1、精選優質文檔-傾情為你奉上精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業專心-專注-專業精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業第八章 熱力循環1、學習目標熟悉幾種典型熱工設備（或裝置）的基本構成和工作原理；掌握將實際循環抽象簡化為理想循環的一般方法；能夠熟練分析計算各種循環；了解內燃機循環各種特性參數及其對熱效率的影響，掌握提高各種循環能量利用經濟性的方法和途徑。2、學習建議（1）學習時間： 4-6小時（2）學習方法A仔細閱讀教材第八章B點播學習網絡課程第八章C完成習題3、學習重難點A掌握活塞式壓氣機的工作原理、不同壓縮過程（定溫、多變、定熵）的特點；了解余隙容積、壓力比對活塞式壓氣機容積效率

2、的影響；了解多級壓縮、級間冷卻的工作情況；掌握壓氣機的耗功計算及壓氣機的省功方法和途徑。B掌握活塞式內燃機的工作原理；了解實際循環抽象為理想循環的簡化條件；掌握定容加熱、定壓加熱、混合加熱理想循環的p-v圖和T-s圖，并能對各種循環的吸熱量、放熱量、循環功、熱效率進行分析計算；了解循環特性參數及其對熱效率的影響。C掌握蒸氣壓縮制冷循環的工作原理及理論循環的T-s圖和lg p-h圖；掌握利用制冷劑的lg p-h圖計算制冷量q2、耗功量w0、制冷系數的方法；了解提高制冷系數的方法。第一節 壓氣機循環使氣體升壓的設備稱為壓氣機。壓氣機的應用非常廣泛，如鍋爐通風、物料傳送、增壓柴油機、燃氣輪機、制冷工

3、程中制冷劑氣體的壓縮等，都要用到壓氣機，生活中使用的電風扇也是一種壓氣機。壓氣機按其產生壓縮氣體的壓力范圍，可分為通風機（400kPa）；按其結構及工作原理分，主要可分為活塞式和葉輪式（葉輪式又可分為離心式和軸流式）兩大類。壓氣機是耗功設備，研究壓氣機的主要目的是分析其耗功，從而尋求省功的方法和途徑。雖然活塞式壓氣機與葉輪式的結構和工作原理不同，但其基本的熱力學原理都一樣。本節重點以活塞式壓氣機為例，介紹壓氣機的一般工作原理及分析計算。一、單級活塞式壓氣機的工作原理如果忽略活塞與氣缸蓋之間的間隙，并假定壓氣機的工作過程為可逆過程，活塞式壓氣機的理想工作過程由以下3個過程組成：1. 吸氣過程當如

4、圖8.1（a）所示活塞由上止點向右移動時，進氣閥A開啟，排氣閥B關閉，壓力為p1的氣體被吸入氣缸。活塞到達下止點時，吸氣過程結束。在圖8.1（b）中為41過程。2. 壓縮過程吸氣過程結束后，活塞由下止點向左移動，此時進、排氣閥均關閉，缸內氣體被壓縮，壓力升高。當達到預期狀態p2時，壓縮過程結束。在圖8.1（b）中為12過程。3. 排氣過程缸內氣體被壓縮到預期壓力p2后，排氣閥打開，活塞繼續左移，缸內壓力為p2的氣體排出氣缸。活塞到達上止點時，排氣過程結束。在圖8.1（b）中為23過程。 （a）工作原理示意圖 （b）理想工作過程p圖（圖中原點0，橫坐標）圖8. 單級活塞式壓氣機的工作原理示意圖與

5、理想工作過程p-V圖二、壓氣機的耗功在上述過程中，只有壓縮過程使氣體的狀態發生了變化，是熱力過程。進氣和排氣過程都不是熱力過程，只是氣體的遷移過程，缸內氣體的數量發生變化，但熱力狀態不變。所以圖8.1（b）為p-V圖。吸氣過程中氣缸吸入壓力為p1的氣體，氣體的質量qm和容積V不斷增加，而氣體的狀態( p1 , v)不變，相當于氣體定壓膨脹，該過程中系統作正功p1V1；壓縮過程中進、排氣閥均關閉，氣體的量不變，而氣體的壓力不斷增加，該過程中外界對系統作壓縮功（負功），壓縮過程的耗功是容積功，在圖8.1（b）中為1-2過程線以下的面積，即： （8.1）排氣過程中氣體的質量qm和容積V不斷減少，但氣

6、體的狀態( p2 , v2)不變，相當于氣體被定壓壓縮，因此該過程系統作負功p2V2。壓氣機所消耗的功為上述三項功的代數和。由圖8.1（b）知，壓氣機耗功為負的技術功，在圖8.1（b）中為1-2過程線以左的面積，即 （8.2）壓縮1kg氣體，壓氣機的耗功為 （8.3）注意：壓縮過程的耗功與壓氣機的耗功概念不同。三、活塞式壓氣機三種壓縮過程的比較在活塞式壓氣機中，壓氣機的進、排氣過程是周期性間歇的，但由于壓氣機轉速較高，間歇時間很短，且工質流量一定，可近似認為進、排氣過程連續穩定。所以，活塞式壓氣機可視為穩定流動系統，壓氣機的簡化模型為：穩流、可逆。根據活塞式壓氣機的不同工作條件，可能存在三種壓

7、縮過程：一種是沒有冷卻措施，而且過程進行得很快，壓縮過程中由機械能轉變的熱能來不及向外釋放，即過程可近似看作絕熱過程（因過程可逆即為定熵過程）；另一種是冷卻足夠充分，壓縮過程中機械能轉變的熱能可及時散掉，氣體溫度保持不變，即定溫過程；第三種是有冷卻措施，但不足以使氣體溫度保持不變，即在壓縮過程中既有散熱量，也有溫升，正好介于定熵過程和定溫過程之間，為多變過程，因此，該多變指數的范圍為1n。實際上，多變過程更接近實際情況。因為壓縮過程相當于閉口系，比容、比熵等狀態參數都發生變化，因此在只分析壓縮過程時，可用p-v圖和T-s圖。將上述三種壓縮過程表示在p-v圖和T-s圖上，如圖8.2所示。其中12

8、s表示定熵壓縮；12n表示多變壓縮；12T表示定溫壓縮。（a）p-v圖 （b）T-s圖圖8.2 壓氣機壓縮過程的p-v圖與T-s圖由上面p-v圖和T-s圖可看出，定溫壓縮耗功最小；壓縮終了的溫度最低，有利于潤滑；而且壓縮終了的體積最小，所需存貯氣體的容積最小。所以，定溫壓縮是最理想的壓縮過程。多變壓縮次之，定熵壓縮最不利。實際使用時應采用良好的冷卻措施，如在氣缸上加冷卻水套、噴霧化水等措施，使過程盡量接近定溫過程。不同壓縮過程初、終狀態參數及耗功量可利用表 3.2 中相應的公式進行計算。四、活塞式壓氣機的容積效率實際的活塞式壓氣機，為避免活塞與缸蓋相撞，以及便于安裝進、排氣閥，當活塞位于上止點

9、時，活塞頂面與缸蓋之間必須留有間隙，該間隙容積稱為余隙容積。如圖8.3所示，由于余隙容積Vc的存在，排氣過程結束后仍有一部分高壓氣體留在余隙容積中，在壓氣機的下一個吸氣過程開始時，殘余氣體膨脹，只有當殘余氣體膨脹到進氣壓力時，才能從外界進入新氣。這樣，真正的進氣行程縮短，當然每循環吸入的氣體量（產氣量）也就隨之減少，氣缸的容積利用率降低。 圖8.3 活塞式壓氣機的工作循環圖將氣缸實際的進氣容積（有效吸氣容積）與活塞排量之比稱為容積效率V，即 （8.4）由式（8.4）知，余隙容積Vc（即V3）越大，增壓比p2/ p1越大，容積效率越低。余隙容積的不利影響隨p2/ p1的增大而增加。當p2/ p1

10、達到一定值時，容積效率為零，產氣量為零。因此設計時應盡量減小余隙容積，并且注意單級增壓比不宜過高。當需要的增壓比較高時，應采用多級壓縮。因為殘余氣體膨脹做的正功與壓縮時消耗的負功在理論上相等，所以余隙容積對生產1 kg壓縮氣體的理論耗功量沒有影響，但實際耗功量增加。工程上也常用余隙比C=Vc/Vh表示氣缸容積的利用率，通常C控制在0.030.08范圍內。五、多級壓縮及級間冷卻多級壓縮是把氣體的壓縮過程分為多個階段，分別在多個氣缸中依次壓縮，每兩個氣缸之間有級間冷卻器將氣體冷卻至初溫，這樣，在總增壓比較高時，每級的增壓比不致太高，從而保證容積效率不致太低。兩級或兩級以上稱為多級。圖8.4為兩級壓

11、縮、級間冷卻過程的p-v圖和T-s圖，圖中1-2過程為第一級多變壓縮過程，2-3為級間定壓冷卻過程，3點的溫度與初始進氣溫度相同，3-4為第二級多變壓縮過程。如果是單級壓縮，其壓縮過程為1-2-4過程。由圖8.4看出，壓縮終態壓力相同時，兩級壓縮、級間冷卻的耗功量比單級壓縮小，所節省的功量等于面積2-3-4-4-2。而且兩級壓縮、級間冷卻的終溫也比單級壓縮低。可以看出，在總增壓比一定的條件下，級數分得越多，理論耗功量越小。當分級為無限多時，壓縮過程就無限接近于等溫過程，理論耗功量最小。但實際情況分級不宜太多，否則系統過于復雜，造價高，運行可靠性也降低。通常工程上一般采用24級。多級壓縮的耗功量

12、為各級壓縮耗功量的總和。由圖8.4也可看出，總耗功量的大小與中間壓力的選取有關，所以，以總耗功量最小為原則，得到兩級壓縮的最佳中間壓力為 （8.5a）或 （8.5b）由上式知，總耗功量最小時，每級壓力比相同。該結論可推廣到任意級壓縮過程，如為級壓縮，則最佳壓力比為 （8.6）式中，pZ+1為壓縮終壓，p1為壓縮初壓。圖8.4 兩級壓縮、級間冷卻過程的p-v圖和T-s圖選擇最佳壓力比還有以下好處：各級壓縮功耗相同，其動力選配具有通用性和互換性；各級壓縮的溫升相同，各級間冷卻熱負荷相同，即各級間冷卻器的換熱量相同；（3）各級氣缸排溫相同，多級壓縮的終溫低（終溫等于第一級壓縮過程的排溫，壓氣機終溫一

13、般規定不得超過160180，否則會引起潤滑油變質，影響潤滑效果，甚至引起自燃、爆炸等嚴重后果)。因此，當要求的增壓比較高時，采用多級壓縮、級間冷卻不僅能提高容積效率，而且在選擇最佳壓力比的條件下，還有上述好處，這對于壓氣機的設計和運行都是有利的。例8.1 一單缸活塞式壓氣機的氣缸直徑D100mm，活塞行程h125mm，余隙比C=0.05，從大氣中吸入p10.1MPa，t120C的空氣，經過n1.25的多變壓縮過程壓縮至p20.4MPa。若機軸轉速N=600r/min。試計算（1）壓氣機的容積效率及氣缸的有效容積；（2）每分鐘的產氣量；（3）壓氣機的理論耗功率。解 （1）由公式（8.4）求得壓氣

14、機的容積效率為氣缸的有效容積為 （2）每分鐘的產氣量（轉速每循環吸入的空氣質量）（3）由教材表3.2中公式求得壓縮1kg空氣所消耗的理論功為壓氣機耗功為負的技術功，即 壓氣機的理論耗功率為例8.2 實驗室每小時需要2t壓力為6.4MPa的壓縮氮氣，設進氣壓力p1=0.1MPa，溫度t1=27C，壓縮過程的多變指數n=1.2，若余隙比C=0.05，且要求容積效率不小于75%。求：（1）確定壓氣機的級數及最佳壓力比；（2）壓縮終了的排氣溫度；（3）若每小時生產1000kg氮氣，求壓氣機的理論耗功率；（4）級間冷卻器每秒鐘的散熱量取氮氣的cp=1.04 kJ/(kgK)。解（1）因所需的總壓力比較大

15、，因此應采用多級壓縮、級間冷卻，先假設采用2級壓縮，其最佳壓力比為對應的容積效率為采用2級壓縮滿足要求，最佳壓力比為8。（2）由于多級壓縮、級間冷卻每級壓縮的排溫相同，方便起見，由教材表3.2中多變過程不同狀態間狀態參數的關系式，求得第一級的壓縮排溫即為壓縮終了的排氣溫度，即（3）由于最佳壓力比條件下，多級壓縮每級的耗功量相同，因此，壓縮1kg氮氣，壓氣機的耗功量為單級耗功量級數，即壓氣機的理論耗功率為 （4）級間冷卻器每秒鐘的散熱量為第二節 活塞式內燃機循環內燃機是一種將燃料燃燒產生的熱能轉變成機械能的動力機械。由于燃料燃燒產生熱能及熱能轉變為機械能的過程都是在氣缸內進行的，故稱為內燃機。內

16、燃機作為移動式和固定式動力裝置，結構較緊湊，被廣泛用作車輛、船舶、飛機和各種工程機械的動力，以及發電機組等。一、內燃機的分類內燃機的形式和分類方式很多，按燃料分，有柴油機(壓燃式)、汽油機(點燃式) 和煤氣機(點燃式，現很少用)；按完成一個工作循環的沖程數分，可分為四沖程和兩沖程（較少用）；按進氣壓力分，又可分為增壓和非增壓；按活塞運動特征分，又有往復活塞式和旋轉活塞式；按氣缸布置形式分，又有立式、臥式、V型、H型、星型等形式。二、活塞式內燃機實際循環的工作過程和理想循環1. 實際循環的工作過程下面以四沖程混合加熱柴油機為例，詳細介紹其實際循環的工作過程。圖8.5為四沖程柴油機實際工作循環的p

17、-V圖。圖中01為吸氣過程，該過程中進氣門開啟，排氣門關閉，活塞從上止點向下止點移動，由于氣門的節流作用，氣缸內的氣體壓力稍低于大氣壓。12為多變壓縮過程，進、排氣門全部關閉，活塞從下止點向上止點移動，氣體被壓縮，由于在缸壁和缸套間有冷卻水循環，所以實際壓縮過程是一個不可逆的散熱過程。在活塞到達2點前的2點，高壓油泵開始向缸內噴入柴油，之后在2點開始燃燒。22稱為“著火落后期”，此階段為柴油燃燒前的物理化學準備階段。對缸內氣體而言，仍屬于壓縮圖8.5 四沖程柴油機實際工作循環的p-V圖過程。柴油機的燃燒特點是邊噴油邊燃燒，所以234為噴油燃燒過程。由于曲柄連桿機構的特點，曲軸轉速一定時，在上、

18、下止點附近活塞的位移較小，所以23接近定容燃燒。在上止點之后，雖然缸內仍在繼續噴油燃燒，但隨著活塞從上止點向下止點移動，氣缸容積開始明顯增大，缸內壓力已不象23過程那樣繼續升高，因此34接近定壓燃燒。4點燃燒結束。45為多變膨脹做功過程，該過程也是一個不可逆的散熱過程。在活塞到達下止點前的5點，排氣閥打開，這樣可以先排出一部分廢氣，為下一階段的強制排氣減小阻力。由于此時膨脹做功過程已接近尾聲，所以對膨脹功幾乎無影響。同樣下止點附近氣缸容積變化較小，故 51可看作定容自由排氣過程，10則為強制排氣過程，排氣閥開啟，活塞從下止點向上止點移動，排出廢氣，強制排氣過程中氣缸內的氣體壓力稍高于大氣壓力。

19、至此柴油機完成一個工作循環。汽油機與混合加熱柴油機的的工作循環主要不同之處有以下2點：（1）因所用燃料性質不同，因此其燃燒過程的特點不同，柴油自燃溫度較低（約335左右），壓縮后能自行點火燃燒；汽油自燃溫度較高（約415530），必須點火才能保證每循環可靠燃燒。所以柴油機是壓燃式，汽油機是點燃式。（2）柴油機的燃燒特點是邊噴油邊燃燒，燃燒持續時間較長，所以其燃燒過程近似為定容燃燒和定壓燃燒兩個階段；而汽油機是汽油與空氣先在汽化器中混合，然后在壓縮過程結束后，活塞接近上止點時一次性全部進入氣缸并點火燃燒，燃燒過程非常迅速，因此其燃燒過程近似為定容燃燒。定容加熱的理想循環稱為奧托（Otto）循環。

20、煤氣機與汽油機的燃燒特點相同。有些柴油機，其燃燒過程為定壓加熱過程。2. 活塞式內燃機的理想循環圖由于一切實際過程都是不可逆的，而且實際內燃機有進、排氣過程，所以實際循環為開式的不可逆循環，進排氣過程總體是耗功過程。此外，由于噴油燃燒過程，循環中工質的質量、成分也在變化。但為了便于對循環進行理論分析，必須忽略一些次要因素，對實際循環進行合理地抽象和簡化。具體簡化方法如下：1）由于進、排氣過程的耗功量相對較小，故不考慮進、排氣過程，將系統取作閉口系，即將開式循環抽象為閉式循環；2）把循環工質簡化為定比熱、理想氣體空氣；3）把燃料燃燒的加熱過程簡化為空氣的可逆吸熱過程，把排氣過程簡化為空氣的可逆放

21、熱過程，認為工質無化學變化；4）壓縮、膨脹過程簡化為可逆絕熱(定熵)過程。通過上述簡化，實際的開式不可逆循環被抽象簡化為閉式的理想循環圖，又稱空氣標準循環。這種抽象簡化方法同樣適用于其他以氣體為工質的熱機循環。幾種內燃機典型循環的理想循環圖如圖8.6所示。 （a）混合加熱 （b） 定容加熱（otto cycle） （c）定壓加熱（diesel cycle）圖8.6 幾種內燃機典型循環的理想循環圖（圖中p小寫、斜體；T斜體）上圖（a）為四沖程混合加熱柴油機循環，現代柴油機應用較多。其中12為定熵壓縮過程；23為定容加熱過程；34為定壓加熱過程；45為定熵膨脹過程；51為定容放熱過程。圖（b）為四

22、沖程汽油機循環，與圖（a）相比，只是沒有定壓加熱過程，其余過程相同。圖（c）為早期柴油機循環，近年來，有些高增壓柴油機及船用高速柴油機，噴油較晚，其燃燒過程也近似為定壓加熱過程，該循環沒有定容加熱過程，其余過程與圖（a）相同。3. 循環特性參數循環特性參數有：壓縮比 =v1 /v2，反映工質在燃燒前被壓縮的程度；定容升壓比=p3 /p2，表示定容加熱過程中壓力升高的程度；定壓預脹比= v4 /v3，表示定壓加熱過程中容積增大的程度。這些參數反映了循環的主要特征。柴油機的燃燒特點是邊噴油邊燃燒，定容升壓比較小，因此，其壓縮比可以設計得較大些。反之，汽油機定容升壓比較大，因此，其壓縮比較小，否則機

23、械負荷太高。通常柴油機的壓縮比在1420的范圍內，汽油機的壓縮比在712的范圍內。三、 循環的功、熱和熱效率動力循環的分析計算主要包括循環中工質的吸熱量、放熱量、循環凈功和熱效率，目的是找到提高熱效率的方法或途徑，提高熱機的經濟性。1、循環的功、熱和熱效率的計算下面仍以四沖程混合加熱柴油機為例進行分析。循環中1kg工質從高溫熱源的吸熱量q1為 （8.7）向低溫熱源的放熱量q2為 （8.8）循環的凈功量為 （8.9）循環熱效率為 （8.10）對定容加熱和定壓加熱循環，公式（8.7）（8.10）同樣適用，只是定容加熱循環沒有定壓加熱量，定壓加熱循環沒有定容加熱量。由以上式（8.7）（8.10）知，

24、求出理想循環圖各點的溫度后，活塞式內燃機的吸熱量、放熱量、循環凈功和熱效率便很容易計算。2、熱效率與循環特性參數之間的關系為了探究熱效率與循環特性參數之間的關系，把循環熱效率表示為循環特性參數的函數。對混合加熱循環，12為定熵過程，所以有23為定容過程, 有34為定壓過程, 有又由于12和45過程均為定熵過程，有 兩式相除，并注意到v1=v5、 v2=v3、 p3=p4，可推得51為定容過程，所以將以上各特征點的溫度值代入式（8.10）可得 （8.11）由式（8.11）知，混合加熱循環的熱效率隨壓縮比和定容升壓比的增大而提高，隨定壓預脹比的增大而降低。這是由于和增大，循環的平均吸熱溫度提高，而

25、平均放熱溫度不變；而增大使和都增大，但吸熱為定壓過程，放熱為定容過程，定容線比定壓線陡，所以增大使增大的量小于增大的量，總體上相當于提高了，所以熱效率降低。用類似的方法，可推得定容加熱循環熱效率與循環特性參數之間的關系式為 （8.12）定壓加熱循環熱效率與循環特性參數之間的關系式為 （8.13）式（8.12）和（8.13）也可看作是式（8.11）取=1（定容加熱）和=1（定壓加熱）時的特例。綜上可知，對不同的活塞式內燃機循環，循環特性參數對熱效率的影響相同，即和增大，減小，熱效率提高。從而指出了提高循環熱效率的途徑。例8.3 某內燃機混合加熱循環，壓縮始點工質的溫度t1 =40，壓縮比=15，

26、t4 =1600，=1.8，工質視為空氣，取空氣的定壓比熱cp=1.005 kJ/（kgK），=1.4，求循環中1kg工質的吸熱量、放熱量、循環功及熱效率。解 本題的關鍵是求出混合加熱循環各點的溫度，本題需求t2、 t3、和 t5。由前面推出的公式，有34為定壓過程，有由 循環中1kg工質的吸熱量放熱量循環功 熱效率例8.4 某四沖程定容加熱汽油機，壓縮比=8.6，p1=0.1MPa，t1=18，每kg工質的吸熱量q1=430 kJ/kg。求發動機的熱效率及加熱過程終了3點的溫度和壓力。（工質視為空氣，定容比熱cV=0.718 kJ/（kgK），=1.4）解 定容加熱循環的熱效率為3點的溫度利

27、用每kg工質的吸熱量求得，由得 第四節 蒸氣壓縮制冷循環制冷循環是一種逆向循環，它是通過制冷工質的循環過程將熱量從低溫物體轉移至高溫物體。根據熱力學第二定律，熱量從低溫物體移至高溫物體時，外界必須付出代價，這種代價通常是消耗機械功。該逆向循環的目的有兩個，一是使某個小環境（如冷庫、冷藏室、夏季空調房間等）獲得并維持低于外界環境的溫度，稱為制冷循環；二是使某個小環境（如冬季供暖房間等）獲得并維持高于外界環境的溫度，稱為熱泵循環。衡量制冷循環和熱泵循環經濟性的指標都可用性能系數（COP）來表示，它等于獲得的收益與付出的代價之比。具體對于制冷循環COP就是制冷系數，而對于供熱循環COP則為供熱系數。

28、本節重點分析制冷循環，供熱循環的熱力學原理與制冷循環相同。實現制冷的途徑有多種，不同的制冷方法適用于不同的場合或不同的工作溫度范圍。根據制冷溫度的不同，可分為普通制冷、深度制冷、及低溫和超低溫制冷三類。空氣調節用制冷技術屬于普通制冷，主要采用壓縮制冷、吸收式制冷、蒸氣噴射制冷以及半導體制冷等方法。壓縮制冷又根據工質的不同，分為蒸氣壓縮制冷和空氣壓縮制冷兩種。本節主要介紹蒸氣壓縮制冷循環的工作原理及制冷量、耗功量及制冷系數的計算。一、蒸氣壓縮制冷循環的工作原理蒸氣壓縮制冷理想循環逆卡諾循環由于同溫限間卡諾循環的經濟性指標最高，且在濕蒸氣區定壓過程也是定溫過程，故理論上蒸氣壓縮制冷循環可以實現逆卡

29、諾循環，所以制冷理想循環即為逆卡諾循環。蒸氣壓縮制冷裝置的組成及蒸氣壓縮制冷理想循環T-s圖如圖8.7所示。12過程中，制冷劑在壓縮機中從濕蒸氣狀態被定熵壓縮至干飽和蒸氣狀態，目的是使制冷劑溫度升高到高于冷凝器中冷卻水的溫度；23過程中，制冷劑在冷凝器中定壓冷卻放熱，釋放潛熱給冷卻水，制冷劑從干飽和蒸氣變為飽和液體；34為制冷劑在膨脹機中的定熵膨脹過程，目的是使制冷劑溫度降低到低于蒸發器（冷藏室）中的溫度； 41為制冷劑在蒸發器（冷藏室）中的定壓吸熱過程，過程中制冷劑吸熱氣化。通過上述循環便達到了將熱量從低溫物體轉移至高溫物體的目的。其中12的壓縮過程消耗外功，34的膨脹過程對外做功。由于34

30、過程中只有少量液體氣化，體積變化不大，所以該過程的膨脹功很小。 圖8.7 蒸氣壓縮制冷裝置的組成及理想循環T-s圖圖中坐標T（斜體）、s（小寫）p（斜體）（小寫）設環境溫度為T0，結合上面的T-s圖，理想制冷循環的制冷系數為討論理想循環的目的主要是它從理論上指出了提高制冷循環經濟性的重要方向。高、低溫熱源的溫差越小，循環耗功量越小，制冷系數越大。因此，在環境溫度一定的條件下，實際制冷循環也應避免維持不必要的過低的冷源溫度，以減少能耗，提高經濟性。2、蒸氣壓縮制冷理論循環理想循環在理論上是經濟的，但實際可行性較差。主要問題有以下2點：（1）壓縮機吸入的是濕蒸氣，其中落在氣缸壁上的液珠，在受到壓縮

31、后溫度升高氣化時，會產生很大的爆破力，對氣缸壁造成液擊，破壞氣缸壁的表面強度。（2）膨脹機結構復雜，機件特別小，摩阻大，成本高，而且不易調節。其所做的膨脹功很小，以致所獲得的膨脹功有可能不足以克服機器本身的摩擦阻力，得不償失。針對以上問題，為避免液擊，采取用干壓縮代替濕壓縮的方法，即保證進入壓縮機的蒸氣為干蒸氣，這樣雖然壓縮機的耗功量有所增加，但制冷量同樣也有所增加，而且提高了壓縮機的工作可靠性和壽命。另外，用節流閥代替膨脹機，制冷量雖有所減小，但結構簡單，同時還便于根據負荷變化調節進入蒸發器的制冷劑流量。改進后的循環稱為蒸氣壓縮制冷理論循環，其裝置的組成及制冷循環T-s圖如圖8.8所示。7

32、圖8.8 改進后的蒸氣壓縮制冷裝置及理論循環T-s圖圖中坐標T（斜體）、s（小寫）上圖中，12：從蒸發器出來的干飽和蒸氣在壓縮機中被定熵壓縮為過熱蒸氣；23：過熱蒸氣在冷凝器中定壓冷卻為飽和液體；34：飽和液體經節流閥絕熱節流（不可逆），節流后的工質壓力、溫度均降低；41：制冷劑液體在蒸發器中定壓吸熱氣化為干飽和蒸氣。從而達到從低溫吸熱、向高溫放熱的目的。3、蒸氣壓縮制冷理論循環的制冷量、耗功量及制冷系數制冷量為制冷劑工質在蒸發器中的定壓吸熱量，由穩流系能量方程，單位質量制冷劑的制冷量（又稱制冷能力）為 （8.14）由于工質在壓縮機中為定熵壓縮，所以壓縮機的耗功量wc（亦即循環耗功量w0）為

33、（8.15）由于絕熱節流前后焓不變，即h3=h4，因此循環的制冷系數為 （8.16）在圖8.8的T-s圖上，制冷量q2可以用蒸發過程41以下的面積表示，但由于34的絕熱節流過程為不可逆過程，所以在T-s圖上面積1-2-3-4-1不代表循環耗功量w0。由式（8.14）（8.16）知，制冷量、耗功量及制冷系數均與焓有關，各點的焓值可根據制冷劑工質的熱力性質表或制冷劑壓焓圖（lg p-h圖）查得，進而進行循環計算分析。用lg p-h圖表示的蒸氣壓縮制冷理論循環如圖8.9所示。在圖中制冷量q2、放熱量q1、耗功量w0的大小都可以直觀地用線段表示，顯而易見，制冷劑在冷凝器中的定壓放熱量等于工質在蒸發器中

34、的定壓吸熱量與在壓縮機中耗功量之和，即蒸氣壓縮制冷的理論循環與逆卡諾循環一樣，提高蒸發溫度、降低冷凝溫度，制冷系數增大。工程上為進一步提高制冷系數，常采用過冷措施，如圖8.10所示，在冷凝器中處于狀態4的飽和液體被進一步冷卻至狀態4的未飽和液體，然后絕熱節流膨脹至5，顯然制冷量q2增加，但耗功量w0不變，所以制冷系數增大。此外，為確保進入壓縮機的蒸氣不含液滴，實際循環進入壓縮機的蒸氣有一定過熱度。 圖8.9蒸氣壓縮制冷理論循環圖 圖8.10 采用過冷措施的蒸氣壓縮制冷理論循環圖8.9中，變量全部斜體、小寫； 圖8.10中，坐標改為lg p-h4、制冷劑的lg p-h圖雖然不同的制冷劑有其各自的

35、lg p-h圖，但是它們有共同的特點和規律。與水蒸氣一樣，制冷劑蒸氣同樣有一點（臨界點）、二線（飽和液體線與干飽和蒸氣）、三區（未飽和液體區、濕蒸氣區、過熱蒸氣區）、五態（未飽和液體、飽和液體、濕蒸氣、干飽和蒸氣、過熱蒸氣）。圖8.11為制冷劑lg p-h圖上各等參數線（等溫線、等熵線、等比容線、等干線）的變化趨勢簡圖。 圖8.11 lg p-h圖上各等參數線的變化趨勢（上圖中，變量全部斜體，除T外全部小寫）圖8.12和 8.13是目前2種常用制冷劑氨（NH3）和氟利昂R134a（HCFC134a）的lg p-h圖。為查取方便，圖中縱坐標為對數刻度，但數值為實際壓力值，無需進行對數轉換。例8.

36、5 一蒸氣壓縮制冷理論循環，其蒸發溫度為-20，冷凝溫度為27，制冷量Q2=1kW，制冷劑工質為R134a，求該循環單位質量制冷劑的制冷量q2、耗功量w0、冷凝器中的放熱量q1、制冷系數、制冷劑流量qm及壓縮機的耗功率Pc。解 查R134a的lg p-h圖（圖8.13），得，所以 制冷劑流量 壓縮機的耗功率 討論：上例中各點的焓值是通過查R134a的lg p-h圖得到的，有一定誤差。各點較精確的焓值可通過查R134a的蒸氣表得到。圖8.12 氨(NH3)的壓焓圖圖8.13 R134a 的壓焓圖本章小結一、重點再現1、活塞式壓氣機（1） 活塞式壓氣機的工作原理；3種不同壓縮過程的特點及耗功量計算

37、，壓氣機省功的方法。（2）余隙容積和增壓比對活塞式壓氣機容積效率的影響，采用多級壓縮、級間冷卻時確定最佳壓力比的原則及最佳壓力比的計算。（3）對多級壓縮、級間冷卻壓氣機進行計算時，總是以總耗功最小為原則，選擇最佳中間壓力，且認為級間冷卻可以將氣體冷卻至初溫，因此，各級增壓比相等，各級氣體的溫升相等，各級壓縮過程的放熱量相等、各級間冷卻器的散熱量相等，各級壓氣機的耗功量相等。由此給計算帶來很多方便，如：單級壓縮氣體的出口溫度等于最終壓縮氣體的出口溫度；總耗功等于單級耗功乘以級數等。2、活塞式內燃機（1）活塞式內燃機的工作原理，定容加熱、定壓加熱、混合加熱理想循環的p-v圖和T-s圖，循環的吸熱量

38、、放熱量、循環功、熱效率計算。（2）循環特性參數及其對熱效率的影響。3、蒸氣壓縮制冷循環(1) 蒸氣壓縮制冷循環的工作原理，蒸氣壓縮制冷理論循環的T-s圖和lg p-h圖，理論循環制冷量q2、放熱量q1、耗功量w0、制冷系數的計算，提高制冷系數的方法。本章重點是要掌握各種熱力循環的工作原理，會畫各種理論循環圖（p-v圖、T-s圖及制冷循環的lg p-h圖），并能對循環進行正確的能量分析和計算，而且會分析影響循環經濟性的因素，從而掌握提高循環經濟性的方法和途徑。二、難點突破1、活塞式壓氣機注意區分壓縮過程耗功與壓氣機耗功的概念。壓縮過程耗功是閉口系的容積功w，而壓氣機耗功是穩流系的技術功wt，計

39、算時應選用不同的公式。2、活塞式內燃機（1）將定容加熱循環（otto循環）和定壓加熱循環(diesel循環)看作是混合加熱循環的2個特例，3種循環只是吸熱過程不同，而其余過程都相同。（2）循環功的計算不要計算每一個過程的功量，這樣太繁瑣，最好直接利用公式（3）由于吸熱量、放熱量、循環功的計算是動力循環的基本計算，所以用基本公式計算熱效率很方便，因此一般不用式（8.11）（8.13）計算（除非如例8.4特別方便），僅用它們分析影響熱效率的因素。3、蒸氣壓縮制冷循環在蒸氣壓縮制冷理論循環的計算中，通常已知蒸發溫度T1和冷凝溫度T3(或初壓p1和終壓p2)，由于進入壓氣機之前，制冷劑工質為干飽和蒸氣

40、，可根據T1(或p1)確定該點的焓h1和熵s1；h2可根據p2和s1 (s1= s2)來確定；h3為p2對應的飽和液體焓；絕熱節流h3= h4。然后就可很容易地進行理論循環制冷量q2、放熱量q1、耗功量w0、制冷系數的計算。三、典型例題分析由于本章是針對不同的熱工設備進行循環分析計算，各節內容自成體系，為方便學習，典型例題已分別列于相應的各節之后。思 考 題8.1 在活塞式壓氣機中，如果采取了有效的冷卻措施，氣體在壓氣機氣缸中已經能夠按定溫過程壓縮，這時是否還需要采用多級壓縮？為什么？解答：定溫壓縮是保證在壓縮過程中功耗最小，但是當活塞式壓氣機單級增壓比較大時，會嚴重降低容積效率，使產氣量大大

41、減少，此時就需要采用多級壓縮。8.2 如果活塞式壓氣機為多變壓縮過程，采用多級壓縮、級間冷卻后比單級壓縮省功。如果活塞式壓氣機為定溫壓縮過程，是否在采用多級壓縮時仍需級間冷卻？多級壓縮是否仍比單級壓縮省功？解答：如果活塞式壓氣機為定溫壓縮過程，在采用多級壓縮時就無需級間冷卻。多級壓縮也不比單級壓縮省功。因為采用多級壓縮、級間冷卻就是使壓縮過程接近定溫壓縮（分級無窮多時為定溫過程），對多變壓縮和定熵壓縮過程，采用多級壓縮、級間冷卻后比單級壓縮省功；但如果活塞式壓氣機就是定溫壓縮過程，采用多級壓縮就不省功。但實際情況不可能達到完全定溫壓縮，所以實際壓氣機采用多級壓縮時仍需級間冷卻，采用多級壓縮、級

42、間冷卻后一定比單級壓縮省功。8.3 既然內燃機的壓縮過程需要耗功，為什么在燃燒前都有壓縮過程？解答：因為對動力循環，提高吸熱溫度、降低放熱溫度有利于提高循環的熱效率，而燃燒前的壓縮過程就是為了提高工質的吸熱溫度。從熱力學第二定律的角度看，燃燒同樣的燃料產生的熱量相同，但由于壓縮后燃料產生的熱量所處的溫度高，而溫度高的熱量比溫度低的熱量品質高，因此轉換為機械能的份額較大，熱效率較高。8.4 在氣缸機械負荷極限(最高壓力)和熱負荷極限(最高溫度)一定的條件下，柴油機混合加熱循環的熱效率一般高于汽油機定容加熱循環，其主要原因是什么？解答：由混合加熱循環和定容加熱循環的p-v圖和T-s圖可知，燃燒結束時氣缸承受的機械負荷和熱負荷最大。所以利用混合加熱循環的T-s圖分析可知，在4