第五章 蒸汽动力循环与制冷循环
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克劳德循环（CLAUDE Cycle ）
∆H = Q + WS ⇒ ∆H = 0 ⇒ ∑ H 入 = ∑ H出
入
Q
∑H ∑H
x=
=H 2 + (1 − M )H 4 = (1 − M )H 3 + xH 9 + (1 − x ) H 1
出
∴
(H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 )
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 1）工作原理和T-S图
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 高压气体经冷却器和第一换热器冷却后（3点）， 一部分经第二、第三换热器冷却到节流膨胀所需的 低温（6点），另一部分送进膨胀机作功，膨胀后 的低温气体（4点）与第三换热器来的低压气体合 并，送入第二换热器作冷却介质用。采用这一措施， 减少了高压气体的量，增加了作为冷却介质的低压 气体的量，因而可将高压气体冷却到更低的温度， 从而提高了液化率，同时还可以回收一部分有用功。 但要注意，高压气体进膨胀机的状态要慎重选定， 保证膨胀后不产生液体，以防引起破坏性震动。
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 理想情况 P
WSR = RT1 ln
2
实际情况
P 1
− (1 − M )(H 3 − H 4 )
RT1 P2 WS = ln − (1 − M )(H 3 − H 4 )ηm ηT P 1 RT1 P2 = ln − η S (1 − M )(H 3 − H 4 ' )ηm ηT P 1
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 克劳德循环的优点主要表现在： ⑴减少了高压气体量，增加了作为冷却 介质的低压气体量； ⑵提高了液化率； ⑶回收了部分功。
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 2）热力学计算 ⑴液化量x：
以图中虚线作为研究体系
5.5 深度冷冻循环
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle）
H1 − H 2 x= H1 − H 0
这是理论液化量，实际中由于考虑到换热 器的不完全换热，以及冷量损失，所以较 理论量少。实际液化量为
H 1 − H 2 − q 2 − q3 x= H1 − H 0
q 2 = (1 − x )Cp∆T
换热器不完全交换
每液化1Kg的气体所消耗的功称为比功(耗)
WS RT1 P2 Wx = ln = x ηT x P 1
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ④制冷系数
q0 H 1 − H 2 x ( H 1 − H 0 ) H 1 − H 0 ε= = = = Wx WS WS WS
一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目 前只有小型气体分离，液化装置如小型空分装 置还有使用
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 深冷与普冷是有区别的。主要表现在： 普冷：两个封闭式循环，制冷循环与被 冷物系是两种物质，是封闭循环。 深冷：制冷循环与分离或液化物质是同 一种物质，且是不封闭循环
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle）
⑵热力学计算（以处理1Kg气体为基准） 林德循环的基本计算主要是液化量、耗 功量和制冷量 ①气体液化量（液化率）x 定义：液化率就是1Kg被处理的气体所能 产生的液体Kg数
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 取换热器、节流阀、气液分离器为研究 体系
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 由热力学第一定律
∆H = Q + WS
WS = 0
∆H = 0
Q=0
⇒ ∑ H 入 = ∑ H出
∴
H 2 = xH 0 + (1 − x )H 1
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 实例 P155 例6-10
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 克劳德循环（CLAUDE Cycle ）
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ）
在简单的林德循环中，由于高压气 体的相对量大和热容大，用未冷凝 的低压气体无法将其冷却到足够的 低温，克劳德循环通过增设一台膨 胀机来解决这一矛盾
第五章 蒸汽动力循环与制冷循环
5.1 蒸汽动力循环 5.2 制冷循环 5.3 气体的压缩 5.4 膨胀过程 5.5 深度冷冻循环
5.5 深度冷冻循环
深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体，由 纯物质的P-T相图知：当气体温度高于其临界 温度时，无论加多大的压力都不能使其液化， 因此，气体的临界温度越低，所需的液化温度 也越低。为了使这些难液化的气体液化，必须 设法将其温度降低到大气温度以下，这就需要 深度冷冻。利用一次节流膨胀液化气体是最简 单的气体液化循环。1895年德国工程师Linde 首先应用此法液化空气，故称为简单的林德循 环
q 0 = (H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 )
q 0 = (H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 ) − q 2 − q3
与林德循环相比较，制冷量多出
(1 − M )(H 3 − H 4 )
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） ⑶功耗WS 在理想情况下，气体在膨胀机中的膨胀 过程是等熵过程，在图中用3-4`线表示。 实际上由于各种损失使它偏离等熵过程， 而是有熵增的过程，在图中用线3-4表示
q3
冷量损失
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ②制冷量 q 0
在稳定操作下，液化xKg气体所取走的热量
理论制冷量
q 0 = x (H 1 − H 0 ) = H 1 − H 2
q 0 = x (H 1 − H 0 ) − q 2 − q 3 = H 1 − H 2 − q 2 − q 3
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 克劳德循环（CLAUDE Cycle ）
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ⑴工作原理和T-S图
此系统由压缩机、 冷却器、换热器、 节流阀与气液分 离器组成
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 常温T1、常压P1的气体经过压缩至高压P2（由 于压缩比很大，实际上是多级压缩组成的，可 视为等温压缩）。高压气体经冷却器冷至常温 T1（点 2）后，经换热器冷却到适当的温 度 （点3），然后经节流阀膨胀变为压力为P1 的 气体混合物（点4）送入气液分离器，饱和液 体沉降于分离器底部，未液化的气体（点5） 送入热交换器与点2的高压气体换热，自身温 度回升返回到压缩机。
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 3）应用举例 P157 例6-11
第五章 蒸汽动力循环与制冷循环
5.1 蒸汽动力循环 5.2 制冷循环 5.3 气体的压缩 5.4 膨胀过程 5.5 深度冷冻循环
实际制冷量
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ③功耗 W 液化循环装置的功量消耗是用于对气体 的压缩。如果按理想气体的可逆等温压 缩考虑，对体系所作轴功为
Swenku.baidu.com
RT1 P2 WS = ln P ηT 1
ηT——压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.59
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 比功 W x
H1 − H 9
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 若考虑不完全热交换损失q2 和系统的冷 损失q3，实际的液化量为
x=
(H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 ) − q 2 − q3
H1 − H 9
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） ⑵制冷量q0 理论制冷量： 实际制冷量：
∆H = Q + WS ⇒ ∆H = 0 ⇒ ∑ H 入 = ∑ H出
入
Q
∑H ∑H
x=
=H 2 + (1 − M )H 4 = (1 − M )H 3 + xH 9 + (1 − x ) H 1
出
∴
(H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 )
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 1）工作原理和T-S图
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 高压气体经冷却器和第一换热器冷却后（3点）， 一部分经第二、第三换热器冷却到节流膨胀所需的 低温（6点），另一部分送进膨胀机作功，膨胀后 的低温气体（4点）与第三换热器来的低压气体合 并，送入第二换热器作冷却介质用。采用这一措施， 减少了高压气体的量，增加了作为冷却介质的低压 气体的量，因而可将高压气体冷却到更低的温度， 从而提高了液化率，同时还可以回收一部分有用功。 但要注意，高压气体进膨胀机的状态要慎重选定， 保证膨胀后不产生液体，以防引起破坏性震动。
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 理想情况 P
WSR = RT1 ln
2
实际情况
P 1
− (1 − M )(H 3 − H 4 )
RT1 P2 WS = ln − (1 − M )(H 3 − H 4 )ηm ηT P 1 RT1 P2 = ln − η S (1 − M )(H 3 − H 4 ' )ηm ηT P 1
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 克劳德循环的优点主要表现在： ⑴减少了高压气体量，增加了作为冷却 介质的低压气体量； ⑵提高了液化率； ⑶回收了部分功。
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 2）热力学计算 ⑴液化量x：
以图中虚线作为研究体系
5.5 深度冷冻循环
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle）
H1 − H 2 x= H1 − H 0
这是理论液化量，实际中由于考虑到换热 器的不完全换热，以及冷量损失，所以较 理论量少。实际液化量为
H 1 − H 2 − q 2 − q3 x= H1 − H 0
q 2 = (1 − x )Cp∆T
换热器不完全交换
每液化1Kg的气体所消耗的功称为比功(耗)
WS RT1 P2 Wx = ln = x ηT x P 1
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ④制冷系数
q0 H 1 − H 2 x ( H 1 − H 0 ) H 1 − H 0 ε= = = = Wx WS WS WS
一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目 前只有小型气体分离，液化装置如小型空分装 置还有使用
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 深冷与普冷是有区别的。主要表现在： 普冷：两个封闭式循环，制冷循环与被 冷物系是两种物质，是封闭循环。 深冷：制冷循环与分离或液化物质是同 一种物质，且是不封闭循环
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle）
⑵热力学计算（以处理1Kg气体为基准） 林德循环的基本计算主要是液化量、耗 功量和制冷量 ①气体液化量（液化率）x 定义：液化率就是1Kg被处理的气体所能 产生的液体Kg数
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 取换热器、节流阀、气液分离器为研究 体系
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 由热力学第一定律
∆H = Q + WS
WS = 0
∆H = 0
Q=0
⇒ ∑ H 入 = ∑ H出
∴
H 2 = xH 0 + (1 − x )H 1
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 实例 P155 例6-10
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 克劳德循环（CLAUDE Cycle ）
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ）
在简单的林德循环中，由于高压气 体的相对量大和热容大，用未冷凝 的低压气体无法将其冷却到足够的 低温，克劳德循环通过增设一台膨 胀机来解决这一矛盾
第五章 蒸汽动力循环与制冷循环
5.1 蒸汽动力循环 5.2 制冷循环 5.3 气体的压缩 5.4 膨胀过程 5.5 深度冷冻循环
5.5 深度冷冻循环
深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体，由 纯物质的P-T相图知：当气体温度高于其临界 温度时，无论加多大的压力都不能使其液化， 因此，气体的临界温度越低，所需的液化温度 也越低。为了使这些难液化的气体液化，必须 设法将其温度降低到大气温度以下，这就需要 深度冷冻。利用一次节流膨胀液化气体是最简 单的气体液化循环。1895年德国工程师Linde 首先应用此法液化空气，故称为简单的林德循 环
q 0 = (H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 )
q 0 = (H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 ) − q 2 − q3
与林德循环相比较，制冷量多出
(1 − M )(H 3 − H 4 )
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） ⑶功耗WS 在理想情况下，气体在膨胀机中的膨胀 过程是等熵过程，在图中用3-4`线表示。 实际上由于各种损失使它偏离等熵过程， 而是有熵增的过程，在图中用线3-4表示
q3
冷量损失
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ②制冷量 q 0
在稳定操作下，液化xKg气体所取走的热量
理论制冷量
q 0 = x (H 1 − H 0 ) = H 1 − H 2
q 0 = x (H 1 − H 0 ) − q 2 − q 3 = H 1 − H 2 − q 2 − q 3
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 克劳德循环（CLAUDE Cycle ）
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ⑴工作原理和T-S图
此系统由压缩机、 冷却器、换热器、 节流阀与气液分 离器组成
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 常温T1、常压P1的气体经过压缩至高压P2（由 于压缩比很大，实际上是多级压缩组成的，可 视为等温压缩）。高压气体经冷却器冷至常温 T1（点 2）后，经换热器冷却到适当的温 度 （点3），然后经节流阀膨胀变为压力为P1 的 气体混合物（点4）送入气液分离器，饱和液 体沉降于分离器底部，未液化的气体（点5） 送入热交换器与点2的高压气体换热，自身温 度回升返回到压缩机。
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 3）应用举例 P157 例6-11
第五章 蒸汽动力循环与制冷循环
5.1 蒸汽动力循环 5.2 制冷循环 5.3 气体的压缩 5.4 膨胀过程 5.5 深度冷冻循环
实际制冷量
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ③功耗 W 液化循环装置的功量消耗是用于对气体 的压缩。如果按理想气体的可逆等温压 缩考虑，对体系所作轴功为
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RT1 P2 WS = ln P ηT 1
ηT——压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.59
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 比功 W x
H1 − H 9
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 若考虑不完全热交换损失q2 和系统的冷 损失q3，实际的液化量为
x=
(H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 ) − q 2 − q3
H1 − H 9
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） ⑵制冷量q0 理论制冷量： 实际制冷量：