第6章 壓縮、膨脹、蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)

第七章壓縮、膨脹、蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)2024/2/29前言熱能和功之間如何實現(xiàn)互相轉(zhuǎn)化？——通過工質(zhì)在循環(huán)過程中的狀態(tài)變化而實現(xiàn)的。循環(huán)的種類：1.動力循環(huán)（正向循環(huán)）—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)備是各種熱機。2..制冷循環(huán)（逆向循環(huán)）—將熱能從低溫熱源轉(zhuǎn)給高溫熱源的循環(huán)。種循環(huán)是耗功的過程，其主要設(shè)備是各種制冷機。2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹1.氣體壓縮－就壓縮型式而言壓縮過程—將體積從V2

壓縮到V1，有如下三種途徑：(1)一次等外壓壓縮在外壓為P1下，一次從V2壓縮到V1

，環(huán)境對體系所作的功為：

2024/2/29(2)多次等外壓壓縮

2024/2/29(3)可逆壓縮2024/2/292.氣體膨脹過程：設(shè)在定溫下，一定量理想氣體在活塞筒中克服外壓,經(jīng)4種不同途徑，體積從V1膨脹到V2所作的功。(1)自由膨脹（freeexpansion）

2024/2/29(2)等外壓膨脹（pe保持不變）

體系所作的功如陰影面積所示。2024/2/29(3)多次等外壓膨脹2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹(4)可逆膨脹過程2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹

從以上的膨脹與壓縮過程看出:功與變化的途徑有關(guān)。雖然始終態(tài)相同，但途徑不同，所作的功也大不相同。顯然，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?；どa(chǎn)中常用的壓氣機：

壓縮機，鼓風機等。

雖然機構(gòu)和工作原理不盡相同，但從熱力學觀點來看，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壓縮生壓的過程。

從熱力學的角度又可分為:

等溫、絕熱、多變?nèi)N過程。

2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹

在正常工況下都可視為穩(wěn)流過程。因此壓縮過程的理論軸功可用穩(wěn)流體系的熱力學第一定律來描述（一般忽略動能和勢能）：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，還可按下式計算：2024/2/297.1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（1）等溫壓縮對理想氣體，pV=RT，等溫過程的焓變?yōu)?，所以

（2）絕熱壓縮—Q=0對理想氣體，pVk=常數(shù)，

代入上式得：

2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹或

k-絕熱指數(shù)，與氣體性質(zhì)有關(guān)。（3）多變壓縮pVn=常數(shù),n-多變指數(shù)1<n<k

2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹或

2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹TS

V

2024/2/29從上述圖中可看出：在出口壓力相同條件下：對非理想氣體：（均假設(shè)可逆過程）等溫壓縮絕熱壓縮多變壓縮2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹例7-1現(xiàn)有1kmol的空氣，其壓力為0.1013MPa，溫度為27℃，如果壓縮至0.5MPa，求下列情況下壓縮空氣終態(tài)的溫度、壓縮機消耗的軸功與壓縮使氣體放出的熱量（近似按可逆壓縮過程計算）。(1)等溫壓縮;(2)絕熱壓縮;(3)多變壓縮n=1.25;解：壓力不高的情況下空氣作理氣處理初態(tài)T1=300.15Kp1=0.1013MPa,(1)等溫壓縮放出的熱量Q＝-WS(r)=-3984kJ/kmol2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹(2)絕熱壓縮,空氣的k=1.40,軸功放出的熱量Q＝02024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹(3)多變壓縮,

n=1.25;

軸功空氣的Cp=1.004kJ/kgK=29.1kJ/kmolK放出的熱量2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹計算結(jié)果表明：從相同的初態(tài)壓縮到相同的終態(tài)時，消耗的軸功終態(tài)的溫度2024/2/29作業(yè)將2kmol壓力為0.1MPa、溫度為320K的空氣經(jīng)多變可逆壓縮（n=1.28）至0.3MPa，求：（1）壓縮空氣的終溫；（2）壓縮機消耗的軸功；（3）壓縮時空氣放出的熱量（空氣的Cp=29.1kJ/kmolK）2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹（4）多級多變壓縮從上面的例題可知氣體等溫壓縮所消耗的軸功最低，因此應想方設(shè)法使氣缸內(nèi)氣體壓縮過程中的熱量盡快移走，使多變指數(shù)變小。方法：水套冷卻，但大多活塞高速往復運動或葉輪高速旋轉(zhuǎn)，摩擦產(chǎn)生的熱量多，難以迅速移走，同時摩擦發(fā)熱，氣缸材料難以承受。

為此，常采用多級壓縮加級間冷卻的方式，如圖所示。從圖可看出，級數(shù)越多，越趨于等溫過程。圖7-2表示兩級壓縮，中間冷卻的p-V圖。

2024/2/292024/2/292024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹由圖可以看出：（1）如果采用單級等溫壓縮將氣體從進口壓力p1壓縮至出口壓力p2，其壓縮過程消耗的功可用曲線ABGFHA所包圍的面積表示。（2）如果采用單級絕熱壓縮將氣體從進口壓力p1壓縮至出口壓力p2，其壓縮過程消耗的功可用曲ABCDHA所包圍的面積表示。2024/2/29討論兩級壓縮過程：（1）一級壓縮—先將氣體絕熱壓縮到某中間壓力p2’，過程為曲線BC,所耗的功為BCIAB包圍的面積。（2）中間冷卻—將一級壓縮出來的壓縮氣體導入中間冷卻器，冷卻至初溫，由C至G.。（3）二級壓縮—從G點絕熱壓縮到E，所耗的功為曲線GEHIG所包圍的面積。

顯然，兩級壓縮與單級壓縮相比，節(jié)省的功為CDEGC所包圍的面積。2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹綜述：分級越多，理論上可節(jié)省的功越多；如增加到無窮級，則可趨于等溫壓縮。實際上做不到。工程上最多三、四級。多級可逆多變壓縮軸功：注意：（1）條件是一級氣缸出口的氣體在中間冷卻器能得到充分冷卻，使T2=T1

（2）仍然按理氣計算的。2024/2/29最小功的確定一級進口氣體壓力已知的，二級出口氣體壓力是要求的，也是已知的。那么中間壓力p2是不確定的變量。因此將Ws對p2求導，并令之為0即可求出最小功。即：解之可得：

如采用m級壓縮，各級壓力分別為p1，p2，p3，……，pm，pm+1，每級中間冷卻器都將氣體冷卻到初始溫度，則使壓縮機消耗的總功最小的各中間壓力滿足：

2024/2/29此時，各級的壓縮比r相同，各級壓縮機功耗相同，且壓縮總功為：2024/2/297.1氣體的壓縮與膨脹設(shè)ηm為機械效率，則壓縮過程的實際功耗為：2024/2/297.2膨脹過程工業(yè)上通常利用高壓氣體的節(jié)流膨脹和絕熱膨脹來獲得低溫和冷量，這兩種獲得低溫的方法雖然都是利用氣體膨脹降溫的原理，但它們的熱力學特征是不同的。7.2.1節(jié)流膨脹（throttlingproces）流體在管道流動時，常流經(jīng)閥門、孔板等管件，由于局部阻力，使流體壓力顯著降低，這種現(xiàn)象—節(jié)流。圖7-32024/2/297.2膨脹過程流體在管道流動時，常流經(jīng)閥門、孔板等管件，由于局部阻力，使流體壓力顯著降低，這種現(xiàn)象—節(jié)流。流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，如節(jié)流膨脹或絕熱閃蒸過程。2024/2/297.2膨脹過程（1）節(jié)流過程進行得很快，可以認為過程為絕熱。（2）節(jié)流過程不對外作功（3）節(jié)流過程是典型的不可逆過程，節(jié)流后流體的熵必定增加

S2>S1

（4）節(jié)流過程是等焓過程

由穩(wěn)定流動體系的熱力學第一定理：∵Q=0，Ws=0，

u2=0，g

Z=0，∴

H=0H1=H22024/2/29（5）利用節(jié)流過程，獲得低溫和冷量（6）理想氣體節(jié)流后溫度不變2024/2/29Joule-Thomson效應1852年Joule和Thomson

設(shè)計了新的實驗，稱為節(jié)流過程。在這個實驗中，使人們對實際氣體的U和H的性質(zhì)有所了解，并且在獲得低溫和氣體液化工業(yè)中有重要應用。節(jié)流過程的溫度變化－節(jié)流效應Joule-Thomson效應.節(jié)流中溫度隨壓力的變化率稱為微分節(jié)流效應系數(shù)或Joule-Thomson效應系數(shù)2024/2/29節(jié)流過程（throttlingproces)

在一個圓形絕熱筒的中部有一個多孔塞和小孔，使氣體不能很快通過，并維持塞兩邊的壓差。

圖2是終態(tài)，左邊氣體壓縮，通過小孔，向右邊膨脹，氣體的終態(tài)為 。

實驗裝置如圖所示。圖1是始態(tài)，左邊有狀態(tài)為

的氣體。2024/2/29節(jié)流過程（throttlingproces)2024/2/29節(jié)流過程的U和H

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：節(jié)流過程是在絕熱筒中進行的，Q=0，所以：氣體通過小孔膨脹，對環(huán)境作功為：2024/2/29節(jié)流過程的U和H

在壓縮和膨脹時體系凈功的變化應該是兩個功的代數(shù)和。即∴節(jié)流過程是個等焓過程。移項2024/2/29焦––湯系數(shù)定義：

>0經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低。

稱為焦-湯系數(shù)（Joule-Thomsoncoefficient),它表示經(jīng)節(jié)流過程后，氣體溫度隨壓力的變化率。

是體系的強度性質(zhì)。因為節(jié)流過程的,所以當：<0經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度升高。

=0經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度不變。2024/2/29由焦-湯系數(shù)定義，可知，在T-p圖的等焓線上任一點的斜率即為該點的

當時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，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，也稱轉(zhuǎn)化點2024/2/29轉(zhuǎn)化溫度（inversiontemperature)

當時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，這時氣體經(jīng)焦-湯實驗，溫度不變。

在常溫下，一般氣體的均為正值。例如，空氣的，即壓力下降，氣體溫度下降。

但和等氣體在常溫下，，經(jīng)節(jié)流過程，溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的2024/2/29等焓線（isenthalpiccurve)

為了求的值，必須作出等焓線，這要作若干個節(jié)流過程實驗。如此重復，得到若干個點，將點連結(jié)就是等焓線。實驗1，左方氣體為

，經(jīng)節(jié)流過程后終態(tài)為，在T-p圖上標出1、2兩點。實驗2，左方氣體仍為

，調(diào)節(jié)多孔塞或小孔大小，使終態(tài)的壓力、溫度為，這就是T-p圖上的點3。2024/2/29顯然，在點3左側(cè)，等焓線（isenthalpiccurve)在點3右側(cè)，在點3處， 。

在線上任意一點的切線，就是該溫度壓力下的值。2024/2/29轉(zhuǎn)化曲線（inversioncurve)

在虛線以左，，是致冷區(qū)，在這個區(qū)內(nèi)，可以把氣體液化；

虛線以右，，是致熱區(qū)，氣體通過節(jié)流過程溫度反而升高。

選擇不同的起始狀態(tài)，作若干條等焓線。

將各條等焓線的極大值相連，就得到一條虛線，將T-p圖分成兩個區(qū)域。2024/2/29轉(zhuǎn)化曲線（inversioncurve)2024/2/29轉(zhuǎn)化曲線（inversioncurve)

顯然，工作物質(zhì)（即筒內(nèi)的氣體）不同，轉(zhuǎn)化曲線的T,p區(qū)間也不同。

例如，的轉(zhuǎn)化曲線溫度高，能液化的范圍大；而和則很難液化。2024/2/29轉(zhuǎn)化曲線（inversioncurve)

但和等氣體在常溫下，，經(jīng)節(jié)流過程，溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的結(jié)論：不是所有氣體在所有T，P下的節(jié)流膨脹均能使T降低。2024/2/29節(jié)流膨脹原理節(jié)流過程中

H=0,但由于不可逆損失使dp<0通過節(jié)流過程能否降低氣體的溫度，取決于

μJ-T>0=0<0小孔2024/2/29如何求μJ-T？理想氣體的μJ-T=？2024/2/29大多數(shù)氣體的轉(zhuǎn)化溫度都較高，它們可以在室溫下利用節(jié)流膨脹產(chǎn)生冷效應。但對于臨界溫度極低的氣體，如H2、He,它們的最高轉(zhuǎn)化溫度很低，約為-80℃和-236℃，故在常溫下節(jié)流后的溫度不但不降低，反而會提高，所以欲使其節(jié)流后產(chǎn)生冷效應，必須在節(jié)流前預冷到最高轉(zhuǎn)化溫度以下。節(jié)流后能達到的多低的溫度，這一溫度值一般由“積分節(jié)流效應”的表達式計算。2024/2/291、T-S圖上求△TH

T1T2△TH等焓線12節(jié)流膨脹的溫度降△TH是衡量制冷效果的重要指標。如何計算節(jié)流膨脹溫度降△TH？△TH=T2-T12024/2/29T1，P1——節(jié)流膨脹前的溫度、壓力T2，P2——節(jié)流膨脹后的溫度、壓力2024/2/29§7.2.2對外作功的絕熱膨脹對外作功的絕熱膨脹：若過程為可逆，則為等S膨脹。等S膨脹與節(jié)流膨脹有異同點。異：等S膨脹通過膨脹機對外作功，而節(jié)流膨脹不作功同：均為絕熱膨脹。節(jié)流膨脹等S膨脹微分等熵膨脹效應系數(shù)μS2024/2/29P1P2TS對外作功絕熱膨脹的溫度降2’ST1T2T2’△TH△TS21H等焓線2024/2/29節(jié)流膨脹與等熵膨脹的比較節(jié)流膨脹等熵膨脹△H=0△S=0△TH較小，冷凍量小△TS較大，冷凍量大少數(shù)氣體要預冷，才能使T↓任何氣體均是T↓不作功作功節(jié)流閥，設(shè)備簡單，操作方便膨脹機，設(shè)備復雜汽液兩相區(qū)、液相區(qū)均可用使用時不能有液滴用得最多，普冷，小型深冷大、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2024/2/29作業(yè)：簡述節(jié)流膨脹和絕熱做功膨脹的優(yōu)缺點p221例7-2壓縮機出口的空氣狀態(tài)為p1=9.12MPa（90atm）T1=300K,如果進行下列兩種膨脹，膨脹p2=0.203MPa（2atm），試求兩種膨脹后氣體的溫度、膨脹機的做功量及膨脹過程的損失功，取環(huán)境溫度為25℃（1）節(jié)流膨脹；（2）做外功絕熱膨脹，已知膨脹機的等熵效率η＝0.8解：（1）節(jié)流膨脹查附錄十空氣的T-S圖，得p1=90atm,T1=300K時H1=13012J/mol,S1=87.03J/molK。由H1的等焓線與p2的等壓線的交點查得T2=280K（節(jié)流膨脹后的溫度）2024/2/29T2=280K時：S2=118.41J/molK。（2）做外功絕熱膨脹若膨脹過程是可逆的，從壓縮機出口狀態(tài)1作等熵線與p2的等壓線的交點，得H’2s=7614.88J/mol,T’2s=98K（可逆絕熱膨脹后的溫度）可逆絕熱膨脹所做的功為W可逆＝ΔH=H’2s-H1=7614.88-13012=-5397.12J/mol實際是不可逆絕熱膨脹2024/2/29解得H2=8694.3J/mol由H2、p2在空氣的T-S圖上查得T2=133K,（做外功絕熱膨脹后的溫度）。膨脹機實際做功為Ws＝ΔH=H2-H1=8694.3-13012=-4317.7J/mol(3)損失功節(jié)流膨脹過程的損失功WL=T0

ΔS總=(273+25)×(118.41-87.03)=9351.2J/mol做外功絕熱膨脹的損失功2024/2/29作業(yè)1.何為透平機背壓？2.簡述透平機背壓對熱效率的影響。3.提高透平機背壓能提高循環(huán)的熱效率嗎？為什么？4.提高蒸汽的過熱溫度能提高動力循環(huán)的熱效率嗎？為什么？5.衡量制冷效率的參數(shù)稱為什么？寫出其定義。6簡述節(jié)流膨脹和絕熱做功膨脹的優(yōu)缺點p2212024/2/297壓縮機出口的空氣狀態(tài)為p1=10MPa（90atm）T1=300K,如果進行下列兩種膨脹，膨脹p2=0.3MPa（3atm），試求兩種膨脹后氣體的溫度、膨脹機的做功量及膨脹過程的損失功，取環(huán)境溫度為25℃（1）節(jié)流膨脹；（2）做外功絕熱膨脹，已知膨脹機的等熵效率η＝0.8已知1kcal=4.1868kJ,空氣的摩爾質(zhì)量為29kg/kmol參照例題7-2，解題時要畫示意圖2024/2/29作業(yè)1.（杏林）何為普通制冷，何為深度制冷？

2.（杏林）能否通過降低透平機背壓來提高蒸汽動力循環(huán)的熱效率，為什么？3.（杏林）何為普通制冷，何為深度制冷？

4.（杏林）提高蒸汽的過熱溫度能提高動力循環(huán)的熱效率嗎？為什么？5.（杏林）衡量制冷效率的參數(shù)稱為什么？寫出其定義。

2024/2/29§

7.3蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)：是以蒸汽為工質(zhì)，將熱連續(xù)地轉(zhuǎn)變成功的過程，其主要設(shè)備是各種熱機。產(chǎn)功的過程。如火力發(fā)電廠，大型化工廠常用的工質(zhì)是水蒸氣冷凍循環(huán)：是將熱連續(xù)地由低溫處輸送到高溫處的過程，其主要設(shè)備是熱泵。耗功的過程。-100℃以上為普冷，-100℃以下為深冷。2024/2/29前言如何將1atm

300atm?需要壓縮機，消耗動力。中國60年代，1500~1800度電/噸NH3。中國70年代，僅10~30度電/噸NH3。這是由于透平機直接帶動壓縮機的緣故。蒸汽動力循環(huán)的作用：

電高溫熱源

廢熱鍋爐，產(chǎn)生高壓蒸汽

壓縮機

透平機2024/2/29流體通過壓縮機、膨脹機

∵

u2≈0，g

Z≈0，若絕熱過程Q=0Ws=

H=H2-H1高壓高溫蒸汽帶動透平產(chǎn)生軸功。穩(wěn)定流動體系的熱力學第一定理：蒸汽動力循環(huán)原理2024/2/29鍋爐透平機水泵冷凝器過熱器56146

1水在水泵中被壓縮升壓。12、3、

4

進入鍋爐被加熱汽化過熱，直至成為過熱蒸汽。45進入透平機膨脹作功。56作功后的低壓濕蒸汽進入冷凝器被冷凝成水，再回到水泵中，完成一個循環(huán)。蒸汽動力循環(huán)設(shè)備與流程蒸汽動力循環(huán)主要由水泵、鍋爐、透平機和冷凝器組成。2024/2/29鍋爐水泵冷凝器透平機5146§7.3.1Rankine

循環(huán)及其熱效率水壓縮水加熱至過熱蒸汽蒸汽作功蒸汽冷凝成水理想朗肯循環(huán)456TS1等S膨脹等S壓縮可逆吸熱相變圖7-7朗肯循環(huán)及其T-S圖2024/2/29卡諾循環(huán)的缺點TS鍋爐加熱1456透平機后的乏氣,汽+液汽+液泵冷凝器透平機缺點之二:對于泵易產(chǎn)生氣縛現(xiàn)象缺點之一:透平機要求干度X>0.9但2點的X<0.88易損壞葉片結(jié)論:卡諾循環(huán)不太適合變熱為功!2024/2/291TS234鍋爐透平機水泵冷凝器過熱器56146

1飽和水可逆絕熱壓縮過程。（等S）1

4高壓水等壓升溫和汽化，可逆吸熱過程45過熱蒸汽可逆絕熱膨脹過程。（等S）56濕蒸汽等壓等溫可逆冷卻為飽和水（相變）。理想朗肯循環(huán)朗肯Rankine循環(huán)2024/2/29理想朗肯循環(huán)鍋爐透平機水泵冷凝器過熱器5614WS可逆絕熱膨脹功Q1Q0WP可逆絕熱壓縮功2024/2/294TS561Ql越大，Q0越小，做的凈功WN就越大。Ql受鍋爐中金屬材料的極限的限制，約550~600oC。Q0受環(huán)境溫度的限制。凈功WN在T-S圖上的意義？凈功WN=Q1（面積1234ba）-IQ0I（面積56ab）=面積123456ab232024/2/29復習：T-S圖及其應用T-S圖 ：溫-熵圖T-S圖的用處： (1)體系從狀態(tài)A到狀態(tài)B,在T-S圖上曲線AB下的面積就等于體系在該過程中的熱效應，一目了然。2024/2/29復習：T-S圖及其應用(2)容易計算熱機循環(huán)時的效率

熱機所作的功W為閉合曲線ABCDA所圍的面積。

圖中ABCDA表示任一可逆循環(huán)。ABC是吸熱過程，所吸之熱等于ABC曲線下的面積；

CDA是放熱過程，所放之熱等于CDA曲線下的面積。2024/2/29復習：T-S圖的優(yōu)點：T-S圖：既顯示體系所吸取或釋放的熱量；又顯示體系所作的功。p-V圖：只能顯示所作的功。2024/2/29理想朗肯循環(huán)的熱效率η和氣耗率SSC2、氣耗率SSC：SpecificSteamConsumption作出1kW.h凈功消耗的蒸氣公斤數(shù)。評價動力循環(huán)的指標：熱效率和氣耗率。1、熱效率η：循環(huán)的凈功與工質(zhì)從高溫熱源吸收的熱量之比當WN相同時，熱效率越高、氣耗率越低，循環(huán)越完善。2024/2/292、鍋爐和冷凝器的摩擦損失比較小，因此一般這兩個設(shè)備中的過程按可逆過程處理，水泵所耗的功相對于透平作的功而言很小，因而工質(zhì)在水泵中的不可逆也可忽略。但透平所不可逆性不能忽略。說明：1、實際循環(huán)過程不可避免地存在著摩擦損失，因而都是不可逆的。蒸汽在透平中的絕熱膨脹實際是不可逆即不是的等熵的，而是向著熵增加的方向偏移（為什么？）。2024/2/294TS561實際朗肯循環(huán)71’實際做功應為1

1’5

7顯然它小于等熵膨脹功，兩者之比稱為等熵膨脹效率熵膨脹效率反應的是透平內(nèi)部的損失也稱相對內(nèi)部損失與透平結(jié)構(gòu)有關(guān)2024/2/294TS561實際朗肯循環(huán)實際朗肯循環(huán)71’等熵效率1

1’5

72024/2/29實際與理想朗肯循環(huán)的比較陰影部分5’5’’4’5’5’是實際循環(huán)比理想循環(huán)少做的功，也恰為其蒸汽冷凝時多放出的熱。理想循環(huán)實際循環(huán)Q112344’6’112344’6’1Q254’6’655’5’’6’65’’WN12345611234561-5’5’’4’5’5’2024/2/29例1有一理想朗肯循環(huán)，在40bar和0.08bar的壓力之間操作，鍋爐產(chǎn)生的是400℃的過熱蒸氣，冷凝器所用的冷卻水的溫度為25℃。求1）Q1，Q0；2）透平作的理論功和水泵消耗的理論功，3）熱效率η，氣耗率SSC，并試對此循環(huán)作熱力學分析。4TS5612氣耗率SSC=3600/WN=3.29

（Kg.kw-1.h-1）=36%2024/2/29例1有一理想朗肯循環(huán)，在40bar和0.08bar的壓力之間操作，鍋爐產(chǎn)生的是400℃的過熱蒸氣，冷凝器所用的冷卻水的溫度為25℃。求1）Q1，Q2；2）透平作的理論功和水泵消耗的理論功，3）熱效率η，氣耗率SSC，并試對此循環(huán)作熱力學分析。1TS2345氣耗率SSC=3600/WN=3.29

（Kg.kw-1.h-1）=36%2024/2/29例題5-1某蒸汽動力裝置按理想朗肯循環(huán)工作,鍋爐壓力為40×105Pa,產(chǎn)生440℃的過熱蒸汽,乏氣壓力為0.04×105Pa,蒸汽流量為60T/hr,試求:(1)過熱蒸汽每小時從鍋爐中的吸熱量與乏氣每小時在冷凝器中放出的熱量和乏氣的濕度(2)汽輪機作出的理論功率與泵消耗的理論功率.(3)循環(huán)的熱效率2024/2/29根據(jù)有關(guān)條件,由水蒸汽表查出有關(guān)數(shù)據(jù):2點(濕蒸汽)1點(過熱蒸汽）2024/2/29例2：同例1，但透平機的等熵效率為0.85。1TS2342’5=30.6%SSC=3600/WN=3.871

（Kg.kw-1.h-1）由上式計算出H2’其它計算同例12024/2/29實際與理想朗肯循環(huán)的比較項目理想朗肯循環(huán)實際朗肯循環(huán)水汽化吸熱Q1(kJ/kg)30383038水汽化吸入有效能(kJ/kg)11961196蒸汽膨脹作功WS

(kJ/kg)1099934.0乏汽冷凝排出熱量Q2

(kJ/kg)19432108乏汽冷凝排出有效能(kJ/kg)101.373.51水加壓耗功WP(kJ/kg)44循環(huán)凈功WN(kJ/kg)1095930循環(huán)熱效率η

，%3630.61有效能利用效率η

B，%91.5571.76SSC，

Kg.kw-1.h-13.293.871思考：由以上計算及結(jié)果可看出什么問題？例題5-1，5-22024/2/29§7.3.2蒸汽參數(shù)對的熱效率的影響

(1)蒸氣溫度的影響提高蒸氣過熱溫度的影響2024/2/29

(2)蒸汽壓力的的影響2024/2/29

(3)降低乏氣壓力（背壓）1、降低背壓時所增加的功比增加的熱量大，因而提高了整個循環(huán)的熱效率。2、降低背壓會降低乏氣的干度，應注意。2024/2/29§7.3.3

朗肯循環(huán)的改進1、回熱循環(huán)：16TS23451Kgx1-x鍋爐透平機水泵冷凝器過熱器2341回熱加熱器水泵2’2’X1-X561Kg抽出部分蒸汽x到回熱加熱器2024/2/29回熱循環(huán)與朗肯循環(huán)比較優(yōu)點：(1)提高了水在鍋爐中吸熱的溫位，從而增加了蒸汽有效能量，做功本領(lǐng)變大。(2)整個循環(huán)的工質(zhì)只有一部分通過冷凝器．排往自然環(huán)境的有效能減少。(3)減少鍋爐熱負荷和冷凝器換熱面積，節(jié)省金屬材料。缺點：1）中壓蒸氣和水在水加熱器中不可逆混合，損失了部分有效能。2）設(shè)備增加?？傊笥诒?！現(xiàn)代蒸汽動力循環(huán)普遍采用這種方式。根據(jù)需要，可分為多次。2024/2/29鍋爐透平機水泵冷凝器過熱器2341回熱加熱器水泵2’X1-X561Kg回熱循環(huán)的計算計算關(guān)鍵：利用質(zhì)量平衡和能量平衡計算抽氣量x。例題5-32024/2/292、再熱循環(huán)§7.3.3

朗肯循環(huán)的改進兩級透平機；提高了干度。2024/2/29項目理想朗肯實際朗肯理想朗肯再熱循環(huán)回熱循環(huán)蒸汽初壓，bar4040505050蒸汽初壓溫，℃400400400400400背壓，bar0.080.080.080.080.08循環(huán)凈功WN

(kJ/kg)109593011131246950.7循環(huán)熱效率η

，%3630.6136.8437.1939.09有效能利用效率η

B，%91.5571.7691.6591.7887.75SSC，

Kg.kw-1.h-13.293.8713.2352.8893.786各種不同蒸汽循環(huán)的比較思考：為什么回熱循環(huán)熱效率高而有效能利用率低？2024/2/29§7.3.3

制冷循環(huán)及原理使物系的溫度降到低于周圍環(huán)境物質(zhì)(大氣)的溫度的過程稱為制冷過程。制冷過程的實現(xiàn)就是利用外功將熱從低溫物體傳給高溫環(huán)境介質(zhì)的過程。制冷廣泛地應用于生產(chǎn)和日常生活中。2024/2/29氣體絕熱膨脹制冷原理制冷原理：高壓常溫氣體通過絕熱膨脹變?yōu)榈蜏匾后w，此液體作為工質(zhì)再去冷卻需要低溫的物體。獲得低溫的方法有兩種：§5.2.1節(jié)流膨脹（等H）§5.2.2對外作功的絕熱膨脹（等S）2024/2/29§6.2.1節(jié)流膨脹

流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，如節(jié)流膨脹或絕熱閃蒸過程?！逹=0

Ws=0，

u2=0，g

Z=0，

∴

H=0利用節(jié)流過程，獲得低溫和冷量穩(wěn)定流動體系的熱力學第一定理：2024/2/29Joule-Thomson效應1852年Joule和Thomson

設(shè)計了新的實驗，稱為節(jié)流過程。在這個實驗中，使人們對實際氣體的U和H的性質(zhì)有所了解，并且在獲得低溫和氣體液化工業(yè)中有重要應用。節(jié)流過程是一個等焓過程。2024/2/29節(jié)流過程（throttlingproces)

在一個圓形絕熱筒的中部有一個多孔塞和小孔，使氣體不能很快通過，并維持塞兩邊的壓差。

圖2是終態(tài)，左邊氣體壓縮，通過小孔，向右邊膨脹，氣體的終態(tài)為 。

實驗裝置如圖所示。圖1是始態(tài)，左邊有狀態(tài)為

的氣體。2024/2/29節(jié)流過程（throttlingproces)2024/2/29節(jié)流過程的U和H

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：節(jié)流過程是在絕熱筒中進行的，Q=0，所以：氣體通過小孔膨脹，對環(huán)境作功為：2024/2/29節(jié)流過程的U和H

在壓縮和膨脹時體系凈功的變化應該是兩個功的代數(shù)和。即∴節(jié)流過程是個等焓過程。移項2024/2/29焦––湯系數(shù)定義：

>0經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低。

稱為焦-湯系數(shù)（Joule-Thomsoncoefficient),它表示經(jīng)節(jié)流過程后，氣體溫度隨壓力的變化率。

是體系的強度性質(zhì)。因為節(jié)流過程的,所以當：<0經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度升高。

=0經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度不變。2024/2/29轉(zhuǎn)化溫度（inversiontemperature)

當時的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，這時氣體經(jīng)焦-湯實驗，溫度不變。

在常溫下，一般氣體的均為正值。例如，空氣的，即壓力下降，氣體溫度下降。

但和等氣體在常溫下，，經(jīng)節(jié)流過程，溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的2024/2/29等焓線（isenthalpiccurve)

為了求的值，必須作出等焓線，這要作若干個節(jié)流過程實驗。如此重復，得到若干個點，將點連結(jié)就是等焓線。實驗1，左方氣體為

，經(jīng)節(jié)流過程后終態(tài)為，在T-p圖上標出1、2兩點。實驗2，左方氣體仍為

，調(diào)節(jié)多孔塞或小孔大小，使終態(tài)的壓力、溫度為，這就是T-p圖上的點3。2024/2/29顯然，在點3左側(cè)，等焓線（isenthalpiccurve)在點3右側(cè)，在點3處， 。

在線上任意一點的切線，就是該溫度壓力下的值。2024/2/29轉(zhuǎn)化曲線（inversioncurve)

在虛線以左，，是致冷區(qū)，在這個區(qū)內(nèi)，可以把氣體液化；

虛線以右，，是致熱區(qū)，氣體通過節(jié)流過程溫度反而升高。

選擇不同的起始狀態(tài)，作若干條等焓線。

將各條等焓線的極大值相連，就得到一條虛線，將T-p圖分成兩個區(qū)域。2024/2/29轉(zhuǎn)化曲線（inversioncurve)2024/2/29轉(zhuǎn)化曲線（inversioncurve)

顯然，工作物質(zhì)（即筒內(nèi)的氣體）不同，轉(zhuǎn)化曲線的T,p區(qū)間也不同。

例如，的轉(zhuǎn)化曲線溫度高，能液化的范圍大；而和則很難液化。2024/2/29轉(zhuǎn)化曲線（inversioncurve)

但和等氣體在常溫下，，經(jīng)節(jié)流過程，溫度反而升高。若降低溫度，可使它們的結(jié)論：不是所有氣體在所有T，P下的節(jié)流膨脹均能使T降低。2024/2/29節(jié)流膨脹原理節(jié)流過程中

H=0,但由于不可逆損失使dp<0通過節(jié)流過程能否降低氣體的溫度，取決于

μJ-T>0=0<0小孔2024/2/29如何求μJ-T？理想氣體的μJ-T=？2024/2/291、T-S圖上求△TH

T1T2△TH等焓線12§6.2.1節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹的溫度降△TH是衡量制冷效果的重要指標。如何計算節(jié)流膨脹溫度降△TH？△TH=T2-T12024/2/29§6.2.1節(jié)流膨脹T1，P1——節(jié)流膨脹前的溫度、壓力T2，P2——節(jié)流膨脹后的溫度、壓力2024/2/29§6.2.2對外作功的絕熱膨脹對外作功的絕熱膨脹：若過程為可逆，則為等S膨脹。等S膨脹與節(jié)流膨脹有異同點。異：等S膨脹通過膨脹機對外作功，而節(jié)流膨脹不作功同：均為絕熱膨脹。節(jié)流膨脹等S膨脹微分等熵膨脹效應系數(shù)μS2024/2/29P1P2TS對外作功絕熱膨脹的溫度降2’ST1T2T2’△TH△TS21H等焓線2024/2/29節(jié)流膨脹與等熵膨脹的比較節(jié)流膨脹等熵膨脹△H=0△S=0△TH較小，冷凍量小△TS較大，冷凍量大少數(shù)氣體要預冷，才能使T↓任何氣體均是T↓不作功作功節(jié)流閥，設(shè)備簡單，操作方便膨脹機，設(shè)備復雜汽液兩相區(qū)、液相區(qū)均可用使用時不能有液滴用得最多，普冷，小型深冷大、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2024/2/29§6.3制冷循環(huán)§5.3.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)§5.3.2吸收制冷循環(huán)§5.3.3熱泵的工作原理2024/2/29§6.3制冷循環(huán)制冷循環(huán)：利用機械功使熱量從低溫→高溫的過程。利用制冷循環(huán)達到兩種目的：1）致冷使指定的空間保持低于環(huán)境的溫度，熱量從低溫空間轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境。夏天的房間、冰箱。致冷機2）加熱使指定的空間保持高于環(huán)境的溫度，熱量從低溫環(huán)境轉(zhuǎn)移到高溫空間。冬天的房間。熱泵2024/2/29夏天低溫房間高溫環(huán)境熱量致冷機2024/2/29冬天高溫房間低溫環(huán)境熱量熱泵2024/2/291-2：絕熱可逆壓縮,從T1升溫至T2，等熵過程，消耗外功WS2-3：等溫可逆放熱(q2）；3-4：絕熱可逆膨脹，從T2降溫至T1，等熵過程，對外作功4-1：等溫可逆吸熱(q0）

理想制冷循環(huán)(可逆制冷)即為逆卡諾循環(huán)。四個可逆過程構(gòu)成：§6.3.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)ST3214T1T21、逆向卡諾循環(huán)12342024/2/29鍋爐透平機水泵冷凝器過熱器2341§6.1．蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)原理TS41232024/2/29TS3214T1T2循環(huán)的ΔH=0，故q0q21、逆向卡諾循環(huán)2024/2/29衡量制冷效率的參數(shù)稱為制冷系數(shù)ε，其定義為從低溫物體吸取的熱量q0與所耗功量WS之比：2）逆向卡諾循環(huán)制冷系數(shù)εC1、逆向卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)εC僅是溫度的函數(shù)，與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。在兩個溫度之間操作的任何制冷循環(huán)，以εC為最大。它可作為一切實際循環(huán)的比較標準。1）制冷系數(shù)ε：2024/2/29逆卡諾循環(huán)的缺點：（1）1→2和3→4的過程會形成液滴，在壓縮機和膨脹機的氣缸中產(chǎn)生“液擊”現(xiàn)象，容易損壞機器；（2）實際過程難以接近四個可逆過程；問題：如何改進？1、逆向卡諾循環(huán)ST3214T1T22024/2/292、蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)是由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成。

制冷循環(huán)的工質(zhì)采用低沸點物質(zhì)作為制冷劑。如：氟里昂R22（CHClF2）的Tb=-40.80℃，N2的Tb=-195.75℃利用制冷劑在冷凝器中的液化和在蒸發(fā)器中的汽化，實現(xiàn)在高溫下排熱，低溫下吸熱過程。q0q2冰箱冷凍室提供q0通過冰箱散熱片向大氣排出q22024/2/292、蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)由四步構(gòu)成：1→2低壓蒸汽的壓縮2→4高壓蒸汽的冷凝4→5高壓液體的節(jié)流膨脹，P↓

，T↓5→1低壓液體的蒸發(fā)蒸汽壓縮制冷循環(huán)對逆卡諾循環(huán)的改進：1）把絕熱可逆壓縮過程1→2安排在過熱蒸汽區(qū)，使?jié)裾羝優(yōu)楦蓺?。即“干法操作”?）把原等熵膨脹過程改為4→5的等焓節(jié)流膨脹過程，節(jié)流閥的設(shè)備簡單、操作易行。T1=T5=蒸發(fā)溫度T3=T4=冷凝溫度2024/2/292、蒸汽壓縮制冷循環(huán)——幾個重要指標2）耗功量WS1）從低溫物體吸取的熱量q04）制冷劑循環(huán)量G（循環(huán)速率）3）制冷系數(shù)εG=Q0/q0Kg/h5）理論功耗PT=G│WS│/3600kW其中Q0—制冷能力，KJ/hPT=G│WS│

kJ/h=Q0/ε

kJ/hq02024/2/29為了增加冷凍量，制冷劑在冷凝器中，被過冷到低于飽和溫度的4’（過冷液體）。其耗功量WS仍為H2-H1，但冷凍量增加了5’5dc5’?！嘀评湎禂?shù)ε增大。為了計算方便，4’過冷液體的性質(zhì)用4’點溫度對應的飽和液體代替。2、蒸汽壓縮制冷循環(huán)——實際制冷循環(huán)2024/2/29例5-5有一氨冷凍循環(huán)裝置，其冷凍量為105

kJ·h-1，蒸發(fā)溫度-15℃，冷凝溫度30℃。假設(shè)壓縮機絕熱可逆運行，求1）制冷劑的循環(huán)量；2）壓縮機功耗和處理的蒸氣量；3）冷凝器熱負荷；4）節(jié)流閥后制冷劑中蒸氣的含量；5）循環(huán)制冷系數(shù)；6）εC解：關(guān)鍵是要確定1,2,3,4,5點的狀態(tài)單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)圖溫熵圖壓焓圖2024/2/29由氨的T-S圖查取有關(guān)數(shù)據(jù)來計算1點：T1=-15℃與飽和蒸汽線相交，查得

H1=397kcal/kg=1661kJ/kg；S1=2.155kcal/kg.K=9.02kJ/kg·Kv1=0.506m3/kg2點：T3=30℃其相應飽和蒸汽壓力P3=11.9kg/cm2；P2=P3

，S2=S1=2.155kcal/kg.K；*用S2和P2查H2

=452kcal/kg=1891kJ/kg；4點：T4=30℃與飽和液體相交，據(jù)此查得H4=134kcal/kg=560.66kJ/kg；5點：T5=T1=-15℃，由于4-5是等焓過程，H5=H4=560.66kJ/kg；

T1T22024/2/291.制冷劑的循環(huán)量G3.壓縮機功耗2.壓縮機每小時處理的蒸氣量4.冷凝器熱負荷2024/2/296.制冷系數(shù)5.節(jié)流閥后制冷劑中蒸氣的含量即求5點的干度X7.逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)εC2024/2/292TS2’5’4實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)14’2’點的性質(zhì)用等熵效率計算35冷凝溫度蒸發(fā)溫度過冷溫度過冷度：T4

=T3：T4’=T4-T4’:T5’=T5=T1解題關(guān)鍵：確定2’,4’點的狀態(tài)4’過冷液體的性質(zhì)用4’點溫度對應的飽和液體代替。幾個定義30℃25℃5℃-15℃冰箱四星級T1=-24℃三星級T1=-18℃國際標準冷凍條件2024/2/29蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的選擇3、制冷級數(shù)的選擇：當蒸發(fā)溫度<-25℃一級壓縮當蒸發(fā)溫度<-30℃二級壓縮當蒸發(fā)溫度<-45℃三級壓縮2、冷凝溫度：取決于冷卻介質(zhì)的溫度。問題2：冰箱制冷系數(shù)冬天大還是夏天大？為什么？1、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。應根據(jù)需要選擇蒸發(fā)溫度。問題1：冰箱能否當空調(diào)用？2024/2/29制冷劑的選擇制冷劑的選擇必須具備以下幾點基本要求：(1)在大氣壓力下制冷劑的沸點要低．這是一個重要的性能指標