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1、第六章 流动系统的热力学原理及应用,Chapter 6Principle and Application of Thermodynamics in Fluid System,本章重点：稳定流动过程热力学原理，运用热力学第一定律和第二定律，对化工过程的能量转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量的消耗、大小、原因和部位，为改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法。,6.1 引言,能量的等级高级能量：理论上完全可以转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等。低级能量：理论上不能完全转化为功的能量，如热能、内能和焓等。目的：节约用能，降低能量消耗；合理经济的用能。,6.2 热力学第一定律,
2、封闭系统的热力学第一定律数学表达式为,封闭系统内，克服恒定外压所做的体积功的计算公式为,可逆过程,一般功的计算,6.2.2稳定流动系统的热力学第一定律,稳定流动状态：流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，即所有质量和能量的流率均为常量，系统中没有物料和能量的积累。,考察的基准是单位质量的流体，带入、带出能量的形式为动能，势能，热力学内能。(u2/2,gz,U),平均速度u1，比容V1，压力p1，内能U1,稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：,环境对系统所做总功,轴功(Ws)：是表示流体流经设备的运动机构时通过轴传递的功。流动功(pV)：流体流经设备时除了做轴功外，还由于流体会随着不同
3、截面，以及温度，压力的变化而产生膨胀或压缩所产生的。,若截面1的面积为A1，作用力为p1A1，流体的单位质量体积为V1，则作用长度为V1/A1，所做的功为W1=p1A1V1/A1=p1V1,流体所做功是轴功和净流动功之和,代入,式中，表示从截面1到截面2的变化，每一项的单位是J/kg写成微分形式，即：,若略去动能和势能的变化,可逆轴功表达式为,例题6-1 将90的热水，以12m3h-1速率从储罐1输送到高度为15m的储罐2，热水泵的电动机功率为1.5kW，并且热水经过一个冷却器，放出热量的速率为2.5106 kJh-1，试问：储罐2的水温度是多少？,解：此例题是稳定流动过程式（6-5）的应用，
4、水在储罐的流动速度很慢，可以忽略动能变化，其他能量项单位为kJkg-1。从附录C水性质表中可查得，90时水的密度为965.3kgm-3，则水的质量流率为 965.312=11583.6 kgh-1,得到放出的热量,电机的轴功,势能变化,将上述各项代入式（6-5），得到,从附录C-1饱和水性质表中可查得90时饱和液体的焓,再从饱和水性质表中可内插查到此时的温度约为38.5。,有一水泵每小时从水井抽出1892kg的水并泵入储水槽中，水井深61m，储水槽的水位离地面18.3m，水泵用功率为3.7KW的电机驱动，在泵送水过程中，只耗用该电机功率的45。储水槽的进、出水位的质量流量完全相等，水槽内的水位
5、维持不变，从而确保水作稳态流动。在冬天，井水温度为4.5，为防止水槽输出管路发生冻结现象，在水的输入管路上安设一台加热器对水进行加热，使水温保持在7.2，试计算此加热器所需净输入的热量。已知水的热容为,6.3 热力学第二定律和熵平衡,热力学第二定律 常见的第二定律表述如下：1.克劳修斯(Clausius)说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。2.开尔文(Kelvin)说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其它变化。表达的实质是“自发过程都是不可逆的”。前者说明了热传导过程的不可逆性，后者描述了功转化为热的过程的不可逆性。,6.3.2 熵及熵增原理,热机效率：热循环过程中从高
6、温热源(记为状态1)吸收的热量Q1与所做的功W之比值。,卡诺定律：所有工作于同温热源和同温冷源(记为状态2)之间的热机，以可逆热机效率最高。可以推论，工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其效率相等，并与工作介质无关。,熵的定义为可逆热温商,积分得到商变,对可逆的等温过程,如可逆汽化过程,对绝热可逆过程，则S=0，常称为等熵过程,对非可逆过程，S用状态函数的性质来计算,熵的微观物理意义是系统的混乱程度大小的度量，单位是J/K.在封闭系统中进行任何过程，都有,(热力学第二定律),对孤立系统，Q=0，则,若将系统和环境看作一个大系统，它即为孤立系统，则总熵等于封闭系统熵变S和环境熵变S0之和,熵增
7、原理 自发进行的不可逆过程只能向着总熵增加的方向进行，最终趋向平衡态。此时总熵变达到最大值，即St=0，达到了过程的终点。熵增原理为我们提供了判断过程进行的方向和限度，但是,判断的依据是总熵变而不是系统的熵变。,6.3.3 封闭系统的熵平衡,Sg不是系统的性质，而是与系统的不可逆过程有关，过程的不可逆程度越大，熵产生量Sg越大。,由于实际过程的不可逆性引起能量品质的损耗,有序的能量耗散为无序的热能（如摩擦等），并为系统吸收而导致系统熵的增加，这部分熵常称为熵产生，记为Sg,。引入封闭系统熵产生变量dSg,其积分形式为,6.3.4 稳定流体系统的熵平衡,如果有热量流入或流出系统，则必定伴有相应的
8、熵变化，即Q/T流入系统，该熵变常称为熵流，记为Sf，,传递的热量可正，可负,可零，因此熵流也亦可正，可负，可零。功的传递不会直接引起系统的熵流。但功的传递进入系统可间接引起系统的熵变。,敞开系统的熵平衡方程式为,对于封闭系统，则为,对于敞开的稳流过程，由于系统状态不随时间变化，则系统熵的积累为0,系统熵的累积(t为某一时刻),对某些特定的过程，可进行如下简化：,1.对绝热稳流过程，且只有单股流体，有：,则,2.对可逆绝热的稳流过程，有：,则,若单股物料，有：,即为常见的等熵过程,6.4 有效能与过程的热力学分析,理想功：系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。是一个
9、理想的极限值，可用来作为实际功的比较标准。完全可逆：指的是不仅系统内的所有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交换,例如传热过程也是可逆的。环境通常指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。,实际生产中的稳流过程，假定过程完全可逆，而且系统所处的环境可认为是一个温度为T0的恒温热源。据第二定律，系统与环境的可逆传热量为：,稳流过程的理想功,根据热力学第一定律,稳定过程理想功：,理想功仅与状态变化有关，与变化途径无关。无论是否可逆，其理想功是相同的。理想功与轴功不同在于：理想功是完全可逆过程，它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机做可逆功。通过比较理想功与实际做功，可以评价实际过程的
10、不可逆程度。,例题6-2 求298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力下冰的过程的理想功。设环境温度分别为(1)25;(2)-5。已知273K冰的熔化焓变为334.7kJ.kg-1。解：如果忽略压力对液体水的焓和熵的影响。查附录C-1水的性质表得到298K时水的有关数据，由273K冰的熔化焓变，Hs,l2=-0.02kJ.kg-1和Ss,l20，可推算出冰的焓和熵值。,（1）环境温度为298K，高于冰点时，=298（-1.226-0.367）-（-334.72-104.89）=-35.10kJkg-1若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功即为35.10kJ.kg-1。（2）环境
11、温度为268K，低于冰点时,当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，而且理论上可以回收的最大功为12.69kJ.kg-1。可见，理想功的计算，与环境温度有关。,6.4.2 损失功,实际过程所作的功（产生或消耗）与完全可逆过程所作的理想功之差，就称为损失功。稳定流动过程，损失功WL表示为,损失功是由二部分组成的：其一是由过程的不可逆性而引起的熵增加造成的；其二是由过程的热损失所造成的。对于环境来说，Q为可逆热，Q=-T0S0,表示损失功与总熵变的关系,且与环境温度有关。实际过程总是有损失功，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。,例题 6-3 用1.50MPa，773K的过
12、热蒸汽来推动透平机,并在0.07MPa下排出。此透平机既不是可逆的，也不是绝热的，实际输出的轴功相当于可逆绝热功的85%。另有少量的热散入293K的环境，损失热为79.4kJ.kg-1。求此过程的损失功。解：查附录C-2过热水蒸气表可知，初始状态1.50MPa,773K时的蒸气焓、熵值为：若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.07MPa时，熵仍为S2=7.5698kJ.kg-1.K-1。查过热水蒸汽表可知，此时状态近似为0.07 MPa，373K的过热水蒸汽，其焓值H2=2680 kJ.kg-1。因可逆绝热过程，Q=0，则,此透平机实际输出轴功，依据稳流系统热力学第一定律，得到实际状
13、态2的焓为 由0.07MPa和H2可查得过热水蒸汽状态为 393K，S2=7.6375 kJkg-1K-1，则过程的损失功,有效能系统在一定状态下的有效能，就是从该状态变化到基态过程所作的理想功，用符号B表示。当系统由任意状态（T，P）变到基态（T0，P0）时稳流系统的有效能B定义为 系统的有效能B仅与系统状态有关，是状态函数。但是它和内能、焓、熵等热力学性质不同，有效能的数值与所选定的环境状态有关。H-H0是系统具有的能量，而T0(S-S0)不能用于作功，又称为无效能。有效能不同于理想功，它的终态是基态，即环境状态。,参照,1物理有效能物理有效能:指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的能
14、量。化工生产中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。例6-4 试求298K和0.9MPa状态下，压缩氮气的有效能大小。设环境温度T0=298K，压力P0=0.1MPa，此时氮气可作为理想气体处理。解：由于理想气体的焓与压力无关，即，则将式(3-39)用理想气体关系式化简,可得到有效能,化学有效能 处于环境温度和压力下的系统，由于与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平衡，所作出的最大功即为化学有效能。从系统的状态到环境状态需经过化学反应与物理扩散两个过程：化学反应将系统的物质转化成环境物质，物理扩散指系统反应后的物质浓度变化到与环境浓度
15、相同的过程。在计算化学有效能时，要求确定每一元素的环境状态，即温度、压力、组成和物态。但是元素的环境状态指定具有人为的因素，应用时要加以注明，在比较化学有效能的大小时，应保持热力学上的一致性。否则不能直接比较。一般采用焓、熵数据来计算系统的化学有效能，表6-1 列出了一些元素指定的环境状态。化学有效能的环境状态模型有数种，不同国家采用的标准不一样，其计算结果也有一定的差异。虽然环境状态模型与实际的环境状态有一定的偏差，但是化学有效能的计算结果相差不多。在有效能中，化学有效能与物理有效能所占比重较大，对化工过程的分析也是有重要作用的。,6.4.4 有效能分析,从状态1变到状态2时，有效能的变化为
16、：,或,当B0时，即减少的有效能全部用于做可逆功，且所得功最大为Wid；,当B0时，即增加的有效能等于外界消耗最小功(可逆功)。也就是说，对可逆过程有效能是守恒的，对不可逆过程则不然。,有效能的平衡方程则可写为：,当D=0时，是可逆过程；D0是不可逆过程，D0的过程不可能自发进行。,不可逆过程，实际所作的功Ws总是小于有效能的减少，有效能有损失情况。将Wid=Ws+WL代入有：,不可逆过程中，有效能的损失等于损失功T0St。,有效能效率定义为输出的有效能与输入的有效能之比。,对可逆过程，B=100%，真实过程B100%。它表明了真实过程与理想的可逆过程的差别。例题 6-6 某工厂有两种余热可以
17、利用，其一是高温的烟道气，主要成分是二氧化碳、氮气和水汽，流量为500 kgh-1，温度为800，其平均等压热容为0.8 kJkg-1K-1；其二是低温冷凝水，流量是1348kgh-1，温度为80，水的平均等压热容可取为4.18 kJkg-1K-1，假设环境温度为298K。问两种余热中的有效能各为多少？解：高温的烟道气是高温、低压气体，可作为理想气体处理，按照式（6-25）,高温的烟道气从800降低到环境温度25放出的热量低温排水的有效能 低温排水从80降低到环境温度25放出的热量 由例题可知，尽管低温冷凝水的余热等于高温烟道气的余热，但是其有效能只有高温烟道气的十分之一不到。有效能才能正确评
18、价余热资源。,6.4.4.2 能量的合理利用,合理用能总的原则是：按照用户所需要能量的数量和质量来供给它。在用能过程中要注意以下几点：,(1)防止能量无偿降级。用高温热源去加热低温物料，或者将高压蒸汽节流降温、降压使用，或者设备保温不良造成的热损失。,(2)采用最佳推动力的工艺方案。原则是确定过程最佳的推动力，谋求合理解决这一矛盾，使总费用最小。,(3)合理组织能量梯次利用。即先用功再用热的原则，对热量也要按其能级高低回收利用。,可用于任何介质的可逆和不可逆过程。实际压缩过程都是不可逆过程，压缩所需要的功WS，肯定要比可逆轴功WS,rev大，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
19、耗所造成的。,6.5 气体的压缩与膨胀过程,气体的压缩 对于稳流过程，压缩过程的理论轴功计算可用式（6-7）,气体的膨胀膨胀过程和压缩过程热和功的计算的基本原理是一样的。两个典型的膨胀过程。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、孔板等，由于局部阻力，使气体压力显著降低，称为节流现象。由于过程进行得很快，可以认为是绝热的，即Q=0且不对外作功，即Ws=0。根据稳定流动的能量方程式，绝热节流过程绝热节流过程是等焓过程。节流时存在摩擦阻力损耗，故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节流效应，或Joule-Thomson效应。,微分
20、节流效应系数，以J表示(微小压力变化与所引起的温度变化的比值)，由热力学基本关系式可知，J可以从P-V-T关系和CP性质来计算理想气体绝热节流后温度不变，J=0 对于真实气体：J 0 节流后温度降低称冷效应；J=0 节流后温度不变称零效应；J 0 节流后温度升高称热效应。同一气体在不同状态下节流，J有可能为正、为负或为零。,零效应的状态点称为转换点，转换点的温度称为转换温度。转换点的轨迹称为转换曲线。它都可以从状态方程和Cpig来预测。图6-4所示为由实验确定的氮的转化曲线。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、氢等的转换温度低于室温,0,0,压力变化所引
21、起的温度变化（TH），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。常见气体如空气、氨、Freon等，人们已经积累了一些常用的热力学性质图表，直接利用这些图表也比较便利。如图6-5所示T-S图，根据节流前状态（P1，T1），找出点1，由点1沿等焓线交节流后压力P2的等压线得点2，点2对应的温度即为节流后的温度。,如果节流前压力为P3，节流膨胀到汽液两相区4，从T-S图上不仅可以读出TH,而且可以计算液化的气体量。,2.绝热可逆膨胀流体从高压向低压作绝热膨胀时，如在膨胀机中进行，则对外作轴功。如果过程是可逆的，就是等熵膨胀过程。在等熵膨胀过程中，当压力有微小的变化时所引起的温度
22、变化称为微分等熵效应系数，以s表示。CP0，T0，,S 0,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。,压力变化所引起温度变化称积分等熵膨胀效应T S为 等熵膨胀过程也可在TS图上表示出来，如图6-5，膨胀前的状态为1（T1,P1）由此点沿等熵线（作垂线）与膨胀后的压力P2的等压线相交，即为膨胀后的状态点2（T2，P2）。等熵膨胀的积分温度效应TS=T2-T1，即可由T-S图直接读出。,等熵膨胀的冷冻量要比节流膨胀的冷冻量大，所超过的数值相当于等熵膨胀对外所做的轴功。同样的压力差，产生的温度降比节流膨胀为大 实际对外作功的绝热膨胀并不是可逆的，不是等熵过程，而
23、是向着熵增大的方向进行，它界于等焓和等熵膨胀之间。实际膨胀机所作的轴功小于可逆膨胀所作的轴功。从温度降、冷冻量和回收轴功来说，做外功的绝热膨胀要比节流膨胀优越。但绝热节流膨胀的好处，它所需的设备很简单，只需一个节流阀，便于调节且可直接得到液体。工业和民用设备多采用节流膨胀。,6.6 动力循环 朗肯循环（Rankine Cycle）简单蒸汽动力循环由锅炉、过热器、透平、冷凝器和冷凝水泵所组成。液体水进入锅炉，吸收燃料燃烧时所放出的热量升温至沸点（12），气化为蒸汽（23），为了进一步利用高温热能，提高蒸汽温度，将饱和蒸汽通入过热器变成过热蒸汽（34），然后进透平膨胀机作功（45）。为了尽可能地降
24、低透平出口压力以产生较多的功，将膨胀后的乏气引入冷凝器中用冷却水移走热量，使其在较低的温度下冷凝（56），冷凝水用泵升压（61）后再送回锅炉。如此不断地重复进行，构成对外连续作功的蒸汽动力装置循环，也称为朗肯循环。,若不考虑实际循环过程中的流动阻力、摩擦、涡流和散热等不可逆因素，则循环中的加热和冷凝过程在T-S图上可表示为等压过程，蒸汽的膨胀和冷凝水的升压可表示为等熵过程。这样的循环又称为理想朗肯循环，如图6-6(b)所示的1234561循环。对理想朗肯循环的各个过程，应用稳流系统能量方程式，可以算出在各个过程中流体与外界交换的热和功。计算时忽略位能和动能的变化。1234是流体(工质)在锅炉中
25、被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程，加入的热量 45表示过热蒸汽在透平中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功可由膨胀前、后水蒸汽的焓值求出。,56是乏气的冷凝过程，放热量61是将冷凝水通过水泵由P2升压至P1的可逆绝热压缩(等熵压缩)过程，需要消耗的功 把水看作是不可压缩的 液体水的比容较小，即使压差很大，此项功耗也很小，可以忽略不计，故在T-S图上的6和1两点是非常接近的。工质通过循环作出的净功WN为,所吸收的净热为(Q+Q0)，经过一次循环后，状态函数H=0,按稳流过程热力学第一定律，Q+Q0=WN，吸收的净热和作出的净功是相等的。评价蒸汽动力装置的重要指标 循环的热效率，即热源供给的热量中转化
26、为净功的分率汽耗率 作出单位量净功所消耗的蒸汽量，用SSC(Specific Steam Consumption)表示。,以上各式计算时所需要的焓值由附录C的水蒸汽表查得。,实际装置的热效率肯定要比理想朗肯循环为低，反之实际的汽耗率则较高。理想朗肯循环中，冷凝水升压过程在T-S图上是等熵，实际过程是不可逆的，绝热压缩时熵值增加，故6-1线应当是偏向右上方的斜线，而不是直线。不过由于点6和1本来就非常接近，为简化计算，可不考虑这种影响，常将这两点看作是重合的。蒸汽通过透平机的绝热膨胀实际上不等熵的，而是向着熵增加的方向偏移，用4-7线表示。蒸汽通过透平机膨胀,实际做出的功应为H4-H7,显然它小
27、于等熵膨胀的功H4-H5。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s表示。,例题6-9 某一蒸汽动力循环装置,锅炉压力为4MPa，冷凝器工作压力为0.004MPa。进入透平机的是过热蒸汽，温度为500，若此循环为理想朗肯循环，试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，排出乏汽的干度为0.92，试求此实际朗肯循环的热效率和汽耗率。解:该过程在T-S图上如下图所示。首先由给定的条件通过附录 C水蒸汽的热力学性质表定出T-S图上主要点的参数。1状态:高压水，4MPa，水近似不可压缩，,4状态:过热蒸汽，4MPa，773K查得:H4=3445.3 kJkg
28、-1,S4=7.0901 kJkg-1K-1 5状态:乏气，0.004MPa，查得有关饱和性质:设状态5乏气的干度为x,则（1-x）0.4226+x8.4746=7.0901 解得 x=0.828对于焓有：=（1-0.828）121.46+0.8282554.4=2135.9kJkg-1 6状态:饱和水，0.004MPa，已查得,H6=121.46kJkg-1,S6=0.4226kJkg-1K-1若过程为理想朗肯循环。45过热蒸汽可逆绝热膨胀过程，轴功为56乏气冷凝,放热61饱和水升压过程(变成不饱和水)，泵耗功=-4.012103Jkg-1=-4.012kJkg-1且 H1=H6+4.012
29、=121.46+4.012=125.47 kJkg-1,由于泵耗功很小，常可忽略不计。14水吸热成过热蒸汽，吸热量,WP=-（H1-H6）=-VH2OP=-1.00410-3（4-0.004）106,理想朗肯循环热效率 kJ(kWh)-1 若过程为不可逆绝热膨胀 蒸汽在透平机中绝热膨胀至5状态，由乏气的干度可求出5状态焓值。这时循环热效率为：实际汽耗率,朗肯循环的改进 可逆过程热力学效率最高。在卡诺循环中，工质在高温热源的温度下吸热，在低温热源的温度下放热(温差无限小)，都是可逆过程。但在朗肯循环中，吸热和排热则是在有一定温差情况下的不可逆过程。整个吸热过程的平均温度与高温燃气的温度相差很大，
30、因此要想提高朗肯循环的热效率，主要在于减小这两者之间的温度差，就必须设法提高工质在吸热过程中的温度。1.提高蒸汽的过热温度 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。由图6-7 可见，功的面积随过热温度的升高而增大，循环热效率随之提高，当然汽耗率也会下降。同时乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以不超873K为宜。,2.提高蒸汽的压力 水的沸腾温度随着蒸汽压力的增高而升高，故在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。从图6-8可以看出，当蒸汽压力提
31、高时，热效率提高，而汽耗率下降。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，还会使透平中最后几级的叶片受到磨蚀，缩短寿命。乏汽的干度一般不应低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力(PC=22.064MPa)，而且设备制造费用也会大幅上升。这都是不利的方面。,3.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，这样就可以避免乏气湿含量过高的缺点。如图6-9所示，高压蒸汽由状态点4
32、等熵膨胀到某一中间压力时的饱和状态点4(膨胀后的状态点也可以在过热区),作出功。饱和蒸汽在再热器中吸收热量后升高温度，其状态沿等压线由4变至5(再热温度与新汽温度可以相同，也可以不同)，最后再等熵膨胀到一定排气压力时的湿蒸汽状态6，又做出功。,制冷循环使物系的温度降到低于周围环境物质(如大气)的温度的过程称为制冷过程。本节重点介绍蒸汽压缩制冷,其他制冷原理作简要的介绍。蒸汽压缩制冷循环 逆卡诺循环 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。由四个可逆过程构成,下图是逆向卡诺循环的示意图和T-S图。其中 1-2：绝热可逆压缩,从T1升温至T2，等熵过程，消耗外功；2-
33、3：等温可逆放热；3-4：绝热可逆膨胀，从T2降温至T1，等熵过程，对外作功。4-1；等温可逆吸热，逆卡诺循环中，功和热的关系和正向循环一样,不过符号相反，净功和净热符号都是负的。,循环放热量循环吸热量循环的H=O，故循环所做的功净功为说明制冷循环需要消耗外功。衡量制冷效率的参数称为制冷系数，其定义为是制冷循环的经济技术指标。对于逆卡诺循环,上式表明，逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。在两个温度之间操作的任何制冷循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最大，任何实际循环的制冷系数都要比卡小。单级蒸汽压缩制冷循环 单级蒸汽压缩制冷循环的示意流程如下图。蒸汽压缩制冷循环是由：低压蒸汽的压缩
34、，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蒸发这四步构成。制冷循环中所用的在低温下吸热和高温下排热的工作物质(简称工质)称为制冷剂。理想的逆卡诺循环的限制：运行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“液击”，容易损坏机器；气缸里的液滴的迅速蒸发会使压缩机的有效容积减少。,实际冷冻循环的T-S图的特点：绝热可逆压缩过程12在过热蒸汽区，即等熵过程,S1=S2;绝热可逆膨胀过程34用简单的节流阀进行，绝热节流膨胀，即等焓过程,H3=H4。等压过冷过程33，增加冷冻量。对蒸发器应用稳定流动能量方程式，计算单位重量制冷剂的制冷量q0 制冷剂的“制冷能力”为Q0 kJ
35、.h-1，制冷剂的循环量为：,压缩每单位重量冷冻剂，压缩机所消耗的功为：制冷机的制冷系数为：制冷机所消耗的理论功率为常用制冷剂的压焓图(P-H图)见附录D。计算中所需的各状态点的焓、熵值可直接由图查出。例题6-10 有一氨冷冻循环装置,冷冻量为4.186105 kJh-1，蒸发温度-26C,冷却冷凝为20C。假设压缩机绝热可逆运行，求冷冻剂的循环量，压缩机功耗，冷凝器热负荷和循环制冷系数。,解:lnP-H图如右图所示。先由附录D氨的lnP-H图查取有关数据1态：-26氨饱和蒸汽，查得，H1=1430kJkg-1,S1=6.0 kJkg-1K-12态：过热蒸汽。因为等熵过程，S2=S1=6.0
36、kJkg-1K-1查得H2=1680 kJkg-1，t2=100，P2=0.86MPa3态：20 饱和液体，据此查得 H3=290 kJkg-1，S 3=1.3 kJkg-1K-14态：由于等焓过程，知H4=H3=290kJkg-1，查得 S4=1.4kJkg-1K-1,冷冻剂循环速率指单位时间内通过蒸发器的冷冻剂量，设为G kJh-1，则压缩机功耗 冷凝器热负荷制冷系数除了借助于热力学图、表方法计算外，还可以用状态方程和CigP来解析计算。,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机来提供的，压缩机的电能又可通过热机来获得，即制冷循环所需要的功最终可来自高温蒸汽的热能。直接
37、利用热能作为制冷循环能量是可能的。吸收制冷就是直接利用热能制冷的冷冻循环。吸收制冷是通过工质的吸收和精馏来完成循环过程。常用液体工质，如氨水溶液或溴化锂溶液。前者称为氨吸收制冷，用于低温系统，使用温度一般为228K(-45)以上；后者称为溴化锂吸收制冷，用于大型中央空气调节系统，使用温度一般在278K(5)以上。吸收制冷的特点：直接利用热能制冷,且所需热源温度较低,可充分利用低品位热能。,吸收制冷是利用二元溶液中二组分蒸汽压不同来进行的。制冷剂：挥发性大(蒸汽压高)的组分，如氨吸收制冷所用工质为氨，汽化潜热大。吸收剂：挥发性小(蒸汽压低)的组分，如氨吸收制冷的水用作吸收剂。氨吸收制冷循环示意图
38、如下。,整个循环由冷凝，节流后蒸发，吸收及精馏过程所组成。吸热蒸发后的气氨用稀氨水吸收成浓氨水溶液，然后在再生器中借精馏将氨分离，再用冷却水冷却冷凝成液氨，供循环使用。蒸汽压缩制冷与氨吸收制冷不同之处在于：氨吸收制冷循环中的吸收器和再生器代替了蒸汽压缩制冷的压缩机。虚线左侧相当于一台热机，因为它同样是在“高温”热源吸热（蒸氨塔），向低温冷却水排出热量（吸收塔，有冷却水）。吸收制冷循环的理论计算这里不作介绍。,气体的液化 利用制冷循环获得低于173K的低温称为深度冷冻（深冷）。工业上常用深冷技术使低沸点气体冷到其临界温度以下，使之液化，再通过精馏或部分冷凝分离或提纯。氧气、氮气等就是通过空气的液
39、化分离得到的。深度冷冻和普通冷冻（中冷或浅冷）仅有冷冻温度的差别，工作原理是相同的。膨胀过程除使用膨胀阀外还常常使用膨胀机；膨胀以前要预冷到相当低的温度。林德（Linde）气体液化装置是一种典型的深度冷冻装置，工质（即被液化的气体）进行的制冷循环称为林德循环。1.工作原理,林德气体液化装置示意图和循环示意图如下。气体从状态1（P1，T1）经多级压缩而压力增加到P2，同时经冷却器使其温度恢复到初始温度T1。状态2（P2，T1）的气体再经过换热器预冷到相当低的温度（状态3），经节流阀膨胀（等焓膨胀）到蒸发温度T0的湿蒸汽区（状态4），经气液分离器将液体（饱和液体）分离出去，分离后的干饱和蒸汽则送到
40、换热器去预冷新来的高压气体，而其本身被加热到原来状态1，它和补充的气体再进入压缩机。2.气体的液化量 以1kg气体为计算基准，设液化量为x kg，装置的冷冻量q。kJkg-1,式中H1在初温T1及压力P1下气体焓；H0在液化温度T0下饱和液体的焓，即H5。对装置图虚线框的部分，进行热量衡算。其中进入的气体是1kg状态2的高压气体，分离出去x kg状态5的饱和液体，另外循环返回压气机的（1-x）kg状态1的低压气体，其热量平衡式如下：1H2=xH0+(1-x)H1即为所要求的液化量，其中H2是温度为T1和压力为P2，即状态2的气体的焓，kJkg-1。3压缩机功耗 冷冻装置功的消耗是多级压气机的压
41、气功W，通常为简便起见，W可按理想气体的等温压缩过程计算，而除以等温压缩效率T，即,式中：T等温压缩效率，一般取0.6左右；,热泵 自然界蕴藏着巨大的能量，但热量的温度水平比人们所需要的低，难以直接利用。热泵的工作原理与制冷机完全相同。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（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取热量，并将它输送到人们所需要的较高温度的物质中去。热泵循环：在蒸发器中循环工质蒸发吸取环境介质中的热量，汽化后进入压缩机，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
42、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，重新蒸发吸热汽化为干饱和蒸汽，从而完成一个循环。,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，目前工业热泵输出的最高温度约为150。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。热泵为大量的低品质的热能的再利用，提供了可能。对于环境保护，资源有效利用，工业可持续性发展都是很有价值的。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WN所得到的供热量QH来衡量，称为制热系数，即可逆热泵（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，与工质性质无关。可以导出制热系数与制冷系数的关系式，即 例题6-11 某冷暖空调器热泵功率为1kW，环境温度为0，要求供热的温度为30，制热系数是逆卡诺循环的80%。求此空调的供热量，以及热泵从环境吸收的热量。解：,从环境吸收热为 可见，消耗1kW的功，可以产生8.084kW的热，且7.084kW热量是由低温热源获得的。注：T的单位，K,作业,二（1）三（1，9）,
