压缩、膨涨、动力循环与制冷循环文.ppt

第七章 压缩、膨涨、动力循环与制冷循环,沈阳化工学院：龙小柱,引 言,图7-1水吸收热变为水蒸气，其能量可以顶开壶盖。,循环:系统从初态开始，经历一系列的中间状态后，又重新回到初态，此封闭的热力过程称为循环。 循环本质:功与热之间的相互转化。 能量的转化：借助工质在循环过程中连续不断、周而复始的发生p-T-V变化，状态变化过程中将热转化为功。 动力循环正向循环 制冷循环逆向循环 工质的膨胀和压缩构成了这两类循环的基本元素。,空气压缩机,7.1 气体的压缩,7.1.1 活塞式压气机 的压气过程 7.1.2 压缩过程的 热力学分析,图7-2 活塞式压气机的理想过程,图7-3 压缩过程的p -V 图,图7-4 压缩过程的T -S 图,等温压缩过程，等温线12T 绝热压缩过程，绝热线12S 多变压缩过程，实际的压缩过程是多变压缩过程，多变线12m 等温过程方程式 绝热过程方程式 实际（多变）过程方程,k为绝热指数,m 为多变过程指数,若为可逆过程，按照“得功为正（或耗功为正）”的规定，其轴功可按式(7-1)计算 理想气体等温、多变及绝热压缩过程的方程式代入式(7-1)积分得理论功耗的计算式。,(7-1),(7-2a),（7-3a）,（7-4a）,(7-2b),(7-3b),(7-4b),压缩真实气体，其耗功的计算公式 又将如何？,【例7-1】某厂每天至少需要1.0 MPa的压缩空气100 m3，用于生产。因此，要将室温（取20）的空气从常压的0.1MPa压缩至1.0MPa，要求技术人员通过计算，选择、确定所需要的空气压缩机的技术参数，以便购买时参考。如果技术人员是你，如何处理？假定进出口平均压缩因子为1.05。 提示：如果耗功较少、压缩空气的温度升高不大，一般比较有利。可分别计算可逆等温压缩、可逆绝热压缩及可逆多变压缩过程的耗功量及最终温度等技术参数，以便采购时参考。 求三种压缩过程的功耗和终温。 解（1）可逆等温压缩过程，由式(7-2b)，得,过程等温,（2）可逆绝热压缩过程，由式（7-3b）得,由理想气体的绝热过程方程式得,，因此绝热压缩的终温为,（3）取空气的多变指数m=1.2 ，可逆多变压缩过程功耗由式（7-4b）计算,由多变过程的方程式,讨论：从计算可知，把一定量的气体从相同的初态压缩到相同的终压时，绝热压缩消耗的功为3960Js-1，为最大值；等温压缩2799Js-1，为最小值；多变压缩3411Js-1，介于两者之间。实际生产过程中，消耗的功越多，表明生产成本越高、利润越少。 绝热压缩后被压缩气体的温度565.98K ，为最高；等温压缩后为293.15 K ，为最低；多变压缩后为430.3 K ，介于两者之间。实际上，温度过高将不利于保证压气机汽缸得到良好的润滑和机器的安全运行。 因此，在出口压力达到1.0 MPa的条件下，选择多变压缩指数 m 较小的空气压缩机为宜。,7.2 气体的膨胀,7.2.1 节流膨胀,膨胀阀,高压流体流经管道中的某一节流元件(如孔板、节流阀、毛细管等)，迅速膨胀到低压的过程称节流膨胀。特点：过程等焓 由热力学第一定律：H = 0,流体进行节流膨胀，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或Joule-thomson效应。节流时微小压力的变化所引起的温度变化，称为微分节流效应。数学式为：,(7-6),（1） 理想气体,理想气体在节流过程中温度不发生变化； 不能用于制冷。 是否可以制热？,（2）真实气体,J0 节流后温度降低，制冷。 J = 0 节流后温度不变。 J0 节流后温度升高，制热。,转化点,转化温度,转化曲线,图7-7 节流效应的 T-P图,图7-8 不同气体的转化曲线,利用转化曲线可以确定节流膨胀后获得低温的操作条件。,积分节流效应： 实际节流时，压力变化为一有限值，由此所引起的温度变化称为积分节流效应。,（7-7）,图7-9 节流效应及等熵膨胀效应在T-s 图上的表示,工程上，积分节流效应TH 可直接利用热力学图求得，极为简便，见图7-9。,7.2.2 绝热作外功膨胀,气体从高压向低压作绝热膨胀时，若通过膨胀机来实现，则可对外作功，如果过程是可逆的，称为等熵膨胀；特点是膨胀前后熵值不变。,透平膨胀机,等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的温度变化，称为微分等熵膨胀效应系数，以 s 表示。,(7-8),气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体的温度总是下降,是吗？为什么？,积分等熵膨胀效应 气体等熵膨胀时，压力变化为一有限值，所引起的温度变化，称积分等熵膨胀效应,(7-9),由图7-9可以明显看出， TsTH ，这是工业上将其用于大中型气体液化装置中，做大幅度降温用的原因。,由于两种膨胀各具有优、缺点，工程上常将两种膨胀结合并用。,表7-1 节流膨胀与绝热作外功膨胀优缺点比较,【例7-2】某工厂某一压缩机出口的空气状态为P1=9.12MPa(90 atm)，T1=300K, K，现需膨胀到P2=0.203MPa (2 atm)。作为工程技术人员，如果有下列两种膨胀供你选择，选择那一种？为什么？取环境温度为25。节流膨胀；做外功的绝热膨胀，已知膨胀机的实际输出的功等于可逆绝热膨胀时轴功的80%（即等熵效率为80%）。,提示：只有求出两种膨胀发生后气体的温度、膨胀机的作功量（有效功）及膨胀过程的损失功；然后，确定较经济、节能的一种作为选项。,例7-2图1 空气的TS示意图,解：取1 mol作为计算基准。 对于节流膨胀过程，根据式（6-24）计算损失功。先计算环境的熵变S sur。根据节流膨胀的特点 Q0 ，H 0，于是有 Q sur0 。则,计算系统的熵变Ssys。查附录13空气的T-s图得： P19.12 MPa、T1300 K时：,由H1的等焓线12与P2的等压线交点2，得,(节流膨胀后温度),节流膨胀所做功,节流膨胀过程的损失功,做外功的绝热膨胀，过程绝热，若同时是可逆的，则为等熵过程。从压缩机出口状态1作等熵线12，与P20.203 MPa等压线的交点2。查附录13得,（可逆绝热膨胀后温度）,由式（6-4）得可逆轴功,过程的等熵效率为0.8，此过程实际是不可逆的绝热膨胀，故,由H2与P2，在附录13空气的T-s图上查得T2133K(作外功绝热膨胀后温度)。,膨胀机实际所作功,7.3 蒸汽动力循环,蒸汽动力装置主要由四种设备组成：(1)称为锅炉的蒸汽发生器；(2)蒸汽轮机；(3)冷凝器；(4)水泵。工质周而复始地流过上述四种设备，构成了（绝热）压缩、（等温）膨胀、等温压缩、绝热膨胀四个步骤的热力循环，使吸自高温热源的热能的一部分转变成有用功输出，实现热向功的转换。,由式（6-23）得作外功绝热膨胀的损失功,例7-2 表1 节流膨胀与作外功绝热膨胀比较,从计算结果，作外功绝热膨胀的损失功小，降温幅度大，还对外做功，比较经济。因此选择作外功的绝热膨胀。,中国60年代，15001800度电/吨NH3。 中国70年代，仅1030度电/吨NH3。 这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。,蒸汽动力循环的作用：,高温热源,废热锅炉，产生高压蒸汽,压缩机,透平机,高温热源可以是温度较高的工业废热、地热、太阳的辐射热等，也可以是矿物燃料燃烧产生的高温烟气的热能或核燃料通过核裂变转变而来的热能。,7.3.1 卡诺（Carnot）蒸汽循环,工作于高温和低温两个热源之间的Carnot热机，又称Carnot循环。它由两个等温可逆过程和两个绝热可逆过程构成。如果以水蒸气为工质，则可以实现等温吸热和等温放热过程。,图7-10 Carnot循环的p-V图,图7-11 Carnot循环的TS图,Carnot循环是由可逆过程构成的、效率最高的热力循环。 它可以最大限度地将高温热源输入的热量转变为功。,(7-10a),Carnot循环效率,(7-10b),Carnot循环对外作(最大)功Ws,c,Carnot循环虽然是效率最高的循环，但它却不能用于生产。,7.3.2 Rankine循环及其热效率,7.3.2.1理想Rankine循环,第一个具有实践意义的蒸汽动力循环是Rankine循环。它也由四个步骤组成。该装置的示意图及TS图、HS图分别见图7-12图7-14。,图7-12 Rankine循环,图7-13 Rankine循环的TS 图,图7-14 Rankine循环的HS 图,理想Rankine循环是指：Rankine循环中各个过程是完全可逆的，忽略工质的流动阻力与温差传热，该循环对应于图7-13图7-14上的12341。应用式（6-1），忽略膨胀前后流体的位差与速度，Z0,u2/2 0；则对于单位质量的流体，式(6-3)写为,(6-3),1) 41过程：锅炉中的高压水恒压升温和恒压汽化，不作功Ws=0，过程有相变，根据式（6-3），每kg工质在锅炉中的吸热量,(7-11),2) 12过程：汽轮机中工质作等熵（可逆绝热）膨胀，Q=0 ，此过程降压降温，根据式（6-13），单位工质对外作功量,(7-12),3) 23过程：低压湿蒸汽在冷凝器中作等压等温冷凝，不作功Ws=0，此过程有相变，依式（6-13），单位工质冷凝的放热量,(7-13),4) 34过程：饱和水在水泵中作等熵（可逆绝热）压缩，Q=0，此过程升压升温无相变，根据式（6-13），水泵压缩单位工质消耗的压缩功,(7-14),由于水的不可压缩性，压缩过程中水的容积变化很小，过程可逆，消耗的压缩功亦可按式(7-1)计算，即,(7-15),5) 热效率是锅炉所供给的热量中转化为净功的分率，用符号表示,(7-16),蒸汽动力循环中，水泵的耗功远小于汽轮机的做功量(WpWs)，水泵的耗功Wp0,常忽略不计，则,(7-17),6) 汽耗率是蒸汽动力装置中，输出1kWh的净功所消耗的蒸气量。用SSC(Specific steam consumption)表示,(7-18),由公式，热效率越高，汽耗率越低，表明循环越完善。,用上述公式进行计算时，所需各状态点的焓值可查阅附录5或附录12焓熵图。具体见书 上相关内容。,7.3.2.2实际Rankine循环,工质流动中，实际存在摩擦、涡流、散热等因素，汽轮机及水泵不可能作等熵膨胀及等熵压缩，且对汽轮机需考虑膨胀过程的不可逆性。因此，蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀不是等熵的，由图7-13看出，出口蒸汽不再是2而是2。,实际Rankine循环如图7-13、图7-14中的12 341所示。实际作出的功应该为 WS(不可逆)=H1 H2，显然它小于等熵膨胀的功 WSR=H1 H2 。两者之比称为等熵效率S。工程上，通常用S来表示不可逆性。,1) 等熵效率S：膨胀作功过程，不可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做功量之比。,(7-19),2) 实际Rankine循环的热效率：,(7-20),【例7-3】某核潜艇以蒸汽动力循环提供动力的循环如例7-3图1。锅炉从温度为400的核反应堆吸入热量Q产生压力为7MPa、温度为360的过热蒸汽(点1)，过热蒸汽经汽轮机膨胀做功后于0.008MPa压力下排出(点2)，乏气在冷凝器中向环境温度 t220下进行定压放热变为饱和水(点3)，然后经泵返回锅炉(点4)完成循环，已知汽轮机的额定功率为15104kW，汽轮机作不可逆的绝热膨胀，其等熵效率为0.75，而水泵可认为作可逆绝热压缩，试求：(1)此动力循环中蒸汽的质量流量； (2)汽轮机出口乏气的湿度；(3)循环的热效率。,解： 作出此动力循环的Ts图，见例7-3 图2。 根据给定的条件，查附录5确定1、2状态点的参数。,1点（过热水蒸气）p17MPa t1360时，查附录5-3内插得,导弹核潜艇,例7-3 图2 动力循环的TS 图,例7-3 图1 动力循环示意图, 确定膨胀后的状态点，并计算轴功和汽轮机出口乏气的湿度。 在Ts图中，12过程表示汽轮机作等熵膨胀（即可逆绝热膨胀），膨胀后乏气的干度为X2,而1过程表示汽轮机的实际膨胀过程（即不可逆绝热膨胀）。在此首先计算汽轮机出口乏气的湿度，假定汽轮机作等熵膨胀，则,2点(湿蒸汽) P10.008 MPa时，查得附录5-2得：,状态点2的熵由式（3-79）计算：,膨胀后乏气的干度为,等熵膨胀过程终点的焓值为,等熵膨胀所作的理论功为,根据等熵效率的定义,实际膨胀过程（12）所做的功为,于是实际膨胀过程终点的焓值为,汽轮机出口乏气的湿度为,设汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2，则,出口乏气的熵值由式（3-79）计算为, 计算水泵所消耗的功和循环蒸汽的质量流量。,水泵所消耗的功（过程34）为,水泵压缩视为绝热过程，由式（6-3）知，,4点(未饱和水)：,假设水泵作可逆绝热压缩,3点(饱和液体)：取p 为0.008MPa时的饱和水，由附录5-2内插得到,循环中蒸汽的质量流量为, 循环的（实际）热效率:由式(7-17)可得,如果汽轮机作等熵膨胀，则循环的理论热效率,7.3.3蒸汽参数对Rankine循环热效率的影响,在理想的Rankine循环中，吸热过程和放热过程的温度和压力决定了循环的热效率。(1)吸热温度都比高温燃气的温度低得多，致使热效率低下，传热不可逆损失极大。(2)放热过程，若降低冷凝温度也能提高Rankine循环的热效率，但这受到冷却介质温度和冷凝器尺寸的限制。,瞧：从头至尾都是热力学第一定律与热力学第二定律。实际理论，看来Rankine循环仍有潜力可挖。,水蒸汽所作的净功为,如何提高郎肯循环的热效率？,卡诺循环：,Rankine循环：,要使：,(1) h2，降低压力P2（汽轮机出口蒸汽压力）,(2) h1，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度,(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率,7.3.4 Rankine循环的改进,7.3.4.1 回热循环,单位质量工质抽出部分蒸汽Kg到回热加热器,回热循环的计算,计算方法：利用物料平衡和能量平衡计算抽气量,依据热力学第一定律可得,(7-21),回热循环的热效率,（7-22）,见例题【例7-4】,回热循环与Rankine循环比较,优点： (1)提高了水在锅炉中吸热的温位，从而增加了蒸汽有效能量，做功本领变大。 (2)整个循环的工质只有一部分通过冷凝器排往自然环境的有效能减少。 (3)减少锅炉热负荷和冷凝器换热面积，节省金属材料。,缺点： (1)中压蒸气和水在水加热器中不可逆混合，损失了部分有效能。 (2)设备增加。,利大于弊！ ！,现代蒸汽动力循环普遍采用这种方式。根据需要，可分为多次。,7.3.4.2 再热循环,再热循环的热效率,（7-23）,特点：,（2）,（3）乏汽湿含量减少，干度增加。,（1）两级透平机,7.4 制冷循环,普冷：当冷冻温度大于100K，称普冷。 深冷：小于100K称深冷。,制冷循环：利用机械功使热量从低温高温的过程。,利用制冷循环达到两种目的： 1）制冷 使指定的空间保持低于环境的温度，热量从低温空间转移到高温环境。夏天的房间、冰箱。 制冷机 2）加热 使指定的空间保持高于环境的温度，热量从低温环境转移到高温空间。冬天的房间。 热泵,3）制冷深度,高温环境,热量,制冷机,夏天,低温房间,冰柜,高温空间,冬天,热泵,热量,高温房间,应用：,7.4.1 Carnot制冷循环,逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度；此即 Carnot 制冷循环。 由两个等温过程与两个等熵过程组成。,1）12过程：制冷剂的等熵 (可逆绝热)压缩。S1=S2，消耗外功Ws，制冷剂的温度由T1升至T2，压力由P1升至P2。,3）34过程：制冷剂的等熵 (可逆绝热)膨胀，S3=S4,对外作功，制冷剂的温度由T2降至T1 , 压力由P2降至P1。,2）23过程：制冷剂在温度T2下可逆等温等压放热(由饱和的高压蒸汽冷凝为饱和的高压液体)，相变，放出冷凝热QH。,4）41过程：制冷剂在温度T1下可逆等温等压吸热(低压湿蒸汽中部分液体在定温定压下蒸发吸热QL)。最后回复到初始状态l。,循环的放热量,(7-24),循环的吸热量,(7-25),制冷剂向高温物体放出的热量大于从低温物体所吸收的热量。,5) 制冷效能系数,(7-27),逆向Carnot循环的制冷效能系数C,(7-28),总结：高温物体从制冷剂获得的热量总是大于制冷剂从低温物体所取出的热量，两者之差等于消耗能量（作压缩功Ws）所转化的热量。 逆向Carnot循环的制冷效能系数仅取决于高温物体与低温物体的温度 T2和T1，与制冷剂的性质无关。,7.4.2 蒸汽压缩制冷循环,Carnot制冷循环在实际应用中是有困难的，因为在湿蒸汽区域压缩和膨胀会在压缩机和膨胀机汽缸中形成液滴，造成“汽蚀”现象，容易损坏机器；同时压缩机汽缸里液滴的迅速蒸发会使压缩机的容积效率降低。,7.4.2.1单级蒸汽压缩制冷循环,12过程表示等熵压缩过程,234过程为发生相变的等压冷却、冷凝过程。,45过程为节流膨胀过程（即等焓过程）。,51过程为蒸发过程（其特点为等压等温相变过程）。,蒸汽压缩制冷循环的基本计算,1）单位制冷量,单位质量的制冷剂在一次循环中所获得的冷量（即在低温环境吸收的热量）。,(7-29 ),制冷装置的制冷能力 ，制冷剂在给定的操作条件下，每小时从低温空间吸取的热量，其单位为kJh-1,2) 制冷剂每小时的循环量m,（7-30）,3) 冷凝器的放热量,冷凝器的放热量包括显热和潜热量部分，由式(6-5),（7-31）,4) 压缩机消耗的功,（7-32）,压缩机消耗的功率,5) 制冷效能系数,制冷装置提供的单位制冷量与压缩单位质量制冷剂所消耗的功量之比。,（7-34）,为了提高制冷效能系数，工程上常采用过冷。,【例7-5】某公司有一蒸汽压缩制冷装置，采用氨作制冷剂，制冷能力为105kJh，蒸发温度为-15，冷凝温度为30，设压缩机作可逆绝热压缩，试求： 制冷剂每小时的循环量； 压缩机消耗的功率及处理的蒸汽量； 冷凝器的放热量； 节流后制冷剂中蒸汽的含量； 循环的制冷效能系数； 相同温度区间内，逆向Carnot循环的制冷系数。,例7-5图1,例7-5图2,解：(1) 此循环的 图、 图见例7-5图1 和例7-5图2 ，由附录79查出各状态点的焓值。,状态点1：由附录7查得蒸发温度为-15时，制冷剂为饱和蒸汽的焓值、熵值及比容。,状态点2：由冷凝温度30时相应的冷凝压力为1.17MPa，在附录9氨的,状态点4：从附录7氨的饱和蒸汽压表查得30时饱和液体的焓值,状态点5：45过程是等焓的节流膨胀过程，故,(2) 计算： 制冷剂的循环量,压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量,压缩机消耗的功率, 冷凝器的放热量,由附录7查得-15时,代入得, 循环的制冷效能系数,相同温度区间内，逆向Carnot循环的制冷效能系数,循环的制冷效能系数低于逆向Carnot循环的制冷效能系数。即Carnot制冷循环的制冷效率最大。,【例7-6】以R22为制冷剂的制冷装置，循环的工作条件如下：冷凝温度为20，过冷度t5，蒸发温度为-20，进入压缩机是干饱和蒸汽。试求此循环的单位制冷量、每kg制冷剂的耗功量以及制冷效能系数，并与无过冷(其他工作条件相同)进行比较。,例7-6图1,解：此制冷循环在制冷剂的热力学图上表示如例7-6图1所示。由附录11 R22的lnp-H图查得：,（为计算方便， 4未饱和液体的性质用4点温度对应的饱和液体代替。）,制冷循环中无过冷的单位制冷量：,每kg制冷剂所消耗的功：,联想：逆向Carnot循环是不能实现，可它给我们的节能工作指明了方向和最终目标值。,制冷系数：,制冷循环中冷凝液过冷5，单位制冷量：,每kg制冷剂消耗的功量与无过冷时相同，即：,制冷效能系数,小故事：西部某冷冻机厂的技术人员在总工程师的带领下，进行技术改造；用与本题完全相同的方法改进了他们所生产的冰箱和冷柜的制冷系统，实现了单位耗电量比其它厂家低3.9的目标。由于提高了产品的科技含量和产品竞争力，产品年销售额增加15.7。而中部某厂因没有及时采取相应措施，产品竞争力差，没过几年就被淘汰了。,*7.4.2.2多级压缩制冷,为了实现在获得较低的制冷温度 ，同时能耗不增加，开发了多级压缩制冷循环。,1.两级压缩制冷循环,(1) 工作原理及T-S图,(2)两级压缩两级蒸发的好处, 耗功小，节能 制冷率大 可同时得到不同温度的低温,多级压缩制冷可提供多种不同温度下的制冷量，正适合化工生产中需要各种温度下的冷量。,7.4.3 制冷工质的选择,（1）大气压力下沸点低；,（2）常温下的冷凝压力应尽可能的低，以降低对冷凝器的耐压与密封的要求；,（3）汽化潜热大，减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的尺寸；,（4）具有较高的临界温度与较低的凝固温度，使大部分的放热过程在两相 区内进行；具有化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。,选择原则,（1）按照“蒸发温度 热环境温度”的原则；确定制冷剂工作的蒸发温度和冷凝温度。,（2）依据蒸发温度，冷凝温度，制冷剂的热力学要求，环保要求，安全操作要求，初步选出几种候选制冷剂。根据各侯选制冷剂的 T-P 关系，确定操作时蒸发器的汽化压力和冷凝器的液化压力。,（3）对选出的各侯选制冷剂，用所确定的T、P值，查lnP-H图计算制冷系数和运行成本；在比较的基础上选定制冷剂。,小结,环境温度限制,热力学要求,环保要求,安全操作要求,【例7-7】一蒸汽压缩制冷循环如例7-7图 1所示。其蒸发温度为-20，冷凝温度为20，原先工质是Rl2，现为保护臭氧层，改用替代物Rl34a为工质。试计算两种工质相应的制冷效能系数。,解：计算Rl2为工质时的制冷效能系数。从附录10查得：,故有：,例7-7图 1,计算Rl34a为工质时的制冷效能系数。从附录6查得：,制冷效能系数为,这两种工质的制冷效能系数相当接近，可以替代。,【例7-8】某空间站在离地球67km处运行，此位置环境的平均气温为-40，空间站上有一装置需维持-80的低温，问应选择那种制冷剂？有人认为可以选择氨，你以为如何？不计算制冷效能系数，请你粗选一种可能的制冷剂。,解：根据制冷原理，需要制冷剂在低压时蒸发的沸腾温度低于低温的环境温度T1 -80，且此温度下不凝固；在高压时冷凝的液化温度高于高温环境温度T2-40。因此应选择低压(如0.1MPa)下沸点低于-80（如-86），高压下沸点高于-40（如-36）的制冷剂作为工质。,0.1MPa下氨的沸点为-33.4，不符合，故不能选氨作为制冷剂。,国际空间站,查表7-2知，在0.1MPa低压下沸点低于-80的制冷剂由低到高的次序是,要求有较低的凝固温度，比较上述几种制冷剂，知凝固温度从低到高的次序是,要求有较高的临界温度，比较上述几种制冷剂，知临界温度由高到低的次序是,要求制冷剂在冷凝温度下的饱和压力应尽量低，以降低对设备耐压与密封的要求。这几种制冷剂的临界压力相差不大，可任意选择。,下一步需查相应的lnP-H图，计算制冷效能系数，依据其经济性能，选定制冷剂。根据以上讨论，如不考虑成本，选择R170较理想。,7.4.4 吸收式制冷,虚线左边部分是由吸收器、再生器、溶液泵、换热器及节流阀所组成，它替代了蒸汽压缩制冷装置中的压缩机。除此之外，其他的组成部分与蒸汽压缩制冷相同。,1.工作原理,2.将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相比较，其不同点仅在于： 蒸汽压缩制冷循环：压缩机（消耗机械功） 吸收式制冷循环：吸收器，解吸器(再生器)，换热器，泵（消耗低品位热量）,3.评价吸收式制冷循环的技术经济指标-热能利用系数,（7-35）,4.吸收式制冷的优点有：利用低品位的热能以及工业生产中的余热或废热；装置中无昂贵的压缩机，设备成本低廉。其缺点是热能利用系数低，装置体积较庞大。,7.4.5 热泵,图7-29 热泵工作原理图,热泵是住房和工业建筑物在冬季用来取暖，夏季用来降温的一种设备，是反向的热机。,热泵工作原理,热泵实质上是一种能源采掘机。,图7-30 热泵T-S 图,热泵循环的经济性以消耗单位功量所得到的供热量来衡量，称为供热系数HP，即,（7-36）,评价热泵的技术经济指标,热泵循环向供暖房间(高温热源)供热量Q2为(见图7-30),理想的制冷效能系数（逆Carnot循环）,供热系数与制冷效能系数的关系,理想的供热系数为,（7-37）,实际的供热系数为,（7-38）,即，循环制冷系数越高，供热系数也越高。,总结：热泵以花费一部分高质能为代价(作为一种补偿条件)从自然环境中获取能量，并连同所花费的高质能一起向用户供热，节约了高质能而有效地利用了低水平的热能。,【例7-9】一热泵按逆卡诺循环工作的功率为l0 kW，环境温度为-13，用户要求供热温度为95。求供热量；如热泵实际制冷循环的供热系数是逆卡诺循环的0.65倍，热泵功率为多少才能保证供热量？同样的供热量，如直接使用电热器供热，所需消耗的功率？,解：热泵按逆卡诺循环运行，见例7-9图1。根据题意t1-13，t295。于是由式（7-37），逆卡诺循环供热系数HPC为,则供热量为,热泵从周围环境中取得的热量,供热量中有24.134.170.7%是从环境中所提取，可见此供热方式经济。,例7-9图1,即实际循环热泵的功率要达到15.38 kW才能满足供热要求。消耗的电功率比逆卡诺循环多了5.38 KW。,直接使用电热器供热，有,例7-9表1 三种供热方式的比较,原来如此！现在终于明白为什么说热泵是一种能源采掘机了。,【例7-10】一住房冬季取暖需要能量30kJs-1，夏季冷却需要能量60 kJs-1。热泵装置能使住房冬季保持20，夏季保持25。要达到这样的要求，需要制冷剂通过室内换热蛇管循环，蛇管温度冬季30，夏季5。一地下蛇管冬季提供热源，夏季接纳热量。地下温度全年维持在15，蛇管的传热特性要求制冷剂冬季为10，夏季为25。试问冬季加热和夏季冷却时所需要的最小功率各为多少？,解：本题涉及的温度很多，在解题前需要分析一下题意。“地下温度全年维持在15”是指：“地下”分别是冬季热量和夏季冷量的来源；热泵装置能使住房冬季保持20是指：蛇管温度30液化放出热量，制冷剂冬季10蒸发吸收地下的热；热泵装置能使住房夏季保持25是指：室内蛇管温度5蒸发吸收室内的热，制冷剂夏季为25 液化放出热量，被地下吸收。,（1）冬季加热时，热泵按逆Carnot循环运行所需的功率最小，见例7-11图1。室内蛇管处于较高的温度T2TH30，T1TL10，需要的热量Q230 kJs-1。用式（7-42）得，供热系数,例7-11图1 冬季取暖循环,因此冬季所需的功率为1.98 kW。,即所需功率为4.31 kW。,例7-11图2 夏季制冷循环,家用空调工作原理1,夏天,冷凝器（在室外）,) (膨胀阀,蒸发器（在室内）,a）,压缩机,转 换 阀,家用空调工作原理2,冬天,蒸发器（在室外）,) (膨胀阀,冷凝器（在室内）,压缩机,转 换 阀,b）,7.4.6 热管,1. 热管的工作原理,图7-31 热管的工作原理图 1-热管壳；2-热管芯；3-蒸汽；4-液体,当热源对热管的一端加热时，工作液受热沸腾而蒸发，蒸汽在压差的作用下高速地流向热管的另一端(冷端)，在冷端放出潜热而凝结。冷凝液在吸液芯毛细抽吸力的作用下从冷端返回热端。如此循环不已，热量就会从热端不断的传到冷端。因此热管的工作过程是由液体的蒸发、蒸汽的流动、蒸汽的凝结和凝结液的回流组成的闭合循环。,热管包括重力热管、低温热管、常温热管、中温热管和高温热管等。,较大的传热能力。,良好的等温性。,热流方向可逆。,热管流密度可调。,2 热管的特点,3 热管的应用,太阳能 热管式平板集热器,热管换热器,7.4.7液化过程,气体液化循环为深度制冷循环，它与前述的蒸汽压缩制冷循环的主要区别是，气体液化循环中的工质，在循环中即作为制冷剂使用，同时本身又被液化并输出液态产品。典型的气体循环有两类，即节流膨胀循环林德(Linde)循环和等熵膨胀循环克劳德(Claude)循环。实际气体液化循环中，常将两者结合使用。,1.气体液化最小功,图7-34 气体液化最小功,液化1 kg 流体（可逆）所需的最小功为,先把处于状态1的气体经定温压缩至状态2，然后再经定熵膨胀至状态6，从而实现液化。这样，126 5 1构成一个理想循环，循环所消耗的功就是最小理论功。,液化分率y,如果液化终点为状态4，则只有部分气体被液化。设状态4下的干度为x，则液体所占的分数为,（7-40）,2.林德(Linde)循环,图7-35 Linde循环示意图,处于状态1下的气体，经压缩机升压至P2，随后经冷却器定压冷却至状态2，再进入换热器被从分离器返回的气体进一步冷却至状态3，然后经节流阀节流降温降压至状态4，最后进入分离器。液体自气液分离器导出作为产品，其状态为T-s 图中的点6；未液化的气体(对应于T-s 图中的点5)自气液分离器导出，经换热器对高压气体进一步冷却后变为状态1下的气体返回压缩机，完成一个循环。,循环的液化量和耗功量计算,图7-36 Linde循环T-S 图,取换热器、节流阀和分离器为研究对象，则每kg初始气体产生的液体量为 y，返回的气体量为 1-y(即 x) 。若忽略系统对外的热损失和气体的动能差与位能差，则能量衡算的结果为,（7-42）,循环的制冷量为液化y kg气体所需的冷量，即,（7-43）,实际气体液化循环中存在着各种不可逆因素。首先，换热器中存在着不完全换热损失q，称为温度损失，即冷气不能回到1点，只能回到7点。其次，循环中不能做到完全绝热，因而必然从环境吸热q。根据式（6-3）有,（7-44）,实际循环的制冷量为,（7-45）,气体压缩过程也存在不可逆损失。通常，先按定温压缩计算，再考虑定温效率T (依经验可取T0.59)，由式（7-2）实际耗功为,（7-46）,每液化1 kg气体耗功为,（7-47）,需要指出，为实现气体液化，压缩机出口压力一般较高，气体不能按理想气体处理。,3. 克劳德（Claude）循环,图7-37 Claude循环示意图,处于状态1下的1kg气体，经压缩机定温压缩至状态2，再经换热器I定压冷却至状态3后分成两路：一路为(1-) kg气体通过膨胀机绝热膨胀至状态4，并对外做功；另一路为 kg气体经换热器II、III进一步冷却至状态6，随后进行节流膨胀至状态7，然后进入分离器。ykg液体自分离器导出为产品。(-y)kg气体经换热器III预冷高压气后，与膨胀机出口气体汇合。汇合后的气体经换热器II和I预冷高压气体后变为状态1下的气体进入压缩机，完成一个循环。,采用膨胀机与节流阀联合使用。1902年，法国的Claude首先提出这种方案，故称克劳德（Claude）循环。,图7-38 Claude循环T-S 图,Claude循环中的能量交换计算方法与林德循环的能量交换计算方法相似。,（7-49）,循环制冷量：式（7-50）,液化分率,等熵效率,（7-51）,循环实际耗功量,（7-52）,一般透平膨胀机的定熵效率为s=0.800.85，活塞式膨胀机的定熵效率为s=0.650.75。再考虑膨胀机的机械效率m，则循环实际耗功量为,相变是自然界普遍存在的现象，当液体吸收热能转化为气体时，会剧烈膨胀并推动汽轮机作功，将热能转变为机械能；同样，气体压缩时体积骤减而被液化。科学家巧妙地利用了“能量与相变”间的联系，选择合适的物质，将压缩过程与压气机、膨胀过程与膨胀机、以及能量的转化等有机的组合起来，实现了功热间的转化。为此，本章研究了压缩、膨胀、蒸汽动力循环和制冷循环等。,本章小结,1. 等温压缩、绝热压缩、多变压缩的温升、功耗间的关系分别为,2. 绝热作外功膨胀比节流膨胀产生的温降大，制冷量大，且可回收功。节流膨胀是有条件的，对理想气体不制冷；对个别实际气体需预冷到一定的低温进行节流，才能获得冷效应。绝热作外功膨胀适用于任何气体,膨胀后气体的温度总是下降。 膨胀产生的体积突变和温度调节效应，可用于作功和制冷（或制热）。,3. 与卡诺循环相比，朗肯循环增设了过热器，提高了平均吸热温度，冷凝过程也使乏气完全凝结，从而可以用泵使冷凝液升压。影响朗肯循环效率的主要因素是蒸汽初始压力、温度和乏气压力以及循环中的不可逆性。 回热循环是朗肯循环的改进：利用汽轮机中的蒸汽预热锅炉给水，从而减少了水与热源间温差，提高了循环效率。工程中常用一次或二次抽汽回热循环。 再热循环也是朗肯循环的改进：将汽轮机中未完全膨胀的蒸汽引出，经再换热器重新加热后再进入汽轮机膨胀做功，提高了乏汽的干度。中间压力选取得当也使循环效率有所提高。,4. 蒸气制冷循环理论上可以实现卡诺循环，但是由于缺乏处理气液混合物的设备，同时膨胀机成本也较高，再考虑到蒸发压力的调节方便，工程实际中不用逆向卡诺循环，而是以节流阀代替膨胀机，且使工质在蒸发器中完全蒸发，便于压缩机压缩。影响蒸汽压缩制冷循环效率的主要因素是蒸发温度和冷凝温度及各过程的不可逆性。,5. 吸收式制冷循环是以消耗热量为代价而实现制冷的，循环中的冷凝、节流和蒸发过程与蒸气制冷循环完全相同。它的优点是可以充分利用工厂废气、余热等，无复杂的转动设备，操作简便。缺点是热能利用系数较低。,6. 热泵是优于其他供暖装置的设备，它与制冷装置一样都进行逆循环，不同之处在于使用目的及温度范围而已，因此可用同一装置进行季节性空气调节。它是很有发展潜力的热力设备。,7. 在临界温度及临界压力以下，流体的p-V-T状态随能量的变化而变化。p、T 相同时，等量同种物质的气态体积绝对大于液态体积；液、气两相在有能量交换时相变的性质是热功间转化的根源，也是动力循和制冷循环研究成功的基础。换句话说，如果自然界的物质不存在相变，就不会建立卡诺循环、朗肯循环、逆卡诺循环、蒸汽压缩制冷循环、吸收式制冷循环的理论；当然也不会有蒸汽机、空调、冰箱等的发明。,科学的来龙去脉蒸汽机热力学第一定律卡诺热机循环Rankine 循环制冷循环热泵之间的关系,1769年，瓦特在大量试验的基础上制成了一台单动式蒸汽机，并且获得了第一台蒸汽机的专利权。蒸汽机的发明给瓦特带来巨额的财富，从1775年到1800年，瓦特和波尔顿合办的苏霍工厂，就制造出183台蒸汽机，全用于纺织业、冶金业和采矿业，到了19世纪30年代，蒸汽机推向了全世界，从此人类社会进入了“蒸汽时代”。造福于人类的发明家瓦特永远被后人敬仰。,在蒸汽机的基础上，卡诺开始研究促进蒸汽机发展所需要的理论，他指出热从高温物体移到低温物体时才会产生动力，并认为最理想的机械应该具备：由带着活塞的汽缸里面的气体所产生的等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩等四种循环过程 ，即卡诺循环。依据“卡诺定律”发明了卡诺热机、实现了Rankine 循环,并先后发明了蒸汽机车、蒸汽轮船、用于火力发电。1824年卡诺又发表了关于可逆的卡诺循环一文。为后续的制冷循环奠定了理论基础。,克劳修斯,卡 诺,你知道吗？ 1atm，100的状况下 (1) 1kg液态水的体积: 0.0010434立方米/1043.4mL； (2) 1kg气态水的体积: 立方米/1.694106mL； (3) 气液态水体积相差倍数：1623.538倍,热力学的发展是在科学家的不断发现和不断创新的过程中前进的，像一些我们耳熟能详的 科学家：瓦特，卡诺，焦耳，克劳修斯，开尔文等等。他们的不断发现和总结，为热力学的发展起到了推动作用。,然而，又有谁能想到：所有这些都是由于受到生活中最常见的相变（即1atm下，液态水吸收热能后转变为水蒸汽）的启示物质在吸热或放热时其状态（p，V，T）随物质所拥有能量的不同而变化实现了动力循环和制冷循环，也改变了我们的生活。,