制冷原理压缩机.pptx

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1、 武汉工程大学 制冷空调教研室二二.温度温度温度是物体冷热程度的量温度是物体冷热程度的量度。它是物质分子热运度。它是物质分子热运 动剧烈程度的标志尺度。动剧烈程度的标志尺度。常用的温度度量单位有摄常用的温度度量单位有摄氏温标氏温标t和开氏温标和开氏温标T(绝绝对温标对温标)。T(k)=t()+273.15图图1-1 1-1 三种常用温标的比较三种常用温标的比较 第1页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室三三.热量热量物体在热过程中所放出或吸收的能量称为热物体在热过程中所放出或吸收的能量称为热量。量。生产中常用生产中常用制冷能力制冷能力来衡量设备产冷量大小。来衡量设备产冷量大小。制冷能力：制

2、冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量。制冷设备单位时间内从冷库取走的热量。商业上常用商业上常用冷吨冷吨来表示。来表示。1冷吨：冷吨：1吨吨0饱和水在饱和水在24小时内被冷冻小时内被冷冻到到0的冰所需冷量。的冰所需冷量。第2页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室热量单位换算：1大卡（kcal）=1000卡（cal）1焦(j)=0.2389卡（cal）0.24卡（cal）1英热单位(Btu)=0.25大卡（kcal）1英热单位(Btu)=1.05千焦(kJ)1美国冷吨=3024 kcal/h1日本冷吨=3320 kcal/h第3页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室四四.比热（比热（

3、specific heat）比热是一个物性参数，意为单位度量比热是一个物性参数，意为单位度量的物资温度变化的物资温度变化1k时所吸进或放出的热量。时所吸进或放出的热量。体积比热体积比热C Cv v(j/m(j/m3 3.k).k)摩尔比热摩尔比热C Cp p(j/mol.k)(j/mol.k)第4页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室 五五.显热和潜热显热和潜热不改变物质的形态而引起其温度变化的不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为热量称为显热显热。不改变物质的温度而引起其形态变化的不改变物质的温度而引起其形态变化的热量称为热量称为潜热潜热。制冷剂的汽化潜热有何要求？制冷剂的汽化潜热有

4、何要求？第5页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室表表1-1 1-1 几种制冷物质的汽化潜热几种制冷物质的汽化潜热(kj/kg)物物 质质水水氨氨R12R22氯甲氯甲烷烷二氧二氧化硫化硫R114 R502汽化汽化热热2256.81369167.5234.5427.1397.8137.96150.02第6页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室六六.压力压力 垂直作用在单位面积上的力称为压力垂直作用在单位面积上的力称为压力p(压强压强)。p是是确定物质状态的基本参数之一。确定物质状态的基本参数之一。1bar=105pa饱和压力饱和压力ps与饱和温度与饱和温度ts 的对应关系。的对应关系。图

5、图1-2 1-2 绝对压力、表绝对压力、表压力和真空度的关系压力和真空度的关系 第7页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室七七.比容比容v和密度和密度 比容：每千克物质所占有的容积。比容：每千克物质所占有的容积。v是是基本状态参数。基本状态参数。.v=1第8页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室八八.导热系数导热系数 表示材料传导热量的能力，是一个物性参表示材料传导热量的能力，是一个物性参数。数值上等于：数。数值上等于：1m厚的材料两边温差厚的材料两边温差1k时在时在1小时内通过小时内通过1m2表面积所传导的表面积所传导的热量。热量。单位：单位：w/m.k常用保温材料的常用保温材料的

6、值？值？第9页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室九九.压压-焓图焓图(lgp-h)物质的热力状态性质可以绘制成曲线图的形式。制冷剂物质的热力状态性质可以绘制成曲线图的形式。制冷剂性质曲线图有多种形式。行业中最常用的是性质曲线图有多种形式。行业中最常用的是lgp-h图。图。lgp-h图的构成可以总结为图的构成可以总结为一个临界点、二条饱和线、一个临界点、二条饱和线、三个状态区、六组等值线。三个状态区、六组等值线。第10页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室(a)(a)压压-焓图焓图(b)(b)压压-焓图上的主要曲线焓图上的主要曲线 图图1-3 1-3 压焓图上的主要曲线压焓图上的主要曲

7、线 第11页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室由于制冷装置中，制冷剂的实际压力并不由于制冷装置中，制冷剂的实际压力并不太高，太高，lgp-h图靠近临界点的高压部分和图靠近临界点的高压部分和湿蒸汽区域的中间部分在热力计算中很少湿蒸汽区域的中间部分在热力计算中很少用到，为了使图面清晰简捷，往往将这两用到，为了使图面清晰简捷，往往将这两部分截去。部分截去。课后练习：课后练习：lgp-h图中状态点参数的查取。图中状态点参数的查取。第12页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室图图1-4 R221-4 R22的的lgp-hlgp-h图图第13页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室1-2 制冷

8、的热力学基础制冷的热力学基础一.热力学第一定律 能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。保持不变。1.1.热力学能和总能热力学能和总能第14页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室用符号用符号U U表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳 （J J）热力学能热力学能1 1kgkg物质的热力学

9、能称比热力学能物质的热力学能称比热力学能用符号用符号u u表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳/千克千克 （J Jkgkg）比热力学能比热力学能热力学能热力学能热力状态的单值函数。热力状态的单值函数。两个独立状态参数的函数两个独立状态参数的函数 状态参数，与路径无关。状态参数，与路径无关。第15页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室总能总能E E外部储存能外部储存能内部储存能内部储存能热力学能热力学能动动 能能E Ek k位位 能能E Ep p 工质的总储存能工质的总储存能内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与 宏观运动动能及位能的总和：宏观运动动能及

10、位能的总和：E=U+EE=U+Ek k+E+Ep p第16页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室宏观动能宏观动能 若工质质量若工质质量m，速度速度cf，重力场中高度重力场中高度z重力位能重力位能工质的总能工质的总能比总能比总能力学参数力学参数C Cf f和和z z只取决于工质在参考只取决于工质在参考z z系中的速系中的速度和高度。度和高度。第17页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室2.能量的传递和转化能量的传递和转化能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式：作功作功 借作功来传递能量，总和与物体宏观位移有关借作功来传递能量，总和与物体宏观位移有关传热传热 借传热来传递能量，无需物体的

11、宏观移动借传热来传递能量，无需物体的宏观移动第18页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室推动功推动功因工质在因工质在开口系统中流动而开口系统中流动而传递的功传递的功对开口系统进行功对开口系统进行功的计算时需要考虑的计算时需要考虑这种功。这种功。图图1-51-5流动过程中的推动功流动过程中的推动功推动功只有在工质推动功只有在工质移动位置时才起作移动位置时才起作用。用。第19页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室如左图所示，考察开口系如左图所示，考察开口系统和外界之间功的交换。统和外界之间功的交换。取一开口系统，取一开口系统，1 1kgkg工质工质从截面从截面1-11-1流入该热力系，流入

12、该热力系，工质带入系统的推动功工质带入系统的推动功p p1 1v v1 1，作膨胀功由状态作膨胀功由状态1 1到到2 2，再从截面，再从截面2-22-2流出，带流出，带出系统的推动功为出系统的推动功为p p2 2v v2 2。是系统为维持工质流动是系统为维持工质流动所需的功，称为流动功。所需的功，称为流动功。图图1-61-6开口系的流动功开口系的流动功第20页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室3.焓焓焓用符号H表示，单位是焦耳（j）H=U+pV比焓用符号h表示，单位是（jkg）h=u+pv焓是一个状态参数。焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数如：h=f(T,v)、h=f(p,T)或

13、h=f(p,v)第21页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室4.热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式1).1).闭口系统的能量平衡工质从外界吸热Q Q后从状态1 1变化到2 2，对外作功W W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储存能的增加即为热力学能的增加UU热力学第一定律的解析式加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界 第22页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室对微元过程，第一定律解析式的微分形式对微元过程，第

14、一定律解析式的微分形式(A)对于对于1 kg工质工质A A式对闭口系普遍适用。式对闭口系普遍适用。可逆过程可逆过程 第23页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室完成一循环后，工质恢复原来状态完成一循环后，工质恢复原来状态 闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的热量等于与外界交换的净功量。热量等于与外界交换的净功量。第24页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室2).开口系统的能量平衡开口系统的能量平衡图示开口系统，图示开口系统，dd时间内，质量时间内，质量 的微元工质流入截面的微元工质流入截面1-11-1，质量，质量 微元工质流出微元工质流出2-22

15、-2，系统从外界得到热量，系统从外界得到热量 ，对机器设备作功对机器设备作功 。图图1-7 开口系开口系统流动过程中统流动过程中的能量平衡的能量平衡第25页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室过程完成后系统内工质质量增加过程完成后系统内工质质量增加dm,dm,系统总能增加系统总能增加dEdECVCV，由系统能量平衡的基本表达式有由系统能量平衡的基本表达式有：由由E=me,V=mv,h=u+pv,E=me,V=mv,h=u+pv,得得稳定流动稳定流动 系统只有单股流体进出系统只有单股流体进出第26页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室微量形式微量形式：当流入质量为当流入质量为m的流体时，

16、稳定流动能量方程：的流体时，稳定流动能量方程：第27页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室5.能量方程式的应用能量方程式的应用工质流经压缩机时，机器对工质流经压缩机时，机器对工质做功工质做功wc,使工质升压，使工质升压，工质对外放热工质对外放热q每每kgkg工质需作功：工质需作功：压缩机压缩机图图1-1-8 8 压缩机能量平衡压缩机能量平衡第28页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室膨胀机膨胀机膨胀过程均采用绝热过程。膨胀过程均采用绝热过程。稳定流动能量平衡方程：稳定流动能量平衡方程：图图1-1-9 9 膨胀机能量平衡膨胀机能量平衡第29页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室工质流

17、经换热器时工质流经换热器时和外界有热量交换和外界有热量交换而无功的交换，动而无功的交换，动能差和位能差也可能差和位能差也可忽略不计。忽略不计。换热器换热器图图1-1-10 10 换热器能量平衡换热器能量平衡1 1kgkg的工质吸热量：的工质吸热量：第30页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室工质流经喷管和扩工质流经喷管和扩压管时不对设备作压管时不对设备作功功，热量交换可，热量交换可忽略不计。忽略不计。1 1kgkg工质动能的增加：工质动能的增加：喷管喷管图图1-1-11 11 喷管能量转换喷管能量转换第31页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，

18、这种流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。动称为节流。节流节流图图1-12 1-12 节流现象节流现象第32页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的焓相等焓相等 该式只对节流前后稳定段成立，而不适合该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节流过程段。节流过程段。第33页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室二二.热力学第二定律热力学第二定律热不能自发地、不付代价地从低温物热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。体

19、传到高温物体。是研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律。第34页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室1.1.制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析逆向循环逆向循环 消耗功消耗功 正向循环正向循环 热能转化为机械功热能转化为机械功 热力学循环热力学循环制冷循环是靠消耗功来实现热过程的，因此是制冷循环是靠消耗功来实现热过程的，因此是逆向循环逆向循环。第35页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室熵是热力学状态参数，是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。定义:qrev是可逆过程的换热量，是可逆过程的换热量，T为热源温度。为热源温度。可逆过程可逆过程1-2的熵

20、增：的熵增：第36页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室克劳修斯积分克劳修斯积分 =0 =0 可逆循环可逆循环 0 0 不可逆循环不可逆循环 0 0 不可能实行的循环不可能实行的循环 p、T状态下的比熵定义为：状态下的比熵定义为：第37页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室2.2.逆卡诺循环逆卡诺循环 (热源温度不变时的逆向可逆循环热源温度不变时的逆向可逆循环)当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程两个可逆的等温过程和两个等熵过程和两个等熵过程组成的逆向循环。在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。第3

21、8页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室过程过程1 12 2 压缩工质，同时放热至热源，维持制冷剂温度恒定 过程过程2 23 3 工质从热源温度工质从热源温度T Th h可逆绝可逆绝热膨胀到冷源温度热膨胀到冷源温度T Tc c 过程过程3 34 4 热量从冷源转移到工质中热量从冷源转移到工质中同时工质做功以使制冷剂同时工质做功以使制冷剂维持一定的温度维持一定的温度 过程过程4 41 1 制冷剂从冷源温度可逆绝热压缩到热源温度制冷剂从冷源温度可逆绝热压缩到热源温度图图1-13 1-13 逆卡诺循环逆卡诺循环第39页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室制冷工质向高温热源放热量制冷工质向高温

22、热源放热量制冷工质从低温热源吸热量制冷工质从低温热源吸热量 系统所消耗的功系统所消耗的功 卡诺制冷系数卡诺制冷系数 卡诺热泵循环效率卡诺热泵循环效率 热力完善度：热力完善度：FlashFlash动画演示：动画演示：1-141-14逆卡诺循环分析逆卡诺循环分析第40页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室3.洛伦兹循环洛伦兹循环(热源温度可变时的逆向可逆循环热源温度可变时的逆向可逆循环)温温 度度 T图图1-15 洛伦兹循环的洛伦兹循环的T-s图图 洛伦兹循环洛伦兹循环工作在二个工作在二个变温热源间。变温热源间。与卡诺循环不同之处主与卡诺循环不同之处主要是要是蒸发吸热和冷却放蒸发吸热和冷却放热

23、均为变温过程热均为变温过程变温热源的采用有变温热源的采用有什么意义？什么意义？第41页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室(假设制冷过程和冷却过程传热温差均为假设制冷过程和冷却过程传热温差均为T)制冷量制冷量 排热量排热量 耗功耗功 洛伦兹循环制冷系数洛伦兹循环制冷系数 第42页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室应该指出：应该指出：任何单一物质在等压下冷凝或蒸发时任何单一物质在等压下冷凝或蒸发时均为等温过程均为等温过程,要实现变温冷凝和蒸发要实现变温冷凝和蒸发,必须使用必须使用非共非共沸混合制冷剂沸混合制冷剂,因为非共沸制冷剂不存在共沸点因为非共沸制冷剂不存在共沸点,在等在等压冷凝或

24、蒸发时压冷凝或蒸发时,气液两相组分随温度而变化。气液两相组分随温度而变化。第43页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室4.三热源循环三热源循环(热源驱动的逆向可逆循环热源驱动的逆向可逆循环)图图1-16 两类制冷循环能量转换关系图两类制冷循环能量转换关系图第44页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是卡诺循环制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三热源循环。对可逆制冷机热力系数：第45页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室1-3

25、制冷的传热学基础制冷的传热学基础一.热量传递的基本方式制冷过程实质是个热量传递过程。温差是产生热流的动力。1.热传导(导热)由于物体内部微观粒子的热运动而产生的热量传递。由于物体内部微观粒子的热运动而产生的热量传递。其特点是传热过程中物体各部分之间不发生宏观位其特点是传热过程中物体各部分之间不发生宏观位移。移。固体，液体和气体都会发生导热固体，液体和气体都会发生导热,但单纯的导热只但单纯的导热只有在固体中才能发生有在固体中才能发生。第46页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室平壁导热平壁导热:圆管壁导热圆管壁导热:多层管壁多层管壁:简化计算简化计算:第47页/共55页 武汉工程大学 制冷空

26、调教研室2.对流换热对流换热 由于流体不同部分之间的相对位移，而伴随的热量传递为热对流。只有液体或气体才能产生热对流。热对流的流体与固体壁面之间的热量交换为对流换热。根据流动的起因分为强制对流换热和自然对流换热。牛顿冷却公式：牛顿冷却公式：第48页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室3.辐射换热辐射换热 由于物质分子热运动而发出的辐射能为热辐射 热辐射可以在真空中传播，物体自身温度0K就具有热辐射的能力，辐射过程中伴随有能量形式的转变。辐射换热是物体吸收和发射辐射能的综合效果黑体：黑体：实际物体：实际物体：第49页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室二二.传热过程传热过程冷热流体通过固

27、体壁面进行热量传递的过程。冷热流体通过固体壁面进行热量传递的过程。传热方程式：传热方程式：通过平壁的传热：通过平壁的传热：通过圆管壁的传热：通过圆管壁的传热：第50页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室1-4 制冷的流体力学基础制冷的流体力学基础制冷是靠制冷剂在一个闭合系统中循环流动，不断改变它的状态从而获得低温。制冷剂在管内和换热器中的流速、流量、压力、阻力等对整个制冷系统的制冷效果影响很大。流体流动过程中，任一截面上的流动参数(u、p)等不随时间变化，则流体作稳定流动。在连续操作的生产流程中，流体的流动可视为稳定流动。流体在制冷设备中的流动都属于稳定流动过程。第51页/共55页 武汉工

28、程大学 制冷空调教研室描写流动的伯努利方程：1.6m1122p0p0例：例：有一个重力供液系统如图有一个重力供液系统如图所示，液分与蒸发器的液面差为所示，液分与蒸发器的液面差为1.61.6m m，蒸发器的管径蒸发器的管径为为3838 2.52.5mmmm，管路的压力管路的压力损失为损失为1.51.5m m氨液柱。求蒸发氨液柱。求蒸发器盘管内氨液每分钟流量。器盘管内氨液每分钟流量。第52页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室本章主要内容：本章主要内容：1-1 常用术语常用术语 1-2 制冷的热力学基础制冷的热力学基础 一一.热力学第一定律热力学第一定律 二二.热力学第二定律热力学第二定律 1-3 制冷的传热学基础制冷的传热学基础 1-4 制冷的流体力学基础制冷的流体力学基础第53页/共55页 武汉工程大学 制冷空调教研室本章基本要求：本章基本要求：1.熟练应用制冷剂熟练应用制冷剂lgp-h和和T-s图确定热力状态图确定热力状态参数。参数。2.洛伦兹循环如何实现？洛伦兹循环如何实现？3.循环的热力学评价方法。循环的热力学评价方法。第54页/共55页制冷原理与装置 第一章 制冷基础知识 武汉工程大学 制冷空调教研室感谢您的观看！第55页/共55页