第6章 壓縮、膨脹、蒸汽動力循環(huán)及制冷循環(huán)

1、2022-2-1第七章第七章壓縮、膨脹、蒸汽動力壓縮、膨脹、蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)循環(huán)與制冷循環(huán)2022-2-1前言前言熱能和功之間如何實現(xiàn)互相轉(zhuǎn)化？熱能和功之間如何實現(xiàn)互相轉(zhuǎn)化？通過工通過工質(zhì)在質(zhì)在循環(huán)過程循環(huán)過程中的中的狀態(tài)變化狀態(tài)變化而實現(xiàn)的。而實現(xiàn)的。n循環(huán)的種類：循環(huán)的種類：n1.動力循環(huán)（正向循環(huán)）動力循環(huán)（正向循環(huán)）將熱能轉(zhuǎn)化為機械能將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的循環(huán)。這種循環(huán)是產(chǎn)功的過程，其主要設(shè)備是的循環(huán)。這種循環(huán)是產(chǎn)功的過程，其主要設(shè)備是各種熱機。各種熱機。n2.制冷循環(huán)（逆向循環(huán)）制冷循環(huán)（逆向循環(huán)）將熱能從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)將熱能從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)給高溫?zé)嵩吹难h(huán)。種循環(huán)是耗功的過程，其主給高

2、溫?zé)嵩吹难h(huán)。種循環(huán)是耗功的過程，其主要設(shè)備是各種制冷機。要設(shè)備是各種制冷機。2022-2-17.1 氣體的壓縮與膨脹氣體的壓縮與膨脹n1.氣體壓縮就壓縮型式而言氣體壓縮就壓縮型式而言 壓縮過程壓縮過程將體積從將體積從V2 壓縮到壓縮到V1，有如下三種途徑：，有如下三種途徑：n(1) 一次等外壓壓縮一次等外壓壓縮 在外壓為在外壓為P1下，一次從下，一次從V2壓縮壓縮到到V1 ，環(huán)境對體系所作的功為：，環(huán)境對體系所作的功為： 112Wp VV壓縮（）2022-2-1n(2) 多次等外壓壓縮多次等外壓壓縮 211WP VVP VVP VV多級壓縮（） （） （）2022-2-1n(3) 可逆壓縮可

3、逆壓縮12lnVWnRTV可 逆 壓 縮2022-2-1n2.氣體膨脹過程：氣體膨脹過程：n設(shè)在定溫下，一定量理想氣體在活塞筒中設(shè)在定溫下，一定量理想氣體在活塞筒中克服外壓克服外壓,經(jīng)經(jīng)4種不同途徑，體積從種不同途徑，體積從V1膨脹膨脹到到V2所作的功。所作的功。n(1)自由膨脹（自由膨脹（free expansion） 210eWP VV膨脹（）0eP 2022-2-1n(2) 等外壓膨脹（等外壓膨脹（pe保持不變）保持不變） 21eWP VV膨脹（）n體系所作的功如陰影面積所示。體系所作的功如陰影面積所示。2022-2-1n(3) 多次等外壓膨脹多次等外壓膨脹122WPVVPVVPVV多級

4、膨脹（）（）（）2022-2-17.1 氣體的壓縮與膨脹氣體的壓縮與膨脹(4) 可逆膨脹過程可逆膨脹過程21lnVWnRTV可逆膨脹2022-2-17.1 氣體的壓縮與膨脹氣體的壓縮與膨脹 從以上的膨脹與壓縮過程看出從以上的膨脹與壓縮過程看出: :功與變化的途徑有關(guān)。功與變化的途徑有關(guān)。雖然始終態(tài)相同，但雖然始終態(tài)相同，但途徑不同，所作的功也大不相同途徑不同，所作的功也大不相同。顯然，顯然，可逆膨脹，體系對環(huán)境作最大功；可逆膨脹，體系對環(huán)境作最大功； 可逆壓縮，環(huán)境對體系作最小功?？赡鎵嚎s，環(huán)境對體系作最小功?；どa(chǎn)中常用的壓氣機：化工生產(chǎn)中常用的壓氣機： 壓縮機，鼓風(fēng)機等。壓縮機，鼓風(fēng)機等

5、。 雖然機構(gòu)和工作原理不盡相同，但從熱力學(xué)觀點來看，氣體雖然機構(gòu)和工作原理不盡相同，但從熱力學(xué)觀點來看，氣體狀態(tài)變化過程并無本質(zhì)區(qū)別，都是消耗電能或機械能使氣體狀態(tài)變化過程并無本質(zhì)區(qū)別，都是消耗電能或機械能使氣體壓縮生壓的過程壓縮生壓的過程。 從熱力學(xué)的角度又可分為從熱力學(xué)的角度又可分為: : 等溫、絕熱、多變?nèi)N過程。等溫、絕熱、多變?nèi)N過程。 2022-2-17.1 氣體的壓縮與膨脹氣體的壓縮與膨脹 在正常工況下都可視為穩(wěn)流過程。因此壓縮過程的在正常工況下都可視為穩(wěn)流過程。因此壓縮過程的理論軸功可用穩(wěn)流體系的熱力學(xué)第一定律來描述（一般理論軸功可用穩(wěn)流體系的熱力學(xué)第一定律來描述（一般忽略動能

6、和勢能）：忽略動能和勢能）：適用于任何介質(zhì)的可逆或不可逆過程。適用于任何介質(zhì)的可逆或不可逆過程。對可逆過程的軸功對可逆過程的軸功，還可按下式計算：，還可按下式計算：( )(7 1)s rWHQ 21()(72)ps rpWVdp2022-2-17.1 氣體的壓縮與膨脹氣體的壓縮與膨脹氣體壓縮過程的變化規(guī)律以及理論功耗的計算氣體壓縮過程的變化規(guī)律以及理論功耗的計算（1）等溫壓縮）等溫壓縮對理想氣體，對理想氣體，pV=RT，等溫過程的焓變?yōu)?，等溫過程的焓變?yōu)?，所以，所以 （2）絕熱壓縮）絕熱壓縮Q=0對理想氣體，對理想氣體，pVk=常數(shù)常數(shù)， 代入上式得：代入上式得： 212( )11ln(7

7、3)ps rppWQVdpRTp21( )(74)ps rpWHVdp 12211()kkTpTp2022-2-17.1 氣體的壓縮與膨脹氣體的壓縮與膨脹或或 k-絕熱指數(shù)，與氣體性質(zhì)有關(guān)。絕熱指數(shù)，與氣體性質(zhì)有關(guān)。（3）多變壓縮）多變壓縮 pVn=常數(shù)常數(shù), n-多變指數(shù)多變指數(shù) 1 nS1 （4）節(jié)流過程是等焓過程節(jié)流過程是等焓過程 由穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)第一定理：由穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)第一定理：22suHg ZQWn Q=0， Ws=0， u2=0，g Z=0 ， H=0n H1=H22022-2-1（5）利用節(jié)流過程，獲得）利用節(jié)流過程，獲得低溫低溫和和冷量冷量（6）理想氣體節(jié)流后溫度

8、不變）理想氣體節(jié)流后溫度不變2022-2-1Joule-Thomson效應(yīng)效應(yīng)1852年年Joule和和Thomson 設(shè)計了新的實驗，稱為設(shè)計了新的實驗，稱為節(jié)流過程節(jié)流過程。在這個實驗中，使人們對在這個實驗中，使人們對實際氣體的實際氣體的U和和H的的性性質(zhì)有所了解，并且在獲得質(zhì)有所了解，并且在獲得低溫和氣體液化低溫和氣體液化工業(yè)工業(yè)中有重要應(yīng)用。中有重要應(yīng)用。節(jié)流過程的溫度變化節(jié)流過程的溫度變化節(jié)流效應(yīng)節(jié)流效應(yīng)Joule- Thomson效應(yīng)效應(yīng).節(jié)流中溫度隨壓力的變化率節(jié)流中溫度隨壓力的變化率稱為微分節(jié)流稱為微分節(jié)流效應(yīng)系數(shù)或效應(yīng)系數(shù)或Joule- Thomson效應(yīng)系數(shù)效應(yīng)系數(shù)2022

9、-2-1節(jié)流過程（節(jié)流過程（throttling proces)在一個圓形絕熱筒的中在一個圓形絕熱筒的中部有一個多孔塞和小孔，使氣部有一個多孔塞和小孔，使氣體不能很快通過，并維持塞兩體不能很快通過，并維持塞兩邊的壓差。邊的壓差。圖圖2是終態(tài)，左邊氣體壓是終態(tài)，左邊氣體壓縮，通過小孔，向右邊膨脹，縮，通過小孔，向右邊膨脹，氣體的終態(tài)為氣體的終態(tài)為 。fff,p V T實驗裝置如圖所示。圖實驗裝置如圖所示。圖1是始態(tài)，左邊有狀態(tài)為是始態(tài)，左邊有狀態(tài)為 的氣體的氣體。iii,p V T2022-2-1節(jié)流過程（節(jié)流過程（throttling proces)2022-2-1節(jié)流過程的節(jié)流過程的U和和H

10、11WpV 開始，環(huán)境將一定量氣體壓縮時所作功（即以開始，環(huán)境將一定量氣體壓縮時所作功（即以氣體為體系得到的功）為：氣體為體系得到的功）為：節(jié)流過程是在絕熱筒中進行的，節(jié)流過程是在絕熱筒中進行的，Q=0 ，所以：所以：21UUUW 氣體通過小孔膨脹，對環(huán)境作功為：氣體通過小孔膨脹，對環(huán)境作功為：22WpV1 111 (=0)pVVVV2 222 (=0)p VV VV 2022-2-1節(jié)流過程的節(jié)流過程的U和和H 在壓縮和膨脹時體系凈功的變化應(yīng)該是兩個功在壓縮和膨脹時體系凈功的變化應(yīng)該是兩個功的代數(shù)和。的代數(shù)和。121 122WWWpVp V即即211 122UUpVp V節(jié)流過程是個等焓過程

11、。節(jié)流過程是個等焓過程。21HH移項移項22211 1Up VUpV2022-2-1焦焦湯系數(shù)定義：湯系數(shù)定義： 0 經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低。經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低。 T- JJ-T()(7 17)HTp 稱為焦稱為焦-湯系數(shù)（湯系數(shù)（Joule-Thomson coefficient),它表示經(jīng)節(jié)流過它表示經(jīng)節(jié)流過程后，氣體溫度隨壓力的變化率。程后，氣體溫度隨壓力的變化率。J-T 是體系的強度性質(zhì)。因為節(jié)流過程的是體系的強度性質(zhì)。因為節(jié)流過程的 ,所以當(dāng)所以當(dāng)：d0p J-TT- J0 經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度升高。經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度升高。 T- J =0 經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度不

12、變。經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度不變。2022-2-1由焦由焦- -湯系數(shù)定義，可知，在湯系數(shù)定義，可知，在T-pT-p圖的等焓線上任一圖的等焓線上任一點的斜率即為該點的點的斜率即為該點的J-T()HTpJ-T當(dāng)當(dāng) 時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，這時氣體經(jīng)焦這時氣體經(jīng)焦-湯實驗，溫度不變。該點處于等焓線的最高點，也稱湯實驗，溫度不變。該點處于等焓線的最高點，也稱轉(zhuǎn)化點轉(zhuǎn)化點J-T02022-2-1轉(zhuǎn)化溫度（轉(zhuǎn)化溫度（inversion temperature) )當(dāng)當(dāng) 時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，這時氣體經(jīng)焦這時氣體經(jīng)焦-湯實驗，溫度不變。湯實驗，溫度不變。J-T0 在常溫

13、下，一般氣體的在常溫下，一般氣體的 均為正值。例如，空均為正值。例如，空氣的氣的 ，即壓力下降，即壓力下降 ，氣體溫度下降氣體溫度下降 。 101.325 kPaJ-TJ-T0.4 K/101.325 kPa0.4 K但但 和和 等氣體在常溫下，等氣體在常溫下， ，經(jīng)節(jié)流過程，經(jīng)節(jié)流過程，溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的HeJ-T02HJ-T02022-2-1等焓線（等焓線（isenthalpic curve) ) 為了求為了求 的值，必須的值，必須作出等焓線，這要作若干個作出等焓線，這要作若干個節(jié)流過程實驗。節(jié)流過程實驗。J-T如此重復(fù)，得到若干個點如

14、此重復(fù)，得到若干個點，將點連結(jié)就是等焓線。將點連結(jié)就是等焓線。實驗實驗1 1，左方氣體為左方氣體為 ，經(jīng)節(jié)流過程后終態(tài)為經(jīng)節(jié)流過程后終態(tài)為 ，在在T-p圖上標(biāo)出圖上標(biāo)出1 1、2 2兩點。兩點。22p T1 1p T實驗實驗2 2，左方氣體仍為左方氣體仍為 ，調(diào)節(jié)多孔塞或小孔大小，調(diào)節(jié)多孔塞或小孔大小，使終態(tài)的壓力、溫度為使終態(tài)的壓力、溫度為 ，這就是，這就是T-p圖上的點圖上的點3 3。1 1p T33p T2022-2-1顯然，在點3左側(cè)，等焓線（等焓線（isenthalpic curve) )J-T0在點在點3 3右側(cè)右側(cè)，J-T0在點在點3 3處，處， 。 J-T0在線上任意一點的在線

15、上任意一點的切線切線 ，就是該溫，就是該溫度壓力下的度壓力下的 值。值。J-T()HTp2022-2-1轉(zhuǎn)化曲線（轉(zhuǎn)化曲線（inversion curve) ) 在虛線以左在虛線以左， ，是是致冷區(qū)致冷區(qū)，在這個區(qū)內(nèi)，可在這個區(qū)內(nèi)，可以把氣體液化以把氣體液化；J-T0 虛線以右，虛線以右， ，是，是致熱區(qū)致熱區(qū)，氣體通過節(jié)流過氣體通過節(jié)流過程溫度反而升高。程溫度反而升高。J-T0 選擇不同的起始狀態(tài)選擇不同的起始狀態(tài) ，作若干條等焓線。作若干條等焓線。1 1p T 將各條等焓線的極大值將各條等焓線的極大值相連，就得到一條虛線，將相連，就得到一條虛線，將T-p圖分成兩個區(qū)域。圖分成兩個區(qū)域。20

16、22-2-1轉(zhuǎn)化曲線（轉(zhuǎn)化曲線（inversion curve) )2022-2-1轉(zhuǎn)化曲線（轉(zhuǎn)化曲線（inversion curve) ) 顯然，工作物質(zhì)（即筒內(nèi)顯然，工作物質(zhì)（即筒內(nèi)的氣體）不同，轉(zhuǎn)化曲線的的氣體）不同，轉(zhuǎn)化曲線的T,p區(qū)間也不同。區(qū)間也不同。 例如，例如， 的轉(zhuǎn)化曲線溫的轉(zhuǎn)化曲線溫度高，能液化的范圍大；度高，能液化的范圍大；2N而而 和和 則很難液化。則很難液化。2HHe2022-2-1轉(zhuǎn)化曲線轉(zhuǎn)化曲線（inversion curve) )但但 和和 等氣體在常溫下，等氣體在常溫下， ，經(jīng)節(jié)流過程，經(jīng)節(jié)流過程，溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的溫度反而升高。若降低溫度，

17、可使它們的HeJ-T02HJ-T0結(jié)論：不是結(jié)論：不是所有所有氣體氣體在在所有所有T T，P P下的下的節(jié)流膨脹均節(jié)流膨脹均能使能使T T降低降低。2022-2-1節(jié)流膨脹原理節(jié)流膨脹原理sWQuZgH 22J-T()HTp節(jié)流過程中節(jié)流過程中 H=0,但由于但由于不可逆損失使不可逆損失使dp0=00. 9但但2點的點的X0 經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低。經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低。 T- JJ-T()HTp 稱為焦稱為焦-湯系數(shù)（湯系數(shù)（Joule-Thomson coefficient),它表示經(jīng)節(jié)流過它表示經(jīng)節(jié)流過程后，氣體溫度隨壓力的變化率。程后，氣體溫度隨壓力的變化率。J-T 是體系的

18、強度性質(zhì)。因為節(jié)流過程的是體系的強度性質(zhì)。因為節(jié)流過程的 ,所以當(dāng)所以當(dāng)：d0p J-TT- J0 經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度升高。經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度升高。 T- J =0 經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度不變。經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度不變。2022-2-1轉(zhuǎn)化溫度（轉(zhuǎn)化溫度（inversion temperature) )當(dāng)當(dāng) 時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，這時氣體經(jīng)焦這時氣體經(jīng)焦-湯實驗，溫度不變。湯實驗，溫度不變。J-T0 在常溫下，一般氣體的在常溫下，一般氣體的 均為正值。例如，空均為正值。例如，空氣的氣的 ，即壓力下降，即壓力下降 ，氣體溫度下降氣體溫度下降 。 101.325 kP

19、aJ-TJ-T0.4 K/101.325 kPa0.4 K但但 和和 等氣體在常溫下，等氣體在常溫下， ，經(jīng)節(jié)流過程，經(jīng)節(jié)流過程，溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的HeJ-T02HJ-T02022-2-1等焓線（等焓線（isenthalpic curve) ) 為了求為了求 的值，必須的值，必須作出等焓線，這要作若干個作出等焓線，這要作若干個節(jié)流過程實驗。節(jié)流過程實驗。J-T如此重復(fù)，得到若干個點如此重復(fù)，得到若干個點，將點連結(jié)就是等焓線。將點連結(jié)就是等焓線。實驗實驗1 1，左方氣體為左方氣體為 ，經(jīng)節(jié)流過程后終態(tài)為經(jīng)節(jié)流過程后終態(tài)為 ，在在T-p圖上標(biāo)出

20、圖上標(biāo)出1 1、2 2兩點。兩點。22p T1 1p T實驗實驗2 2，左方氣體仍為左方氣體仍為 ，調(diào)節(jié)多孔塞或小孔大小，調(diào)節(jié)多孔塞或小孔大小，使終態(tài)的壓力、溫度為使終態(tài)的壓力、溫度為 ，這就是，這就是T-p圖上的點圖上的點3 3。1 1p T33p T2022-2-1顯然，在點3左側(cè)，等焓線（等焓線（isenthalpic curve) )J-T0在點在點3 3右側(cè)右側(cè)，J-T0在點在點3 3處，處， 。 J-T0在線上任意一點的在線上任意一點的切線切線 ，就是該溫，就是該溫度壓力下的度壓力下的 值。值。J-T()HTp2022-2-1轉(zhuǎn)化曲線（轉(zhuǎn)化曲線（inversion curve) )

21、 在虛線以左在虛線以左， ，是是致冷區(qū)致冷區(qū)，在這個區(qū)內(nèi)，可在這個區(qū)內(nèi)，可以把氣體液化以把氣體液化；J-T0 虛線以右，虛線以右， ，是，是致熱區(qū)致熱區(qū)，氣體通過節(jié)流過氣體通過節(jié)流過程溫度反而升高。程溫度反而升高。J-T0 選擇不同的起始狀態(tài)選擇不同的起始狀態(tài) ，作若干條等焓線。作若干條等焓線。1 1p T 將各條等焓線的極大值將各條等焓線的極大值相連，就得到一條虛線，將相連，就得到一條虛線，將T-p圖分成兩個區(qū)域。圖分成兩個區(qū)域。2022-2-1轉(zhuǎn)化曲線（轉(zhuǎn)化曲線（inversion curve) )2022-2-1轉(zhuǎn)化曲線（轉(zhuǎn)化曲線（inversion curve) ) 顯然，工作物質(zhì)（即

22、筒內(nèi)顯然，工作物質(zhì)（即筒內(nèi)的氣體）不同，轉(zhuǎn)化曲線的的氣體）不同，轉(zhuǎn)化曲線的T,p區(qū)間也不同。區(qū)間也不同。 例如，例如， 的轉(zhuǎn)化曲線溫的轉(zhuǎn)化曲線溫度高，能液化的范圍大；度高，能液化的范圍大；2N而而 和和 則很難液化。則很難液化。2HHe2022-2-1轉(zhuǎn)化曲線轉(zhuǎn)化曲線（inversion curve) )但但 和和 等氣體在常溫下，等氣體在常溫下， ，經(jīng)節(jié)流過程，經(jīng)節(jié)流過程，溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的HeJ-T02HJ-T0結(jié)論：不是結(jié)論：不是所有所有氣體氣體在在所有所有T T，P P下的下的節(jié)流膨脹均節(jié)流膨脹均能使能使T T降低降低。2022-2

23、-1節(jié)流膨脹原理節(jié)流膨脹原理sWQuZgH 22J-T()HTp節(jié)流過程中節(jié)流過程中 H=0,但由于但由于不可逆損失使不可逆損失使dp0=00小孔小孔2022-2-1如何求如何求J-TJ-T？HTJPT 便可求出。便可求出?？芍芍?，則，則若知若知對于實際氣體對于實際氣體TJPTVEOS )(,pPCVTVT PTTHPH 理想氣體的理想氣體的J-T=？1 PTHTHHPPT2022-2-11、T-S圖上求圖上求TH T1T2TH等焓線等焓線126.2.1 6.2.1 節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹的溫度降節(jié)流膨脹的溫度降TH是衡量制冷效是衡量制冷效果的重要指標(biāo)。果的重要指標(biāo)。如何計算節(jié)流膨脹如何

24、計算節(jié)流膨脹溫度降溫度降TH？TH=T2-T12022-2-16.2.1 6.2.1 節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹122TTTH 、dPPPJ21dPVTVTCPPPp 211T1，P1節(jié)流膨脹前的溫度、壓力節(jié)流膨脹前的溫度、壓力T2，P2節(jié)流膨脹后的溫度、壓力節(jié)流膨脹后的溫度、壓力2127329. 03）（、對對于于空空氣氣估估算算TPTH ， HTT1； HTP 1T需要預(yù)冷使需要預(yù)冷使2022-2-.2對外作功的絕熱膨脹對外作功的絕熱膨脹SSPT PpTVCT PTTHPH 0 PTV絕大多數(shù)絕大多數(shù)0 永遠(yuǎn)永遠(yuǎn)S 膨脹，永遠(yuǎn)能制冷。膨脹，永遠(yuǎn)能制冷。即等即等S對外作功的絕熱膨脹對

25、外作功的絕熱膨脹：若過程為可逆，則為：若過程為可逆，則為等等S膨脹膨脹。等等S膨脹與節(jié)流膨脹有異同點。膨脹與節(jié)流膨脹有異同點。異：等異：等S膨脹通過膨脹通過膨脹機膨脹機對外作功，而對外作功，而節(jié)流膨脹不作功節(jié)流膨脹不作功同：均為同：均為絕熱膨脹。絕熱膨脹。節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹等等S膨脹膨脹微分等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)微分等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)S S2022-2-1P1P2TS對外作功絕熱膨脹的溫度降對外作功絕熱膨脹的溫度降PSHCHT dPTPPSS 21 dPTVCTPPPp 212ST1T2T2THTS21H等焓線等焓線HSTT 2022-2-1節(jié)流膨脹與等熵膨脹的比較節(jié)流膨脹與等熵膨脹的比較節(jié)流膨脹節(jié)流膨

26、脹等熵膨脹等熵膨脹H=0S=0TH較小，冷凍量小較小，冷凍量小TS較大，冷凍量大較大，冷凍量大少數(shù)氣體要預(yù)冷，才能使少數(shù)氣體要預(yù)冷，才能使T任何氣體均是任何氣體均是T不作功不作功作功作功節(jié)流閥，節(jié)流閥，設(shè)備簡單，設(shè)備簡單，操作方便操作方便膨脹機，膨脹機，設(shè)備復(fù)雜設(shè)備復(fù)雜汽液兩相區(qū)、液相區(qū)均可用汽液兩相區(qū)、液相區(qū)均可用使用時不能有液滴使用時不能有液滴用用得最多，普冷，小型深冷得最多，普冷，小型深冷大、中型氣體液化大、中型氣體液化節(jié)流膨脹與等熵膨脹均是獲取低溫即制冷的方法節(jié)流膨脹與等熵膨脹均是獲取低溫即制冷的方法2022-2-16.3 6.3 制冷循環(huán)制冷循環(huán)5.3.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制

27、冷循環(huán)5.3.2 吸收制冷循環(huán)吸收制冷循環(huán)5.3.3 熱泵的工作原理熱泵的工作原理2022-2-16.3 6.3 制冷循環(huán)制冷循環(huán)n制冷循環(huán)：制冷循環(huán)：利用機械功使利用機械功使熱量熱量從從低溫低溫高溫高溫的過程。的過程。n利用制冷循環(huán)達到兩種目的：利用制冷循環(huán)達到兩種目的：1）致冷）致冷使指定的空間保持使指定的空間保持低于環(huán)境低于環(huán)境的溫度，熱量從低溫的溫度，熱量從低溫空間轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境。夏天的房間、冰箱?？臻g轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境。夏天的房間、冰箱。致冷機致冷機2）加熱）加熱使指定的空間保持使指定的空間保持高于環(huán)境高于環(huán)境的溫度，熱量從低溫的溫度，熱量從低溫環(huán)境轉(zhuǎn)移到高溫空間。冬天的房間。環(huán)境轉(zhuǎn)移到

28、高溫空間。冬天的房間。熱泵熱泵2022-2-1夏天夏天低溫房間低溫房間高溫環(huán)境高溫環(huán)境熱量熱量致冷機致冷機2022-2-1冬天冬天高溫房間高溫房間低溫環(huán)境低溫環(huán)境熱量熱量熱泵熱泵2022-2-11-2：絕熱可逆壓縮絕熱可逆壓縮, 從從T1升溫升溫至至T2，等熵過程，消耗外功，等熵過程，消耗外功WS2-3： 等溫可逆放熱等溫可逆放熱(q2）；）；3-4： 絕熱可逆膨脹，從絕熱可逆膨脹，從T2降降溫至溫至T1，等熵過程，對外作功，等熵過程，對外作功4-1：等溫可逆吸熱：等溫可逆吸熱(q0） 理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)(可逆制冷可逆制冷)即為即為逆卡諾循環(huán)。逆卡諾循環(huán)。四個可逆過程構(gòu)成：四個可逆過程構(gòu)

29、成：.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)ST3214 T1T21、逆向卡諾循環(huán)、逆向卡諾循環(huán)12342022-2-1鍋爐鍋爐透透平平機機水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器23416.16.1蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)原理蒸汽動力循環(huán)原理TS41232022-2-1 23222SSTqT 下放熱量下放熱量循環(huán)在循環(huán)在 41101SSTqT 下下吸吸熱熱量量循循環(huán)環(huán)在在142SSTTS3214T1T2循環(huán)的循環(huán)的H = 0，故，故放放吸吸qqqWs 4121,SSTT q0q2 4121SSTT ，0 sW功功說說明明冷冷凍凍循循環(huán)環(huán)需需消消耗耗軸軸1、逆向卡諾循環(huán)、逆向卡

30、諾循環(huán)2022-2-1 4121411SSTTSSTC sWq 0 衡量制冷效率的參數(shù)稱為衡量制冷效率的參數(shù)稱為制冷系數(shù)制冷系數(shù)，其定義為從低溫其定義為從低溫物體吸取的熱量物體吸取的熱量q0與所耗功量與所耗功量WS之比：之比：2）逆向卡諾循環(huán)制冷系數(shù)）逆向卡諾循環(huán)制冷系數(shù)C 121TTT 1、逆向卡諾循環(huán)、逆向卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)C僅是溫度的函數(shù)，與工僅是溫度的函數(shù)，與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。在兩個溫度之間操作的在兩個溫度之間操作的任何制冷循環(huán)，以任何制冷循環(huán)，以C為最為最大。大。它可作為一切實際循環(huán)它可作為一切實際循環(huán)的比較標(biāo)準(zhǔn)。的比較標(biāo)準(zhǔn)。1）制冷系數(shù)）制冷系

31、數(shù)：2022-2-1逆卡諾循環(huán)的缺點：逆卡諾循環(huán)的缺點：（1）12和和34的過程會形成的過程會形成液滴，在壓縮機和膨脹機的液滴，在壓縮機和膨脹機的氣缸中產(chǎn)生氣缸中產(chǎn)生“液擊液擊”現(xiàn)象，現(xiàn)象，容易損壞機器；容易損壞機器；（2）實際過程難以接近四個可）實際過程難以接近四個可逆過程；逆過程；問題：如何改進？問題：如何改進？1、逆向卡諾循環(huán)、逆向卡諾循環(huán)ST3214 T1T22022-2-12、蒸汽壓縮制冷循環(huán)、蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)是由蒸汽壓縮制冷循環(huán)是由壓縮機、壓縮機、冷凝器、冷凝器、節(jié)流閥節(jié)流閥、蒸發(fā)器、蒸發(fā)器組成。組成。 制冷循環(huán)的工質(zhì)采用制冷循環(huán)的工質(zhì)采用低沸點低沸點物質(zhì)作為制冷劑

32、。如：氟里昂物質(zhì)作為制冷劑。如：氟里昂R22（CHClF2）的）的Tb=-40.80 ，N2 的的Tb=-195.75 利用制冷劑在利用制冷劑在冷凝器中的冷凝器中的液化液化和在和在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)器中的汽化，實現(xiàn)在汽化，實現(xiàn)在高溫下排熱，低溫下吸熱過程。高溫下排熱，低溫下吸熱過程。q0q2冰箱冷凍冰箱冷凍室提供室提供q0通過冰箱散熱片通過冰箱散熱片向大氣向大氣排排出出q22022-2-12、蒸汽壓縮制冷循環(huán)、蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)由蒸汽壓縮制冷循環(huán)由四步四步構(gòu)成：構(gòu)成：12 低壓蒸汽的壓縮低壓蒸汽的壓縮24 高壓蒸汽的冷凝高壓蒸汽的冷凝45 高壓液體的節(jié)流膨脹，高壓液體的節(jié)流膨脹，P

33、，T51低壓液體的蒸發(fā)低壓液體的蒸發(fā)蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)對對逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)的改進：的改進：1）把絕熱可逆壓縮過程）把絕熱可逆壓縮過程12安排在安排在過熱蒸汽過熱蒸汽區(qū)，使區(qū)，使?jié)裾羝優(yōu)楦蓺鉂裾羝優(yōu)楦蓺?。即即“干法操作干法操作”?）把原）把原等熵膨脹等熵膨脹過程改為過程改為45的的等焓節(jié)流膨脹等焓節(jié)流膨脹過程，過程，節(jié)流閥的設(shè)備簡單、操作易行。節(jié)流閥的設(shè)備簡單、操作易行。T1=T5=蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度T3=T4=冷凝溫度冷凝溫度2022-2-141510HHHHq 21HHWs sWq 0 2、蒸汽壓縮制冷循環(huán)、蒸汽壓縮制冷循環(huán)幾個重要指標(biāo)幾個重要指標(biāo)2）耗功量）耗功量WS

34、1）從低溫物體吸取的熱量）從低溫物體吸取的熱量q01241HHHH 4）制冷劑循環(huán)量）制冷劑循環(huán)量G（循環(huán)速率）（循環(huán)速率）3）制冷系數(shù)）制冷系數(shù)G=Q0/ q0 Kg/h 5）理論功耗）理論功耗PT= GWS/3600 kW其中其中Q0制冷能力，制冷能力， KJ/hPT= GWS kJ/h= Q0/ kJ/hq02022-2-1n為了增加冷凍量，制冷劑在為了增加冷凍量，制冷劑在冷凝器中，被過冷到低于飽冷凝器中，被過冷到低于飽和溫度的和溫度的4（過冷液體）過冷液體）。n其其耗功量耗功量WS仍為仍為H2-H1，但但冷凍量增加了冷凍量增加了55dc5。n制冷系數(shù)制冷系數(shù)增大。增大。n為了計算方便，

35、為了計算方便， 4過冷液體過冷液體的性質(zhì)用的性質(zhì)用4點溫度對應(yīng)的飽和點溫度對應(yīng)的飽和液體代替。液體代替。2、蒸汽壓縮制冷循環(huán)、蒸汽壓縮制冷循環(huán)實際制冷循環(huán)實際制冷循環(huán)2022-2-1n例例5-5 有一氨冷凍循環(huán)裝置，其冷凍量為有一氨冷凍循環(huán)裝置，其冷凍量為105 kJh-1，蒸發(fā)溫蒸發(fā)溫度度-15，冷凝溫度冷凝溫度30 。假設(shè)壓縮機絕熱可逆運行，求。假設(shè)壓縮機絕熱可逆運行，求1）制冷劑的循環(huán)量；制冷劑的循環(huán)量；2）壓縮機功耗和處理的蒸氣量；）壓縮機功耗和處理的蒸氣量；3）冷凝）冷凝器熱負(fù)荷；器熱負(fù)荷；4）節(jié)流閥后制冷劑中）節(jié)流閥后制冷劑中蒸氣的含量蒸氣的含量；5）循環(huán)制冷）循環(huán)制冷系數(shù)；系數(shù)；

36、6） C解：解：關(guān)鍵是要確定關(guān)鍵是要確定1,2,3,4,5點的狀態(tài)點的狀態(tài)單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)圖單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)圖溫熵圖溫熵圖壓焓圖壓焓圖2022-2-1n由由氨的氨的T-S圖圖查取有關(guān)數(shù)據(jù)來計算查取有關(guān)數(shù)據(jù)來計算1點點： T1=-15 與與飽和蒸汽線相交飽和蒸汽線相交，查得，查得 H1=397kcal/kg=1661kJ/kg；S1=2.155kcal/kg.K=9.02kJ/kgKv1=0.506m3/kg2點：點：T3=30其相應(yīng)飽和蒸汽壓力其相應(yīng)飽和蒸汽壓力P3=11.9kg/cm2； P2=P3 ，S2 = S1 = 2.155kcal/kg.K；*用用S2和和P2查查H2 =

37、452kcal/kg=1891 kJ/kg；4點點： T4=30與飽和液體相交與飽和液體相交，據(jù)此查得，據(jù)此查得H4= 134 kcal/kg=560.66kJ/kg；5點點： T5 =T1= -15，由于，由于4-5是等焓過程是等焓過程，H5 = H4 = 560.66kJ/kg；T1T22022-2-1hkgHHQqQG88.9066.560166110541000 kWHHGWGPsT81. 53600166117.189188.903600360012 hKJHHGQ44221009.1266.56017.189188.90 1.制冷劑的循環(huán)量制冷劑的循環(huán)量G3.壓縮機功耗壓縮機功耗2

38、.壓縮機每小時處理的蒸氣量壓縮機每小時處理的蒸氣量hmvGV/98.4588.90506. 03 4.冷凝器熱負(fù)荷冷凝器熱負(fù)荷2022-2-18 . 4166117.189166.560166112410 HHHHWqs 6.制冷系數(shù)制冷系數(shù)5.節(jié)流閥后制冷劑中蒸氣的含量節(jié)流閥后制冷劑中蒸氣的含量即求即求5點的干度點的干度XglXHXHH ）（ 15kgkJHHg/46.3511 kgkJH/66.5605 16. 0 X7.逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)C7 . 5153015.27315121 ）（TTTC 2022-2-12TS254實際蒸汽壓縮實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)制冷循環(huán)14

39、2點的性質(zhì)用點的性質(zhì)用等熵效率計算等熵效率計算不不可可,SSSWW ）（）（1212HHHH 35冷凝溫度冷凝溫度蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度過冷溫度過冷溫度過冷度過冷度：T4 =T3：T4=T4-T4:T5=T5=T1解題關(guān)鍵：確定解題關(guān)鍵：確定2, 4 點的狀態(tài)點的狀態(tài)4過冷液體的性質(zhì)用過冷液體的性質(zhì)用4點溫度對應(yīng)的飽和液體代替。點溫度對應(yīng)的飽和液體代替。幾個定義幾個定義30255-15冰箱四星級冰箱四星級T1=-24 三星級三星級T1=-18國際標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)冷凍條件冷凍條件2022-2-1蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的選擇蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的選擇3 3、制冷級數(shù)的選擇：、制冷級數(shù)的選擇：n當(dāng)蒸發(fā)溫度當(dāng)蒸發(fā)溫度

40、 -25-25 一級壓縮一級壓縮n當(dāng)蒸發(fā)溫度當(dāng)蒸發(fā)溫度 -30-30 二級壓縮二級壓縮n當(dāng)蒸發(fā)溫度當(dāng)蒸發(fā)溫度 -45-45 三級壓縮三級壓縮1241HHHH 2 2、冷凝溫度：取決于冷卻介質(zhì)的溫度。、冷凝溫度：取決于冷卻介質(zhì)的溫度。問題問題2 2：冰箱制冷系數(shù)冬天大還是夏天大？：冰箱制冷系數(shù)冬天大還是夏天大？為什么？為什么？1 1、蒸發(fā)溫度：取決于被冷物系的溫度。、蒸發(fā)溫度：取決于被冷物系的溫度。蒸發(fā)溫度越低，耗能越高。應(yīng)根據(jù)需要蒸發(fā)溫度越低，耗能越高。應(yīng)根據(jù)需要選擇蒸發(fā)溫度。選擇蒸發(fā)溫度。問題問題1 1：冰箱能否當(dāng)空調(diào)用？：冰箱能否當(dāng)空調(diào)用？2022-2-1制冷劑的選擇制冷劑的選擇制冷劑的選

41、擇必須具備以下幾點制冷劑的選擇必須具備以下幾點基本要求基本要求：(1)(1)在大氣壓力下制冷劑的在大氣壓力下制冷劑的沸點要低沸點要低這是一個重這是一個重要的性能指標(biāo)。要的性能指標(biāo)。(2) (2) 制冷劑在制冷劑在常溫下的冷凝壓力應(yīng)盡量低常溫下的冷凝壓力應(yīng)盡量低，以降低，以降低對設(shè)備耐壓與密封的要求。對設(shè)備耐壓與密封的要求。(3(3）汽化潛熱要盡可能大汽化潛熱要盡可能大，可減少制冷劑的循環(huán)量，可減少制冷劑的循環(huán)量，縮小壓縮機的尺寸?？s小壓縮機的尺寸。(4)(4)具有具有較高的臨界溫度較高的臨界溫度和和較低凝固溫度。較低凝固溫度。(5)(5)具有具有化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性，在操作條件下不燃燒，不分，

42、在操作條件下不燃燒，不分解不聚合，對設(shè)備不應(yīng)有明顯的腐蝕解不聚合，對設(shè)備不應(yīng)有明顯的腐蝕作用。作用。2022-2-1制冷劑的選擇制冷劑的選擇工業(yè)上常用的制冷劑有氨、工業(yè)上常用的制冷劑有氨、R R1111、R R1212、R R2222等等例：例：NHNH3 3：潛熱大潛熱大，沸點沸點-33.4-33.4；冷凝溫度冷凝溫度3030 ；P=12atmP=12atm；蒸發(fā)溫度；蒸發(fā)溫度-30 -30 ；P=1atmP=1atm； 常用的制冷劑性質(zhì)見表常用的制冷劑性質(zhì)見表5-15-1。1 1、氟里昂不同的牌號適合不同的冷凍量。、氟里昂不同的牌號適合不同的冷凍量。2 2、R R1111、R R1212、

43、R R113 113 、R R114 114 、R R115115對臭氧層有破壞作用，對臭氧層有破壞作用，20102010年禁用。年禁用。問題：問題：冰箱與空調(diào)用的制冷劑相同嗎？選擇的依據(jù)冰箱與空調(diào)用的制冷劑相同嗎？選擇的依據(jù)是什么？是什么？2022-2-16.3.2 6.3.2 吸收制冷循環(huán)吸收制冷循環(huán)n吸收制冷循環(huán)吸收制冷循環(huán)是另一種致冷方式。是另一種致冷方式。n它與蒸汽制冷循環(huán)主要區(qū)別在于：它與蒸汽制冷循環(huán)主要區(qū)別在于：氣體的壓縮方式氣體的壓縮方式不同。不同。n蒸汽制冷循環(huán)靠的是壓縮機。吸收制冷循環(huán)靠的是蒸汽制冷循環(huán)靠的是壓縮機。吸收制冷循環(huán)靠的是“化學(xué)泵化學(xué)泵”。n“化學(xué)泵化學(xué)泵”由由

44、制冷劑制冷劑和和吸收劑吸收劑組成。組成。n沸點高沸點高的物質(zhì)作為的物質(zhì)作為吸收劑吸收劑，而，而沸點較低沸點較低容易揮發(fā)的容易揮發(fā)的物質(zhì)作為物質(zhì)作為制冷劑制冷劑。n在在氨水溶液氨水溶液中，中，氨氨是是制冷劑，水制冷劑，水是是吸收劑吸收劑。n在在水水- -溴化鋰溴化鋰溶液中溶液中水水是制冷劑，是制冷劑，溴化鋰溴化鋰是吸收劑是吸收劑2022-2-16.3.2 6.3.2 吸收制冷循環(huán)吸收制冷循環(huán)“化學(xué)泵化學(xué)泵”由由吸收吸收器器、蒸汽解吸器蒸汽解吸器、溶液泵、換熱器及溶液泵、換熱器及調(diào)節(jié)閥組成。調(diào)節(jié)閥組成。工作原理：工作原理：制冷劑制冷劑在低溫下被吸收劑在低溫下被吸收劑吸收，在高溫下被吸收，在高溫下被

45、解吸成高壓蒸汽。解吸成高壓蒸汽。氨水溶液氨水溶液氨是氨是制冷劑，水是吸收制冷劑，水是吸收劑。劑?！盎瘜W(xué)泵化學(xué)泵”低壓濃低壓濃NH3高壓濃高壓濃NH3吸收器吸收器蒸汽解吸器蒸汽解吸器2022-2-16.3.2 6.3.2 吸收制冷循環(huán)吸收制冷循環(huán)5 . 03 . 00 qq 熱熱力力系系數(shù)數(shù)此熱源僅需低品質(zhì)的余熱。此熱源僅需低品質(zhì)的余熱。若廠里有低壓余熱可利用，采用若廠里有低壓余熱可利用，采用吸收制冷最經(jīng)濟。吸收制冷最經(jīng)濟。主要耗能處為蒸汽解吸器。主要耗能處為蒸汽解吸器。吸收制冷循環(huán)吸收制冷循環(huán)優(yōu)點：節(jié)能！優(yōu)點：節(jié)能！水水-溴化鋰溴化鋰溶液的吸收制冷大量溶液的吸收制冷大量用于中央空調(diào)，可考慮太陽能作用于中央空調(diào)，可考慮太陽能作為熱源。（為熱源。（江陰雙良，江陰雙良，7.5億產(chǎn)值億產(chǎn)值）q0冷凍量冷凍量q耗熱量耗熱量2022-2-16.3.3 6.3.3 熱泵的工作原理熱泵的工作原理n在制冷循環(huán)中，消耗機械功，在制冷循環(huán)中，消耗機械功，使熱量從低溫物體使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。轉(zhuǎn)移到高溫物體。n制冷循環(huán)不僅使放出熱量的制冷循環(huán)不僅使放出熱量的低溫物體被冷卻低溫物體被冷卻，而，而且使吸收熱量的且使吸收熱量的高溫物體被加熱高溫物體被加熱。n利用該原理可以實現(xiàn)由低溫環(huán)境向高溫系統(tǒng)的供利用該原理可以實現(xiàn)由低溫環(huán)境向高溫系統(tǒng)的供熱