制冷的热力学基础

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,制 冷 原 理 与 技 术,第一章制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,第二节 绝热膨胀制冷,第三节 制冷热力学特性分析,IRT of USST:Wu Weidong,第一章制冷的热力学基础,制冷过程：,实现从低温热源吸热，消耗一个能量（电、热、势）补偿，向高温热源放热。,这个过程必须遵从热力学第一定律和热力学第二定律。,制冷的基本方法：,1,、相变制冷,2,、气体绝热膨胀制冷,3,、气体涡流制冷,4,、热电制冷,IRT of USST:Wu Weidong,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,一、物质的相变特性,基本知识：,1,、物质的相、,相变（固、气、液）,2,、成分,3,、相图,4,、自由度,5,、相律,IRT of USST:Wu Weidong,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,一、物质的相变特性,基本知识：,纯质：水，三相（冰、水、汽），相图,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,一、物质的相变特性,混合物：盐水，相图,R22/R12,基本知识：,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,一、物质的相变特性,能量：吸热,状态：液 气,（一）液,-气,气化热：,特 性：与压力有关，不同压力不一样,与材料有关，不同物质不一样,与状态有关，在临界压力以上为,0,饱和液体比熵、比焓,饱和气体比熵、比焓,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,一、物质的相变特性,热量变化的公式：,物质在气液两相区内的干度：,x,部分气化的热量变化：,特性：干度大，气化热小,单位制冷量,制冷剂的干度,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,2,、固体的升华,状态：固气，吸热,热量：升华热,1,、固体的融化,状态：固液，吸热,热量为熔解热（融化热）：水,335,KJ/KG,（二）固体的融化与升华,3,、冰盐混合物（类似前述的盐水）,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,表1-1,冰的升华压力和对应的升华温度,干冰的三相点：,518,kPa,-56.6C,水的,三相点：,0.61,kPa,0.0C,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,表1-2,冰盐混合时的温度,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,表1-3,一些共晶溶液的物理温度,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,二、压,-,焓图,1,、压,-,焓,图的,结构：,气液相变制冷是主要的制冷方法。,表示其制冷过程和查阅其物性依靠图表。,图表也有很多形式，其中压,-,焓图使用最多,。,过程线：,等压线、等温线、等焓线、等熵线、等容线,.,过冷度,过热度,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,要求,（,1,）,表示过程（吸热或放热）,（,2,）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过热度）：,过程：从点,1,（温度,20C,，,压力,2 bar,）,等熵变化到点,2,（压力,10 bar,）,再等压变化到点,3,（温度,30C,），,再次等焓变化到点,4,（压力,2 bar,），,最后等压回到点,1,。,2,、压,-,焓图的使用,二、压,-,焓图,图,1-1 R134a,的压,-,焓图,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,要求,（,1,）,表示过程（吸热或放热）,（,2,）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过热度）：,过程：从点,1,（温度,20,C，,压力,2,bar）,等熵变化到点,2,（压力,10,bar）,再等压变化到点,3,（温度,30,C），,再次等焓变化到点,4,（压力,2,bar），,最后等压回到点,1。,2,、压,-,焓图的使用（结果）,二、压,-,焓图,Point T P v h s,C bar m3/kg kJ/kg kJ/(kg K),1 19.997 2.000 0.113940 417.746 1.8236,2 73.598 10.000 0.024651 456.224 1.8236,3 30.004 10.000 N/A 241.469 N/A,4 N/A 2.000 N/A 241.469 N/A,Te C=-10.09,Tc,C=39.39,DT,subcooling,K =9.39,DT superheat K =30.09,第一章 制冷的热力学基础,第一节 相变制冷,要求,（,1,）,表示过程（吸热或放热）,（,2,）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过热度）：,过程：从点,1,（温度,20C,，,压力,2 bar,）,等熵变化到点,2,（压力,10 bar,）,再等压变化到点,3,（温度,30C,），,再次等焓变化到点,4,（压力,2 bar,），,最后等压回到点,1,。,2,、压,-,焓图的使用（结果）,二、压,-,焓图,第一章 制冷的热力学基础,第二节,绝热,膨胀,制冷,气体绝热膨胀的三种方式：,气体制冷机的定义：,引言,利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过来制冷。,令气体经节流膨胀阀膨胀（也称节流）,特点：无外功输出，温降小，制冷量小。,绝热放气制冷，主要用于低温制冷机。,令高压气体经膨胀机膨胀。,特点：有外功输出，温降大，制冷量大；,系统结构较复杂。,（1,）等熵膨胀,（2）等焓膨胀,（3）绝热放气,第一章 制冷的热力学基础,第二节,绝热,膨胀,制冷,一、有外功输出的膨胀过程,表示等熵膨胀的参数有微分等熵效应 和积分等熵效应,积分等熵效应表示某,过程,的特性；,其物理意义为气体等熵膨胀过程全部压降下的温降。,公式为：,T,微分等熵效应表示某,点,的特性；其物理意义为气体等熵膨胀过程下单位压降下的温降。,公式为：,最理想的情况是可逆的绝热膨胀，即等熵膨胀。,第一章 制冷的热力学基础,第二节,绝热,膨胀,制冷,一、有外功输出的膨胀过程,表示等熵膨胀的参数为微分等熵效应 和积分等熵效应,积分等熵效应表示某,过程,的特性；其物理意义为气体等熵膨胀过程全部压降下的温降。,公式为：,T,微分等熵效应表示某,点,的特性；其物理意义为气体等熵膨胀过程下单位压降下的温降。,公式为：,最理想的情况是可逆的绝热膨胀，即等熵膨胀。,第一章 制冷的热力学基础,第二节,绝热,膨胀,制冷,对于理想气体：,故,一、有外功输出的膨胀过程,第一章 制冷的热力学基础,第二节,绝热,膨胀,制冷,在实际膨胀过程，因过程不可逆，总按多变过程膨胀：,一、有外功输出的膨胀过程,对于理想气体经验算后：,第一章 制冷的热力学基础,第二节 绝热膨胀制冷,二、节流膨胀过程,工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流。,设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的焓相等。,该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节流过程段。,节流过程的特点：功、热、压力、温度、焓、熵,节流过程的热力学特征,通过膨胀阀时焓不变,，因阀中存在摩擦阻力损耗，所以它是个,不可逆过程，节流后熵必定增加。,第一章 制冷的热力学基础,第二节 绝热膨胀制冷,微分节流效应也称焦耳-汤姆逊效应，或简称焦-汤效应。,它表示某点的特性；,其物理意义为气体等焓膨胀过程下单位压降下温降。,公式为：,理想气体的,=0,积分节流效应表示某过程的特性；,其物理意义为气体等焓膨胀过程全部压降下的温降。,公式为：,理想气体的,二、节流膨胀过程,表示节流膨胀的参数为微分节流效应和积分节流效应。,第一章 制冷的热力学基础,第二节 绝热膨胀制冷,二、节流膨胀过程,实际气体的微分节流效应公式：,纯,物质在饱和区域内，在相同的起始压力下，有相同的压降就有相同的温降，因此,则有关系式,：,第一章 制冷的热力学基础,第二节 绝热膨胀制冷,二、节流膨胀过程,图1-12,实际气体的等焓节流膨胀,零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。,若节流后气体温度保持不变，这样的温度称为转化温度,。,焦耳汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率,气体,最高转化温度,(,K),气体,最高转化温度,(,K),He,4,45,CO,652,H,2,205,Ar,794,Ne,250,O,2,761,N,2,621,CH,4,939,空气,603,CO,2,1500,NH,3,1994,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,（2,）可逆循环和不可逆循环,（1,）正循环（生产功）和逆循环（消耗功）,本节目的寻找热力学上最佳制冷循环，评价制冷循环,（3,）内部不可逆和外部不可逆,引言：,热工知识：,所有的热力发动机都是。,制冷机和热泵都是。,内部不可逆,：制冷剂在其流动或状态变化过程中因摩擦、挠动及内部不平衡而引起的损失；,外部不可逆,：蒸发器、冷凝器及其他换热器中有温差时的传热损失。,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,循环过程及循环分析,定义及热力学评价：,一、逆卡诺循环,图1-2,逆卡诺循环在,T-S,图上的表示,1-4,过程吸热量：,2-3,过程放热量：,循环过程的消耗功：,1,、无内部和外部不可逆,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,一、逆卡诺循环,图,1-2,逆卡诺循环在,T-S,图上的表示,制冷系数：,制冷系数的特性：,1,、高温高，低温低，制冷系数小,2,、低温比高温对它影响程度大,3,、与循环介质无关,4,、其值可大于,1,，小于,1,，或等于,1,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,循环过程及循环分析,定义及热力学评价：,一、逆卡诺循环,图1-3,有温差传热的不可逆制冷循环,1-4,过程的吸热量：,2-3,过程的放热量：,循环过程的消耗功：,2,、无内部不可逆和,有,外部不可逆,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,一、逆卡诺循环,制冷系数：,热力完善度的特性：,1,、其数值恒小于,1,2,、温差越大，其值越小,热力完善度：,图,1-3,有温差传热的不可逆制冷循环,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,二、洛伦兹循环,图,1-4,变温热源时的逆向可逆循环,洛伦兹循环的制冷系数：,微元的制冷系数：,洛伦兹循环过程的消耗功：,洛伦兹循环与逆卡诺循环对比：,图,1-5,用微元循环来分析洛伦兹循环,洛伦兹循环过程的排热量：,洛伦兹循环过程的制冷量：,L,洛伦兹循环的分析及热力学评价：,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,三、热能驱动制冷循环,以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是卡诺循环制冷机，而第二类循环则是理想的热源驱动逆向可逆循环,三热源循环。,图1-11,两类制冷循环能量转换关系图,(,a),以电能或机械能驱动,(,b),以热能驱动,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,热力学第一定律,-,能量平衡：,热力学分析及热力学评价：,三、热能驱动制冷循环,图1-6,三热源制冷系统图,经济性评价指标,-,热力系数,热力学第二定律,-,熵增为,0,：,分析模型见图,1-6,。,三热源的热力系数推导式：,定义式：,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,三、热能驱动制冷循环,图,1-6,三热源制冷系统图,热力系数的特性：,1,、热力系数小于逆卡诺循环系数，但是比较基准不一样。,2,、热力系数随高温热源提高，低温热源提高，环境温度降低，而提高。,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,系统制冷量的计算方法：,制冷系数表达式,（系统冷量表达）,四、压缩蒸气制冷循环,图,1-7,单级压缩蒸气制冷机的流程图,单位容积制冷量：,压机每吸入单位体积制冷剂蒸汽的所制取冷量,压缩蒸气制冷循环,4,大件：压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器,制冷系数表达式,（比冷量表达）,与制冷剂、吸气状态有关,第一章 制冷的热力学基础,第三节 制冷热力学特性分析,热泵循环的评价：,区别,：（,1,）两者目的不同；（,2,）两者的工作温度区间不同,五、热泵循环,热泵系数与制冷