第七章压缩、膨涨、动力循环与制冷循环

1、第七章第七章 压缩、膨涨、压缩、膨涨、动力循环与制冷循环动力循环与制冷循环引引 言言循环循环:系统从初态开始，经历一系系统从初态开始，经历一系列的中间状态后，又重新回到初态，列的中间状态后，又重新回到初态，此封闭的热力过程称为循环。此封闭的热力过程称为循环。循环本质循环本质:功与热之间的相互转化。功与热之间的相互转化。能量的转化：借助工质在循环过程能量的转化：借助工质在循环过程中连续不断、周而复始的发生中连续不断、周而复始的发生p-T-V变化，状态变化过程中将热转化变化，状态变化过程中将热转化为功。为功。动力循环动力循环正向循环正向循环 制冷循环制冷循环逆向循环逆向循环 工质的膨胀和压缩构成了

2、这两类循工质的膨胀和压缩构成了这两类循环的基本元素。环的基本元素。图7-1水吸收热变为水蒸气，其能量可以顶开壶盖。空气压缩机7.1 气体的压缩气体的压缩 7.1.1 活塞式压气机活塞式压气机 的压气过程的压气过程 7.1.2 压缩过程的压缩过程的 热力学分析热力学分析图7-2 活塞式压气机的理想过程图7-3 压缩过程的p -V 图图7-4 压缩过程的T -S 图 等温压缩过程等温压缩过程，等温线12T 绝热压缩过程绝热压缩过程，绝热线12S 多变压缩过程，多变压缩过程，实际的压缩过程是多变压缩过程，多变压缩过程，多变线12m 等温过程方程式等温过程方程式 绝热过程方程式绝热过程方程式 实际（多

3、变）过程方程实际（多变）过程方程 1 122pVp VpV1mk,S RS RS RWWW绝热多变 等温2,2,2,VVV绝热多变 等温2,2,2,TTT绝热多变 等温1 122kkkpVp VpVk为绝热指数 1122mmmp Vp VpVm 为多变过程指数 若为可逆过程，按照“得功为正（或耗功为得功为正（或耗功为正）正）”的规定，其轴功可按式(7-1)计算 理想气体等温、多变及绝热压缩过程的方程式代入式(7-1)积分得理论功耗的计算式。 22111,ddJ spps RtppWV pn V p (7-1) 1211121,lnlnppVpppRTwRs 等等温温(7-2a)12,1111k

4、ks RpkwRTkp绝热（7-3a） 12,1111mms RpmwRTmp多变（7-4a） 121,lnppZRTwRs 等等温温(7-2b)12,11Z11kks RpkwRTkp绝热(7-3b)12,11Z11mms RpmwRTmp多变(7-4b) 压缩真实气体，其耗功的计算公式 又将如何？【例例7-1】某厂每天至少需要1.0 MPa的压缩空气100 m3，用于生产。因此，要将室温（取20）的空气从常压的0.1MPa压缩至1.0MPa，要求技术人员通过计算，选择、确定所需要的空气压缩机的技术参数，以便购买时参考。如果技术人员是你，如何处理？假定进出口平均压缩因子为1.05。提示：提示

5、：如果耗功较少、压缩空气的温度升高不大，一般比较有利。可分别计算可逆等温压缩、可逆绝热压缩及可逆多变压缩过程的耗功量及最终温度等技术参数，以便采购时参考。求三种压缩过程的功耗和终温。解解（1）可逆等温压缩过程，由式(7-2b)，得2,11ln1.01.05 8.314 293.15ln0.1s RpwZRTp等温-1=5893J mol过程等温12,293.15 KTT等温622,-121 101000.475.s8.314 293.1524 3600tp VnmolRT1,2799s Rs RWn wJ s等温等温（2）可逆绝热压缩过程，由式（7-3b）得 12,111.4 11.4111.

6、41.01.05 8.314 293.1511.4 10.1kks RpkwZRTkp绝热-1 8336 J mol1,3960s Rs RWn wJ s绝热绝热由理想气体的绝热过程方程式得 111122kkkkpTpT，因此绝热压缩的终温为 11 1.41.422,111.293.15565.98 K0.1kkSpTTp0（3）取空气的多变指数m=1.2 ，可逆多变压缩过程功耗由式（7-4b）计算12,1111mms RpmwZRTmp多变1.2 1.05 8.314 293.1511.2 10.1-17182 J mol1,3411s Rs RWn wJ s多变多变由多

7、变过程的方程式 111122mmmmpTpT11 1.21.2212,11.0293.15430.3 K0.1mmpTTp多变 讨论：讨论：从计算可知，把一定量的气体从相同的初态压缩到相同的终压时，绝热压缩消耗的功为3960Js-1，为最大值；等温压缩2799Js-1，为最小值；多变压缩3411Js-1，介于两者之间。实际生产过程中，消耗的功越多，表明生产成本消耗的功越多，表明生产成本越高、利润越少。越高、利润越少。 绝热压缩后被压缩气体的温度565.98K ，为最高；等温压缩后为293.15 K ，为最低；多变压缩后为430.3 K ，介于两者之间。实际上，温度过高将不利于保证压气机汽缸得到

8、温度过高将不利于保证压气机汽缸得到良好的润滑和机器的安全运行。良好的润滑和机器的安全运行。 因此，在出口压力达到1.0 MPa的条件下，选择多变压缩选择多变压缩指数指数 m 较小的空气压缩机为宜。较小的空气压缩机为宜。7.2 气体的膨胀气体的膨胀7.2.1 节流膨胀节流膨胀膨胀阀高压流体流经管道中的某一节流元件(如孔板、节流阀、毛细管等)，迅速膨胀到低压的过程称节流节流膨胀。膨胀。特点：过程等焓特点：过程等焓由热力学第一定律：H = 0 流体进行节流膨胀，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或节流效应或Joule-thomson效应效应。节流时微小压力的变化所引起的温度变化，称为微分节微分

9、节流效应流效应。数学式为：ppHJCVTVTpT(7-6) （1） 理想气体理想气体0HJpT理想气体在节流过程中温度不发生变化；理想气体在节流过程中温度不发生变化；不能用于制冷。不能用于制冷。是否可以制热？是否可以制热？（2）真实气体）真实气体J0 节流后温度降低，制冷。J = 0 节流后温度不变。J0 节流后温度升高，制热。转化点转化点 转化温度转化温度 转化曲线转化曲线 图7-7 节流效应的 T-P图图7-8 不同气体的转化曲线利用转化曲线可以确定节流膨胀后获得低温的操作条件。利用转化曲线可以确定节流膨胀后获得低温的操作条件。积分节流效应：积分节流效应： 实际节流时，压力变化为一有限值，

10、由此所引起的温度变化称为积分节流效应。积分节流效应。2121dpHJpTTTp（7-7） 图7-9 节流效应及等熵膨胀效应在T-s 图上的表示工程上，积分节流效应TH 可直接利用热力学图求得，极为简便，见图7-9。 7.2.2 绝热作外功膨胀绝热作外功膨胀气体从高压向低压作绝热膨胀时，若通过膨胀机来实现，则可对外作功，如果过程是可逆的，称为等等熵膨胀；熵膨胀；特点是膨胀前后熵值不变。膨胀前后熵值不变。透平膨胀机 等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的温度变化，称为微分等熵膨胀效应系数，以微分等熵膨胀效应系数，以 s 表示。表示。ppSSCTVTpT (7-8)气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气

11、体的气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体的温度总是下降温度总是下降,是吗？为什么？是吗？为什么？ 积分等熵膨胀效应积分等熵膨胀效应气体等熵膨胀时，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2121dpSSpTTTp (7-9) 由图由图7-9可以明显看出，可以明显看出，TsTH ，这是工业上将其用于大中型气体液化装置中，做大幅度降温用的原因。 由于两种膨胀各具有优、缺点，工程上常将两种膨胀结合并用。由于两种膨胀各具有优、缺点，工程上常将两种膨胀结合并用。膨胀类型节流膨胀绝热做外功膨胀特 点H=0S=0T 与制冷量TH 小/制冷量小Ts 大/制冷量大预 冷个别气体需预冷，方能使

12、温度下降不需预冷，任何气体温度均下降作功 WsWs=0 Ws 0设备、操作、投资节流阀/结构简单/操作方便/投资小膨胀机/结构复杂/操作较复杂/投资大流体相态汽液两相区、液相区不适于出现液滴的场合应 用普冷、小型深冷大、中型的气体液化表7-1 节流膨胀与绝热作外功膨胀优缺点比较【例例7-2】某工厂某一压缩机出口的空气状态为P1=9.12MPa(90 atm)，T1=300K, K，现需膨胀到P2=0.203MPa (2 atm)。作为工程技术人员，如果有下列两种膨胀供你选择，选择那一种？为什么？取环境温度为25。节流膨胀；做外功的绝热膨胀，已知膨胀机的实际输出的功等于可逆绝热膨胀时轴功的80%

13、（即等熵效率为80%）。提示：提示：只有求出两种膨胀发生后气体的温度、膨胀机的作功量（有效功）及膨胀过程的损失功；然后，确定较经济、节能的一种作为选项。例7-2图1 空气的TS示意图解解：取1 mol作为计算基准。 对于节流膨胀过程，根据式（6-24）计算损失功。先计算环境的熵变S sur。根据节流膨胀的特点 Q0 ，H 0，于是有 Q sur0 。则 sursursur00298.15QST计算系统的熵变Ssys。查附录13空气的T-s图得：P19.12 MPa、T1300 K时：1113012molJh11103.87KmolJs由H1的等焓线12与P2的等压线交点2，得KT2802(节流

14、膨胀后温度) 11241.118KmolJssys21sss节流膨胀所做功节流膨胀所做功0SW节流节流膨胀过程的损失功节流膨胀过程的损失功 00LWTSTSStsyssur（）10 .93560)03.8741.118()2515.273(molJ做外功的绝热膨胀，过程绝热，若同时是可逆的，则为等熵过程。从压缩机出口状态1作等熵线12，与P20.203 MPa等压线的交点2。查附录13得KT982（可逆绝热膨胀后温度） 1288.7614molJH112,12.53971301288.7614molJHHHWRS由式（由式（6-46-4）得）得可逆轴功可逆轴功过程的等熵效率为0.8，此过程实际

15、是不可逆的绝热膨胀，故8 . 012.53971301222121,HHHHHWWRSSS123 .8694molJH由H2与P2，在附录13空气的T-s图上查得T2133K(作外功绝热膨胀后温度)。膨胀机实际所作功膨胀机实际所作功17 .4317)12.5397(8 . 0molJWWRSS7.3 蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力装置主要由四种设备组成：(1)称为锅炉的蒸汽发生器；(2)蒸汽轮机；(3)冷凝器；(4)水泵。工质工质周而复始地流过上述四种设备，构成了（绝热）压缩、（等温）膨胀、等温压缩、绝热膨胀四个步骤的热力热力循环，使吸自高温热源的热能的一部分转变成有用功输出，实现热向功的转

16、换。由式（由式（6-236-23）得作外功绝热膨胀的损失功）得作外功绝热膨胀的损失功1,42.107912.53977 .4317molJWWWRSSL例7-2 表1 节流膨胀与作外功绝热膨胀比较过 程T2 /KT T /KWsJmol-1WLJmol-1节 流 膨 胀280-2009356.0作外功绝热膨胀133-167-4317.71079.42 从计算结果，作外功绝热膨胀的损失功小，降温幅度大，还对外做功，比较经济。因此因此选择作外功的绝热膨胀。中国中国60年代，年代，15001800度度电电/吨吨NH3。中国中国70年代，仅年代，仅1030度电度电/吨吨NH3。这是由于透平机直接带动压

17、缩机的缘故。这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。蒸汽动力循环的作用：蒸汽动力循环的作用：如何将如何将1atm 300atm?需要压缩机，消耗动力。需要压缩机，消耗动力。电电高温热源高温热源 废热锅炉，产生废热锅炉，产生高压蒸汽高压蒸汽压缩机压缩机透平机透平机33004002223NHHNatmC ，合成氨 高温热源高温热源可以是温度较高的工业废热、地热、太阳的辐射热等，也可以是矿物燃料燃烧产生的高温烟气的热能或核燃料通过核裂变转变而来的热能。 7.3.1 卡诺（卡诺（Carnot）蒸汽循环）蒸汽循环工作于高温和低温两个热源之间的Carnot热机，又称Carnot循环循环。它由两个两个等温等温可

18、逆过程和两个可逆过程和两个绝热绝热可逆过可逆过程构成。程构成。如果以水蒸气为工质，则可以实现等温吸热和等温放热过程。 图7-10 Carnot循环的p-V图图7-11 Carnot循环的TS图 Carnot循环是由可逆过程构成的、效率最高的热力循环。它可以最大限度地将高温热源输入的热量转变为功。 ,1LS CHLHHTWQQQT(7-10a)Carnot循环效率 ,1S CLCHHWTQT(7-10b) Carnot循环对外作(最大最大)功Ws,cCarnot循环虽然是效率最高的循环，但它却不能用于生产不能用于生产。7.3.2 Rankine循环及其热效率循环及其热效率理想理想R

19、ankine循环循环 第一个具有实践意义的蒸汽动力循环是Rankine循环。它也由四个步骤组成。该装置的示意图及TS图、HS图分别见图7-12图7-14。图7-12 Rankine循环图7-13 Rankine循环的TS 图图7-14 Rankine循环的HS 图理想理想Rankine循环循环是指：Rankine循环中各个过程是完全可逆的，忽略工质的流动阻力与温差传热，该循环对应于图7-13图7-14上的12341。应用式（6-1），忽略膨胀前后流体的位差与速度，Z0,u2/2 0；则对于单位质量单位质量的流体，式(6-3)写为 Swqh (6-3)1) 41过程：过程：锅炉中的高压水恒压升温

20、和恒压汽化高压水恒压升温和恒压汽化，不作功Ws=0，过程有相变有相变，根据式（6-3），每kg工质在锅炉中的吸热量410hhhq-1kJ kg工质）（ (7-11) 2) 12过程：过程：汽轮机中工质作等熵（可逆绝热）膨胀等熵（可逆绝热）膨胀，Q=0 ，此过程降压降温降压降温，根据式（6-13），单位工质对外作功量12hhhwS-1kJ kg工质）（(7-12) 3) 23过程：过程：低压湿蒸汽在冷凝器中作等压等温等压等温冷凝，不作功不作功Ws=0，此过程有相变有相变，依式（6-13），单位工质冷凝的放热量232hhhq-1kJ kg工质）（(7-13) 4) 34过程：过程：饱和水在水泵中作

21、等熵（可逆绝热）等熵（可逆绝热）压缩，Q=0，此过程升压升温无相变升压升温无相变，根据式（6-13），水泵压缩单位工质消耗的压缩功34hhhwp-1kJ kg工质）（ (7-14) 由于水的不可压缩性，压缩过程中水的容积变化很小，过程可逆，消耗的压缩功亦可按式(7-1)计算，即)(34ppvwp水(7-15) 5) 热效率热效率是锅炉所供给的热量中转化为净功的分率，用符号表示 41432100)()()()(hhhhhhqwwQWWPSPS(7-16)蒸汽动力循环中，水泵的耗功远小于汽轮机的做功量(WpWs)，水泵的耗功Wp0,常忽略不计，则412100hhhhqwQWSS(7-17) 6)

22、汽耗率汽耗率是蒸汽动力装置中，输出1kWh的净功所消耗的蒸气量蒸气量。用SSC(Specific steam consumption)表示SWSSC3600kg/ kW h (7-18)由公式，热效率越高，汽耗率越低，表明循环越完善。热效率越高，汽耗率越低，表明循环越完善。 用上述公式进行计算时，所需各状态点的焓值可查阅附录5或附录12焓熵图。具体见书 上相关内容。实际实际Rankine循环循环 工质流动中，实际存在摩擦、涡流、散热等因素，汽轮机及水泵不可能作等熵膨胀及等熵压缩，且对汽轮机需考虑膨胀过程的不可逆性不可逆性。因此，蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀不是等熵的，由图7-13看出

23、，出口蒸汽不再是2而是2。实际Rankine循环如图7-13、图7-14中的12 341所示。实际作出的功应该为 WS(不可逆)=H1 H2，显然它小于等熵膨胀的功 WSR=H1 H2 。两者之比称为等熵效率S。工程上，通常用S来表示不可逆性不可逆性。 1) 等熵效率等熵效率S：膨胀作功过程，膨胀作功过程，不可逆绝热过程不可逆绝热过程的做功量与的做功量与可逆绝热过程可逆绝热过程的做的做功量之功量之比比。21212121RS,)(;hhhhHHHHWWSS不可逆 (7-19) 2) 实际实际Rankine循环的热效率：循环的热效率：4121414321)()(hhhhHHHHHH(7-20) 【

24、例例7-3】某核潜艇以蒸汽动力循环提供动力的循环如例7-3图1。锅炉从温度为400的核反应堆吸入热量Q产生压力为7MPa、温度为360的过热蒸汽(点1)，过热蒸汽经汽轮机膨胀做功后于0.008MPa压力下排出(点2)，乏气在冷凝器中向环境温度 t220下进行定压放热变为饱和水(点3)，然后经泵返回锅炉(点4)完成循环，已知汽轮机的额定功率为15104kW，汽轮机作不可逆的绝热膨胀，其等熵效率为0.75，而水泵可认为作可逆绝热压缩，试求：(1)此动力循环中蒸汽的质量流量；(2)汽轮机出口乏气的湿度；(3)循环的热效率。解：解： 作出此动力循环的Ts图，见例7-3 图2。 根据给定的条件，查附录5

25、确定1、2状态点的参数。1点（过热水蒸气）p17MPa t1360时，查附录5-3内插得导弹核潜艇例7-3 图2 动力循环的TS 图例7-3 图1 动力循环示意图 确定膨胀后的状态点，并计算轴功和汽轮机出口乏气的湿度。 在Ts图中，12过程表示汽轮机作等熵膨胀（即可逆绝热膨胀），膨胀后乏气的干度为X2,而1过程表示汽轮机的实际膨胀过程（即不可逆绝热膨胀）。在此首先计算汽轮机出口乏气的湿度，假定汽轮机作等熵膨胀，则115 .30458 .3019)8 .30191 .3071(21kgkJh1112801. 6KkgkJs2点(湿蒸汽) P10.008 MPa时，查得附录5-2得：1288.17

26、3kgkJhsl120 .2577kgkJhsv1122287. 8KkgkJssv1125926KkgkJssl11122801. 6KkgkJss状态点2的熵由式（3-79）计算：22222(1)8.2287(1)0.5926svslss xxsxx膨胀后乏气的干度为 7448. 02x等熵膨胀等熵膨胀过程终点的焓值为 222(1)2577.00.7488(10.7488) 173.88svslhh xx h等熵膨胀所作的理论功为根据等熵效率的定义RS,RS,WwwWSSS实际膨胀过程（12）所做的功为于是实际膨胀实际膨胀过程终点的焓值为汽轮机出口乏气的湿度为123 .1973kgkJh1

27、12,2 .10725 .30453 .1973kgkJhhwRS1S,12.80475. 02 .1072wkgkJwRSS11238.22415 .304512.804kgkJhwhS设汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2，则88.173)1 (0 .257738.2241 2 2xx8603. 0 2x1397. 08603. 011 2 x出口乏气的熵值由式（3-79）计算为 计算水泵所消耗的功和循环蒸汽的质量流量。 水泵所消耗的功（过程34）为水泵压缩视为绝热过程，由式（6-3）知， pwhhh341122222162. 75926. 0)8603. 01 (8603. 02287.

28、8)1 (KkgkJsxxssslsv1388.173kgkJh11335926. 0KkgkJss1333100084. 1kgmv4点(未饱和水)： MPap741145926. 0KkgkJs假设水泵作可逆绝热压缩11345926. 0KkgkJss1136334051. 710051. 710)008. 07(100084. 1)(kgkJkgNmppvwp13400.181051. 788.173kgkJhwhp3点(饱和液体)：取p 为0.008MPa时的饱和水，由附录5-2内插得到循环中蒸汽的质量流量为 循环的（实际）热效率:由式(7-17)可得如果汽轮机作等熵膨胀，则循环的理论

29、热效率7.3.3蒸汽参数对蒸汽参数对Rankine循环热效率的影响循环热效率的影响在理想的Rankine循环中，吸热过程和放热过程的温度和压力温度和压力决定了循环的热效率。(1)吸热温度吸热温度都比高温燃气的温度低得多，致使热效率低下，传热不可逆损失极大。(2)放热过程放热过程，若降低冷凝温度也能提高Rankine循环的热效率，但这受到冷却介质温度和冷凝器尺寸的限制。 1477.18418.8111015skgwNmST283. 000.1815 .304518.81141,hhwqwnetSnetS实际374. 000.1815 .30452 .1072R,Sqw理论 瞧：从头至尾都是热力学

30、第一定律与热力学第二定律。瞧：从头至尾都是热力学第一定律与热力学第二定律。实际实际理论理论，看来看来Rankine循环仍有潜力可挖。循环仍有潜力可挖。水蒸汽所作的净功为1,18.811051. 712.804kgkJwwwPSnetS如何提高郎肯循环的热效率？如何提高郎肯循环的热效率？卡诺循环：卡诺循环：HLscTTqw10Rankine循环：循环：312141210hhhhhhhhqws要使要使：(1) h2，降低压力，降低压力P2（汽轮机出口蒸汽压力）（汽轮机出口蒸汽压力）(2) h1，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热

31、效率使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率7.3.4 Rankine循环的改进循环的改进 回热循环回热循环单位质量工质抽出部分蒸汽单位质量工质抽出部分蒸汽Kg到回热加热器到回热加热器回热循环的计算回热循环的计算计算方法：利用物料平衡和能量平衡计算抽气量计算方法：利用物料平衡和能量平衡计算抽气量依据热力学第一定律可得 )(1 ()(4552hhhh4245hhhh(7-21) 回热循环的热效率6132121)(1 (1hhhhQQQ回（7-22） 见例题【例例7-4】 回热循环与回热循环与Rankine循环比较循环比较优点优点： (1)提高了水在锅炉中吸热提高了水在锅炉中吸热的温位

32、，从而增加了蒸汽有的温位，从而增加了蒸汽有效能量，做功本领变大。效能量，做功本领变大。(2)整个循环的工质只有一整个循环的工质只有一部分通过冷凝器部分通过冷凝器排往自然排往自然环境的有效能减少环境的有效能减少。(3)减少减少锅炉热负荷和冷凝锅炉热负荷和冷凝器换热面积，节省金属材料。器换热面积，节省金属材料。缺点：缺点：(1)中压蒸气和水在水中压蒸气和水在水加热器中不可逆加热器中不可逆混混合，合，损失了部分有效能损失了部分有效能。(2)设备增加。设备增加。利大于弊！利大于弊！ ！现代蒸汽动力循环普遍现代蒸汽动力循环普遍采用这种方式。根据需采用这种方式。根据需要，可分为要，可分为多次多次。7.3.

33、4.2 再热循环再热循环再热循环的热效率热效率 PHPLP1RHW(WWW)QQQ再热（7-23） 特点：特点：（2）（3）乏汽湿含量减少，干度增加。）乏汽湿含量减少，干度增加。（1）两级透平机）两级透平机7.4 制冷循环制冷循环普冷：普冷：当冷冻温度大于当冷冻温度大于100K，称普冷。，称普冷。深冷：深冷：小于小于100K称深冷。称深冷。制冷循环：制冷循环：利用机械功使利用机械功使热量热量从从低温低温高温高温的过程。的过程。利用制冷循环达到两种目的：利用制冷循环达到两种目的：1）制冷）制冷使指定的空间保持使指定的空间保持低于环境低于环境的温度，热量从低温空的温度，热量从低温空间转移到高温环境

34、。夏天的房间、冰箱。间转移到高温环境。夏天的房间、冰箱。制冷机制冷机2）加热）加热使指定的空间保持使指定的空间保持高于环境高于环境的温度，热量从低温环的温度，热量从低温环境转移到高温空间。冬天的房间。境转移到高温空间。冬天的房间。热泵热泵3）制冷深度制冷深度高温环境高温环境热量热量制冷机制冷机夏天夏天低温房间低温房间冰柜冰柜高温空间高温空间冬天冬天热泵热泵热量热量高温房间高温房间7.4.1 Carnot制冷循环制冷循环 逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度；此即逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度；此即 Carnot 制冷循环。制冷循环。由两个等温过程与两个等熵过程组成。由两个等温

35、过程与两个等熵过程组成。 1）12过程：过程：制冷剂的等熵等熵 (可逆绝热可逆绝热)压缩。S1=S2，消耗外功Ws，制冷剂的温度由T1升至T2，压力由P1升至P2。 3）34过程：过程：制冷剂的等熵等熵 (可逆绝热可逆绝热)膨胀，S3=S4,对外作功，制冷剂的温度由T2降至T1 , 压力由P2降至P1。2）23过程：过程：制冷剂在温度T2下可逆等温等压可逆等温等压放热(由饱和的高压蒸汽冷凝为饱和的高压液体)，相变，放出冷凝热QH。4）41过程：过程：制冷剂在温度T1下可逆等温等压可逆等温等压吸热(低压湿蒸汽中部分液体在定温定压下蒸发吸热QL)。最后回复到初始状态l。循环的放热量 )(412ss

36、mTQH(7-24) 循环的吸热量 )(411ssmTQL(7-25) 12LHTTQQ制冷剂向高温物体放出的热量大于从低温物体所吸收的热量制冷剂向高温物体放出的热量大于从低温物体所吸收的热量。 )(4112ssTTmQQQWLHS5) 制冷效能系数制冷效能系数 SSQwqWLL净功低温下吸收的热(7-27)逆向逆向Carnot循环的制冷效能系数循环的制冷效能系数C121SCTTTWQL(7-28)总结：总结：高温物体从制冷剂获得的热量总是大于获得的热量总是大于制冷剂从低温物体所取出的热量取出的热量，两者之差等于消耗能量（作压缩功Ws）所转化的热量。逆向Carnot循环的制冷效能系数仅取决于高

37、温物体与低温物体的温度制冷效能系数仅取决于高温物体与低温物体的温度 T2和和T1，与制冷剂的性质无关。与制冷剂的性质无关。 7.4.2 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环 Carnot制冷循环在实际应用中是有困难的，因为在湿蒸汽区域压缩和膨胀会在压缩机和膨胀机汽缸中形成液滴，造成“汽蚀”现象，容易损坏机器；同时压缩机汽缸里液滴的迅速蒸发会使压缩机的容积效率降低。单级蒸汽压缩制冷循环单级蒸汽压缩制冷循环12过程过程表示等熵压缩过程234过程过程为发生相变发生相变的等压冷却、冷凝过程。 45过程过程为节流膨胀过程（即等焓过程）。 51过程过程为蒸发过程（其特点为等压等温相变过程）。 蒸

38、汽压缩制冷循环的基本计算蒸汽压缩制冷循环的基本计算1）单位制冷量）单位制冷量 Lq单位质量单位质量的制冷剂在一次循环中所获得的冷量（即在低温环境吸收的热量）冷量（即在低温环境吸收的热量）。 41hhqL-1kJ kg (7-29 )制冷装置的制冷能力 ，制冷剂在给定的操作条件下，每小时每小时从低温空间吸取的热量，其单位为kJh-1LQ 2) 制冷剂每小时的循环量制冷剂每小时的循环量m LLqQm-1kg h（7-30） 3) 冷凝器的放热量冷凝器的放热量 HQ冷凝器的放热量包括显热和潜热量部分，由式(6-5) 24HQH 3243HHHH)(2424hhmHH（7-31） 4) 压缩机消耗的功

39、压缩机消耗的功 SW)(1221hhmmwHWSS（7-32） 压缩机消耗的功率压缩机消耗的功率STmwP -1kJ h3600SWkW （7-33）5) 制冷效能系数制冷效能系数 制冷装置提供的单位制冷量与压缩单位质量制冷剂所消耗的功量之比。制冷装置提供的单位制冷量与压缩单位质量制冷剂所消耗的功量之比。 12411241hhhhHHHHWQSL（7-34） 为了提高制冷效能系数，工程上常采用过冷。提高制冷效能系数，工程上常采用过冷。 【例例7-5】某公司有一蒸汽压缩制冷装置，采用氨作制冷剂，制冷能力为105kJh，蒸发温度为-15，冷凝温度为30，设压缩机作可逆绝热压缩，试求：制冷剂每小时的

40、循环量；压缩机消耗的功率及处理的蒸汽量；冷凝器的放热量；节流后制冷剂中蒸汽的含量；循环的制冷效能系数；相同温度区间内，逆向Carnot循环的制冷系数。例7-5图1 例7-5图2 Hp lnsT 解解：(1) 此循环的 图、 图见例7-5图1 和例7-5图2 ，由附录79查出各状态点的焓值。状态点状态点1 1：由附录7查得蒸发温度为-15时，制冷剂为饱和蒸汽的焓值、熵值及比容。Hp ln状态点状态点2：由冷凝温度30时相应的冷凝压力为1.17MPa，在附录9氨的2p图上，找出1点位置，沿等熵线与1.17MPa的等压线的交点3，图上直接查得kgkJh/18802状态点状态点4 4：从附录7氨的饱和

41、蒸汽压表查得30时饱和液体的焓值kgkJh/53.5604状态点状态点5 5：45过程是等焓的节流膨胀过程，故kgkJhh/53.56045(2) (2) 计算：计算： 制冷剂的循环量制冷剂的循环量hkghhQqQmLLL/62.9053.560166410541压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量04.46508. 062.901 mvVt3-1mh3-1m kg508. 01v-1kJ kg16641h-1-1kJ kg K021. 91s压缩机消耗的功率kWhhmmwPST44. 53600)16641880(62.903600)(12 冷凝器的放热量冷凝器的放热

42、量kgkJhhmHQH/1096.11)53.5601880(62.90)(442x 设节流后（状态点设节流后（状态点5）制冷剂中气相含量为）制冷剂中气相含量为，由式（3-78）有sVsLxhxhhh555)1 (由附录7查得-15时 16645svh-1kJ kg89.3495slh53.56045 hh-1kJ kg-1kJ kg代入得 16. 0 x 循环的制冷效能系数循环的制冷效能系数10. 51664188053.56016641251hhhh70. 5)15(3015273LHLCTTT相同温度区间内，逆向相同温度区间内，逆向Carnot循环的制冷效能系数循环的制冷效能系数循环的制

43、冷效能系数低于逆向Carnot循环的制冷效能系数。即Carnot制冷循环的制冷效率最大。【例例7-6】以R22为制冷剂的制冷装置，循环的工作条件如下：冷凝温度为20，过冷度t5，蒸发温度为-20，进入压缩机是干饱和蒸汽。试求此循环的单位制冷量、每kg制冷剂的耗功量以及制冷效能系数，并与无过冷(其他工作条件相同)进行比较。例7-6图1 解：解：此制冷循环在制冷剂的热力学图上表示如例7-6图1所示。由附录11 R22的lnp-H图查得： 7 .6211h-1kJ kg1 .6532h-1kJ kg8 .4434h-1kJ kg7 .4384h-1kJ kg（为计算方便， 4未饱和液体的性质用4点温

44、度对应的饱和液体代替。）制冷循环中无过冷的单位制冷量：制冷循环中无过冷的单位制冷量：9 .1778 .4437 .62141hhqL-1kJ kg每每kgkg制冷剂所消耗的功：制冷剂所消耗的功：4 .317 .6211 .65312hhwS-1kJ kg联想：联想：逆向逆向Carnot循环是不能实现，可它给我们的节能工作指明了方向循环是不能实现，可它给我们的节能工作指明了方向和最终目标值。和最终目标值。制冷系数：制冷系数： 67. 54 .319 .177SLwq制冷循环中冷凝液过冷制冷循环中冷凝液过冷55，单位制冷量：，单位制冷量：1837 .4387 .62141hhqL-1kJ kg每每

45、kgkg制冷剂消耗的功量与无过冷时相同，即：制冷剂消耗的功量与无过冷时相同，即：4 .3112hhwwSS-1kJ kg制冷效能系数制冷效能系数 83. 54 .31183SLwq小故事：小故事：西部某冷冻机厂的技术人员在总工程师的带领下，进行技术改造；用与本题完全相同的方法改进了他们所生产的冰箱和冷柜的制冷系统，实现了单位耗电量比其它厂家低3.9的目标。由于提高了产品的科技含量和产品竞争力，产品年销售额增加15.7。而中部某厂因没有及时采取相应措施，产品竞争力差，没过几年就被淘汰了。*多级压缩制冷多级压缩制冷 为了实现在获得较低的制冷温度 ，同时能耗不增加，开发了多级压缩制冷循

46、环。 1.两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环 (1) 工作原理及工作原理及T-S图图(2)两级压缩两级蒸发的好处两级压缩两级蒸发的好处 耗功小，节能耗功小，节能 制冷率大制冷率大 可同时得到不同温度的低温可同时得到不同温度的低温多级压缩制冷可提供多种不同温度下的制冷量，正适合化工生产中需要各种温度下的冷量。 7.4.3 制冷工质的选择制冷工质的选择（1）大气压力下沸点低；（2）常温下的冷凝压力应尽可能的低，以降低对冷凝器的耐压与密封的要求；（3）汽化潜热大，减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的尺寸；（4）具有较高的临界温度与较低的凝固温度，使大部分的放热过程在两相 区内进行；具有化学稳定性、不易燃、

47、不分解、无腐蚀性。选择原则选择原则（1）按照按照“蒸发温度蒸发温度 热环境温度热环境温度”的原则；确的原则；确定制冷剂工作的蒸发温度和冷凝温度。定制冷剂工作的蒸发温度和冷凝温度。（2）依据蒸发温度，冷凝温度，制冷剂的热力学要求，环保要求，安全操依据蒸发温度，冷凝温度，制冷剂的热力学要求，环保要求，安全操作要求，初步选出几种候选制冷剂。根据各侯选制冷剂的作要求，初步选出几种候选制冷剂。根据各侯选制冷剂的 T-P 关系，确定关系，确定操作时蒸发器的汽化压力和冷凝器的液化压力。操作时蒸发器的汽化压力和冷凝器的液化压力。（3）对选出的各侯选制冷剂，用所确定的对选出的各侯选制冷剂，用所确定的T、P值，查

48、值，查lnP-H图计算制冷系数图计算制冷系数和运行成本；在比较的基础上选定制冷剂。和运行成本；在比较的基础上选定制冷剂。小结小结环境温度限制环境温度限制 热力学要求热力学要求环保要求环保要求安全操作要求安全操作要求【例例7-7】一蒸汽压缩制冷循环如例7-7图 1所示。其蒸发温度为-20，冷凝温度为20，原先工质是Rl2，现为保护臭氧层，改用替代物Rl34a为工质。试计算两种工质相应的制冷效能系数。解解：计算Rl2为工质时的制冷效能系数。从附录10查得：1175.134kgkcalh123 .140kgkcalh1456 .104kgkcalhh43. 575.1343 .1406 .10475

49、hhhhhhhwqSL故有：例7-7图 1 计算Rl34a为工质时的制冷效能系数。从附录6查得：11387kgkJh12417kgkJh145230kgkJhh 制冷效能系数为23. 538741723038712410hhhhwqS这两种工质的制冷效能系数相当接近，可以替代。【例例7-8】某空间站在离地球67km处运行，此位置环境的平均气温为-40，空间站上有一装置需维持-80的低温，问应选择那种制冷剂？有人认为可以选择氨，你以为如何？不计算制冷效能系数，请你粗选一种可能的制冷剂。解解：根据制冷原理，需要制冷剂在低压时蒸发的沸腾温度低于低温的环境温度T1 -80，且

50、此温度下不凝固；在高压时冷凝的液化温度高于高温环境温度T2-40。因此应选择低压(如0.1MPa)下沸点低于-80（如-86），高压下沸点高于-40（如-36）的制冷剂作为工质。0.1MPa下氨的沸点为下氨的沸点为-33.4，不符合，故不能选，不符合，故不能选氨作为制冷剂。氨作为制冷剂。国际空间站 查表7-2知，在0.1MPa低压下沸点低于-80的制冷剂由低到高的次序是b, 50b, 1150b, 170b, 13RRRRTTTT要求有较低的凝固温度，比较上述几种制冷剂，知凝固温度从低到高的次序是b, 170b, 50b, 13b, 1150RRRRTTTT要求有较高的临界温度，比较上述几种制

51、冷剂，知临界温度由高到低的次序是 要求制冷剂在冷凝温度下的饱和压力应尽量低，以降低对设备耐压与密封的要求。这几种制冷剂的临界压力相差不大，可任意选择。50,1150,13,170,RbRbRbRbTTTT下一步需查相应的lnP-H图，计算制冷效能系数，依据其经济性能，选定制冷剂。根据以上讨论，如不考虑成本，选择如不考虑成本，选择R170R170较理想。较理想。7.4.4 吸收式制冷吸收式制冷虚线左边部分是由吸收器、吸收器、再生器、溶液再生器、溶液泵、换热器及泵、换热器及节流阀节流阀所组成，它替代了替代了蒸汽压缩制冷装置中的压缩机压缩机。除此之外，其他的组成部分与蒸汽压缩制冷相同。1.工作原理工

52、作原理2.将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相比较，其将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相比较，其不同不同点点仅在于：仅在于：蒸汽压缩制冷循环：蒸汽压缩制冷循环：压缩机（消耗机械功）压缩机（消耗机械功）吸收式制冷循环：吸收式制冷循环：吸收器，解吸器吸收器，解吸器(再生器再生器)，换热器，泵（消耗低品位热量），换热器，泵（消耗低品位热量） 3.评价评价吸收式制冷循环循环的技术经济指标-热能利用系数热能利用系数（7-35） 从热源吸收的热量制冷量QQ04.吸收式制冷的优点有：利用低品位的热能以及工业生产中的余热或废热；利用低品位的热能以及工业生产中的余热或废热；装置中无昂贵的压缩机，设备成本低廉。

53、其缺点是热能利用系数低，装置体装置中无昂贵的压缩机，设备成本低廉。其缺点是热能利用系数低，装置体积较庞大。积较庞大。7.4.5 热泵热泵图7-29 热泵工作原理图 热泵热泵是住房和工业建筑物在冬季用来取暖，夏季用来降温的一种设备，是反向的热机反向的热机。 热泵工作原理热泵工作原理热泵实质上是一种能源采掘机。热泵实质上是一种能源采掘机。 图7-30 热泵T-S 图 热泵循环的经济性以消耗单位功量所得到的供消耗单位功量所得到的供热量热量来衡量，称为供热系数供热系数HPHP，即SSHPwqWQ22（7-36） 评价热泵的技术经济指标评价热泵的技术经济指标热泵循环向供暖房间(高温热源)供热量Q2为(见

54、图7-30) 2346824202面积HHWQQSSWQ 2恒成立1HP理想的制冷效能系数（逆Carnot循环）供热系数与制冷效能系数的关系供热系数与制冷效能系数的关系0121CSQTWTT理想的供热系数为202211SHPCSSQQWTWWTT （7-37） 实际的供热系数为 201SHPSSQQWWW（7-38） 即，循环制冷系数越高，供热系数也越高。即，循环制冷系数越高，供热系数也越高。 总结：总结：热泵以花费一部分高质能为代价热泵以花费一部分高质能为代价(作为一种补偿条件作为一种补偿条件)从自然环境中获从自然环境中获取能量，并连同所花费的高质能一起向用户供热，节约了高质能而有效地利取能

55、量，并连同所花费的高质能一起向用户供热，节约了高质能而有效地利用了低水平的热能。用了低水平的热能。 【例例7-9】一热泵按逆卡诺循环工作的功率为l0 kW，环境温度为-13，用户要求供热温度为95。求供热量；如热泵实际制冷循环的供热系数是逆卡诺循环的0.65倍，热泵功率为多少才能保证供热量？同样的供热量，如直接使用电热器供热，所需消耗的功率？解：解：热泵按逆卡诺循环运行热泵按逆卡诺循环运行，见例7-9图1。根据题意t1-13，t295。于是由式（7-37），逆卡诺循环供热系数HPC为41. 3)1315.273()9515.273(9515.2731222TTTWQSHPC则供热量为15210

56、227. 136001041. 3hkJWQSHPC热泵从周围环境中取得的热量120867603600)101 .34(hkJWQQS供热量中有供热量中有34.170.7%70.7%是从环境中所提取，可见此供热方式经济。是从环境中所提取，可见此供热方式经济。为为HP实际循环的供热系数实际循环的供热系数2165. 241. 365. 065. 0HPCHP例7-9图1kWkWWS1038.152165. 21 .34即实际循环热泵的功率要达到15.38 kW才能满足供热要求。消耗的电功率比逆卡消耗的电功率比逆卡诺循环多了诺循环多了5.38 KW5.38 KW。直接使用电热

57、器供热，有直接使用电热器供热，有kWWS1 .34Q2,电热器供 热 方 式逆卡诺循环实际循环电热器耗电量/kW1015.3834.1功变热的效率3.41 2.21例7-9表1 三种供热方式的比较原来如此！现在终于明白原来如此！现在终于明白为什么说热泵是一种能源采掘机了。为什么说热泵是一种能源采掘机了。 2165. 21 .342SSHPWWQ【例例7-10】一住房冬季取暖需要能量30kJs-1，夏季冷却需要能量60 kJs-1。热泵装置能使住房冬季保持20，夏季保持25。要达到这样的要求，需要制冷剂通过室内换热蛇管循环，蛇管温度冬季30，夏季5。一地下蛇管冬季提供热源，夏季接纳热量。地下温度

58、全年维持在15，蛇管的传热特性要求制冷剂冬季为10，夏季为25。试问冬季加热和夏季冷却时所需要的最小功率各为多少？解：解：本题涉及的温度很多，在解题前需要分析一下题意。“地下温度全年维持在15”是指：“地下”分别是冬季热量和夏季冷量的来源；热泵装置能使住房冬季保持20是指：蛇管温度30液化放出热量，制冷剂冬季10蒸发吸收地下的热；热泵装置能使住房夏季保持25是指：室内蛇管温度5蒸发吸收室内的热，制冷剂夏季为25 液化放出热量，被地下吸收。（1）冬季加热时，热泵按逆Carnot循环运行所需的功率最小，见例7-11图1。室内蛇管处于较高的温度T2TH30，T1TL10，需要的热量Q230 kJs-

59、1。用式（7-42）得，供热系数 例7-11图1 冬季取暖循环1222TTTWQSHPC)15.27310()15.27330(15.2733030SW kWskJWS98. 198. 115.30320301因此冬季所需的功率为1.98 kW。（2）夏季冷却，见例7-11图2。Q0Q吸热60 kJs-1，室内蛇管处于较低的温度252HTT。由制冷系数计算式(7-32)，得51LTT01C21SQTWTT1011231. 415.273552560skJQTTTWS即所需功率为即所需功率为4.31 kW4.31 kW。例7-11图2 夏季制冷循环家用空调工作原理家用空调工作原理1夏天夏天冷凝器

60、（在室外）冷凝器（在室外）) (膨胀阀膨胀阀蒸发器（在室内）蒸发器（在室内）a）压缩机压缩机转转换换阀阀家用空调工作原理家用空调工作原理2冬天冬天蒸发器（在室外）蒸发器（在室外）) (膨胀阀膨胀阀冷凝器（在室内）冷凝器（在室内）压缩机压缩机转转换换阀阀b）7.4.6 热管热管1. 热管的工作原理热管的工作原理图7-31 热管的工作原理图1-热管壳；2-热管芯；3-蒸汽；4-液体当热源对热管的一端加热时，工作液受热沸腾而蒸发，蒸汽在压差的作用下高速地流向热管的另一端(冷端)，在冷端放出潜热而凝结。冷凝液在吸液芯毛细抽吸冷凝液在吸液芯毛细抽吸力的作用下从冷端返回热端。力的作用下从冷端返回热端。如此