工程热力学1316.ppt

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1、工程热力学1316 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望在工程上，制冷意味着维持系统温度低于环境温在工程上，制冷意味着维持系统温度低于环境温度。度。逆向卡诺循环从低温热源除去热量，并将这部分逆向卡诺循环从低温热源除去热量，并将这部分热量连同传递这些热量所必需的功一起传递给高热量连同传递这些热量所必需的功一起传递给高温热源。在这种情况下的被制冷的系统就是该低温热源。在这种情况下的被制冷的系统就是该低温热源。温热源。实际制冷系统的三种主要类型是蒸汽压缩制冷循

2、实际制冷系统的三种主要类型是蒸汽压缩制冷循环、气体压缩制冷循环和吸收式制冷循环。环、气体压缩制冷循环和吸收式制冷循环。2 213.1 制冷机和热泵热量从低温区域传递到高温区域需要特殊的循环热量从低温区域传递到高温区域需要特殊的循环装置，称为制冷机。装置，称为制冷机。制冷循环中用的工质称作制冷剂。制冷循环中用的工质称作制冷剂。制冷机耗功制冷机耗功WWnetnet ，从温度为，从温度为T TL L（低于环境温度）（低于环境温度）的制冷空间除去热量的制冷空间除去热量Q QL L，并将热量，并将热量Q QH H传递给温度传递给温度为为T TH H（环境温度）的较热空间，实现热量由低温（环境温度）的较热

3、空间，实现热量由低温区域向高温区域的传递。区域向高温区域的传递。3 3另一种将热量从低温介质传递到高温介质的装置称作热泵。制冷机和热泵实质上是原理相同的装置，仅仅是使用目的不同。制冷机的目的是要排热给环境以维持制冷空间的低温，而热泵的目的是要从环境取热以维持采暖空间的高温。4 4制冷机和热泵的性能都用性能系数COP表示，分别定义为：制冷系数：COPR=冷却效果/输入净功 =QL/Wnet供暖系数：COPHP=加热效果/输入净功 =QH/Wnet制冷系数和供暖系数都可以大于1，并且有COPHP=COPR+15 5对于确定的对于确定的Q QL L和和Q QH H值，因为值，因为COPCOPR R0

4、 0，所以，所以COPCOPHPHP1 1。这意味着热泵在最差的情况下是如同电。这意味着热泵在最差的情况下是如同电阻加热器在工作，供给的能量与房间消耗的能量阻加热器在工作，供给的能量与房间消耗的能量一样多。一样多。事实上，事实上，Q QH H的部分热量通过管道和别的设备总会的部分热量通过管道和别的设备总会散失给外界空气。当外界空气温度很低时散失给外界空气。当外界空气温度很低时COPCOPHPHP值值会小于会小于1 1。这时系统通常转换到用燃料（天然气、。这时系统通常转换到用燃料（天然气、丙烷、油等）或电阻采暖模式。丙烷、油等）或电阻采暖模式。6 6制冷系统的冷量就是制冷空间的排热速率，常常用冷

5、吨表示。能在24小时内将1吨0液态水冻成0的冰的系统制冷能力称为1冷吨。1冷吨等于3.516 kW。一个200 m2的典型住宅的冷负荷在3冷吨(10 kW)之内。7 713.2 逆向卡诺循环在T-s 图上卡诺循环沿逆时针方向进行，也就称为逆向卡诺循环。运行在逆向卡诺循环的制冷机称为卡诺制冷机，运行在逆向卡诺循环的热泵称为卡诺热泵。8 8图13-1a和b分别是运行在湿蒸汽区的逆向卡诺循环的实际系统示意图和其T-s 图。9 9过程1-2是制冷剂从温度为TL的冷源等温吸收热量QL；过程2-3是制冷剂被等熵压缩到温度为TH的干饱和蒸汽状态；过程3-4是制冷剂向温度为TH的热源等温排放热量QH直到饱和液

6、体状态；过程4-1是制冷剂等熵膨胀到温度为TL的初态。1010卡诺制冷机和卡诺热泵的性能系数可用温度表示为COPR,C=TL/(TH-TL)COPHP,C=TH/(TH-TL)这两个性能系数都随温度之差的减小而增加。1111为什么逆向卡诺循环不适合作为制冷循环的模式？为什么逆向卡诺循环不适合作为制冷循环的模式？1 1）因为它涉及过程）因为它涉及过程2-32-3对液体和蒸汽混合物的压缩，压缩对液体和蒸汽混合物的压缩，压缩机要面对两相工质的压缩。机要面对两相工质的压缩。2 2）而过程）而过程4-14-1涉及高湿度制冷剂的膨胀。涉及高湿度制冷剂的膨胀。这些问题好象采用饱和区域外的逆向卡诺循环就能解决

7、，这些问题好象采用饱和区域外的逆向卡诺循环就能解决，但这时很难维持等温吸热和等温放热过程。但这时很难维持等温吸热和等温放热过程。逆向卡诺循环在实际中只用作实际制冷循环的比较标准。逆向卡诺循环在实际中只用作实际制冷循环的比较标准。121213.3 理想蒸汽压缩制冷循环逆向卡诺循环系统存在一些缺点。首先，往复式逆向卡诺循环系统存在一些缺点。首先，往复式压缩机不应运行在湿蒸汽区域，因为在压缩过程压缩机不应运行在湿蒸汽区域，因为在压缩过程中润滑油会被冲走；其次，膨胀机作功与压缩机中润滑油会被冲走；其次，膨胀机作功与压缩机耗功相比很小，并且这种膨胀机的费用会很贵。耗功相比很小，并且这种膨胀机的费用会很贵

8、。图图13-2a13-2a和和b b分别是理想蒸汽压缩制冷循环的实际分别是理想蒸汽压缩制冷循环的实际系统示意图和其系统示意图和其T-s T-s 图。图。1313图13-2 a)理想蒸汽压缩制冷循环示意图 b)理想蒸汽压缩制冷循环的T-s 图 1414它以两种方式解决了这些问题。一是制冷剂吸热直到成为状态点1的饱和蒸汽后再被等熵压缩；二是膨胀过程是不可逆的节流过程，只需要一个膨胀阀或毛细管。吸热过程4-1和放热过程2-3都是等压过程。1515在在T-s T-s 图中，过程曲线下的面积是代表内部可逆过图中，过程曲线下的面积是代表内部可逆过程的传热量。过程曲线程的传热量。过程曲线4-14-1下的面积

9、代表制冷剂在下的面积代表制冷剂在蒸发器中的吸热量。过程曲线蒸发器中的吸热量。过程曲线2-32-3下的面积代表制下的面积代表制冷剂在冷凝器中的放热量。冷剂在冷凝器中的放热量。从图从图13-2b13-2b可知，与湿蒸汽压缩相比，干蒸汽压缩可知，与湿蒸汽压缩相比，干蒸汽压缩需要的功大。需要的功大。由不可逆节流过程产生的制冷效果比等熵膨胀过由不可逆节流过程产生的制冷效果比等熵膨胀过程损失了面积程损失了面积abc abc 4 4。根据经验，蒸发温度提高根据经验，蒸发温度提高1 1或冷凝温度降低或冷凝温度降低1 1可改善可改善COPCOP值值2%4%2%4%。1616图13-3 理想蒸汽压缩制冷循环的lg

10、 p-h图1717在实际制冷热力计算中，经常使用lg p-h图，在图中三个过程是用直线表示，蒸发量和冷凝量是和线段长度有关。以理想蒸汽压缩制冷循环工作的制冷机和热泵的性能系数可表示为COPR=(h1-h4)/(h2-h1)COPHP=(h2-h3)/(h2-h1)181813.4 实际蒸汽压缩制冷循环实际蒸汽压缩制冷循环在某些方面区别于理想蒸汽压缩制冷循环是由于出现在各部件中的不可逆性，主要是流体的流动摩擦引起压降和流体与外界的传热。1919图13-4 实际蒸汽压缩制冷循环的T-s 图2020实际蒸汽压缩制冷循环的一些特征实际上不可能控制制冷剂在蒸发器出口正好是饱实际上不可能控制制冷剂在蒸发器

11、出口正好是饱和状态，而往往是设计成略微带有些过热，以保和状态，而往往是设计成略微带有些过热，以保证制冷剂在进入压缩机之前全部蒸发。证制冷剂在进入压缩机之前全部蒸发。另外，蒸发器和压缩机之间的较长的连接管引起另外，蒸发器和压缩机之间的较长的连接管引起较大的流动摩擦压降和外界对流体的传热。较大的流动摩擦压降和外界对流体的传热。这些过热、压降和传热等因素都使比体积增加，这些过热、压降和传热等因素都使比体积增加，也就使压缩机的输入功率增加，因为稳定流动的也就使压缩机的输入功率增加，因为稳定流动的技术功是与比体积成正比的。技术功是与比体积成正比的。2121同样，实际上不容易正确控制制冷剂在冷凝器出同样，

12、实际上不容易正确控制制冷剂在冷凝器出口正好是饱和液体状态，而往往是设计成略微带口正好是饱和液体状态，而往往是设计成略微带有些过冷，以保证制冷剂在进入节流阀之前全部有些过冷，以保证制冷剂在进入节流阀之前全部凝结。凝结。制冷剂的过冷使蒸发器进口处的焓减小，而可使制冷剂的过冷使蒸发器进口处的焓减小，而可使制冷剂在蒸发器中的制冷量增加，耗功不变，即制冷剂在蒸发器中的制冷量增加，耗功不变，即提高了蒸汽压缩制冷循环的性能，并且过冷后可提高了蒸汽压缩制冷循环的性能，并且过冷后可避免制冷剂在进入节流阀之前的闪蒸。避免制冷剂在进入节流阀之前的闪蒸。在计算中往往假定过冷液的状态就是该温度下的在计算中往往假定过冷液

13、的状态就是该温度下的饱和状态，因为这时的等压线和饱和液体线是十饱和状态，因为这时的等压线和饱和液体线是十分接近的，它们之间的参数差异是非常小的。分接近的，它们之间的参数差异是非常小的。2222压缩过程中的不可逆性引起比熵增加。这时冷量不变，但使压缩机的输入功率增加，性能系数减小。不可逆压缩的影响可用等熵压缩效率来考虑。232313.5 制冷剂在在2020世纪世纪4040年代到年代到9090年代初期，蒸汽压缩制冷系年代初期，蒸汽压缩制冷系统中最常用的制冷剂是含有氯的氟氯碳（统中最常用的制冷剂是含有氯的氟氯碳（CFCsCFCs）。）。制冷剂制冷剂R12R12（CClCCl2 2F F2 2）是其中

14、的一种。）是其中的一种。由于制冷剂中的氯对地球臭氧保护层的影响，已由于制冷剂中的氯对地球臭氧保护层的影响，已经制定国际条约来逐步停止使用经制定国际条约来逐步停止使用CFCsCFCs。已经开发出多种含有氢的制冷剂来代替含氯的制已经开发出多种含有氢的制冷剂来代替含氯的制冷剂。其中一类是不含氯的冷剂。其中一类是不含氯的HFCsHFCs。制冷剂。制冷剂R134aR134a（CFCF3 3CHCH2 2F F）是）是R12R12的环保型替代物，已经的环保型替代物，已经在许多场合代替了在许多场合代替了R12R12。2424制冷剂制冷剂R22R22（CHClFCHClF2 2）是属于）是属于HCFCsHCF

15、Cs这一类，它含这一类，它含有氢原子替代了部分氯原子，但也将逐渐被停止有氢原子替代了部分氯原子，但也将逐渐被停止使用。使用。被广泛应用于早期开发的蒸汽压缩制冷系统中的被广泛应用于早期开发的蒸汽压缩制冷系统中的氨（氨（NHNH3 3），因为它不含氯而可作为），因为它不含氯而可作为CFCsCFCs的替换的替换物被再次得到重视。氨在吸收式制冷系统中也很物被再次得到重视。氨在吸收式制冷系统中也很重要。重要。另外，碳氢物，例如丙烷（另外，碳氢物，例如丙烷（C C3 3H H8 8）和甲烷（）和甲烷（CHCH4 4），），也在被研究用作制冷剂。制冷剂氨、也在被研究用作制冷剂。制冷剂氨、R22R22、R13

16、4aR134a和丙烷的热力参数数据列于附录中。和丙烷的热力参数数据列于附录中。2525制冷剂在蒸发器和冷凝器中的温度分别受到冷源制冷剂在蒸发器和冷凝器中的温度分别受到冷源和热源温度的控制，本身又确定蒸发器和冷凝器和热源温度的控制，本身又确定蒸发器和冷凝器中的运行压力。中的运行压力。因此，制冷剂的选择要考虑其压力因此，制冷剂的选择要考虑其压力-温度关系是否温度关系是否适合应用场合。适合应用场合。另外也要考虑化学稳定性、有毒性、腐蚀性和成另外也要考虑化学稳定性、有毒性、腐蚀性和成本。本。压缩机的类型也影响制冷剂的选择。离心式压缩压缩机的类型也影响制冷剂的选择。离心式压缩机最适合用于低蒸发压力和在低

17、压时具有大比体机最适合用于低蒸发压力和在低压时具有大比体积的制冷剂。往复式压缩机适用较高的压力范围，积的制冷剂。往复式压缩机适用较高的压力范围，因此适用处理较小比体积的制冷剂。因此适用处理较小比体积的制冷剂。262613.6 气体压缩制冷循环气体压缩制冷循环有许多重要的应用。它们被用来产生很低的温度以实现空气或其它气体的液化；用于特殊场合，如航空器舱内的冷却。布雷顿制冷循环是气体压缩制冷循环的重要类型，也就常常被称为气体压缩制冷循环。布雷顿制冷循环是封闭布雷顿动力循环的逆向循环，其T-s 图示于图13-6。2727图13-6 简单气体压缩制冷循环的示意图及其T-s 图2828气体制冷剂，如空气

18、，在状态气体制冷剂，如空气，在状态1 1进入压气机，并被进入压气机，并被压缩到高温高压的状态压缩到高温高压的状态2 2；然后等压冷却到环境温；然后等压冷却到环境温度度T T0 0的状态的状态3 3，接着是在透平中的膨胀过程，温度，接着是在透平中的膨胀过程，温度降到降到T T4 4；最后冷气体在温度为；最后冷气体在温度为T T1 1的制冷空间等压的制冷空间等压吸热，直到温度上升到吸热，直到温度上升到T T1 1。所有上述过程都是内部可逆的，所完成的循环是所有上述过程都是内部可逆的，所完成的循环是理想的气体制冷循环。在实际的气体制冷循环中，理想的气体制冷循环。在实际的气体制冷循环中，压缩和膨胀都不

19、是等熵的，压缩和膨胀都不是等熵的，T T3 3将高于将高于T T0 0，除非换，除非换热器无限大。热器无限大。2929在在T-s T-s 图中，过程曲线图中，过程曲线4-14-1下的面积表示从制冷空下的面积表示从制冷空间排除的热量；面积间排除的热量；面积1-2-3-4-11-2-3-4-1表示净功输入。这表示净功输入。这两块面积之比就是循环的性能系数两块面积之比就是循环的性能系数COP COP COP COPR R=q qL L/w wnet,innet,in=(=(h h1 1-h h4 4)/()/(h h2 2-h h1 1)-()-(h h3 3-h h4 4)尽管气体制冷循环的性能系

20、数尽管气体制冷循环的性能系数COPCOP相对较低，但相对较低，但有两个理想的特点，它们结构简单，重量轻，而有两个理想的特点，它们结构简单，重量轻，而使它们可用于航空器舱内的冷却，并可结合回热使它们可用于航空器舱内的冷却，并可结合回热而用于气体液化和低温场合。而用于气体液化和低温场合。303013.7 吸收式制冷循环提出的原因：在蒸汽压缩制冷循环中最大的运行费用就是耗功，全部是可用能，它被用来将热量从低温传递到高温；这时，功被转换成热并在冷凝器中被排放出系统。为了克服这样使用可用能的缺点，就可利用一些气体被某些流体吸收的性质来将热量从低温传递到高温。3131与蒸汽压缩制冷循环的两点不同吸收式制冷

21、循环具有一些与蒸汽压缩制冷循环一吸收式制冷循环具有一些与蒸汽压缩制冷循环一样的特性，但有两点不同。一是压缩过程的性质样的特性，但有两点不同。一是压缩过程的性质不同，替代制冷剂在压气机中的压缩过程是在吸不同，替代制冷剂在压气机中的压缩过程是在吸收器中由吸收剂来吸收制冷剂形成溶液并被泵到收器中由吸收剂来吸收制冷剂形成溶液并被泵到高压。因为溶液的平均比体积远小于制冷剂蒸汽高压。因为溶液的平均比体积远小于制冷剂蒸汽的比体积，所以需要的泵功与蒸汽压缩制冷循环的比体积，所以需要的泵功与蒸汽压缩制冷循环的压气机耗功相比小很多；的压气机耗功相比小很多；二是必须在吸收系统中采取一些措施来从溶液中二是必须在吸收系

22、统中采取一些措施来从溶液中取出制冷剂蒸汽再进入冷凝器。这就涉及来自相取出制冷剂蒸汽再进入冷凝器。这就涉及来自相对较高温度的热源的传热，例如准备排放给环境对较高温度的热源的传热，例如准备排放给环境的蒸汽或废热用在这里就特别经济。的蒸汽或废热用在这里就特别经济。3232图13-7 简单氨-水吸收式制冷系统3333系统介绍吸收式制冷系统的主要部件示于图13-7。这里氨是制冷剂，水是吸收剂。氨通过冷凝器、膨胀阀和蒸发器的情况如同蒸汽压缩制冷循环的情况一样。但压气机被吸收器、泵、发生器和阀所替代。3434在吸收器中，来自蒸发器的氨蒸气在状态在吸收器中，来自蒸发器的氨蒸气在状态1 1被水吸被水吸收形成溶液

23、并放热。因为氨在水中的溶解量与温收形成溶液并放热。因为氨在水中的溶解量与温度成反比，所以要用冷却水来排除热量（冷凝热度成反比，所以要用冷却水来排除热量（冷凝热和溶液反应热），尽可能降低吸收器的温度，而和溶液反应热），尽可能降低吸收器的温度，而让水尽可能多地溶解氨。浓氨让水尽可能多地溶解氨。浓氨水溶液在状态点水溶液在状态点a a离开吸收器进入泵，并在状态点离开吸收器进入泵，并在状态点b b升到发生器中的升到发生器中的压力。压力。在发生器中，来自高温热源的传热驱使氨蒸气离在发生器中，来自高温热源的传热驱使氨蒸气离开溶液（吸热反应）并在状态点开溶液（吸热反应）并在状态点2 2进入冷凝器，而进入冷凝器

24、，而留下的稀氨留下的稀氨-水溶液在状态点水溶液在状态点c c 经阀门流回吸收器。经阀门流回吸收器。3535两个改进措施对上述简单氨-水吸收制冷系统提出采取两个改进措施。一是在吸收器和发生器之间加一个换热器，由稀氨水溶液预热浓氨水溶液，而减少发生器中的供热。二是在发生器和冷凝器之间加一个精馏器，用来除去氨蒸气中的残留水分。以消除在膨胀阀和蒸发器中出现结冰的可能。3636制冷剂和吸收剂的搭配另外还有水溴化锂和水氯化锂吸收制冷系统，其运行的基本原理与氨水系统相同。但它们是用水作为制冷剂，所以只能用于空调场合，其最低温度高于水的冰点。3737性能系数吸收式制冷系统的性能系数吸收式制冷系统的性能系数CO

25、PCOPR R定义为定义为 COPCOPR R=Q QL L/(/(Q Qgengen+W Wp,inp,in)Q QL L/Q Qgengen 式中，式中，Q QL L是制冷量，是制冷量，Q Qgengen是在发生器中的供热量，是在发生器中的供热量，WWP,inP,in是泵的耗功。是泵的耗功。若整个循环都是可逆的，则可得到最大的若整个循环都是可逆的，则可得到最大的COPCOP值值为为 COP COPrev,absrev,abs=Q QL L/Q Qgengen=t,revt,rev COP COPR,revR,rev =(1-=(1-T T0 0/T TH H)T TL L/(/(T T0

26、0-T TL L)式中，式中，T TH H是热源温度，是热源温度，T TL L是冷源温度，是冷源温度，T T0 0是环境温度。是环境温度。383813.8 热泵系统目的目的热泵的目的是维持住房或别的建筑的室内温度高热泵的目的是维持住房或别的建筑的室内温度高于环境温度。于环境温度。热泵系统与前面讨论的制冷系统有许多相同的特热泵系统与前面讨论的制冷系统有许多相同的特性；也可以是蒸汽压缩式或吸收式。性；也可以是蒸汽压缩式或吸收式。蒸汽压缩式热泵系统十分适合空间采暖场合，通蒸汽压缩式热泵系统十分适合空间采暖场合，通常也就是用于这个目的。常也就是用于这个目的。吸收式热泵已开发用于工业场合，也逐渐被用于吸

27、收式热泵已开发用于工业场合，也逐渐被用于空间采暖。空间采暖。3939性能系数任何热泵循环的性能系数都定义为采暖效果与实现该效果所必需的净功之比。对卡诺热泵循环可表示为COPHP,max=TH/(TH-TL)这是运行在温度分别为TH和TL的两区域之间的任何热泵循环的最高性能系数。4040从中可见，当冷区温度TL下降时，卡诺热泵的性能系数也下降，实际热泵系统也显示这个特点。并说明为什么以大气环境为冷源的热泵（空气源热泵）通常需要备用系统在环境温度非常低时来提供采暖。如果利用井水或地表本身作为供热源，则不管环境空气温度较低，也可以得到较高的性能系数，并且不要备用系统。4141图13-8 表示用于空间

28、采暖的典型蒸汽压缩式热泵系统4242实际热泵系统实际热泵系统实际热泵系统偏离卡诺热泵循环模式很远。实际热泵系统偏离卡诺热泵循环模式很远。最普遍采用的是蒸汽压缩式热泵。它与蒸汽压缩最普遍采用的是蒸汽压缩式热泵。它与蒸汽压缩制冷系统有相同的部件：压缩机、冷凝器、膨胀制冷系统有相同的部件：压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。在热泵系统中，阀和蒸发器。在热泵系统中，inin来自环境，来自环境，outout输入住房，需要净功输入来实现采暖效果。输入住房，需要净功输入来实现采暖效果。简单蒸汽压缩式热泵的性能系数，参照图简单蒸汽压缩式热泵的性能系数，参照图13-813-8的的符号，可表示为符号，可表示为COPC

29、OPHPHP=q qoutout/w wC C=(=(h h2 2-h h3 3)/()/(h h2 2-h h1 1)4343两用机在用于空间采暖的最普通类型的蒸汽压缩式热泵中，是蒸发器与外界空气进行热作用。这种用于空间采暖的热泵也可在夏天用于供冷，这就需要额外的管道和一个可逆向阀门。4444图13-9 空气-空气可转向热泵4545结构实线表示制冷剂在采暖运行时的流程。为了采用相同的部件作为空调器，则操作可逆向阀门，使制冷剂沿虚线运行。在制冷模式中，室外换热器成了冷凝器，室内换热器成了蒸发器。虽然热泵的安装和运行费用较直接采暖系统贵，但考虑到它的供热制冷两用性的潜力，它们还是有竞争力的。46

30、46容量的确定容量的确定热泵容量、电机大小和制冷剂量都必须考虑两种热泵容量、电机大小和制冷剂量都必须考虑两种运行模式来计算。具有较大需求的一项就确定了运行模式来计算。具有较大需求的一项就确定了系统的大小。系统的大小。由于采暖需要较大尺寸，所以热泵主要用在冬季由于采暖需要较大尺寸，所以热泵主要用在冬季温度不很低的地区。温度不很低的地区。全年空调的流行促使热泵应用的增长，即使在冬全年空调的流行促使热泵应用的增长，即使在冬季温度较低的地区也是这样。另一个原因是燃料季温度较低的地区也是这样。另一个原因是燃料油价格上升，使热泵在经济上可与住户采暖的油油价格上升，使热泵在经济上可与住户采暖的油喷嘴竞争。喷

31、嘴竞争。4747太阳能取暖与热泵相结合在住户采暖中，太阳能取暖与热泵相结合会有巨大的收益。太阳能集热器能提高TL，而使COPHP值大大提高。这时热泵不需要运行在1.6 48.9的温度范围，而可运行在32.2 48.9的范围。COPHP从6.8提高到19.3。显然，对相同的热输出只需花费很少的功。4848第13章小结从低温区到高温区的热量传递称为制冷。产生制冷的装置从低温区到高温区的热量传递称为制冷。产生制冷的装置称为制冷机，而制冷机运行的循环称为制冷循环。在制冷称为制冷机，而制冷机运行的循环称为制冷循环。在制冷机中的工作流体称为制冷剂。用于从冷介质传热给采暖空机中的工作流体称为制冷剂。用于从冷

32、介质传热给采暖空间为目的的制冷机称为热泵。间为目的的制冷机称为热泵。制冷机和热泵的性能用性能系数制冷机和热泵的性能用性能系数COPCOP来表示，定义为来表示，定义为COPCOPR R =理想输出理想输出/需要的输入需要的输入 =冷却效果冷却效果/输入功输入功=Q QL L/WWnetnetCOPCOPHRHR=理想输出理想输出/需要的输入需要的输入 =供热效果供热效果/输入功输入功=Q QH H/WWnetnet4949制冷循环的比较标准是逆向卡诺循环。运行在逆向卡诺循环的制冷机或热泵称为卡诺制冷机或卡诺热泵，它们的COP为COPR,C=1/(TH/TL-1)=TL/(TH-TL)COPHR,

33、C=1/(1 TL/TH)=TH/(TH-TL)5050应用最广泛的制冷循环是蒸汽压缩制冷循环。在理想蒸汽压缩制冷循环中，制冷剂作为饱和蒸汽进入压缩机并在冷凝器中冷却到饱和液体状态。然后，饱和液体被节流到蒸发器压力，并从制冷空间吸收热量而蒸发。5151动力循环经过简单的逆向运行就可以用作制冷循环。也被称为气体制冷循环的逆向布雷顿循环就用来冷却航空器，如果再结合回热器就可以得到很低的温度。透平的输出功可用来减少压缩机的输入功。气体制冷循环的性能系数COP表示为 COPR=qL/wnet,in=qL/(wcomp,in wturb,out)5252另一种制冷方式是吸收式制冷，当存在一个廉价另一种制

34、冷方式是吸收式制冷，当存在一个廉价的、温度为的、温度为100 200100 200的热源时，它在经济上很的热源时，它在经济上很有吸引力。这时制冷剂被一种称作吸收剂的输运有吸引力。这时制冷剂被一种称作吸收剂的输运介质吸收，并以液体形式被压缩。介质吸收，并以液体形式被压缩。最广泛使用的吸收式制冷系统是氨最广泛使用的吸收式制冷系统是氨水系统，其水系统，其中氨用作制冷剂，而水作为吸收剂。输送给泵的中氨用作制冷剂，而水作为吸收剂。输送给泵的功通常是很小的；吸收式制冷系统的性能系数功通常是很小的；吸收式制冷系统的性能系数COPCOP定义为定义为COPCOPR R=理想输出理想输出/需要的输入需要的输入 =

35、Q QL L/(/(Q Qgengen+Q Qp,inp,in)Q QL L/Q Qgengen5353吸收式制冷系统能具有的最大COP值可由假定全部可逆状态来确定，则可得 COPrev,abs=t,rev COPR,rev=(1-T0/TH)TL/(T0-TL)式中T0，TL和TH分别是环境，被制冷空间和热源的热力学温度。5454第14章 理想气体混合物和湿空气14.1 理想气体混合物14.2 湿空气14.3 基本空调过程555514.1 理想气体混合物1质量成分、摩尔成分和容积成分气体混合物中的各种气体称为混合物的组分。气体混合物中的各种气体称为混合物的组分。质量成分质量成分x xi i定

36、义为：定义为：x xi i=mmi i/mm。定义摩尔成分定义摩尔成分y yi i 为：为：y yi i=n ni i/n n。容积成分为：容积成分为：V Vi i/V V=n ni i/n n=y yi i。气体混合物的容积成分等于混合物的摩尔成分。气体混合物的容积成分等于混合物的摩尔成分。质量成分质量成分x xi i 和摩尔成分和摩尔成分y yi i的关系：的关系：x xi i=mmi i/mm=n ni iMMi i/(/(nM nM)=)=y yi i(MMi i/M M)56562亚美格分体积定律混合气体的总体积V 等于各组分在混合物温度T 和压力p 下所占有的体积（分体积）之和，称

37、为亚美格分体积定律。严格讲，该定律只适用于理想气体混合物，并可表示为V=V i 57573道尔顿分压力定律当气体混合物的第当气体混合物的第i i 个组分气体在占据混合物体积个组分气体在占据混合物体积并处于和混合物相同温度时的压力称作该组分气并处于和混合物相同温度时的压力称作该组分气体的分压力。体的分压力。分压力和混合物总压力之比等于混合物的摩尔成分压力和混合物总压力之比等于混合物的摩尔成分，分，p pi i/p p=n ni i/n n=y yi i。混合气体总压力混合气体总压力p p 等于各种气体单独占据混合物等于各种气体单独占据混合物容积容积V V 并处于混合物温度并处于混合物温度T T时

38、所施加容器的压力时所施加容器的压力p pi i之和称为道尔顿分压力定律。严格讲，这定律只之和称为道尔顿分压力定律。严格讲，这定律只适用于理想气体混合物，并可表示为适用于理想气体混合物，并可表示为 p p=p pi i 58584混合气体的平均分子量和平均气体常数混合物的平均摩尔质量定义为混合物总质量m与混合物总摩尔数n 之比，表示为M=m/n=(m1+m2+mj)/n=(n1M1+n2M2+njMj)/nM=yiMi混合物的平均气体常数可表示为 R=Ru/M 59595 5理想气体混合物的热力学能、焓、熵和比热容理想气体混合物的热力学能、焓、熵和比热容混合物的参数，诸如热力学能、焓、熵可以通过

39、各组分在混合物状态下的各参数相加来确定。热力学能和焓只是温度的函数，则有：U=n=ni H=n=ni =yi =yi6060组分的熵是温度和压力的函数。混合物的熵是组分熵之和。S=n =ni =yi 式中，是组分式中，是组分i i 在混合物温度在混合物温度T T 和其分压力和其分压力p pi i 下的每摩尔下的每摩尔的熵。的熵。混合物的比热容可通过展开混合物的焓方程和热力学能方程来求得=yi =yi对每单位质量来计算就要涉及质量成分xi。6161理想气体混合物在过程中各组分的理想气体混合物在过程中各组分的 u u 和和 h h 的计的计算是比较容易的，因为它只需要知道初终态温度算是比较容易的，

40、因为它只需要知道初终态温度就可以了。就可以了。但对但对 s s 的计算要注意，理想气体的熵取决于组分的计算要注意，理想气体的熵取决于组分的压力（或体积）和温度。理想气体混合物在过的压力（或体积）和温度。理想气体混合物在过程中各组分的熵变，对每单位质量，可表示为程中各组分的熵变，对每单位质量，可表示为 s si i=-=-R Ri i ln(ln(p pi2i2/p pi1i1)c cpipi ln(ln(T Ti2i2/T Ti1i1)-)-R Ri i ln(ln(p pi2i2/p pi1i1)在计算熵变时，要用每个组分的分压力在计算熵变时，要用每个组分的分压力p pi i，而不，而不是混

41、合物的压力。是混合物的压力。6262当两种气体混合时，就有熵增，并被称作混合熵。混合熵变为两组分熵变之和。对任何数目的组分，在相同的温度和相同的压力下上式可普遍化为S2-S1=-Runi ln(yi)如果相同组分的气体，则混合熵变为零。这是因为无法区别这两种气体以确定其分压力，因此混合物终压也就是气体的分压力。636314.2 湿空气1干空气和湿空气空气是氮气、氧气和少量其他气体的混合物。大气中的空空气是氮气、氧气和少量其他气体的混合物。大气中的空气通常含有一些水蒸气，而被称为湿空气；相反，不含水气通常含有一些水蒸气，而被称为湿空气；相反，不含水蒸气的空气称作干空气。蒸气的空气称作干空气。将空

42、气处理成干空气和水蒸气的混合物是较方便的，因为将空气处理成干空气和水蒸气的混合物是较方便的，因为干空气的组成相对比较恒定，而水蒸气的量会随来自大水干空气的组成相对比较恒定，而水蒸气的量会随来自大水体、降雨甚至人体表面的蒸发或凝结而变化。体、降雨甚至人体表面的蒸发或凝结而变化。虽然空气中水蒸气的量是很少的，但它对人体舒适起很重虽然空气中水蒸气的量是很少的，但它对人体舒适起很重要的作用，所以在空调中十分重要。要的作用，所以在空调中十分重要。6464在空调领域，空气温度范围是在在空调领域，空气温度范围是在-10-10到到5050左右。左右。在这范围，干空气可作为理想气体处理，并可取在这范围，干空气可

43、作为理想气体处理，并可取定比热容定比热容c cp p=1.005 kJ/(kgK)=1.005 kJ/(kgK)，误差小于，误差小于0.2%0.2%而可忽略不计。取而可忽略不计。取0 0作为参考温度，则干空气的作为参考温度，则干空气的焓和焓变可由以下两式确定焓和焓变可由以下两式确定 h ha a=c cp pt t=1.005 kJ/(kg=1.005 kJ/(kg)t t h ha a=c cp p t t=1.005 kJ/(kg=1.005 kJ/(kg)t t 式中，式中，t t是空气的摄氏温度；是空气的摄氏温度；t t是温度变化。空调是温度变化。空调过程涉及焓变化过程涉及焓变化 h

44、h，它与选择的参考点无关。，它与选择的参考点无关。6565将空气中的水蒸气也处理为理想气体肯定会很方将空气中的水蒸气也处理为理想气体肯定会很方便，你也许会愿意为这方便而失去一些精度。便，你也许会愿意为这方便而失去一些精度。在在5050时，水的饱和压力是时，水的饱和压力是12.3 kPa12.3 kPa。在低于这。在低于这个压力时，水蒸气作为理想气体处理的误差小于个压力时，水蒸气作为理想气体处理的误差小于0.2%0.2%而可忽略，即使是饱和蒸汽。而可忽略，即使是饱和蒸汽。因此，空气中水蒸气的行为就象它单独存在一样，因此，空气中水蒸气的行为就象它单独存在一样，并遵从理想气体状态方程式并遵从理想气体

45、状态方程式pvpv=RTRT。6666于是，湿空气可处理为理想气体混合物，其压力是干空气的分压力pa和水蒸气的分压力pv之和，p=pa+pv。水蒸气的分压力通常称为蒸汽压，是它单独处于湿空气温度和容积下，水蒸气施加的压力。6767因为水蒸气是理想气体，所以水蒸气的焓只是温度的函数。因为水蒸气是理想气体，所以水蒸气的焓只是温度的函数。这也可以从水蒸气的这也可以从水蒸气的T-s T-s 图上看出，在温度低于图上看出，在温度低于5050时，时，等焓线与等温线一致。等焓线与等温线一致。所以，空气中水蒸气的焓可以取为在相同温度下的饱和蒸所以，空气中水蒸气的焓可以取为在相同温度下的饱和蒸汽焓，即汽焓，即h

46、 hv v(T T,low,low p p)h hg g(T T)。水蒸气在水蒸气在0 0时的焓为时的焓为2 501.3 kJ/kg2 501.3 kJ/kg。在温度范围。在温度范围-10-10到到5050之间，水蒸气的平均比热容之间，水蒸气的平均比热容c cp p值可取为值可取为1.82 1.82 kJ/(kgkJ/(kg)。于是水蒸气的焓可近似确定为。于是水蒸气的焓可近似确定为h hg g(t t)2 501.3 kJ/kg+1.82 kJ/(kg)2 501.3 kJ/kg+1.82 kJ/(kg)t t 式中，式中，t t 是水蒸气的摄氏温度。在是水蒸气的摄氏温度。在-10 50-10

47、 50之间误差可忽略不计。之间误差可忽略不计。68682比湿度和相对湿度空气中的水蒸气量可直接给出每单位质量干空气中的水蒸空气中的水蒸气量可直接给出每单位质量干空气中的水蒸气质量。这就是比湿度（又称含湿量），表示为气质量。这就是比湿度（又称含湿量），表示为 =m mv v/mma a，则可推导得，则可推导得 =0.622=0.622 p pv v/(/(p p-p pv v)式中，式中，p p 是总压。是总压。在干空气中加入一些水蒸气。比湿度就增大。当更多的水在干空气中加入一些水蒸气。比湿度就增大。当更多的水蒸气加入后，比湿度会继续增大直到空气无法再多含水分。蒸气加入后，比湿度会继续增大直到空

48、气无法再多含水分。这时，就认为空气含水分达到饱和，并称之为饱和空气。这时，就认为空气含水分达到饱和，并称之为饱和空气。再进入饱和空气的水分都会凝结。再进入饱和空气的水分都会凝结。在给定温度和压力下，饱和空气中的水蒸气量可用上式来在给定温度和压力下，饱和空气中的水蒸气量可用上式来确定，式中确定，式中p pv v就是在那温度下水蒸气的饱和压力就是在那温度下水蒸气的饱和压力p ps s。6969湿空气的成分也可以用相对湿度湿空气的成分也可以用相对湿度 来描述，定义来描述，定义为给定湿空气中水蒸气的摩尔成分为给定湿空气中水蒸气的摩尔成分y yv v与在相同混与在相同混合物温度和压力下的饱和湿空气中水蒸

49、气的摩尔合物温度和压力下的饱和湿空气中水蒸气的摩尔成分成分y yv,satv,sat之比，之比，=y yv v/y yv,satv,sat，则有，则有 =p pv v/p ps s于是比湿度于是比湿度 和相对湿度和相对湿度 之间的关系可表示为之间的关系可表示为 =p pa a/(0.622 /(0.622 p ps s)干空气的相对湿度干空气的相对湿度 =0=0，饱和空气的相对湿度，饱和空气的相对湿度 =1=1。7070空气能够含有的水分量取决于它的温度。因此，空气的相对湿度随温度而变化，即使当时其比湿度保持不变。我们可以用理想气体定律来描述湿空气性质直到65，高于这个温度后，空气中水的饱和程

50、度较高，气体-水蒸气混合物的非理想气体性质会产生较大的差异。7171湿空气的H、U 和S 的值可由混合物中各组分的值相加来得到。每单位质量干空气的湿空气焓为 h=ha+(mv/ma)hv=ha+hv 式中，干空气和水蒸气的焓都用混合物的温度来计算。式中，干空气和水蒸气的焓都用混合物的温度来计算。类似的方法也适用湿空气热力学能的计算。72723露点温度图14-1湿空气等压冷却的水蒸气T-s图7373讨论一个由湿空气组成的闭口系统被等压冷却讨论一个由湿空气组成的闭口系统被等压冷却湿空气性质的一个重要方面是当温度下降时会出湿空气性质的一个重要方面是当温度下降时会出现水蒸气的部分冷凝。现水蒸气的部分冷