熱力學(xué)循環(huán)熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)循環(huán)熱力學(xué)第二定律第1頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.1熱力學(xué)第二定律5.2熵.5.3熱力學(xué)圖表及其應(yīng)用5.4蒸汽動(dòng)力循環(huán)5.5制冷5.6熱泵第2頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六概述熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用是熱力學(xué)的重要部分。發(fā)電廠(chǎng)、空分廠(chǎng)、冷凍裝置、機(jī)動(dòng)車(chē)等實(shí)際工程中熱力循環(huán)(含動(dòng)力循環(huán)與冷凍循環(huán))過(guò)程的分析都基于熱力學(xué)第二定律。因此，掌握熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用對(duì)絕大部分工程師來(lái)說(shuō)部很重要，但對(duì)化學(xué)工程師顯得特別重要，因?yàn)榛瘜W(xué)工程師要解決的三大問(wèn)題都與其有密切關(guān)系。這三大問(wèn)題是：第3頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六概述一、熱力學(xué)分析——以熱力學(xué)第一和第二定律為基礎(chǔ)，導(dǎo)出各種關(guān)系式，從而對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，以求實(shí)現(xiàn)合理利用能源。二、相平衡關(guān)系計(jì)算。這對(duì)于傳質(zhì)沒(méi)備的設(shè)計(jì)和操作是必不可少的。三、化學(xué)平衡狀態(tài)計(jì)算。它是研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及設(shè)計(jì)反應(yīng)器和操作分析計(jì)算的前提。第4頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.1.熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律常用的三種表述：

(1)有關(guān)熱流方向的表述．常用的是1850年克勞修斯的說(shuō)法：熱不可能自動(dòng)地從低溫物體傳給高溫物體。

(2)有關(guān)循環(huán)過(guò)程的表述，常用的是1851年開(kāi)爾文的說(shuō)法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變成有用功，而不引起其它變化。第5頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3)有關(guān)熵的表述，常用的是：孤立體系的熵只能增加，或者到達(dá)極限時(shí)保持恒定。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ΔSt≥0式中ΔSt為孤立體系的總熵變。為孤立體系熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)于不可逆過(guò)程用不等號(hào)；可逆過(guò)程用等號(hào)。孤立體系的總熵變?yōu)榉忾]體系的熵變與外界環(huán)境熵變和第6頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六即

ΔSt=ΔSsys+Δssur

（ΔSsys+Δssur≥0

）熱力學(xué)第二定律各種表述方式都內(nèi)含共同的實(shí)質(zhì)，即有關(guān)熱現(xiàn)象的各種實(shí)際宏觀(guān)過(guò)程都是不可逆的?？藙谛匏沟恼f(shuō)法指出了熱傳導(dǎo)過(guò)程的不可逆性，開(kāi)爾文的說(shuō)法則指出了功轉(zhuǎn)化為功這一過(guò)程的不可逆性。第7頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六幾個(gè)輔助的概念熱源——是一個(gè)具有很大熱容量的物系。它既可作為取出熱量的能源，又可以作為投入熱量的熱阱，并且向它放熱或取熱時(shí)溫度不變，因此熱源里進(jìn)行的過(guò)程可視為可逆過(guò)程。地球周?chē)拇髿馀c天然水源在許多工程應(yīng)用問(wèn)路中部可以視為熱源。功源——是一種可以作出功或接受功的裝置，例如可以是一個(gè)有活塞的汽缸。對(duì)它作功時(shí)汽缸里的氣體被壓縮，當(dāng)氣體膨脹時(shí)功源對(duì)外界作功。功源與外界只有功交換而無(wú)熱量或質(zhì)量交換。功源里進(jìn)行的過(guò)程也可設(shè)想為可逆過(guò)程。對(duì)于絕熱而又是可逆的過(guò)程，ΔSt=ΔS功源=0（因絕熱，ΔSsur=0），因此功源沒(méi)有熵變。第8頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六熱機(jī)—是一種產(chǎn)生功并將高溫?zé)嵩吹臒崃總鬟f給低溫?zé)嵩吹囊环N機(jī)械裝置。熱效率——表示熱轉(zhuǎn)化為功的效率，即過(guò)程獲得的功除以投入此過(guò)程的熱量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為第9頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.2.熵熵是與體系內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)混亂程度發(fā)生聯(lián)系的熱力學(xué)性質(zhì)。關(guān)于熵的本質(zhì)，從微觀(guān)角度有兩種解釋。一種解釋是針對(duì)巨量元素組成的體系而言的，認(rèn)為熵是熱力學(xué)幾率的量度。這可用玻爾茲曼定理表示，即

S=klnΩ

式中k為玻耳茲曼常數(shù)，Ω為熱力學(xué)幾率。第10頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于熵與體系內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)混亂程度有關(guān)，因此熵值較小的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于比較有序的狀態(tài)，熵值較大的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于比較無(wú)序的狀態(tài)。另一種解釋是針對(duì)隨機(jī)事件而言的，按現(xiàn)代信息論的方法，把熵視為信息缺失的量度。ΔSsys+Δssur

≥0物理意義是：孤立體系的熵只能增加永不減少，這就是熵增原理。我們可以用兩個(gè)熱源之間的傳熱現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明孤立體系的熵增與不可逆性的關(guān)系。第11頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.2.1熱力學(xué)第二定律用于閉系(dSsys+dSsur)≥0（4-3）外界環(huán)境的熵變不外乎熱源dS熱源和功源的熵變dS功源，即：dSsur=dS熱源+dS功源（A）（B）式中δQsur是熱源與體系所交換的熱；δSsys是體系與熱源所交換的熱。它們正好相差一個(gè)負(fù)號(hào)。Tsur是外界環(huán)境熱源的溫度。第12頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六前已論及，功源的熵變?yōu)榱?，即dS功源=0（C）將式（B）和式（C）代入（A），然后將式（A）代入式（4-3），則得上式通常寫(xiě)成

第13頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（1）熵流當(dāng)封閉體系經(jīng)歷一可逆過(guò)程，從環(huán)境熱源接受δQR

熱量時(shí)，其熵變?yōu)轶w系接受δQR時(shí)，環(huán)境熱源則失去δQR

熱量，故環(huán)境熱源的熵變?yōu)榈?4頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（1）熵流由上述兩式可見(jiàn)．若有δQR的熱量流入體系，則必定伴有一股相應(yīng)的熵流δQR/T流入體系，同時(shí)有一股熵流-δQR/T從環(huán)境熱源流出來(lái)。我們稱(chēng)δQR/T為隨δQR熱流產(chǎn)生的熵流dSf表示由于傳熱δQR而引起體系熵的變化。體系與外界傳遞的熱量可正(吸熱)、可負(fù)(放熱)、可零(絕熱)，因此熵流dSt亦可正、可負(fù)、可零。要注意，功的傳遞不會(huì)引起熵的流動(dòng)，這從熵的定義便可知道。前已論及，功源里沒(méi)有熵變。但這樣說(shuō)并不意味著每當(dāng)有功輸入或輸出體系時(shí)，體系均無(wú)熵變，而只是說(shuō)，這種熵變并不是功傳遞的直接結(jié)果。第15頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（2）熵產(chǎn)經(jīng)歷不可逆過(guò)程，有熵產(chǎn)生。熵產(chǎn)生的原因是有序能量(如機(jī)械能或電能)耗散為無(wú)序的熱能，并被體系吸收，這樣，必然導(dǎo)致體系熵的增加。例如不可逆的流體膨脹過(guò)程，由于流體分子存在內(nèi)摩擦以及機(jī)械摩擦等，有一部分機(jī)械功耗散為熱量，使實(shí)際膨脹產(chǎn)出的機(jī)械功比可逆膨脹過(guò)程要小，與此同時(shí)耗散的熱能使流體溫度上升，增加了內(nèi)部熵。又如直流電通過(guò)電阻時(shí)，有序的電能也有一部分會(huì)耗散為熱能，因此亦有熵產(chǎn)生。熵產(chǎn)不是體系的性質(zhì)，而僅與過(guò)程的不可逆程度相聯(lián)系。過(guò)程的不可逆程度越大，熵產(chǎn)生量ΔSg也越大，只有可逆過(guò)程無(wú)熵產(chǎn)生。第16頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（2）熵產(chǎn)總之，有如下三種情況：

ΔSg>0為不可逆過(guò)程；

ΔSg=0

為可逆過(guò)程；

ΔSg<0為不可能過(guò)程。第17頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）封閉體系的熵平衡式

搞清熵變dSsys、熵流dSf和熵產(chǎn)dSg這三個(gè)不同的概念是非常必要的。積分式為

第18頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.2.2孤立體系熵平衡式

ΔSsys+ΔSsur=ΔSgΔSt=ΔSg

顯然，熵產(chǎn)量等于孤立體系總熵變(即孤立體系的總熵增量)。由此可見(jiàn)，ΔSg應(yīng)包括封閉體系與外界環(huán)境熱源兩部分產(chǎn)生的熵。倘若外界環(huán)境熱源中進(jìn)行的是可逆過(guò)程，那末外界環(huán)境熱源的熵產(chǎn)量為零，這時(shí)ΔSg即為封閉體系內(nèi)部產(chǎn)生的熵。第19頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.2.3開(kāi)系熵平衡式

第20頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六式中ΔSf是敞開(kāi)體系與外界由于傳遞熱量引起的熵流。若有K股變溫?zé)崃髋c敞開(kāi)體系交換，則：

若有K股恒溫?zé)崃髋c敞開(kāi)體系交換，則上式可簡(jiǎn)化成：

第21頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)于穩(wěn)流過(guò)程，dSopsys/dt=0,

或此式為敞開(kāi)體系穩(wěn)流過(guò)程熵平衡式。工程上常用此式來(lái)計(jì)算不可逆過(guò)程的熵產(chǎn)生量ΔSg。第22頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)于絕熱過(guò)程，ΔSf=0，

第23頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)于不可逆絕熱過(guò)程，ΔSg>0，有：對(duì)于可逆絕熱過(guò)程，ΔSg=0，則有：流出熵的總和等于流入熵的總和。第24頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六倘若只有一股熱流進(jìn)、出，此時(shí)mi=mj，則有

si=sj即進(jìn)、出流體的熵不變。因此可逆又絕熱的穩(wěn)流過(guò)程亦稱(chēng)為等熵過(guò)程。例如，流體經(jīng)透平機(jī)若進(jìn)行可逆、絕熱膨脹，則近、出口液體的熵是相等的。第25頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.3.熱力學(xué)圖表及其應(yīng)用

化工過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)需要流體熱力學(xué)性質(zhì)的信息，為此用第二章介紹的一系列普遍化曲線(xiàn)圖來(lái)進(jìn)行一般計(jì)算是很方便的。在實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中，除普遍化圖線(xiàn)外，人們對(duì)某些常用物質(zhì)制作了一個(gè)綜合的熱力學(xué)性質(zhì)圖，由給定條件可直接從圖中查到某些熱力學(xué)性質(zhì)，常用的熱力學(xué)性質(zhì)圖有T—S圖（溫—熵圖)、h—S圖(焓—熵圖)、P—h圖(壓—焓圖)等。第26頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六這些熱力學(xué)性質(zhì)圖都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的PVT數(shù)據(jù)、氣化潛熱和熱容數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列微分、積分等運(yùn)算繪制而成的。如果能夠完全使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接制作圖線(xiàn)，當(dāng)然是最精確的，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往是不完整的，這時(shí)可以通過(guò)狀態(tài)方程的計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)充和引伸。對(duì)于完全沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的物質(zhì)，也可以通過(guò)對(duì)狀態(tài)方程的計(jì)算來(lái)制作熱力學(xué)性質(zhì)圖線(xiàn)。第27頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六為了用最簡(jiǎn)便的形式提供不同溫度、壓力下物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，可以用數(shù)據(jù)表格，也可以用圖形。數(shù)據(jù)表格的形式較為精確，促使用時(shí)經(jīng)常需要內(nèi)插，比較麻煩，目前只有少數(shù)物質(zhì)已經(jīng)制成表格(如附表3的水蒸汽表）。熱力學(xué)性質(zhì)圖雖然讀數(shù)不如表格準(zhǔn)確，但使用卻十分方便，而且容易看出其變化的趨勢(shì)，因此進(jìn)行過(guò)程熱力學(xué)分析一般都使用熱力學(xué)性質(zhì)圖。在這些圖上，一般都有等壓、等容、等熵、等焓等曲線(xiàn)。下面將以T—S圖為例說(shuō)明其構(gòu)成、性質(zhì)與應(yīng)用。第28頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.3..1T-S圖的構(gòu)成和性質(zhì)第29頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第30頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第31頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(a）等壓加熱過(guò)程和冷卻過(guò)程

如圖5—8所示，某物系在壓力P1下由T1加熱到T2，此過(guò)程在等壓線(xiàn)上內(nèi)線(xiàn)段1—2表示。這時(shí)物系與外界所交換的熱量QP應(yīng)為

(積分值可用12341所圍面積來(lái)表示)若是等壓冷卻，積分也沿同一等壓線(xiàn)，只是方向相反。第32頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖5-8第33頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（b）節(jié)流膨脹過(guò)程

節(jié)流膨脹是等焓過(guò)程，所以節(jié)流過(guò)程可在等焓線(xiàn)上表示出來(lái)，如圖5—9所示。狀態(tài)1(P1，T1)的高壓氣體節(jié)流至低壓P2時(shí)，將沿等焓線(xiàn)進(jìn)行．直至與P2等壓線(xiàn)相交，其過(guò)程由線(xiàn)段1—2表示。膨脹后氣體的溫度降至T2，可直接從圖上讀出。由于節(jié)流過(guò)程與外界無(wú)熱和功交換ΔSsur=0，有

ΔSg=ΔSt=ΔSsys=S2-S1

第34頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（b）節(jié)流膨脹過(guò)程由圖可見(jiàn)節(jié)流后，S2

＞S1

，說(shuō)明節(jié)流過(guò)程確實(shí)是一個(gè)不可逆過(guò)程。若膨脹前物流溫度較低，如圖5—9上的3點(diǎn)，則等焓膨脹至低壓P2后，狀態(tài)點(diǎn)位于4，處在兩相區(qū)，這時(shí)它就自動(dòng)分離為汽液兩相。汽液比可按杠桿規(guī)則求得，汽／液＝第35頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖5-9第36頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（c）等熵膨脹或壓縮過(guò)程

可逆、絕熱膨脹過(guò)程是等熵過(guò)程，在T—S圖上可用垂直于橫坐標(biāo)的線(xiàn)段表示，如圖5—10所示。物系由狀態(tài)1(T1，P1)等熵膨脹至P2，垂直線(xiàn)段12與P2等壓線(xiàn)的交點(diǎn)2即為過(guò)程的終態(tài)。這時(shí)可以直接讀出膨脹后物系的溫度T2。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可逆絕熱膨脹功WS（R）為WS（R）=-（ΔH）S=H1–H2或wS（R）=-（Δh）S=h1–h2第37頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（c）等熵膨脹或壓縮過(guò)程不可逆絕熱膨脹功Ws為一般情況下，膨脹后的溫度是未知的，因此無(wú)法直接用焓差求出可逆膨脹功。通常利用等熵膨脹效率ηs求出Ws。ηs的定義式為或

第38頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（c）等熵膨脹或壓縮過(guò)程s值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其值通常在0.6-0.8之間，已知ws(R)和s就可求出ws，即

ws=sws(R)

或Ws=sWs(R)由于絕熱膨脹過(guò)程是不可逆的，一部分機(jī)械功耗散為熱，并被流體本身吸收，因此膨脹后流體的溫度T2|比T2高，況且流體的熵s2|

也大于s2，即不可逆絕熱膨脹過(guò)程內(nèi)部有熵產(chǎn)生。

第39頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（c）等熵膨脹或壓縮過(guò)程等熵壓縮與等熵膨脹是類(lèi)似的，同樣可以用等熵曲線(xiàn)表示，但其方向相反，如圖5—11所示．1→2為可逆絕熱壓縮過(guò)程，1→2’為不可逆絕熱壓縮過(guò)程。壓強(qiáng)過(guò)程的等熵效率為

第40頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖5-10第41頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖5-11第42頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.3.2.焓熵圖（h—s圖）第43頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.3.3.壓焓圖（P—h圖）第44頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.4.蒸汽動(dòng)力循環(huán)

化工生產(chǎn)需要機(jī)械動(dòng)力和熱能。通常，大型化工企業(yè)是用礦物燃料燃燒作為熱源產(chǎn)生高壓蒸汽，或者直接利用某些放熱化學(xué)反應(yīng)體系的反應(yīng)熱作為熱源，利用它們的“余熱’作為蒸汽動(dòng)力裝置的能源來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力和提供熱能，對(duì)于節(jié)約能源和降低成本具有重大的意義。臂如大型氨廠(chǎng)，利用工藝過(guò)程本身釋放的熱量產(chǎn)生高壓蒸汽．此高壓蒸汽可以直接用于過(guò)程加熱或用蒸汽透乎機(jī)產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、泵、發(fā)電機(jī)等。本節(jié)介紹蒸汽動(dòng)力循環(huán)過(guò)程，并應(yīng)用T—S圖進(jìn)行熱力學(xué)分析。第45頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.4.1.卡諾循環(huán)WN=WS,Tur十Ws,Pump(十)(+)(一)第46頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.4.1.卡諾循環(huán)根據(jù)熱力學(xué)第一定律，取熱機(jī)為敞開(kāi)體系，則有

ΔH=Q-WN

循環(huán)過(guò)程的ΔH=0，故

WN=Q=QH+QL=|QH|-|QL|(+)(+)(-)卡諾循環(huán)的效率為：（A）第47頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)于可逆熱機(jī)有（F）將式（F）代入（A），則得

由此式可見(jiàn)，卡諾熱機(jī)的效率與循環(huán)工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，只與吸熱溫度（高溫?zé)嵩矗┖团艧釡囟龋ǖ蜏責(zé)嵩矗┯嘘P(guān)。第48頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖5-14第49頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖5-15第50頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第51頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.4.2朗肯循環(huán)第一個(gè)具有實(shí)踐意義的蒸汽動(dòng)力循環(huán)是朗肯循環(huán)．它也由四個(gè)步驟組成。朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)主要的區(qū)別有兩點(diǎn)：其一是加熱步驟1—2，水在汽化后繼續(xù)加熱，使之成為過(guò)熱蒸汽，這樣在進(jìn)入透平膨脹后不致于產(chǎn)生過(guò)多的飽和水；其二是冷凝步序3—4進(jìn)行完全的冷凝，這樣進(jìn)入水泵時(shí)全部是飽和液體水。第52頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六朗肯循環(huán)圖第53頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六Ws,Tur=ηs·WS(R)-WS,Pump=V△P/ηs第54頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

（1）提高蒸汽的過(guò)熱溫度

在蒸汽壓力恒定的條件下，提高蒸汽的過(guò)熱溫度可使平均吸熱溫度提高。從5—18可見(jiàn)，表示功WN的面積隨著過(guò)熱溫度的升高而增大，同時(shí)還可以提高乏汽的干度。但是，蒸汽的過(guò)熱溫度受到金屬材料性能的限制，一船不能超過(guò)600℃。雖然現(xiàn)在有些抗蠕變的特種合金鋼材能耐更高的溫度，可以用來(lái)制造過(guò)熱器和透平機(jī)，但其價(jià)格十分昂貴，將導(dǎo)致投資費(fèi)猛增，因此從經(jīng)濟(jì)上考慮，過(guò)熱溫度不宜過(guò)高。5.4.3.朗肯循環(huán)的改進(jìn)第55頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖5-18第56頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（2）提高蒸汽的壓力

當(dāng)過(guò)熱溫度恒定時(shí)，提高蒸汽壓力，水的沸騰溫度必然升高，這使得整個(gè)過(guò)程的平均吸熱溫度也會(huì)提高。從圖5—19上可以看出，當(dāng)蒸汽壓力提高時(shí)，表示功WN的面積略有增加，但當(dāng)壓力接近水的臨界壓力時(shí)，其影響就越來(lái)越小。因此，僅靠提高蒸汽壓力而不同時(shí)提高過(guò)熱溫度，不能使熱效率有更大的提高。另外，隨著蒸汽壓力的提高，對(duì)鍋爐、透平的材料和結(jié)構(gòu)的要求也相應(yīng)提高，這會(huì)導(dǎo)致造價(jià)大幅度增加。此外，從圖5—19還可見(jiàn)，隨著壓力的提高，乏汽干度的下降，將使透平壽命縮短，因此使用高壓蒸汽必須設(shè)法減少乏汽的濕含量。第57頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第58頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）采用再熱循環(huán)

再熱循環(huán)是使高壓的過(guò)熱蒸汽先在高壓透平中膨脹到某一中間壓力，然后全部引入鍋爐中特設(shè)的再熱器進(jìn)行加熱，蒸汽溫度升高后再進(jìn)入低壓透平膨脹到一定的排氣壓力。這樣就可以避免乏汽濕含量過(guò)高的缺點(diǎn)。第59頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.5.制冷使物系的溫度降到低于周?chē)h(huán)境物質(zhì)(大氣或天然水源)的溫度的過(guò)程稱(chēng)為制冷過(guò)程。大氣和天然水源是自然界所能得到的最大量的低溫源。將物系的溫度將到大氣或天然水源的溫度，根據(jù)熱力學(xué)第二定律(克勞修斯的說(shuō)法，這是一個(gè)自動(dòng)的過(guò)程，無(wú)需消耗外功。但是，若要將物系的溫度降到低于大氣或天然水源溫度，就必須將熱量從被冷凍的低溫物系傳至溫度較高的大氣或天然水源。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱不能自動(dòng)地從低溫物體傳至高溫物體，要實(shí)現(xiàn)此過(guò)程必須消耗外功。因此，制冷過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是利用外功將熱從低溫物體傳給高溫環(huán)境介質(zhì)。

第60頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第61頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六制冷廣泛用于空氣調(diào)節(jié)、食品冷藏等，在工業(yè)上用于制冰、氣體脫水干燥等。在化工生產(chǎn)中，不少過(guò)程都需要制冷，例如鹽類(lèi)結(jié)晶、低溫下氣液混合物的分離等等。在石油化工中潤(rùn)滑油的凈化、低溫反應(yīng)以及揮發(fā)性烴類(lèi)的分離等，另外像合成橡膠、煤氣、人造纖維與制藥等均需要制冷。’工業(yè)上實(shí)現(xiàn)制冷的方法有蒸汽壓縮制冷、吸收制冷和噴射制冷。其中蒸汽壓縮制冷和吸收制冷是目前廣泛應(yīng)用的主要制冷方法。第62頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.5.1.制冷原理與逆卡諾循環(huán)

制冷過(guò)程需要工質(zhì)在低溫下連續(xù)不斷地吸熱，通常是用穩(wěn)定流動(dòng)的液態(tài)工質(zhì)汽化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。形成的蒸汽通過(guò)壓縮和冷凝過(guò)程向自然環(huán)境(大氣或天然水)放熱，此時(shí)工質(zhì)變成常溫的高壓液體，然后該液體經(jīng)絕熱膨脹又回到原來(lái)的溫低狀態(tài)，重新汽化吸熱并開(kāi)始新的循環(huán)。在制冷循環(huán)中，獲得低溫的方法通常是用高壓、常溫的流體進(jìn)行絕熱膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)的。絕熱膨脹有節(jié)流膨脹(流體經(jīng)節(jié)流裝置)和作功膨脹(流體經(jīng)膨脹機(jī))兩種方式。

第63頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.5.1.制冷原理與逆卡諾循環(huán)從熱力學(xué)角度分析，作功膨脹的降溫效應(yīng)適用于任何條件下的流體；而節(jié)流膨脹降溫效應(yīng)則有一定的溫度和壓力的范圍。另外，作功的膨脹還可以回收軸功，對(duì)節(jié)能有利。節(jié)流膨脹的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便，而作功膨脹的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且不允許氣體在膨脹機(jī)中液化。同時(shí)，低溫下潤(rùn)滑也有困難。第64頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.5.1.制冷原理與逆卡諾循環(huán)

WN=QH+QL

（-）（-）（+）或|WN|=|QH|-|QL|衡量制冷機(jī)效能的參數(shù)稱(chēng)為制冷系數(shù)（效能系數(shù)）ξ，其定義為

QL稱(chēng)為制冷量，它表示制冷機(jī)的制冷能力；ξ表示制冷機(jī)的效能，代表制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。第65頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第66頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六上式表明，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)工作溫度的函數(shù)，與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。在TH與TL兩個(gè)溫度之間操作的任何制冷循環(huán)。唯有逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大，它是相同溫度范圍內(nèi)最有效的循環(huán)。第67頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.5.2蒸汽壓縮制冷循環(huán)第68頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖5-23第69頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六單位質(zhì)量工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收的熱量為冷凝器中排放的熱量為

第70頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六壓縮機(jī)所需要的壓縮功為因此實(shí)際制冷系數(shù)為由上式可見(jiàn)，實(shí)際循環(huán)的制冷系數(shù)除了與操作溫度有關(guān)外，還與制冷工質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。第71頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六冷凝溫度對(duì)冷凍系數(shù)的影響第72頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蒸發(fā)溫度對(duì)冷凍系數(shù)的影響第73頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六過(guò)冷溫度對(duì)冷凍系數(shù)的影響第74頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.5.3.吸收式制冷循環(huán)第75頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第76頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六吸收式制冷裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)稱(chēng)為熱力系數(shù)ε，ε的定義為

ε=QL/Q

式中QL為吸收制冷裝置的制冷量，Q為解吸器中提供的熱量。

第77頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.5.4制冷工質(zhì)的選擇從工作原理和生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，對(duì)制冷工質(zhì)的性質(zhì)提出如下要求：

(1)汽化潛熱要大。