合工大-化工熱力學-第六章- 蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)課件

第六章

蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)§6.1

蒸汽動力循環(huán)§6.2

節(jié)流膨脹與作外功的絕熱膨脹§6.3

制冷循環(huán)§6.4

深冷循環(huán)6

體系從初態(tài)開始，經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)后，又重新回到初態(tài)，此封閉的熱力過程稱為循環(huán)。熱機或制冷機需要連續(xù)工作，其工質(zhì)所經(jīng)歷的是循環(huán)過程。蒸汽動力循環(huán)就是以水蒸汽為工質(zhì)，將熱能連續(xù)不斷轉(zhuǎn)換成機械能的熱力循環(huán)?，F(xiàn)代化的大型化工廠，蒸汽動力循環(huán)被用于為全廠供給動力、供熱及供應工藝用的蒸汽。6

制冷是獲得并保持低于環(huán)境溫度的操作。制冷循環(huán)就是消耗能量而實現(xiàn)熱由低溫傳向高溫的逆向循環(huán)。習慣上，制冷溫度在－100℃以上者稱為普冷，低于－100℃者稱為深冷。制冷廣泛應用于化工生產(chǎn)中的低溫反應、結晶分離、氣體液化以及生活中的冰箱、空調(diào)、冷庫等各個方面。66.1蒸汽動力循環(huán)

6.1.1Rankine循環(huán)及其熱效率

Rankine循環(huán)是最簡單的蒸汽動力循環(huán)。由鍋爐、過熱器、汽輪機、冷凝器和水泵組成。該裝置的示意圖及循環(huán)的T-S圖、H-S圖表示于圖6-1的(a)(b)(c)。6.1.1(a)(b)(c)低壓飽和水3經(jīng)水泵升壓成壓縮水4又進入鍋爐，工質(zhì)水在蒸汽動力裝置中完成一次封閉循環(huán)。6.1.1

進鍋爐的壓縮水4在鍋爐中等壓吸熱變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽1，進入汽輪機作絕熱膨脹，推動葉輪輸出軸功，汽輪機出口蒸汽是處于低壓下的濕蒸汽2（工程上也稱乏氣），然后進入冷凝器等壓冷凝成飽和水3，冷凝放出的熱量被冷卻水冷卻，(a)Rankine循環(huán)中各個過程經(jīng)理想化（即忽略工質(zhì)的流動阻力與散熱、動、位能變化）應用穩(wěn)定流動過程的能量平衡方程分析如下。6.1.1（6-1）

1~2過程：汽輪機中工質(zhì)作等熵膨脹（即可逆絕熱膨脹），對外作功量圖6-16.1.1

2~3過程：濕蒸汽在冷凝器中等壓等溫冷凝，工質(zhì)冷凝的放熱量（6-2）圖6-1

4~1過程：鍋爐中水等壓升溫和等壓汽化，工質(zhì)在鍋爐中的吸熱量6.1.1（6-4）圖6-1

以上公式進行計算時，所需各狀態(tài)點的焓值查閱水蒸汽表（見附錄）或水蒸汽的焓熵圖。具體確定的方法如下：6.1.1

顯然，熱效率越高，汽耗率越低，表明循環(huán)越完善。（6-6）

汽耗率是蒸汽動力裝置中，輸出1kW·h的凈功所消耗的蒸汽量。用SSC（Specificsteamconsumption）表示

實際上，工質(zhì)流動中由于存在摩擦、渦流、散熱等因素，汽輪機及水泵不可能作等熵膨脹及等熵壓縮，水泵消耗的功量對汽輪機的作功量相比而言很小，可忽略不可逆的影響，但對汽輪機需考慮膨脹過程的不可逆性。工程上，通常用等熵效率ηS來表示。6.1.1

等熵效率ηS的定義：“對膨脹作功過程，始、終態(tài)壓力相同時，不可逆絕熱過程的做功量與可逆絕熱過程的做功量之比”。6.1.1

實際的Rankine循環(huán)在T-S圖及H-S圖，如圖6-1（b）、（c）中的12’341所示。那1-2’過程中工質(zhì)的做功量(b)(c)等熵效率

6.1.1實際的Rankine循環(huán)的熱效率（6-7）（6-8）例題6-1

6-2

分析Rankine循環(huán)可知：如果給定汽輪機的進口蒸汽溫度、壓力以及汽輪機出口蒸汽的壓力，那Rankine循環(huán)的熱效率基本上也就確定了?？梢?，改變蒸汽的參數(shù)可提高循環(huán)的熱效率。下面分別討論蒸汽參數(shù)對Rankine循環(huán)熱效率的影響。6.1.16.1.1(1)

提高汽輪機的進汽溫度及進汽壓力

假定汽輪機的出口蒸汽壓力及進汽壓力不變，將進汽的溫度從T1提高到T’1

降低了出口蒸汽的濕度（干度提高）x2<x’2。改進了汽輪機的操作條件圖6-2

提高了循環(huán)的平均吸熱溫度，減小了與高溫燃氣的溫差，降低傳熱過程的不可逆程度，也就提高了循環(huán)熱效率。第18次課結束20106.1.1

然而，提高汽輪機的進汽溫度可降低汽輪機出口蒸汽濕度。所以，為了提高循環(huán)的熱效率，汽輪機的進汽溫度和進汽壓力一般是同時提高的，現(xiàn)代蒸汽動力裝置采用的進汽溫度，壓力在往高參數(shù)方向發(fā)展。6.1.1p2P2’(2)

降低汽輪機出口蒸汽的壓力

假定汽輪機進口蒸汽的溫度、壓力均不變，降低出口蒸汽的壓力，結果使循環(huán)的平均放熱溫度下降，而平均吸熱溫度降低很少。p2圖6-4

6.1.2Rankine循環(huán)的改進

上節(jié)分析結果表明：提高汽輪機的進汽壓力、或提高溫度可以提高循環(huán)的熱效率，但蒸汽參數(shù)的改變又受到汽輪機材料及設備操作的限制。因此，對Rankine循環(huán)的改進，主要考慮對循環(huán)中吸熱過程的改進以提高循環(huán)的平均吸熱溫度。為此提出蒸汽的再熱循環(huán)、回熱循環(huán)以及供給動力與熱能相結合的熱電循環(huán)。下面主要介紹回熱循環(huán)與熱電循環(huán)。

6.1.2Rankine循環(huán)熱效率不高的原因是供給鍋爐的水溫低，這不僅降低了蒸汽等壓加熱過程的平均吸熱溫度，而且也增加了鍋爐內(nèi)高溫煙氣和供水之間溫差傳熱所引起的不可逆損失。采用回熱措施可有效解決這問題。所謂回熱是利用汽輪機中部分蒸汽來加熱鍋爐供水，使壓縮水的低溫預熱階段在鍋爐外的回熱器中進行，從而提高循環(huán)的平均吸熱溫度。現(xiàn)代化蒸汽動力裝置普遍采用抽氣回熱循環(huán)。圖6-5表示回熱循環(huán)的裝置示意圖與T-S圖。6.1.2(1)

回熱循環(huán)6.1.22’45

回熱循環(huán)中抽氣系數(shù)的計算可以通過對回熱器的能量分析求得。假定進入汽輪機的蒸汽量為1kg，汽輪機的抽氣量為αkg（不考慮散熱損失），則可得圖6-5回熱蒸汽的放熱量＝水的吸熱量由于抽汽回熱使水溫從T4升到T5解得6.1.2回熱循環(huán)的熱效率（6-9）（6-10）

式(6-9)、式(6-10)中各狀態(tài)點的焓值可根據(jù)給定的條件查水蒸汽表而得。例題6-36.1.2

(2)熱電循環(huán)化工生產(chǎn)中，不僅需要動力，還需要不同品位的熱量以滿足工藝條件的需求。因此，既提供動力又供給熱量的熱電循環(huán)更適用于化工生產(chǎn)的特點。熱電循環(huán)有背壓式汽輪機聯(lián)合供電供熱與抽汽式汽輪機聯(lián)合供電供熱兩種形式。

背壓式汽輪機是排汽壓力大于大氣壓力，排氣的參數(shù)根據(jù)用戶的需要來確定。此循環(huán)的示意圖與T-S圖見圖6-6所示。

背壓式汽輪機聯(lián)合供電供熱的熱電循環(huán)中供給動力與供熱量是相互牽制，不能單獨調(diào)節(jié)。為了克服這一缺點，可采用抽氣式汽輪機的熱電循環(huán)。圖6-7表示此循環(huán)的示意圖與T-S圖。6.1.2圖6-7

此循環(huán)的T-S圖與回熱循環(huán)十分類似，由于控制中間的抽氣量以同時滿足供電與供熱兩方面，因此大型化工廠大多采用抽汽式汽輪機的熱電循環(huán)。6.1.2例題6-4圖6-7第一節(jié)完6.2節(jié)流膨脹

與作外功的絕熱膨脹

6.2.1節(jié)流膨脹

高壓流體流經(jīng)管道中一節(jié)流元件（如節(jié)流閥、孔板、毛細管等），迅速膨脹到低壓的過程稱節(jié)流膨脹。因節(jié)流過程進行很快，高壓流體與外界的熱交換可看做絕熱Q=0，該過程不對外作功，WS=0，節(jié)流前后流體的位差與速度變化可忽略不計，⊿Z=0，⊿u=0，由穩(wěn)定流動的能量平衡方程得⊿H=0，即節(jié)流前后流體的焓值不變，這是節(jié)流膨脹的特點。6.2.1

由于節(jié)流時存在摩擦阻力損耗，因而節(jié)流是不可逆過程，節(jié)流后流體的熵值必增加。流體進行節(jié)流膨脹時，由于壓力變化而引起的溫度變化稱為節(jié)流效應或Joule-Thomson效應。節(jié)流膨脹中溫度隨壓力的變化率稱微分節(jié)流效應系數(shù)或Joule-Thomson效應系數(shù)。即6.2.1（6-12）Joule

(1818-1889)6.2.1利用熱力學關系式6.2.1（6-13）分析式（6-13），因為⊿p<0，Cp0,所以：節(jié)流后溫度降低（冷效應）；6.2.1節(jié)流后溫度升高（熱效應）。節(jié)流后溫度不變（零效應）；

對理想氣體，，代入（6-13），得μJ=0，即理想氣體節(jié)流后溫度不變。

如果給定實際氣體的狀態(tài)方程，整理求得，代入（6-13）式，可近似求得μJ值。6.2.1

對于實際氣體，μJ值可為正值、負值或零。μJ＝0的點稱為轉(zhuǎn)化點，轉(zhuǎn)化點的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，轉(zhuǎn)化點的壓力稱為轉(zhuǎn)化壓力。由圖6-9可知，一個轉(zhuǎn)化壓力對應有兩個轉(zhuǎn)化溫度。轉(zhuǎn)化曲線區(qū)域內(nèi)μJ>0，轉(zhuǎn)化曲線區(qū)域外μJ<0。利用轉(zhuǎn)化曲線可以確定節(jié)流膨脹后獲得低溫的操作條件。μJ>0μJ>0μJ<0μJ<0圖6-9第19次課結束20106.2.1

大多數(shù)氣體的轉(zhuǎn)化溫度較高，在室溫及壓力不太高的條件下節(jié)流可產(chǎn)生冷效應。其最高轉(zhuǎn)化溫度可用下式計算：

少數(shù)氣體如氦、氫等的最高轉(zhuǎn)化溫度低于室溫，欲使其節(jié)流后產(chǎn)生冷效應，必須在節(jié)流前進行充分的預冷。6.2.1

工程上，積分節(jié)流效應ΔTH值直接利用熱力學圖求得最為簡便，見圖6-10。在T-S圖上，根據(jù)節(jié)流前狀態(tài)（p1、T1

）確定初態(tài)點1，由點1作等焓線與節(jié)流后p2的等壓線的交點2，點2的溫度T2即為節(jié)流后的溫度。21圖6-10

6.2.2作外功的絕熱膨脹

氣體從高壓向低壓作絕熱膨脹時，若通過膨脹機來實現(xiàn)，則可對外作功，如果過程是可逆的，稱為等熵膨脹。此過程的特點是膨脹前后熵值不變，對外作功膨脹后氣體溫度必降低。等熵膨脹時，壓力的微小變化所引起的溫度變化稱微分等熵膨脹效應系數(shù)，以μS表示。6.2.2（6-15）6.2.2（6-16）利用熱力學關系式6.2.2

上式可知，對任何氣體，，T>0，Cp>0，所以μS必為正值。這表明：“氣體進行等熵膨脹時，對外做功，膨脹后氣體的溫度總是下降，產(chǎn)生冷效應”。氣體等熵膨脹時，壓力變化為一有限值，所引起的溫度變化稱積分等熵膨脹效應⊿TS6.2.2方法是給定狀態(tài)點1（p1、T1），由1點作垂線與等壓線p2的交點即是狀態(tài)2’，圖中可查得T2’值。2’1工程上，積分等熵膨脹效應⊿TS也可利用T-S圖直接查得實際上，氣體做外功的絕熱過程總是存在摩擦、泄漏、冷損等，所以是熵增大的不可逆過程。圖6-106.2.2

節(jié)流膨脹與做外功的絕熱膨脹的比較如下。

(1)降溫程度：相同初態(tài)下，做外功的絕熱膨脹比節(jié)流膨脹大，且還可回收功。

(2)降溫條件：節(jié)流膨脹是有條件的，對少數(shù)氣體如H2，He等，必須預冷到一定的低溫進行節(jié)流，才能獲得冷效應。做外功的絕熱膨脹后氣體的溫度總是下降。

(3)設備與操作：節(jié)流膨脹采用節(jié)流閥，結構簡單、操作方便，可用于汽、液兩相區(qū)的工作，甚至可直接用于液體的節(jié)流；而膨脹機結構復雜、投資大，不能用于產(chǎn)生液滴的場合。6.2.2

兩種膨脹由于各具有優(yōu)、缺點，工程中應用均廣泛。通常節(jié)流膨脹應用于普冷循環(huán)與小型的深冷設備，做外功的絕熱膨脹主要用于大、中型的氣體液化工藝，由于膨脹機不適用有液體存在的場合，工程上常將兩種膨脹結合并用。例題6-6

第二節(jié)完6.3制冷循環(huán)

熱力學第二定律指出，熱不能自發(fā)地由低溫物體傳向高溫物體。要使這非自發(fā)過程成為可能，必須消耗能量。制冷循環(huán)就是消耗外功或熱能而實現(xiàn)熱由低溫傳向高溫的逆向循環(huán)。消耗外功的制冷循環(huán)，如空氣壓縮制冷、蒸汽壓縮制冷。消耗熱能的制冷循環(huán)，如吸收式制冷、蒸汽噴射制冷。目前應用最廣泛的是蒸汽壓縮制冷與吸收式制冷。6.3

6.3.1蒸汽壓縮制冷（1）單級蒸汽壓縮制冷單級蒸汽壓縮制冷是由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成。圖6-11表示單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)的示意圖、T-S圖、p-H圖。6.3.1

蒸汽壓縮制冷中的蒸發(fā)器置于低溫空間。循環(huán)中，采用低沸點物質(zhì)作為制冷劑，利用制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)等溫等壓汽化吸熱（即低溫吸熱）及在冷凝器內(nèi)等壓冷卻、冷凝放熱（即高溫放熱）的相變性質(zhì)，6.3.1實現(xiàn)高溫放熱、低溫吸熱的過程。由于汽化潛熱較大，制冷效果完善。圖6-116.3.1

循環(huán)由下列過程組成。<1>1~2為可逆絕熱壓縮過程。制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量，要在較高的壓力（冷凝溫度）下排放，必須采用壓縮機提高制冷劑的壓力。制冷劑進入壓縮機是飽和蒸汽或過熱蒸汽（因濕蒸汽中液滴易損壞壓縮機的部件）。可逆絕熱壓縮過程在T-S圖、p-H圖上以等熵線表示。圖6-11

<2>2~3~4過程為等壓冷卻、冷凝過程。壓縮后過熱蒸汽2在冷凝器中冷卻、冷凝，將熱量傳向周圍環(huán)境，制冷劑本身冷凝為飽和液體4。6.3.1圖6-11

<3>4~5過程為節(jié)流膨脹過程。

節(jié)流閥是降低并調(diào)節(jié)制冷劑的壓力，制冷劑（飽和液體4）經(jīng)節(jié)流膨脹降溫降壓，由于節(jié)流膨脹是等焓過程，即H4=H5，節(jié)流后的制冷劑為濕蒸汽狀態(tài)5。6.3.1圖6-11

<4>

5~1過程為等壓等溫蒸發(fā)過程。濕蒸汽5在蒸發(fā)器中汽化吸熱，使低溫空間獲得并維持低溫溫度。制冷劑本身由濕蒸汽5變?yōu)轱柡驼羝?，再進入壓縮機，從而完成一次循環(huán)。6.3.1圖6-116.3高溫環(huán)境低溫冷室蒸發(fā)器冷凝器高溫環(huán)境低溫冷室蒸發(fā)器冷凝器等溫線等熵線

蒸汽壓縮制冷循環(huán)的基本計算。<1>單位制冷量q0q0定義為在給定的制冷操作條件下，單位質(zhì)量的制冷劑在一次循環(huán)中所獲得的冷量。對蒸發(fā)器，應用穩(wěn)定流動過程的能量平衡方程，忽略流動中流體的位能，動能變化、無軸功輸出，得出6.3.1（6-18）

制冷裝置的制冷能力Q0

Q0定義為在給定的制冷操作條件下，制冷劑每小時從低溫空間吸取的熱量kJ/h。

<2>制冷劑每小時的循環(huán)量6.3.1（6-19）<3>冷凝器的放熱量（6-20）<4>壓縮機消耗的功（單位質(zhì)量制冷劑）。壓縮機消耗的功率（6-21）（6-22）

<5>制冷系數(shù)6.3.1

評價蒸汽壓縮制冷循環(huán)的技術經(jīng)濟指標用制冷系數(shù)ε表示。ε定義為制冷裝置提供的單位制冷量與壓縮單位質(zhì)量制冷劑所消耗的功量之比。（6-23）6.3.1

工程上，為了提高制冷系數(shù)，常采用過冷措施，即處于狀態(tài)4的飽和液體在給定的冷凝壓力下再度冷卻為未飽和液體4’，未飽和液體仍經(jīng)節(jié)流膨脹，在此T-S圖或p-H圖上表示為12344’5’1循環(huán)，例題6-7

與未過冷的12341循環(huán)比較，單位質(zhì)量制冷劑的耗功量相同，但單位制冷量增加即H1－H’5>H1－H5，增加的制冷量相當于圖6-1中的陰影面積。所以，制冷系數(shù)增大。第20次課結束2010

分析例6-7的結果得出

6.3.1制冷循環(huán)中，高溫物體的放熱量大于低溫物體的吸熱量。兩者之差等于壓縮消耗的能量所轉(zhuǎn)換的熱量。（不能利用冰箱開著門來降低室內(nèi)溫度）在相同溫度區(qū)間工作的制冷循環(huán)，制冷系數(shù)以逆向Carnot循環(huán)為最大。

進行制冷計算時，應先確定：制冷劑及制冷循環(huán)的工作參數(shù)（蒸發(fā)溫度、冷凝溫度，如有過冷，應告之過冷溫度）。蒸發(fā)溫度取決于被冷體系的溫度，冷凝溫度決定于冷卻介質(zhì)（大氣或冷卻水等）的溫度，同時考慮必要的傳熱溫差。

利用制冷劑的壓焓圖（lnp-H圖）來分析、計算制冷循環(huán)最為方便。因為蒸發(fā)及冷凝過程均是等壓過程，在lnp-H圖上用水平直線表示，節(jié)流膨脹是等焓過程，用垂直線表示。而且，制冷量q0、放熱量Q2及功耗量WS可用相應的水平距離(焓差)來表示，非常直觀。

由給定的工作參數(shù)，可在制冷劑的熱力學圖、表上找出相應的狀態(tài)點，查得或計算各狀態(tài)點的焓值，而后代入相應的計算公式。pH6.3.16.3.1<1>大氣壓力下沸點低。低沸點不僅能獲得低的制冷溫度，而且在一定的制冷溫度下，使蒸發(fā)壓力高于大氣壓力，防止空氣進入制冷裝置。<2>常溫下的冷凝壓力應盡量低，以降低對冷凝器的耐壓與密封的要求。<3>汽化潛熱大，減小制冷劑的循環(huán)量，縮小壓縮機的尺寸。<4>具有較高的臨界溫度與較低的凝固溫度，使大部分的放熱過程在兩相區(qū)內(nèi)進行。

<5>具有化學穩(wěn)定性、不易燃、不分解、無腐蝕性。制冷劑的選擇具備以下要求6.3.1

常用的制冷劑有氨、氟氯烴、二氧化碳、乙烷、乙烯等。需指出，已發(fā)現(xiàn)氟氯烴中的R11、R12、R113、R114、R115、R22（CCl2F2）制冷劑對大氣中臭氧層有嚴重的破壞作用。為了保護環(huán)境，根據(jù)蒙特利爾議定書（1987年）的規(guī)定，發(fā)達國家要在2020年以前全部淘汰“R22”制冷劑，廣大發(fā)展中國家到2030年要全部禁用。歐盟國家作為我國空調(diào)出口的主要市場之一，至2004年已全面禁止“R22”制冷劑空調(diào)的進口。6.3.1例題6-8

6-9

因而開發(fā)、研制無污染的替代物已受到世界各國的關注與重視。

1992年底，我國綠色冰箱開始投放市場。目前，我國冰箱，冰柜已普遍采用綠色環(huán)保制冷劑R143a。

R410a作為一種新型環(huán)保制冷劑，由兩種準共沸的混合物而成，工作壓力為普通“R22”制冷劑的1.6倍左右，制冷（熱）效率更高。R410a由于不含氯元素，故不會破壞臭氧層，在熱量的吸收和釋放過程中熱交換效率更高、更節(jié)能，以此被譽為“無氟空調(diào)”。R410a是目前為止國際公認的用來替代“R22”制冷劑最合適的冷媒，并在歐美、日本等國家得到普及。2010.8格蘭仕空調(diào)6.3.1蒸發(fā)盤管冷凍室冷凝盤管壓縮機毛細管單級蒸汽壓縮制冷

（2）多級壓縮制冷制冷循環(huán)中，當冷凝溫度給定，如果需要較低的蒸發(fā)溫度，那么制冷劑的蒸發(fā)壓力也相應降低，這要增大壓縮機的壓縮比，引起壓縮機功耗增加、排氣溫度提高等不利情況，為了獲得較低的制冷溫度，提出多級壓縮制冷循環(huán)。圖6-12所示為兩級壓縮制冷的示意圖和T-S圖。6.3.1

其工作循環(huán)如下：狀態(tài)1表示低壓氣缸吸入的飽和蒸汽，壓縮至中間壓力pm，排出的過熱蒸汽被水冷器冷卻到狀態(tài)2’，再進入中間冷卻器，放出熱量達到中間壓力pm下的飽和溫度；進入高壓汽缸的蒸汽3是由以下幾部分組成：由低壓氣缸來的蒸汽、由高壓蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽、中間冷卻器內(nèi)制冷劑所蒸發(fā)的蒸汽，以及節(jié)流閥Ⅰ產(chǎn)生的蒸汽。6.3.133圖6-12

混合蒸汽進入高壓氣缸被壓縮到狀態(tài)4，進入冷凝器被冷凝成液態(tài)5，經(jīng)節(jié)流閥Ⅰ膨脹至濕蒸汽6進入中間冷卻器；中間冷卻器中液體一部分進入高壓蒸發(fā)器制冷，另一部分液態(tài)制冷劑7經(jīng)節(jié)流閥Ⅱ膨脹至濕蒸汽8進入低壓蒸發(fā)器制冷，由此產(chǎn)生低壓蒸汽，完成一次循環(huán)。圖6-126.3.1

多級壓縮往往與多級膨脹相結合，因此可提供多種不同溫度下的制冷量，正適合化工生產(chǎn)中需要各種溫度下的冷量?？梢詫⑽锪现鸺壚鋮s，降低傳熱過程的不可逆程度。同時帶有中間冷卻的多級壓縮可降低能耗。6.3.1

例如，乙烯廠對烴類混合物的提純與分離需要在不同的溫度下進行，采用丙烯作制冷劑的三級壓縮制冷可提供3℃、-24℃、-40℃級的冷量，如用乙烯作制冷劑的三級壓縮制冷則可提供-55℃、-75℃、-101.4℃級的冷量。

（3）復疊式制冷采用單一制冷劑的多級壓縮制冷將受到蒸發(fā)壓力過低以及制冷劑凝固溫度的限制，例如氨的凝固點為-77.7℃。為了能獲得更低的制冷溫度，工程上常采用復疊式制冷。6.3.1

復疊式制冷的特點是采用兩種以上的制冷劑各自構成獨立的單級蒸汽壓縮制冷，低溫級制冷循環(huán)中蒸發(fā)器與更低溫度級制冷循環(huán)的冷凝器組合在一起，稱為蒸發(fā)冷凝器，通過蒸發(fā)冷凝器實現(xiàn)多個單級蒸汽壓縮制冷的串聯(lián)操作。圖6-13表示雙級復疊式制冷循環(huán)示意圖、T-S圖。6.3.1

圖中1-2-3-4為低溫級制冷循環(huán)，5-6-7-8為更低溫度級制冷循環(huán)。1-2-3-4制冷循環(huán)中的蒸發(fā)器又是5-6-7-8制冷循環(huán)中的冷凝器，即蒸發(fā)冷凝器。作用是利用低溫級制冷循環(huán)中制冷劑的蒸發(fā)供冷來冷凝更低溫度級制冷循環(huán)中壓縮機排汽。復疊式制冷中只有5-6-7-8制冷循環(huán)中的蒸發(fā)器才提供冷量。6.3.1圖6-13

石油裂解氣的深冷分離中廣泛采用氨-乙烯復疊式制冷的工藝流程。它是以氨作為低溫級制冷中的制冷劑，更低溫度級制冷劑為乙烯，節(jié)流膨脹后的乙烯在蒸發(fā)器中可提供-100℃的低溫冷量。圖6-13氨為制冷劑乙烯為制冷劑6.3.1

6.3.2吸收式制冷

吸收式制冷是消耗熱能而實現(xiàn)制冷目的。選用的工質(zhì)是混合溶液，如氨水溶液、水溴化鋰溶液等。其中揮發(fā)性大，沸點低的組分是制冷劑，揮發(fā)性小，沸點高的組分是吸收劑。氨水溶液中氨是制冷劑、水是吸收劑，水溴化鋰溶液中水是制冷劑、溴化鋰是吸收劑。圖6-14表示吸收式制冷裝置的示意圖。圖中虛線包圍部分是由吸收器、解吸器、溶液泵、換熱器所組成，它替代了蒸汽壓縮制冷裝置中的壓縮機。除此之外，其他的組成部分與蒸汽壓縮制冷是相同的。6.3.2

工質(zhì)的循環(huán)如下：從蒸發(fā)器出來的氨蒸氣進入吸收器，在吸收器中被稀氨水吸收（吸收器用冷卻水冷卻，維持低溫，有利于吸收），6.3.2吸收器出來的濃氨水和解吸器來的稀氨水在換熱器進行熱交換（熱量充分利用），降溫后的稀氨水進入吸收器以吸收氨，提高了溫度的濃氨水進入解吸器；圖6-14

由于解吸器處于較高壓力，吸收器出來的濃氨水循環(huán)到解吸器必須用泵輸送，濃氨水在解吸器中被外部熱源6.3.2（加熱介質(zhì)可利用蒸汽或其它廢熱）加熱蒸出氨蒸氣，氨蒸氣進入冷凝器冷凝成液氨，然后經(jīng)節(jié)流膨脹，以汽液混合物的狀態(tài)進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，如此完成一次制冷循環(huán)。圖6-14

吸收式制冷中，利用制冷劑在低溫下被吸收劑吸收以及較高溫度下從吸收劑中解吸的過程來代替蒸汽壓縮制冷中的壓縮過程，即消耗熱能代替消耗機械能實現(xiàn)制冷的目的。解吸器的壓力由冷凝溫度決定（取決于冷卻水的溫度），吸收器的壓力由蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)溫度決定。根據(jù)解吸器和吸收器所給定的溫度，壓力條件，從氨水的蒸氣壓-濃度的數(shù)據(jù)（氨水溶液焓濃圖）確定氨水溶液的濃度。吸收式制冷裝置中通過溶液泵及節(jié)流閥的調(diào)節(jié)，使解吸器中氨水的濃度保持不變。6.3.26.3.2

吸收式制冷裝置的技術經(jīng)濟指標用熱能利用系數(shù)表示：（6-24）吸收式制冷的優(yōu)點：1、對所用熱源的要求不高，可利用低品位的熱能以及工業(yè)生產(chǎn)中的余熱或廢熱；（節(jié)能式制冷）2、裝置中無昂貴的壓縮機，設備成本低廉。其缺點是熱能利用系數(shù)低（約為0.3～0.5），裝置體積大。Q0為吸收式制冷的制冷量；Q為熱源供給的熱量。

以水、溴化鋰溶液為工質(zhì)的吸收式制冷（水作為制冷劑），制冷溫度不能低于攝氏零度，通常用于大型的空調(diào)系統(tǒng)或提供生產(chǎn)工藝用的低溫冷卻水。近年來開發(fā)太陽能的利用，吸收式制冷中也可利用太陽的輻射作為解吸器的熱源，因此，夏天可利用火熱的太陽來造就涼爽的工作環(huán)境。目前，我國已生產(chǎn)出太陽能空調(diào)器。6.3.2如：遠大中央空調(diào)，為大型建筑供暖、供冷江蘇江陰雙良集團溴化鋰制冷機

6.3.3蒸汽噴射制冷循環(huán)

蒸汽噴射制冷和吸收制冷一樣，都是直接利用熱能來制冷。它利用熱能產(chǎn)生一定壓力的蒸汽，再用蒸汽噴射器將蒸汽的靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝膭幽?，使制冷劑從循環(huán)系統(tǒng)低壓部分壓縮至高壓部分。此處噴射器起著類似蒸汽壓縮制冷循環(huán)中壓縮機的作用，而制冷的能量來源于熱能。蒸汽噴射制冷循環(huán)通常是用水作制冷劑，用水蒸汽作制冷循環(huán)的工質(zhì)。建立綠色低碳節(jié)約型社會，為大型建筑、生活小區(qū)集中制冷、供暖。6.3.３6.3.３

蒸汽噴射制冷循環(huán)取得的制冷效果，主要是在低壓（真空）條件下，借一部分水絕熱蒸發(fā)使剩下的那部分水失熱而被冷卻。水在不同壓力下有不同的沸點。只要創(chuàng)造一個壓力很低的真空容器（蒸發(fā)器或閃蒸器），將溫度高于器內(nèi)沸點溫度的水送入真空容器，水就開始沸騰。如真空容器外無熱量供給，水汽化所需要的熱量，只能從未汽化的水中奪取，從而使未汽化的水失去熱量，降低溫度，達到制冷的目的。6.3.３

蒸汽噴射器抽真空的原理，主要是利用一定壓力下的蒸汽通過一個喇叭形噴嘴（一般叫拉伐爾噴嘴），體積迅速膨脹，在噴嘴出口處產(chǎn)生高速氣流而造成真空。由于高速氣流的引射作用，使與蒸汽噴射器連接的容器內(nèi)形成接近噴嘴出口處的真空。這就是利用蒸汽的靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝膭幽軄硇纬烧婵眨_到抽氣的目的。

在容器中形成真空的方法很多，例如采用機械真空泵，可以形成較高的真空度。但水在低壓下蒸發(fā)時，水蒸汽的比容很大，使用機械真空泵制冷，真空泵就非常龐大。如果采用蒸汽噴射器抽真空，它不但可以形成很高的真空度，而且抽氣能力也很大。6.3.３

由鍋爐1或廢熱提供熱量產(chǎn)生低壓蒸汽，進入噴射器，在拉伐爾噴嘴2中絕熱膨脹，獲得很高的汽流速度（1000m/s）和很高的真空度，使蒸發(fā)器8中的水（制冷劑）在低壓下蒸發(fā)（如蒸發(fā)溫度為278K，相應的壓力為P0=965Pa），并從水中吸取熱量Q0（冷凍量），使水的溫度降低，以獲得低溫T2。蒸汽噴射制冷的基本工作循環(huán)如圖：補圖6.3.３

蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷蒸汽被引進吸入室3后，與工作蒸汽一起進入擴壓器4，在擴壓器中由于速度下降，壓力上升，然后進入冷凝器5冷凝。冷凝后的水分為兩路，一路通過節(jié)流閥７減壓后流入蒸發(fā)器8，以補充蒸發(fā)掉的水分量，大部分則通過水泵６送回鍋爐內(nèi)加熱，以產(chǎn)生工作蒸汽。補圖6.3.2萊鋼用戶-低壓蒸汽噴射制冷站(2009年)宣鋼用戶-低壓蒸汽噴射制冷站（2009年投產(chǎn)）6.3.３

蒸汽噴射制冷的特點：１循環(huán)中沒有壓縮機，沒有噪音，油污染，維修方便；２使用低壓蒸汽作為工作介質(zhì)，環(huán)境友好，可以利用廢熱制冷，屬于節(jié)能型制冷，近年來得到廣泛應用；３可以使用低壓蒸汽，冬天供暖，夏天制冷；４制冷溫度一般在0℃以上，只能制冷，不能制冰。

第21次課結束2010

6.3.４熱泵及其應用

化工生產(chǎn)中排放的低溫廢氣，廢水中含有大量的余熱，只是它們的溫度偏低，難以直接利用。能否將這種余熱，甚至自然環(huán)境介質(zhì)（如空氣，海水、地熱等）中蘊涵的能量給以利用呢？根據(jù)熱力學第二定律，熱量由低溫區(qū)傳向高溫區(qū)必須付出代價。熱泵是消耗機械功，完成熱量從低溫區(qū)傳向高溫區(qū)并維持高于環(huán)境溫度的設備。熱泵的工作原理，循環(huán)過程類同制冷裝置。所不同的是工作目的與操作的溫度范圍不同。6.3.４6.3.４高溫環(huán)境低溫環(huán)境制冷與熱泵示意圖（a）冰箱（b）熱泵高溫房間低溫冷凍室6.3.４熱泵循環(huán)制冷循環(huán)TT0S2’3’1423Q0Q14插圖

制冷裝置的工作目的是制冷，操作的溫度范圍是環(huán)境溫度與低于環(huán)境溫度的制冷空間溫度。熱泵的工作目的是供熱，即從自然環(huán)境或低溫余熱中吸取熱量并將它傳送到需要的高溫空間中。操作的溫度范圍是環(huán)境溫度與高于環(huán)境溫度的供熱空間溫度。熱泵的供熱量正是從低溫區(qū)吸取的熱量與消耗的機械功之和，從而有效地利用了低品位的熱能。與燃料燃燒，電爐取暖相比，熱泵是節(jié)能型供暖方式。6.3.４

熱泵循環(huán)的性能指標用熱泵供熱系數(shù)εHP

表示，即消耗單位功量所得到的供熱量。6.3.４（6-25）

式中，Q為熱泵的供熱量，kJ/kg；WS為熱泵消耗的功量，kJ/kg6.3.４

熱泵的供熱系數(shù)εHP比較大，既使是實際的循環(huán)，一般亦為6～7。即每消耗一份功，可得6～7份熱。因此，熱泵所提供的熱量中，只有一份由機械功轉(zhuǎn)化而來，其余絕大部分來自環(huán)境?？紤]到火力發(fā)電廠的熱效率一般只有30%以下，則εHP起碼應大于4才有實用價值，否則達不到節(jié)約一次能源的目的。

經(jīng)過合理的設計，用戶可使用同一裝置在夏季作為制冷機用于空調(diào)，冬季作為熱泵用于供熱。6.3.４夏天制冷

例如：冷暖空調(diào)制冷劑流向：

用換向閥來改變壓縮機出口氣體流向。冬天供暖節(jié)流壓縮機室外換熱器（放熱）室內(nèi)換熱器（吸熱）放熱吸熱6.3.４

工業(yè)生產(chǎn)過程中應用熱泵來回收廢熱。目前，國內(nèi)外將熱泵應用化工生產(chǎn)有熱泵蒸餾、熱泵蒸發(fā)等。例如，石油氣裂解深冷分離中應用的熱泵是將制冷系統(tǒng)和精餾相結合。冷凍劑被壓縮后，用于精餾塔內(nèi)再沸器中作為加熱介質(zhì)，冷凍劑本身被冷凝，然后將此液態(tài)冷凍劑用泵送至塔頂蒸汽冷凝器蒸發(fā)，吸收熱量，使塔頂蒸汽冷凝，冷凍劑蒸汽重新再去壓縮循環(huán)使用。第三節(jié)完6.4深冷循環(huán)

深冷循環(huán)也稱氣體液化循環(huán)，是用于低沸點的氣體，如氮、氧、空氣、石油氣、天然氣等的液化。深冷循環(huán)不同于上節(jié)論述的制冷循環(huán)。深冷循環(huán)中，利用氣體的節(jié)流膨脹與做外功的絕熱膨脹來獲得低溫與冷量，氣體既起制冷劑作用而本身又被液化作為產(chǎn)品，因此是不閉合的逆向循環(huán)。本節(jié)以基本的深冷循環(huán)（Linde循環(huán)與Claude循環(huán)）為例說明深冷裝置的工作原理以及基本計算。6.4

6.4.1林德循環(huán)Linde循環(huán)是簡單的深冷循環(huán)，1895年德國工程師Linde首先應用此法液化空氣。6.4.1

該循環(huán)的流程與T-S圖表示在圖6-15。Linde循環(huán)由壓縮機I、冷卻器II、換熱器III、節(jié)流閥IV與汽液分離器V組成。圖6-15

常溫T1、常壓p1的氣體（點1）進壓縮機I多級壓縮到p2，進入冷卻器II被水冷卻至常溫T1（點2），上述過程在T-S圖上用等溫線1-2線簡化表示，狀態(tài)2高壓氣體進入換熱器III中被節(jié)流至常壓p1的未液化氣體冷卻到溫度T3（點3），然后6.4.1

經(jīng)節(jié)流閥IV節(jié)流至常壓p1進入汽液分離器V，節(jié)流后產(chǎn)生的液體（點0）自汽液分離器導出作為液化產(chǎn)品，未液化氣體（點5）進入換熱器III預冷高壓氣體后返回壓縮機，如此反復循環(huán)。圖6-15

深冷循環(huán)的基本計算主要是液化量，制冷量與消耗的壓縮功。

（1）氣體的液化量利用能量平衡方程求得。取換熱器、節(jié)流閥、汽液分離器為研究的體系，設體系與環(huán)境無熱量的交換，Q=0，又無軸功輸出WS=0，忽略流體進、出體系的動能和位能的變化，則得體系的⊿H=0。以1kg低壓氣體為基準，設液化量為xkg，返回未液化氣體量為(1-x)kg。6.4.1

式中H1、H2、H0分別表示狀態(tài)點1、2、0處的焓值，查該氣體的熱力學圖表可得。6.4.1理論液化量（6-26）

（2）理論制冷量表示理想的Linde循環(huán)，在穩(wěn)定操作下，液化此xkg氣體需取出的熱量。（6-27）（3）壓縮機消耗的理論功WR

如果按理想氣體的可逆等溫壓縮考慮，消耗的理論功6.4.1

以上分析的是理想Linde循環(huán)，實際循環(huán)中存在許多不可逆損失。主要有：壓縮過程的不可逆損失；換熱器中不完全熱交換損失q2；深冷裝置絕熱不完全，環(huán)境介質(zhì)熱量傳給低溫設備而引起的冷量損失q3。（6-28）

同樣取換熱器、節(jié)流閥、汽液分離器為體系，通過能量平衡可得6.4.1

為了簡便壓縮機實際消耗的功量計算，由（6-28）計算理論功除以等溫效率ηT，即（6-29）實際液化量實際制冷量（6-30）例題6-10（6-31）

6.4.2Claude循環(huán)1902年法國的Claude首先采用帶有膨脹機的深冷循環(huán)，由于膨脹機操作中不允許氣體含有液滴，另外低溫操作中裝置的潤滑問題不易解決，為此，Claude循環(huán)中膨脹機與節(jié)流閥聯(lián)合采用。6.4.2Claude循環(huán)的流程示意圖與T-S圖列于圖6-16。此循環(huán)由壓縮機I、第一換熱器II、第二換熱器III、膨脹機IV、第三換熱器V、節(jié)流閥VI、氣液分離器VII組成。圖6-16

溫度T1、壓力p1的1kg氣體（點1）進壓縮機I、等溫壓縮至p2（點2），高壓氣體經(jīng)換熱器II進行等壓冷卻，6.4.2冷至狀態(tài)點3后，分為兩部分，其中一部分為(1-M)kg氣體通過膨脹機IV絕熱膨脹至p1（點4），對外作功，4321圖6-16

另一部分Mkg的高壓氣體繼續(xù)通過換熱器III、V進一步等壓冷卻，冷至狀態(tài)點6，進入節(jié)流閥進行節(jié)流膨脹，節(jié)流后產(chǎn)生xkg液體（點9）自氣液分離器VII導出作為產(chǎn)品。未液化的(M-x)kg氣體（點8）出換熱器V后與來自膨脹機的低壓氣體匯合，6.4.2匯合后的(1-x)kg氣體進換熱器III、II冷卻高壓氣體而本身被加熱回復到初態(tài)，再循環(huán)使用。896圖6-16Claude循環(huán)的液化量、制冷量及壓縮機消耗功的計算如下。取換熱器II、III、V及汽液分離器VII為體系進行能量平衡可計算液化量。設體系中換熱器不完全熱交換損失為q2，體系中冷量損失為q3。6.4.2整理上式得出液化量（6-32）制冷量

6.4.2

將式（6-33）與式（6-30）比較，Claude循環(huán)的制冷量比Linde循環(huán)增加了(1-M)(H3-H4)。

Claude循環(huán)消耗功等于壓縮機消耗功與膨脹功回收功之差。若壓縮機的等溫壓縮效率為ηT，膨脹機的機械效率為ηm，則實際循環(huán)的功耗為：（6-33）（6-34）例題6-11第23次課第六章結束2009韓第六章完例題

例題6-1

例題6-2

例題6-3

例題6-4

例題6-6

例題6-7

例題6-8

例題6-9

例題6-10

例題6-11例題6-1

蒸汽動力裝置按Rankine循環(huán)工作，鍋爐壓力為40×105Pa，產(chǎn)生440℃過熱蒸汽，汽輪機出口壓力為0.04×105Pa，蒸汽流量為60噸/小時，試求：（1）過熱蒸汽每小時從鍋爐吸收的熱量；（2）乏氣的濕度以及每小時乏氣在冷凝器放出的熱量；（3）汽輪機作出的理論功率與水泵消耗的理論功率；（4）循環(huán)的熱效率。第六章完（1）根據(jù)給定的條件查出各點的參數(shù)（查水蒸汽表）例題6-1該循環(huán)在T-S圖上表示見左圖解：1點（過熱蒸汽）2點（濕蒸汽）122設2點處干度為x

解之例題6-15433點（飽和液體）4點（未飽和水）5點（飽和液體）例題6-1例題6-1(2)計算過熱蒸汽每小時從鍋爐吸收的熱量乏氣在冷凝器放出的熱量乏氣的濕度為例題6-1汽輪機作出的理論功率水泵消耗的理論功率例題6-1

循環(huán)的理論熱效率END或例題6-2

某核動力循環(huán)如圖所示，鍋爐從溫度為320℃的核反應堆吸入熱量Q1產(chǎn)生壓力為7MPa、溫度為360℃的過熱蒸汽（點1），過熱蒸汽經(jīng)汽輪機膨脹做功后于0.008MPa壓力排出（點2），乏氣在冷凝器中向環(huán)境溫度t0=20℃下進行定壓放熱變?yōu)轱柡退c3），然后經(jīng)泵返回鍋爐（點4）完成循環(huán)，已知汽輪機的額定功率為15×104kW，汽輪機作不可逆的絕熱膨脹，其等熵效率為0.75，而水泵可認為作可逆絕熱壓縮。4321試求：（1）此動力循環(huán)中蒸汽的質(zhì)量流量；（2）汽輪機出口乏氣的濕度；（3）循環(huán)的熱效率。例題6-2解：（1）作出此動力循環(huán)的T-S圖。（2）根據(jù)給定的條件，查水蒸汽表確定有關參數(shù)。1點：1例題6-2

該動力循環(huán)的T-S圖中，1~2過程表示汽輪機作等熵膨脹（即可逆絕熱膨脹），膨脹后乏氣的干度為x2，而1~2’過程表示汽輪機的實際膨脹過程（即不可逆絕熱膨脹），用等熵效率表示。22點：濕蒸汽例題6-2在此首先計算汽輪機出口乏氣的濕度，假定汽輪機作等熵膨脹時，解之則12例題6-2汽輪機作等熵膨脹所作的理論功WS根據(jù)等熵效率ηS的定義例題6-2汽輪機作實際膨脹過程1～2’

所做的功因為所以12’可根據(jù)p2和H2’可直接查水蒸汽表得S2’例題6-2也可以通過計算得到：設汽輪機作實際膨脹后乏氣的干度為x2’解得汽輪機出口乏氣的濕度為1－0.8573＝0.14272’例題6-23點：取p為0.008MPa時飽和水34點：因為水泵作可逆絕熱壓縮過程由p4=7MPa，S4=0.5926kJ/(kg·K)查得H4=181.09kJ/kg。4例題6-2如果水蒸汽表上難以查得H4值，水泵消耗的功可計算水泵所消耗的功為每kg水蒸汽所作的凈功例題6-2得循環(huán)中蒸汽的質(zhì)量流量

如果汽輪機作等熵膨脹，那循環(huán)的理論熱效率得循環(huán)的熱效率END例題6-3

某蒸汽動力裝置采用二次抽汽回熱，已知進入汽輪機的過熱蒸汽的參數(shù)，p1為140×105Pa，t1為560℃，第一次抽汽壓力為20×105Pa，第二次抽汽壓力1.5×105Pa，乏氣壓力為0.05×105Pa，試將此回熱循環(huán)在左邊T-S圖示意的表示，并計算二次抽汽回熱循環(huán)的熱效率與汽耗率。解：

二次抽汽回熱循環(huán)在左邊T-S圖上表示。查水蒸汽表得各狀態(tài)點的參數(shù)如下：例題6-31點

a點因Sa=S1>Sg，所以a點處于過熱蒸汽狀態(tài)。當pa=20×105Pa，Sa=6.5941kJ/(kg?K)時，可內(nèi)插求得a’點（20×105Pa

時的飽和液體）a’a1例題6-3b點

而Sb=S1

所以b點處于濕蒸汽狀態(tài)，設濕蒸汽的干度為xb解之當pb時，查得bb’點

時時2點分析知2點處于濕蒸汽狀態(tài)，設該濕蒸汽的干度為x2，b’2例題6-3例題6-3解得3點a’’點b’’點3a’’b’’例題6-3c點例題6-3第一次抽汽量α1計算根據(jù)能量衡算低壓蒸汽a放熱量＝水b’'的吸熱量例題6-3第二次抽汽量α2計算二次抽汽回熱循環(huán)的熱效率熱效率提高了例題6-3

汽耗率

汽耗率增加是由于抽汽回熱引起，但只要抽汽量適當，可做到利大于弊。END例題6-4

某化工廠采用如下的蒸汽動力裝置以同時提供動力和熱能。見下圖。已知汽輪機入口的蒸汽參數(shù)為3.5MPa，435℃，冷凝器的壓力為0.004MPa，中間抽汽壓力p’為0.13MPa，進入透平機的蒸汽量為10kg/s，抽汽一部分進入加熱器，將鍋爐給水預熱到抽汽壓力p’下的飽和溫度，其余提供給熱用戶，然后冷凝成飽和水返回鍋爐循環(huán)使用。已知該裝置對熱用戶的供熱量是50×106kJ/h。試求此蒸汽動力裝置的熱效率與能量利用系數(shù)。1723解：由水蒸汽表查得例題6-4所以狀態(tài)2點處于濕蒸汽區(qū)。求H2值：查得p2=0.004MPa時，例題6-4由式，求得例題6-4對加熱器進行能量衡算

以進入汽輪機的1kg蒸汽為計算基準，設總抽汽率為а，其中用于對熱用戶供熱為аh，則進入加熱器為а-аh。對熱用戶進行能量衡算，可求出аh值即每kg蒸汽中有0.6276kg用于對熱用戶供熱鍋爐供給的熱量汽輪機所做功解得例題6-4例題6-4蒸汽動力裝置的能量利用系數(shù)供給熱用戶的熱量END蒸汽動力裝置的熱效率例題6-6

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，膨脹到p2=0.203MPa(2atm)，（1）節(jié)流膨脹；

試求兩種膨脹后氣體的溫度、膨脹機的作功量及膨脹過程的損失功，取環(huán)境溫度為25℃。（2）做外功的絕熱膨脹，已知膨脹機的等熵效率η=0.8。解：（1）節(jié)流膨脹查空氣的T-S圖，得由H1的等焓線與p2的等壓線交點查得T2=280K（節(jié)流膨脹后溫度），S2=118.41J/(mol?K)21T2例題6-6圖6-10

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等壓線的交點得出（2）做外功的絕熱膨脹

12s’T2s’H2S’=7614.88J/mol，T2S’=98K（可逆絕熱膨脹后溫度）。例題6-6圖6-10例題6-6可逆絕熱膨脹所做功實際是不可逆的絕熱膨脹，膨脹前后壓力相同時解得

由H2與p2值在空氣的T-S圖上查得T221S2T2=133K（作外功絕熱膨脹后的溫度）S2=104.41J/mol.K例題6-6圖6-10膨脹機實際作功（3）節(jié)流膨脹過程的損失功。作外功絕熱膨脹的損失功例題6-6例題6-6計算結果比較如下：為什么教材上，作外功絕熱膨脹的損失功計算錯誤？狀態(tài)變化不同！

過程T2/K⊿T做功量/(J/mol)損失功/(J/mol)節(jié)流膨脹280-2009351.2作外功絕熱膨脹133-1674317.75179END例題6-7

試求工作于兩相區(qū)的逆向Carnot循環(huán)的放熱量、制冷量以及制冷系數(shù)。解：

兩相區(qū)的逆向Carnot循環(huán)的示意圖，TH為高溫物體的溫度，TL為低溫物體的溫度。由于逆向Carnot循環(huán)是一可逆循環(huán)，借助于T-S圖，可得出循環(huán)的放熱量循環(huán)的吸熱量例題6-7逆向Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)

制冷劑完成一次循環(huán)后，本身又回到初始狀態(tài)，即制冷劑的⊿H=0，⊿u=0，根據(jù)熱力學第一定律END例題6-8

某蒸汽壓縮制冷裝置，采用氨作制冷劑，制冷能力為105kJ/h，蒸發(fā)溫度為-15℃，冷凝溫度為30℃，設壓縮機作可逆絕熱壓縮，試求：（1）制冷劑每小時的循環(huán)量；（2）壓縮機消耗的功率及處理的蒸汽量；（3）冷凝器的放熱量；（4）節(jié)流后制冷劑中蒸汽的含量；（5）循環(huán)的制冷系數(shù)；（6）相同溫度區(qū)間內(nèi)，逆向Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)。狀態(tài)點1：蒸發(fā)溫度為－15℃，制冷劑為飽和蒸汽的焓值、熵值及比容。11解：（1）作出此循環(huán)的p-H圖，T-S圖，由附錄查出各狀態(tài)點的焓值。例題6-8－15℃例題6-8狀態(tài)點2：由氨的飽和蒸汽壓表查得冷凝溫度30℃時相應的冷凝壓力為1.17MPa，在氨的p-H圖上，找出1點位置，沿定熵線與p2=1.17MPa的定壓線的交點2，圖上直接查得（不同圖、表上的數(shù)據(jù)最好不要混用?。?12230℃1.17MPa

狀態(tài)點4：從氨的飽和蒸汽壓表或logp-H圖查得30℃時飽和液體的焓值狀態(tài)點5：（2）計算。制冷劑的循環(huán)量壓縮機每小時處理的制冷劑蒸汽量例題6-8例題6-8壓縮機消耗的功率冷凝器的放熱量設節(jié)流后制冷劑中蒸汽含量為x由氨的熱力學性質(zhì)圖或表查得-15℃時例題6-8循環(huán)的制冷系數(shù)相同溫度區(qū)間內(nèi)，逆向Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)END

而H5=560.53kJ/kg，代入上式得節(jié)流后制冷劑中蒸汽的含量。例題6-9此制冷循環(huán)在制冷劑的熱力學性質(zhì)圖上表示如下

以R22為制冷劑的制冷裝置，循環(huán)的工作條件如下：冷凝溫度為20℃，過冷度⊿t=5℃，蒸發(fā)溫度為-20℃，進入壓縮機是干飽和蒸汽。試求此循環(huán)的單位制冷量、每kg制冷劑的耗功量以及制冷系數(shù)，并與無過冷（其他工作條件相同）進行比較。解：例題6-9從R22制冷劑的熱力學性質(zhì)圖表查得：每kg制冷劑所消耗的功制冷循環(huán)中無過冷，單位制冷量例題6-9制冷系數(shù)制冷循環(huán)中冷凝液又過冷5℃，單位制冷量END每kg制冷劑消耗的功量同無過冷情況制冷系數(shù)例題6-10

甲烷在Linde循環(huán)中被液化，見圖所示。甲烷以1.03×105Pa、300K的初態(tài)進入壓縮機，壓縮到70×105Pa，然后再冷卻到300K，產(chǎn)品是1.03×105Pa的飽和液態(tài)，未液化的甲烷（壓力為1.03×105Pa）又返回換熱器被加熱到297℃再循環(huán)使用。

假定環(huán)境漏入換熱器的熱量為5.81kJ（以1kg的甲烷進料為基準），忽略漏入其它設備的熱量。壓縮機的等熵效率為0.75，試計算：(1)循環(huán)的液化率與壓縮機消耗的功；(2)各個過程的損失功及該循環(huán)的熱力學效率（環(huán)境溫度300K）。（1）根據(jù)甲烷的熱力學圖表，查出各狀態(tài)點參數(shù)，列于下表。例題6-10

以1kg甲烷為計算基準。

解：狀態(tài)點狀態(tài)T/Kp/PaH/(kJ/kg)S/[kJ/(kg·K)]1234657過熱蒸汽過熱蒸汽流體濕蒸汽飽和蒸汽飽和液體過熱蒸汽3003002051101101102971.03×10570×10570×1051.03×1051.03×1051.03×1051.03×10595589051951955241.29507.084.723.244.644.940.3687.06例題6-10（2）甲烷的液化率

壓縮可視為不可逆絕熱壓縮，可逆絕熱壓