界温度极低的气体,如H2和He,它们的最高转化温度很低,约为-80℃和-236℃,故在常 温下节流后的温度不但不降低,反而会升高,所以,欲使其节流后产生冷效应,必须在节流 前预冷到最高转化温度以下 生产中人们最关心的是流体经节流后能达到多低的温度,这一温度值一般由“积分节流 效应”的表达式计算,即 (7-19) 式中T1、P为节流膨胀前的温度和压力;T2、p2为节流膨胀后的温度和压力;△nT 为积分节流效应,表示压力降为一定值时所引起的温度变化。 020.0 图7-4氢的转化曲线 图7-5氮的转化曲线 求气体节流效应最简便的方法是利用温熵图,只要节流过程确定后,可从温熵图上直接 读出△nT的数值。如图7-6所示。气体从状态1(p,T1)膨胀到p2,在T-S图上就可以 用等焓线定出状态2,并从纵坐标上读出72-T=△T。若气体在节流前压力为p3,节流膨 胀到状态4,已位于汽、液两相区,从T-S图上不但可以读出7-73=△nT,而且可以计 算气体液化的数量 T 户 图7-6节流效应在T-S图上的表示
第 七 章 6 界温度极低的气体，如 H2 和 He，它们的最高转化温度很低，约为 −80℃和 −236℃，故在常 温下节流后的温度不但不降低，反而会升高，所以，欲使其节流后产生冷效应，必须在节流 前预冷到最高转化温度以下。 生产中人们最关心的是流体经节流后能达到多低的温度，这一温度值一般由“积分节流 效应”的表达式计算，即 T T T p p p H J d 2 1 2 1 ∫ ∆ = − = µ （7-19） 式中 T1、p1为节流膨胀前的温度和压力；T2 、p2为节流膨胀后的温度和压力；∆ H T 为积分节流效应，表示压力降为一定值时所引起的温度变化。 图 7-4 氢的转化曲线 图 7-5 氮的转化曲线 求气体节流效应最简便的方法是利用温熵图，只要节流过程确定后，可从温熵图上直接 读出 ∆ H T 的数值。如图 7-6 所示。气体从状态 1（ p1，T1）膨胀到 p2，在T − S 图上就可以 用等焓线定出状态 2，并从纵坐标上读出T2 −T1 = ∆ H T 。若气体在节流前压力为 p3 ，节流膨 胀到状态 4，已位于汽、液两相区，从T − S 图上不但可以读出T4 −T3 = ∆ H T ，而且可以计 算气体液化的数量。 图 7-6 节流效应在T − S 图上的表示
722绝热作功膨胀 气体的绝热膨胀是自发过程,因此,只要采用适当的装置,即可由此过程获得有用的功。 所需的设备为活塞式膨胀机或透平式膨胀机。绝热作功膨胀的理想情况和极限情况是绝热可 逆膨胀,亦即等熵膨胀 气体进行绝热可逆膨胀时温度的变化,称为“等熵膨胀效应”。等熵膨胀中温度随压力 的变化率称为“等熵膨胀系数”或“微分等熵膨胀效应”,用μs表示 利用热力学关系式 op a7=7 可得 S (7-21) 由上式可知,对任何气体,Cp>0,T>0,6/T)。>0,所以s永远为正值。这表 明:任何气体进行等熵膨胀时,气体的温度必定是降低的,总是产生冷效应。 气体等熵膨胀时,压力变化为一定值时,所引起的温度变化称积分等熵膨胀效应,用 △sT表示,即 △sT=71-72 式中T、P1为气体膨胀前的温度和压力;T2、P2为气体膨胀后的温度和压力。 若已知气体的状态方程,利用式(7-21)和式(722)可计算出ΔsT的值。如有温熵图, 就可以直接从图中得到△sT值,如图7-6所示,膨胀前的状态为1(T1、p1),由此点沿等 熵线与膨胀后的压力p2的等压线相交,即为膨胀后的状态点2′(T、P2),可直接读出积 分等熵膨胀效应ΔsT的值。 综上所述,节流膨胀和绝热作功膨胀各有优、缺点,主要表现为:在相同的条件下,绝 热作功膨胀比节流膨胀产生的温度降大,且制冷量也大;另外,绝热作功膨胀适用于任何气 体,而节流膨胀是有条件的,对少数临界温度极低的气体(如H2、He和CH4),必须预冷 到一定的低温进行节流,才能获得冷效应。但膨胀机设备投资大,运行中不能产生液体;而 节流膨胀所需的设备仅是一个节流阀,其结构简单,操作方便,可用于汽、液两相区的工作 甚至可直接用于液体的节流。因此绝热作功的膨胀主要用于大、中型设备,特别是用于深冷 循环中,此时能耗很大,用等熵膨胀节能效果突出。至于节流膨胀则在任何制冷循环中都要 使用,即使在采用了膨胀机的深冷循环中,由于膨胀机不适用于温度过低和有液体的场合
第 七 章 7 7.2.2 绝热作功膨胀 气体的绝热膨胀是自发过程，因此，只要采用适当的装置，即可由此过程获得有用的功。 所需的设备为活塞式膨胀机或透平式膨胀机。绝热作功膨胀的理想情况和极限情况是绝热可 逆膨胀，亦即等熵膨胀。 气体进行绝热可逆膨胀时温度的变化，称为“等熵膨胀效应”。等熵膨胀中温度随压力 的变化率称为“等熵膨胀系数”或“微分等熵膨胀效应”，用 µ S 表示 S S p T ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ µ = （7-20） 利用热力学关系式 T p T V p S ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ， T C T S p p ⎟ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ 可得 p p p T S S C T V T T S p S p T ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ⎥ = ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ µ = （7-21） 由上式可知，对任何气体，Cp > 0 ，T > 0 ， (∂ ∂ ) > 0 p V T ，所以 µ S 永远为正值。这表 明：任何气体进行等熵膨胀时，气体的温度必定是降低的，总是产生冷效应。 气体等熵膨胀时，压力变化为一定值时，所引起的温度变化称积分等熵膨胀效应，用 ∆ST 表示，即 T T T p p p S S d 2 1 1 2 ∫ ∆ = − ′ = µ (7-22 ) 式中 T1、 p1为气体膨胀前的温度和压力；T2 ′ 、 p2为气体膨胀后的温度和压力。 若已知气体的状态方程，利用式（7-21）和式（7-22）可计算出 ∆ST 的值。如有温熵图， 就可以直接从图中得到 ∆ST 值，如图 7-6 所示，膨胀前的状态为 1（T1、 p1），由此点沿等 熵线与膨胀后的压力 p2的等压线相交，即为膨胀后的状态点 2′ （T2 ′ 、 p2），可直接读出积 分等熵膨胀效应 ∆ST 的值。 综上所述，节流膨胀和绝热作功膨胀各有优、缺点，主要表现为：在相同的条件下，绝 热作功膨胀比节流膨胀产生的温度降大，且制冷量也大；另外，绝热作功膨胀适用于任何气 体，而节流膨胀是有条件的，对少数临界温度极低的气体（如 H2 、He 和 CH4），必须预冷 到一定的低温进行节流，才能获得冷效应。但膨胀机设备投资大，运行中不能产生液体；而 节流膨胀所需的设备仅是一个节流阀，其结构简单，操作方便，可用于汽、液两相区的工作， 甚至可直接用于液体的节流。因此绝热作功的膨胀主要用于大、中型设备，特别是用于深冷 循环中，此时能耗很大，用等熵膨胀节能效果突出。至于节流膨胀则在任何制冷循环中都要 使用，即使在采用了膨胀机的深冷循环中，由于膨胀机不适用于温度过低和有液体的场合
还是要和节流阀结合并用 73蒸汽动力循环 工业上最早使用的热机是用水蒸汽做工质的蒸汽动力装置。下面以 Rankine循环为例来 说明蒸汽动力循环的工作原理。 73.1 Rankine循环 过热蒸汽 高压水 tol 图7-7理想的 Rankine循环及其在T-S图上的表示 图7-7(1)是简单蒸汽动力装置的示意图,由锅炉(a)、过热器、透平机(b)、冷凝器(c) 和泵(d)所组成,图(2)是工作循环的T-S图,这一循环即为 Rankine循环,它分以下四个 过程: (1)高温吸热:状态1的工质水在锅炉中吸热,升温、汽化并在过热器中吸热成为高 温的过热蒸汽4。 (2)膨胀作功:过热蒸汽4在透平膨胀机中经绝热可逆膨胀,成为低温低压的湿蒸汽 5(工程上习惯称乏气),同时对外作功。 (3)低温放热:膨胀后的乏气在冷凝器中放热冷凝,成为饱和水6,冷凝放出的热量 由冷却水带走。 (4)泵输送升压:来自冷凝器的饱和水6,用泵经绝热可逆压缩后送回锅炉循环使用 (状态1),此过程耗功。 上述四个过程不断地重复进行,构成对外连续作功的蒸汽动力装置。此循环没有考虑实 际运行过程中的各种损失,例如管路中的压力损失、摩擦扰动、蒸汽泄漏及散热等损失,因 此循环中的吸热和放热过程在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 Rankine循环又称为理想 Rankine循环,如图7-7(b)所示的 1-2-3-4-5-6-1循环
第 七 章 8 还是要和节流阀结合并用。 7.3 蒸汽动力循环 工业上最早使用的热机是用水蒸汽做工质的蒸汽动力装置。下面以 Rankine 循环为例来 说明蒸汽动力循环的工作原理。 7.3.1 Rankine 循环 图 7-7 理想的 Rankine 循环及其在T − S 图上的表示 图 7-7(1)是简单蒸汽动力装置的示意图，由锅炉（a）、过热器、透平机（b）、冷凝器（c） 和泵（d）所组成，图(2)是工作循环的T − S 图，这一循环即为 Rankine 循环，它分以下四个 过程： （1）高温吸热：状态 1 的工质水在锅炉中吸热，升温、汽化并在过热器中吸热成为高 温的过热蒸汽 4。 （2）膨胀作功：过热蒸汽 4 在透平膨胀机中经绝热可逆膨胀，成为低温低压的湿蒸汽 5（工程上习惯称乏气），同时对外作功。 （3）低温放热：膨胀后的乏气在冷凝器中放热冷凝，成为饱和水 6，冷凝放出的热量 由冷却水带走。 （4）泵输送升压：来自冷凝器的饱和水 6，用泵经绝热可逆压缩后送回锅炉循环使用 （状态 1），此过程耗功。 上述四个过程不断地重复进行，构成对外连续作功的蒸汽动力装置。此循环没有考虑实 际运行过程中的各种损失，例如管路中的压力损失、摩擦扰动、蒸汽泄漏及散热等损失，因 此循环中的吸热和放热过程在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 Rankine 循环又称为理想 Rankine 循环，如图 7-7(b)所示的 1-2-3-4-5-6-1 循环