō)制冷循環低壓蒸汽(zhēnɡqì)的壓縮、高壓蒸汽(zhēnɡqì)的冷卻冷凝、高壓液體的節流膨脹、濕蒸汽(zhēnɡqì)的定壓蒸發精品資料實際蒸汽壓縮制冷裝置中的膨脹過程，為何采用(cǎiyòng)節流閥而不用膨脹機?制冷裝置的膨脹過程，采用節流元件（如閥、孔板等）主要考慮到節流設備簡單，裝置緊湊。對于中小型設備而言，這個(zhège)膨脹功是不值得回收的，功量不大，但是設備投資要增加許多。因此，大多不采用膨脹機精品資料2、單級壓縮制冷(zhìlěng)循環制冷機所消耗的理論(lǐlùn)功率G----制冷劑的循環量制冷機的制冷系數單位質量制冷劑的制冷量

q=H1－H4kJ·kg－1

制冷劑的循環量G=Qc/q （6-41）（6-42）（6-43）精品資料習題三（11）壓縮機出口氨的壓力(yālì)為1.0MPa，溫度為30℃，若按下述不同的過程膨脹到0.1MPa，試求經膨脹后氨的溫度為多少？

（1）絕熱節流膨脹；

（2）可逆絕熱膨脹。122’3℃-33℃精品資料通過(tōngguò)例題6-10學習如何查壓焓圖壓焓圖上有等溫線、等熵線、等壓線、等容線精品資料習題三（14）某蒸汽壓縮制冷循環(xúnhuán)，制冷量Q0為4×104kJ·h-1，蒸發室溫度為-10℃，冷凝器用水冷卻，進口為8℃。若供給冷凝器的冷卻水量無限大時，計算制冷循環(xúnhuán)消耗的最小功為多少？如果冷凝器用室溫（25℃）空氣冷卻時，其消耗的最小功又是多少？所有的制冷(zhìlěng)循環中，逆卡諾循環的制冷(zhìlěng)效率最高，即功耗最小當冷卻水量無限大時，冷凝溫度T2=(8+273)K當冷凝器用空氣冷卻時，冷凝溫度近似等于室溫25℃冷卻溫度越低，消耗功越小。但是空氣冷卻所用設備簡單，如家用空調器，冰箱采用散熱片空氣冷卻，不過它們的能耗要比水冷卻高許多精品資料3、多級壓縮(yāsuō)制冷循環1→2，3→4兩級壓縮(yāsuō)7→8，9→10兩級膨脹如果需要獲得較低的溫度，蒸氣蒸發壓力要低，則蒸氣的壓縮比就要增大，單級壓縮是不經濟的，通常采用多級壓縮。多級壓縮制冷可提供多種不同溫的制冷量；制冷循環應用于化工生產，有些制冷劑本身就是生產中的產品，如合成氨廠用液氨