流动系统热力学原理及应用教材课件

第第6章章 流动系统热力学原理及应用流动系统热力学原理及应用 主要内容主要内容o 热力学第一定律热力学第一定律 o 热力学第二定律和熵平衡热力学第二定律和熵平衡 o 有效能与过程的热力学分析有效能与过程的热力学分析 o 气体的压缩与膨胀过程气体的压缩与膨胀过程o 动力循环动力循环 o 制冷循环制冷循环 o 热泵热泵 6.5 气体的压缩与膨胀过程气体的压缩与膨胀过程o6.5.1 气体的压缩气体的压缩o6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀n6.5.2.1 绝热节流膨胀绝热节流膨胀n6.5.2.2 绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀6.5.1 气体的压缩气体的压缩 封闭系统中，气体的压缩和膨胀涉及到体积功的计封闭系统中，气体的压缩和膨胀涉及到体积功的计算。对于稳流过程，压缩过程的理论轴功计算可用式算。对于稳流过程，压缩过程的理论轴功计算可用式对可逆过程的轴功，使用合适的状态方程，对可逆过程的轴功，使用合适的状态方程，对于理想气体，若在等温或绝热条件下，上述计对于理想气体，若在等温或绝热条件下，上述计算式还可以进一步简化。算式还可以进一步简化。实际压缩过程都是不可逆过程，压缩所需要实际压缩过程都是不可逆过程，压缩所需要的功的功 ，肯定要比可逆轴功，肯定要比可逆轴功 大（指绝对大（指绝对值），这部分损失功是由流体的流动过程损耗和值），这部分损失功是由流体的流动过程损耗和机械传动部分的损耗所造成的。机械传动部分的损耗所造成的。6.5.1 气体的压缩气体的压缩 工业上通常利用高压气体的节流膨胀和做外工业上通常利用高压气体的节流膨胀和做外功的绝热膨胀来获得低温和冷量。功的绝热膨胀来获得低温和冷量。n6.5.2.1 绝热节流膨胀绝热节流膨胀n6.5.2.2 绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热节流膨胀绝热节流膨胀 当气体在管道流动时，遇到一节流元件，如阀门、当气体在管道流动时，遇到一节流元件，如阀门、孔板等，由于局部阻力，使气体压力显著降低，称为节孔板等，由于局部阻力，使气体压力显著降低，称为节流现象。流现象。由于过程进行得很快，高压流体与外界的热交换由于过程进行得很快，高压流体与外界的热交换可看做是绝热的，即可看做是绝热的，即Q0且不对外做功，即且不对外做功，即 0。节流前后的速度变化也不大，动能和势能变化可忽略节流前后的速度变化也不大，动能和势能变化可忽略不计不计 节流过程是不可逆过程，节流后熵值一定增加。节流过程是不可逆过程，节流后熵值一定增加。流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化称为流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应节流效应，或，或Joule-Thomson效应。效应。节流膨胀中温度随压力的变化率称为微分节流效节流膨胀中温度随压力的变化率称为微分节流效应系数，以应系数，以J表示，即表示，即 对理想气体，由于对理想气体，由于pVRT，J0，即理想气体，即理想气体绝热节流后温度不变。绝热节流后温度不变。6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热节流膨胀绝热节流膨胀真实气体，则可能存在以下三种情况：真实气体，则可能存在以下三种情况：J0 节流后温度降低称冷效应；节流后温度降低称冷效应；J0 节流后温度不变称零效应；节流后温度不变称零效应；J0 节流后温度升高称热效应。节流后温度升高称热效应。同一气体在不同状态下节流，同一气体在不同状态下节流，J有可能为正、为有可能为正、为负或为零。负或为零。6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热节流膨胀绝热节流膨胀 零效零效应的状的状态点称点称为转换点，点，转换点的温度称点的温度称为转换温度。温度。转换点的点的轨迹称迹称为转换曲曲线。它都可。它都可以从状以从状态方程和方程和 来预来预测。测。氮气转化温度曲线示意图氮气转化温度曲线示意图6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热节流膨胀绝热节流膨胀 大多数气体的转换温度都较高，它们可以在室温下大多数气体的转换温度都较高，它们可以在室温下产生致冷效应。少数气体如氦、氖、氢等的转换温度低产生致冷效应。少数气体如氦、氖、氢等的转换温度低于室温，欲使其节流后产生冷效应，必须在节流前进行于室温，欲使其节流后产生冷效应，必须在节流前进行预冷。预冷。某些气体的最高某些气体的最高转换温度温度6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热节流膨胀绝热节流膨胀 实际节流时，压力变化为一有限值，由此所实际节流时，压力变化为一有限值，由此所引起的温度变化引起的温度变化TH，称为积分节流效应。，称为积分节流效应。将真实气体状态方程关系式代入上式即可积分求算。将真实气体状态方程关系式代入上式即可积分求算。6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热节流膨胀绝热节流膨胀 根据节流前状态根据节流前状态（p1，T1），确定初），确定初态点态点1，由点，由点1作等焓作等焓线与节流后线与节流后p2的等压的等压线得交点线得交点2，点，点2对应对应的温度即为节流后的的温度即为节流后的温度温度T2。气体膨胀在气体膨胀在T-S图上的表示图上的表示6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热节流膨胀绝热节流膨胀小结小结 节流过程的主要特征是节流过程的主要特征是等焓等焓；理想气体节流时温度不变理想气体节流时温度不变，不能用于制冷或制热；，不能用于制冷或制热；真实气体节流效应取决于气体的状态真实气体节流效应取决于气体的状态，在不同的状，在不同的状 态下节流，具有不同的微分节流效应值。态下节流，具有不同的微分节流效应值。6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热节流膨胀绝热节流膨胀 流体从高压向低压作绝热膨胀时，如在膨胀机流体从高压向低压作绝热膨胀时，如在膨胀机中，则对外作轴功。如果过程可逆，就是等熵膨胀中，则对外作轴功。如果过程可逆，就是等熵膨胀过程。过程。特点：等熵过程，要注意绝热过程是可逆的才能称特点：等熵过程，要注意绝热过程是可逆的才能称 为等熵过程。为等熵过程。6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀 在等熵膨胀过程中，当压力有微小的变化时所引起在等熵膨胀过程中，当压力有微小的变化时所引起的温度变化称为微分等熵效应系数，以的温度变化称为微分等熵效应系数，以S表示。表示。表明任何气体在任何条件下，进行等熵膨胀，气体表明任何气体在任何条件下，进行等熵膨胀，气体温度必定是降低的，总是得到制冷效应。温度必定是降低的，总是得到制冷效应。6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀Cp0，T0，因此，因此，S恒大于零恒大于零。与节流膨胀比较：与节流膨胀比较：说明在相同条件下，等熵膨胀系数恒大于节流膨胀说明在相同条件下，等熵膨胀系数恒大于节流膨胀系数，因此等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的制冷效果系数，因此等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的制冷效果6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀因为任何气体均有因为任何气体均有 Cp0，V0，所以，所以，S-J恒大于零恒大于零。6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀 绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀 等熵膨胀时，等熵膨胀时，压力变化为一有限值，所引起的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温度变化称积分等熵膨胀效应TS 6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀 绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀气体膨胀在气体膨胀在T-S图上的表示图上的表示 膨膨胀前的状前的状态1（T1，p1）由此点作等）由此点作等熵线与膨与膨胀后的后的p2的等的等压线相交，即相交，即为膨膨胀后的状后的状态点点2(T2，p2)。等等熵膨膨胀的的积分温度效分温度效应 ，可由，可由T-S图直接读出。图直接读出。等熵膨胀与节流膨胀的比较等熵膨胀与节流膨胀的比较 等熵膨胀与气体属性及状态无关，对任何气体任何等熵膨胀与气体属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。节流膨胀对理想气体不产生温度状态都产生制冷效应。节流膨胀对理想气体不产生温度效应，真实气体视气体状态而定，若真实气体产生制冷效应，真实气体视气体状态而定，若真实气体产生制冷效应，那么等熵膨胀的温度效应大于节流膨胀的温度效效应，那么等熵膨胀的温度效应大于节流膨胀的温度效应，即应，即 6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀 绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀 设备与操作设备与操作 节流膨胀采用节流阀，设备简单，操作方便；可用于节流膨胀采用节流阀，设备简单，操作方便；可用于气液两相区的工作，甚至可直接用于液体的节流；等熵膨气液两相区的工作，甚至可直接用于液体的节流；等熵膨胀设备复杂，投资大，不能用于产生液滴的场合。胀设备复杂，投资大，不能用于产生液滴的场合。操作条件与运行情况操作条件与运行情况 一般大中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀。一般大中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀。6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀 绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀 实际上对外作轴功的膨胀过程并不是可逆的，实际上对外作轴功的膨胀过程并不是可逆的，因此不是等熵过程，而是向熵增大的方向进行。因此不是等熵过程，而是向熵增大的方向进行。不可逆对外作功的绝热膨胀的温度效应介于等不可逆对外作功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间熵膨胀效应和节流膨胀效应之间6.5.2 气体的膨胀气体的膨胀 绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀6.6 动力循环动力循环o6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）o6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进 化工生产和其他工业生产离不开动力。某些化学化工生产和其他工业生产离不开动力。某些化学反应可以放出大量的反应热，经换热器产生大量的水反应可以放出大量的反应热，经换热器产生大量的水蒸气，利用此蒸气，利用此“废热废热”蒸汽作为蒸汽动力循环装置的蒸汽作为蒸汽动力循环装置的能源来产生功，可以节约能源，降低能耗。能源来产生功，可以节约能源，降低能耗。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）1水水等压升温等压升温2沸点沸点等温等压汽化等温等压汽化3饱和蒸汽饱和蒸汽4过热蒸汽过热蒸汽等压升温等压升温6饱和水饱和水等温等压冷凝等温等压冷凝等熵压缩等熵压缩等熵膨胀等熵膨胀5湿蒸汽（乏汽）湿蒸汽（乏汽）理想朗肯循环理想朗肯循环根据根据T-S图上表示，理想朗肯循环的各个过程和流体所图上表示，理想朗肯循环的各个过程和流体所发生的状态变化，应用稳流系统能量平衡方程式，可以发生的状态变化，应用稳流系统能量平衡方程式，可以算出在各个过程中流体与外界交换的热和功。计算时忽算出在各个过程中流体与外界交换的热和功。计算时忽略不计位能和动能的变化。略不计位能和动能的变化。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）l234：流体（工质）：流体（工质）在锅炉中被等压加热气化成为过在锅炉中被等压加热气化成为过热蒸汽的过程。加入的热量热蒸汽的过程。加入的热量 45：过热蒸汽在透平中的可：过热蒸汽在透平中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功可由膨胀前后水蒸汽的焓值求出。由膨胀前后水蒸汽的焓值求出。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）56是乏汽的冷凝过程，放是乏汽的冷凝过程，放出的热量出的热量 61是将冷凝水通过水泵由是将冷凝水通过水泵由p2升压至升压至p1的可逆绝热压缩（等熵的可逆绝热压缩（等熵压缩）过程，需要消耗的功压缩）过程，需要消耗的功6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）如把水看作是不可压缩的，则如把水看作是不可压缩的，则 液体水的比体积较小，即使压差很大，此项功耗液体水的比体积较小，即使压差很大，此项功耗也很小，可以忽略不计，故在也很小，可以忽略不计，故在T-S图上的图上的6和和1两点是非两点是非常接近的。常接近的。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）工质通过循环做出的净功工质通过循环做出的净功WN为为 所吸收的净热为（所吸收的净热为（QQ0），经过一次循环后，状），经过一次循环后，状态函数态函数H0，按稳流过程热力学第一定律，按稳流过程热力学第一定律，QQ0WN，吸收的净热和做出的净功是相等的。，吸收的净热和做出的净功是相等的。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）循环的热效率循环的热效率，即热源供给的热量中转化为净功，即热源供给的热量中转化为净功的分率的分率 热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少，是评价蒸汽动力装置的一个重要所消耗的能量的多少，是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。指标。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）输出单位量（输出单位量（1kWh）净功所消耗的蒸汽量称为汽）净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用耗率，用SSC（Specific Steam Consumption）表示。）表示。实际装置的热效率肯定要比理想值低，反之实际实际装置的热效率肯定要比理想值低，反之实际的汽耗率则较高。的汽耗率则较高。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）理想朗肯循环中，冷凝水理想朗肯循环中，冷凝水升压过程由等熵线升压过程由等熵线6-1表示，表示，但实际过程是不可逆的，绝热但实际过程是不可逆的，绝热压缩时熵值增大，故压缩时熵值增大，故6-1线应线应当是偏向右上方的斜线，而不当是偏向右上方的斜线，而不是垂直线。不过常将这两点看是垂直线。不过常将这两点看作是重合的。作是重合的。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）蒸蒸汽汽通通过过透透平平机机的的绝绝热热膨膨胀胀实实际际上上不不是是等等熵熵的的，而而是是向向着着熵熵增增加加的的方方向向偏偏移移，用用4-7线表示。线表示。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）蒸汽通蒸汽通过透平机膨透平机膨胀，实际做出的功做出的功应为 ，显然它小于等熵膨胀的功显然它小于等熵膨胀的功 。两者之比称为透平。两者之比称为透平机的等熵膨胀效率或称相对内部效率，用机的等熵膨胀效率或称相对内部效率，用S表示。表示。相对内部效率反映了透平机内部所有损失（例如喷相对内部效率反映了透平机内部所有损失（例如喷嘴损失、叶轮摩擦损失、内部漏气损失等）的大小，一嘴损失、叶轮摩擦损失、内部漏气损失等）的大小，一般可达到般可达到8090。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）【例题例题69】某一蒸汽某一蒸汽动力循环装置，锅炉压力为动力循环装置，锅炉压力为4MPa，冷凝器工作压力为，冷凝器工作压力为0.004MPa。进入透平机的是。进入透平机的是过热蒸汽，温度为过热蒸汽，温度为500，若，若此循环为理想朗肯循环，试此循环为理想朗肯循环，试求循环的热效率和汽耗率。求循环的热效率和汽耗率。若过热蒸汽通过透平机进行实际的不可逆绝热膨胀过程，排若过热蒸汽通过透平机进行实际的不可逆绝热膨胀过程，排出乏气的干度为出乏气的干度为0.92，试求此实际朗肯循环的热效率和汽耗，试求此实际朗肯循环的热效率和汽耗率。率。6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）6.6.1 朗肯循环（朗肯循环（Rankine Cycle）6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进 在理想的朗肯循环当中，吸热是在有温差情况下在理想的朗肯循环当中，吸热是在有温差情况下的不可逆过程。的不可逆过程。卡诺循环要求等温吸热和等温放热以及等熵膨胀和卡诺循环要求等温吸热和等温放热以及等熵膨胀和等熵压缩。在朗肯循环中，等温放热、等熵膨胀和等熵等熵压缩。在朗肯循环中，等温放热、等熵膨胀和等熵压缩这三个过程基本上能够与卡诺循环相符合，差别最压缩这三个过程基本上能够与卡诺循环相符合，差别最大的过程是吸热过程。现在主要问题是如何能使吸热过大的过程是吸热过程。现在主要问题是如何能使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率。程向卡诺循环靠近，以提高热效率。6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进 吸热过程（吸热过程（1234）是）是在不同温度下分三个阶段进行的。在不同温度下分三个阶段进行的。这三个阶段的吸热温度都比锅炉这三个阶段的吸热温度都比锅炉高温燃气的温度低得多。高温燃气的温度低得多。整个吸热过程的平均温度整个吸热过程的平均温度与高温燃气的温度相差很大，与高温燃气的温度相差很大，这是理想朗肯循环存在的最主这是理想朗肯循环存在的最主要问题。要问题。要想提高朗肯循环的热效率，主要就在于减小这要想提高朗肯循环的热效率，主要就在于减小这两者之间的温度差。两者之间的温度差。此外，降低冷凝（排热）温度也能提高朗肯循环的此外，降低冷凝（排热）温度也能提高朗肯循环的热效率，但是这受到冷却水温度和冷凝器尺寸的限制。热效率，但是这受到冷却水温度和冷凝器尺寸的限制。如果再降低冷凝温度，在夏天是很难达到的。冷凝如果再降低冷凝温度，在夏天是很难达到的。冷凝温度和冷却水温之间这种必要的传热温差对热效率的影温度和冷却水温之间这种必要的传热温差对热效率的影响，相比于吸热温差所造成的影响，显然是次要的。响，相比于吸热温差所造成的影响，显然是次要的。6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进 n6.6.2.1 提高蒸汽的过热温度提高蒸汽的过热温度n6.6.2.2 提高蒸汽的压力提高蒸汽的压力n6.6.2.3 采用再热循环采用再热循环 6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进 根据上述分析可知，根据上述分析可知，要提高朗肯循环的热效率，要提高朗肯循环的热效率，必须设法提高工质在吸热过程中的温度。必须设法提高工质在吸热过程中的温度。在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时，在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时，可使平均吸热温度相应地提高。可使平均吸热温度相应地提高。乏气的干度增加，使透平乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。机的相对内部效率也可提高。蒸汽的最高温度受到金属蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制，一般过热蒸材料性能的限制，一般过热蒸汽的最高温度以不超汽的最高温度以不超873K为宜。为宜。6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进提高蒸汽的过热温度提高蒸汽的过热温度 水的沸腾温度随着蒸汽压力的增高而升高，放在水的沸腾温度随着蒸汽压力的增高而升高，放在保持相同的蒸汽过热温度时，提高水蒸汽压力，平均保持相同的蒸汽过热温度时，提高水蒸汽压力，平均吸热温度也会相应提高。吸热温度也会相应提高。从图可看出，当蒸汽压从图可看出，当蒸汽压力提高时，热效率提高，而力提高时，热效率提高，而汽耗率下降。汽耗率下降。6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进提高蒸汽的压力提高蒸汽的压力 但是随着压力的提高，乏汽的干度下降，即湿含但是随着压力的提高，乏汽的干度下降，即湿含量增加，因而会引起透平机相对内部效率的降低。乏量增加，因而会引起透平机相对内部效率的降低。乏汽的干度一般不应低于汽的干度一般不应低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，。另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力（不能超过水的临界压力（pc22.064MPa），而且设备），而且设备制造费用也会大幅上升。制造费用也会大幅上升。6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进提高蒸汽的压力提高蒸汽的压力6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进采用再热循环采用再热循环 再热循环是使高压的过热蒸汽在高压透平中先膨再热循环是使高压的过热蒸汽在高压透平中先膨胀到某一中间压力（一般取再热压力为新汽压力的胀到某一中间压力（一般取再热压力为新汽压力的2025），然后全部引入锅炉中特设的再热器进行），然后全部引入锅炉中特设的再热器进行加热，升高了温度的蒸汽，进入低压透平再膨胀到一加热，升高了温度的蒸汽，进入低压透平再膨胀到一定的排气压力，这样就可以避免乏汽湿含量过高的缺定的排气压力，这样就可以避免乏汽湿含量过高的缺点。点。高压蒸汽由高压蒸汽由4等熵膨胀到某一等熵膨胀到某一中间压力时的饱和状态点中间压力时的饱和状态点4（膨（膨胀后的状态点也可在过热区），胀后的状态点也可在过热区），做出功。饱和蒸汽在再热器中吸做出功。饱和蒸汽在再热器中吸热后升高温度，沿等压线由热后升高温度，沿等压线由4变变至至5，最后再等熵膨胀到一定排气，最后再等熵膨胀到一定排气压力时的湿蒸汽状态压力时的湿蒸汽状态6，又做出功。，又做出功。6.6.2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进采用再热循环采用再热循环6.7 制冷循环制冷循环 合成氨生产分离合成气中氨需要合成氨生产分离合成气中氨需要-30，气体分离，气体分离液化空气需要液化空气需要-100以下的低温，在有机化工生产中，以下的低温，在有机化工生产中，轻烃组分的分离都需要低温。轻烃组分的分离都需要低温。使物系的温度降到低于周围环境物质（如大气）的使物系的温度降到低于周围环境物质（如大气）的温度的过程称为温度的过程称为制冷过程制冷过程。要将物质冷却到大气环境温度以下，必须从被冷却要将物质冷却到大气环境温度以下，必须从被冷却物系取走能量，通常是以热的形式取出并排入大气或冷物系取走能量，通常是以热的形式取出并排入大气或冷却水。却水。6.7 制冷循环制冷循环 o6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环 按照热力学第二定律，热不能自动地从低温物体传至按照热力学第二定律，热不能自动地从低温物体传至高温物体，要实现此过程必须消耗外功。因此，高温物体，要实现此过程必须消耗外功。因此，制冷过制冷过程的实质就是利用外功将热从低温物体传给高温环境程的实质就是利用外功将热从低温物体传给高温环境的过程，要用逆卡诺循环来达到制冷的目的。的过程，要用逆卡诺循环来达到制冷的目的。6.7 制冷循环制冷循环 o6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环n6.7.1.1 逆卡诺循环逆卡诺循环n6.7.1.2 单级蒸汽压缩制冷循环单级蒸汽压缩制冷循环n6.7.1.3 多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环 6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环 连续的制冷过程是在低温下吸热，高温下排热，连续的制冷过程是在低温下吸热，高温下排热，因此制冷循环就是逆方向的热机循环。理想制冷循环因此制冷循环就是逆方向的热机循环。理想制冷循环（可逆制冷）即为逆卡诺循环。（可逆制冷）即为逆卡诺循环。循环由两个等温过程和两个绝热过程构成循环由两个等温过程和两个绝热过程构成 逆向卡诺循环：工质吸热温度小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6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环12：绝热可逆压缩：绝热可逆压缩 23：等温可逆放热（：等温可逆放热（冷凝）冷凝）34：绝热可逆膨胀：绝热可逆膨胀 41：等温可逆吸热（：等温可逆吸热（蒸发蒸发）循循环吸吸热量（量（介质吸热量）介质吸热量）6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环H0循循环放放热量（量（放给环境的热量）放给环境的热量）衡量制冷效率的参数称为制冷系数衡量制冷效率的参数称为制冷系数，其定义为，其定义为是制冷循环的经济技术指标。对于逆卡诺循环，是制冷循环的经济技术指标。对于逆卡诺循环，6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环消耗单位功消耗单位功所获得的冷量所获得的冷量 卡卡仅是工质温度的函数，与工质无关。仅是工质温度的函数，与工质无关。在两个温在两个温度间操作的任何制冷循环，逆卡诺循环的制冷系数最度间操作的任何制冷循环，逆卡诺循环的制冷系数最大，任何实际循环的制冷系数都比大，任何实际循环的制冷系数都比卡卡小，它可作为小，它可作为一切实际循环的比较标准。一切实际循环的比较标准。6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环 循环由低压蒸汽的压缩，循环由低压蒸汽的压缩，高压蒸汽的冷却冷凝，高压液高压蒸汽的冷却冷凝，高压液体的节流膨胀和湿蒸汽的定压体的节流膨胀和湿蒸汽的定压蒸发这四步构成。蒸发这四步构成。制冷循环中所用的在低温制冷循环中所用的在低温下吸热和高温下排热的工作物下吸热和高温下排热的工作物质（简称工质）称为制冷剂。质（简称工质）称为制冷剂。蒸汽压缩制冷循环的主要设备有：压缩机、冷凝器、蒸汽压缩制冷循环的主要设备有：压缩机、冷凝器、膨胀机、蒸发器四部分膨胀机、蒸发器四部分 理想逆卡诺循环中理想逆卡诺循环中12和和34过程在实际运行中是有困过程在实际运行中是有困难的，因为在湿蒸汽区域压缩和膨胀会在压缩机和膨胀机的难的，因为在湿蒸汽区域压缩和膨胀会在压缩机和膨胀机的气缸中形成液滴，产生气缸中形成液滴，产生“液击液击”现象，容易损坏机器；同时现象，容易损坏机器；同时在压缩机气缸里的液滴迅速蒸发会使压缩机的有效容积减少。在压缩机气缸里的液滴迅速蒸发会使压缩机的有效容积减少。6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环 过程程12安排在安排在过热蒸汽区，蒸汽区，即等即等熵过程，程，；过程；过程34改为使用节流阀进行的绝热节流改为使用节流阀进行的绝热节流膨胀，即等焓过程，膨胀，即等焓过程，。另外，为增加冷冻量，冷冻另外，为增加冷冻量，冷冻剂在冷凝器中不但全部冷凝成饱剂在冷凝器中不但全部冷凝成饱和液体，还被过冷到低于饱和温和液体，还被过冷到低于饱和温度的等压过冷过程度的等压过冷过程33。6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环实际压缩制冷循环与卡诺压缩制冷循环的不同表现在五实际压缩制冷循环与卡诺压缩制冷循环的不同表现在五个方面：个方面：制冷剂进压缩机时的状态不同：卡诺压缩制冷循环制冷剂进压缩机时的状态不同：卡诺压缩制冷循环 为湿气，实际压缩制冷循环为干气；为湿气，实际压缩制冷循环为干气；压缩过程不同：卡诺压缩循环为等熵过程，因为压压缩过程不同：卡诺压缩循环为等熵过程，因为压 缩机在运动中总是有摩擦的，因而是沿着熵增大的缩机在运动中总是有摩擦的，因而是沿着熵增大的 方向进行，这就出现了等熵效率问题方向进行，这就出现了等熵效率问题6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环 冷凝过程不同：卡诺制冷为等温过程，实际制冷为冷凝过程不同：卡诺制冷为等温过程，实际制冷为 不可逆过程，沿着等压线变化；不可逆过程，沿着等压线变化；制冷剂离开冷凝器时状态不同：卡诺制冷为饱和液制冷剂离开冷凝器时状态不同：卡诺制冷为饱和液 体，实际制冷为过冷液体；体，实际制冷为过冷液体；膨胀过程不同：卡诺制冷为等熵过程，实际制冷为膨胀过程不同：卡诺制冷为等熵过程，实际制冷为 等焓过程。等焓过程。6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环 单位质量制冷剂的制冷量单位质量制冷剂的制冷量q0：1Kg制冷剂在循环过程制冷剂在循环过程 中所提供的冷量中所提供的冷量 若制冷若制冷剂的的“制冷能力制冷能力”为 ，那么，制冷，那么，制冷 剂的循环量应为剂的循环量应为6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环 应用稳定流动能量方程式，也可以直接得出压缩每应用稳定流动能量方程式，也可以直接得出压缩每 单位重量冷冻剂，压缩机所消耗的功为单位重量冷冻剂，压缩机所消耗的功为 故制冷机的制冷系数为故制冷机的制冷系数为6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环 制冷机所消耗的理论功率制冷机所消耗的理论功率实际消耗的功率要比理论功率大一些。实际消耗的功率要比理论功率大一些。6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环6.8 热泵热泵 热泵是一组进行热力循环的设备，它将低温热不断热泵是一组进行热力循环的设备，它将低温热不断地输送到高温物体中。它以消耗一部分高质量的能量地输送到高温物体中。它以消耗一部分高质量的能量（机械能、电能或高温热能等）为代价，通过热力循环，（机械能、电能或高温热能等）为代价，通过热力循环，从自然环境介质（水、空气）中或生产排放的余热中吸从自然环境介质（水、空气）中或生产排放的余热中吸取热量，并将它输送到人们所需要的较高温度的物质中取热量，并将它输送到人们所需要的较高温度的物质中去。去。6.8 热泵热泵 在蒸发器中循环工质蒸发吸取环境介质中的热量，在蒸发器中循环工质蒸发吸取环境介质中的热量，气化后进入压缩机，经压缩后的工质在冷凝器中放出热气化后进入压缩机，经压缩后的工质在冷凝器中放出热量直接加热房间，或加热供热的用水，工质凝结成饱和量直接加热房间，或加热供热的用水，工质凝结成饱和液体，经节流阀减压降温进入蒸发器，重新蒸发吸热气液体，经节流阀减压降温进入蒸发器，重新蒸发吸热气化为干饱和蒸汽，从而完成一个循环。化为干饱和蒸汽，从而完成一个循环。6.8 热泵热泵 工业热泵用于工业过程废热的回收。以消耗少量机工业热泵用于工业过程废热的回收。以消耗少量机械能为代价回收利用低温热能，尤其适宜于那些温度低械能为代价回收利用低温热能，尤其适宜于那些温度低于于80的大量温热水、冷凝水热量的回收利用。的大量温热水、冷凝水热量的回收利用。民用冷暖二用空调器，也是采用热泵进行制热的，民用冷暖二用空调器，也是采用热泵进行制热的，其电能耗要远低于直接电加热的取暖器。热泵为大量的其电能耗要远低于直接电加热的取暖器。热泵为大量的低品质的热能的再利用提供了可能。低品质的热能的再利用提供了可能。6.8 热泵热泵 热泵的操作费用取决于驱动压缩机的机械能或者电热泵的操作费用取决于驱动压缩机的机械能或者电能的费用。因此热泵的经济性能是以消耗单位功量能的费用。因此热泵的经济性能是以消耗单位功量WN所所得到的供热量得到的供热量QH来衡量，称为制热系数，来衡量，称为制热系数，H，即，即 可逆热泵（逆卡诺循环）的制热系数为可逆热泵（逆卡诺循环）的制热系数为 可逆热泵的制热系数只与两个温源的温度有关，与可逆热泵的制热系数只与两个温源的温度有关，与工质性质无关。工质性质无关。6.8 热泵热泵 可以导出制热系数与制冷系数的关系式可以导出制热系数与制冷系数的关系式 可见，制热系数大于制冷系数，供热量可见，制热系数大于制冷系数，供热量QH大于压缩大于压缩机消耗功量机消耗功量WN。而用电加热，供热量与消耗的电量是。而用电加热，供热量与消耗的电量是相等的。因此，热泵是一种比较合理的供热装置。相等的。因此，热泵是一种比较合理的供热装置。6.8 热泵热泵 例题例题611 其冷暖空调器热泵功率为其冷暖空调器热泵功率为1kW，环境温，环境温度为度为0，要求供热的温度为，要求供热的温度为30，制热系数是逆卡诺，制热系数是逆卡诺循环的循环的80。求此空调的供热量，以及热泵从环境吸收。求此空调的供热量，以及热泵从环境吸收的热量。的热量。6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环 在工业生产中，有时需要更低的蒸发温度，这样冷在工业生产中，有时需要更低的蒸发温度，这样冷凝温度和蒸发温度之差就会比较大，高低温差大就需要凝温度和蒸发温度之差就会比较大，高低温差大就需要较高的压缩比，压缩比过大将会导致出口温度过高，蒸较高的压缩比，压缩比过大将会导致出口温度过高，蒸汽温度过高就会引起制冷剂的分解（如氨在汽温度过高就会引起制冷剂的分解（如氨在120以上以上就会分解），在这种情况下，单级压缩不但不经济，甚就会分解），在这种情况下，单级压缩不但不经济，甚至是不可能的，因此就必须采取措施进行改进。最好的至是不可能的，因此就必须采取措施进行改进。最好的办法就是采用多级压缩制冷，这样不但可以降低功率消办法就是采用多级压缩制冷，这样不但可以降低功率消耗，而且还可以提供不同的制冷温度。耗，而且还可以提供不同的制冷温度。6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环 用氨作冷冻剂，若蒸发温度为用氨作冷冻剂，若蒸发温度为248208K，一般采用二，一般采用二级压缩制冷循环，氨蒸发温度低于级压缩制冷循环，氨蒸发温度低于208K，则采用三级压缩制，则采用三级压缩制冷循环。冷循环。多级压缩通常与多级膨胀结合，级间用冷却水或依靠冷多级压缩通常与多级膨胀结合，级间用冷却水或依靠冷冻剂蒸发作为中间冷却，此时蒸气容积减小，进一步压缩蒸冻剂蒸发作为中间冷却，此时蒸气容积减小，进一步压缩蒸气所需要的功也因而减小。因此，多级压缩制冷循环不仅可气所需要的功也因而减小。因此，多级压缩制冷循环不仅可节约功的消耗，并能获得多种不同的冷冻温度。每级压缩比节约功的消耗，并能获得多种不同的冷冻温度。每级压缩比的减小，降低了被压缩蒸气的过热温度，改善了压缩机的润的减小，降低了被压缩蒸气的过热温度，改善了压缩机的润滑和工作条件。滑和工作条件。两级蒸气压缩制冷流程图及两级蒸气压缩制冷流程图及T-S图图 高压压缩机高压压缩机水冷却器水冷却器低压压缩机低压压缩机低压蒸发器低压蒸发器高压蒸发器高压蒸发器高压节流阀高压节流阀中间预冷器中间预冷器低压节流阀低压节流阀冷凝器冷凝器6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环p01T01p02，T02高压压缩机高压压缩机低压压缩机低压压缩机低压蒸发器低压蒸发器高压节流阀高压节流阀中间预冷器中间预冷器低压节流阀低压节流阀冷凝器冷凝器6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环 多级压缩制冷可提供多种不同温度下的制冷量，正多级压缩制冷可提供多种不同温度下的制冷量，正适合生产中常需要各种温度下冷量要求。适合生产中常需要各种温度下冷量要求。另外，制冷循环应用于化工生产，有些制冷剂本身另外，制冷循环应用于化工生产，有些制冷剂本身就是生产中的产品，如合成氨厂用氨作制冷剂，乙烯厂就是生产中的产品，如合成氨厂用氨作制冷剂，乙烯厂用乙烯、丙烯作制冷剂等。用乙烯、丙烯作制冷剂等。6.7.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环6.7.2 吸收制冷循环原理介绍吸收制冷循环原理介绍 蒸汽压缩制冷循环需要的外功是通过压缩气体的压蒸汽压缩制冷循环需要的外功是通过压缩气体的压缩机来提供的。压缩机的压缩功由电能提供，而电能又缩机来提供的。压缩机的压缩功由电能提供，而电能又可通过热机来获得。可通过热机来获得。这就是说，冷冻循环所需要的功最终可来自高温蒸这就是说，冷冻循环所需要的功最终可来自高温蒸汽的热能。这就产生了直接利用热能作为制冷循环能量汽的热能。这就产生了直接利用热能作为制冷循环能量来源的可能性。吸收制冷就是直接利用热能制冷的冷冻来源的可能性。吸收制冷就是直接利用热能制冷的冷冻循环。循环。吸收制冷是通过吸收和精馏装置来完成循环过程。吸收制冷是通过吸收和精馏装置来完成循环过程。采用液体为工质。采用液体为工质。氨水溶液氨水溶液称为氨吸收制冷，常用于低温系统，使用称为氨吸收制冷，常用于低温系统，使用温度最低达温度最低达208K（65），一般为），一般为228K（45）以上；以上；溴化锂溶液溴化锂溶液称为溴化锂吸收制冷，用于大型中央空称为溴化锂吸收制冷，用于大型中央空气调节系统，使用温度不低于气调节系统，使用温度不低于273K（0），一般在），一般在278K（5）以上。）以上。6.7.2 吸收制冷循环原理介绍吸收制冷循环原理介绍 吸收制冷的特点是直接利用热能制冷，且所需热源温吸收制冷的特点是直接利用热能制冷，且所需热源温度较低，故可充分利用低品位热能。工厂中的低压蒸汽、热度较低，故可充分利用低品位热能。工厂中的低压蒸汽、热水、烟道气以及某些工艺气体均可作为热源。水、烟道气以及某些工艺气体均可作为热源。吸收制冷是利用二元溶液中各组分蒸汽压不同来进行的。吸收制冷是利用二元溶液中各组分蒸汽压不同来进行的。即使用在一定压力下各组分挥发性（或蒸汽压）不同的溶液即使用在一定压力下各组分挥发性（或蒸汽压）不同的溶液为工质，以挥发性大（蒸汽压高）的组分为制冷剂，挥发性为工质，以挥发性大（蒸汽压高）的组分为制冷剂，挥发性小的组分为吸收剂。如，氨吸收制冷所用工质为氨和水的二小的组分为吸收剂。如，氨吸收制冷所用工质为氨和水的二元溶液，其中氨易挥发，气化潜热大，用作制冷剂，水挥发元溶液，其中氨易挥发，气化潜热大，用作制冷剂，水挥发性小，用作吸收剂。性小，用作吸收剂。6.7.2 吸收制冷循环原理介绍吸收制冷循环原理介绍 整个循环由冷凝，节流整个循环由冷凝，节流后蒸发，吸收及精馏过程所后蒸发，吸收及精馏过程所组成。吸热蒸发后的汽氨用组成。吸热蒸发后的汽氨用稀氨水吸收成浓氨水溶液，稀氨水吸收成浓氨水溶液，然后在再生器中借精馏将氯然后在再生器中借精馏将氯分离，再用冷却水冷却冷凝分离，再用冷却水冷却冷凝成液氨，供循环使用。成液氨，供循环使用。6.7.2 吸收制冷循环原理介绍吸收制冷循环原理介绍 虚线左侧相当于一台热机，因为它同样是在虚线左侧相当于一台热机，因为它同样是在“高温高温”热源热源吸热，向低温冷却水排出热量。吸热，向低温冷却水排出热量。6.7.2 吸收制冷循环原理介绍吸收制冷循环原理介绍 氨吸收制冷循环再生器的压力，由冷凝器中氨冷凝氨吸收制冷循环再生器的压力，由冷凝器中氨冷凝温度所决定，同样吸收器的压力决定于蒸发器中液氨的温度所决定，同样吸收器的压力决定于蒸发器中液氨的蒸发压力。再生器压力较吸收器压力高。因此，需要一蒸发压力。再生器压力较吸收器压力高。因此，需要一台泵将吸收器中的浓氨水溶液送往再生器。台泵将吸收器中的浓氨水溶液送往再生器。再生器和吸收器的温度分别由所用热源与冷却水的再生器和吸收器的温度分别由所用热源与冷却水的温度所限定。由于再生器和吸收器的温度，压力均已由温度所限定。由于再生器和吸收器的温度，压力均已由其他给定条件所限定，因此氨水溶液的浓度也就不能随其他给定条件所限定，因此氨水溶液的浓度也就不能随意变动了。意变动了。6.7.2 吸收制冷循环原理介绍吸收制冷循环原理介绍