制冷原理与装置第一章-制冷的热力学基础课件.ppt

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1、第一章第一章 制冷的热力学基础制冷的热力学基础n制冷机、热泵、联合机制冷机、热泵、联合机按逆向循环工作按逆向循环工作n据热力学第一定律：向高温热源的放热量等据热力学第一定律：向高温热源的放热量等于从低温热源的吸热量与所消耗的功之和。于从低温热源的吸热量与所消耗的功之和。公式表示如下：公式表示如下：n制冷机：制冷机：n热泵：热泵：n联合机：联合机：5/25/20231n在制冷技术范围内，常用的人工制冷方法有：在制冷技术范围内，常用的人工制冷方法有：n相变制冷；气体绝热膨胀制冷；气体涡流制冷；相变制冷；气体绝热膨胀制冷；气体涡流制冷；热电制冷等。热电制冷等。5/25/20232第一节第一节 相变制

2、冷相变制冷一、物质的相变特性一、物质的相变特性（一）液体汽化（一）液体汽化 汽化汽化吸收汽化潜热吸收汽化潜热 实际制冷循环中，高压液体节流压力降低，产实际制冷循环中，高压液体节流压力降低，产生闪发气体，干度为生闪发气体，干度为x x。此时。此时1Kg1Kg制冷剂汽化所制冷剂汽化所吸收的热量为：吸收的热量为：5/25/20233(二二)固体的融化与升华固体的融化与升华n融化：固体变为液体的过程。一般用冰融化吸收潜融化：固体变为液体的过程。一般用冰融化吸收潜热制冷。热制冷。n升华：固体直接变为气体的过程。一般用干冰升华升华：固体直接变为气体的过程。一般用干冰升华吸收潜热制冷。吸收潜热制冷。n在水的

3、三相点温度下，冰可以直接升华为水蒸气。在水的三相点温度下，冰可以直接升华为水蒸气。冰升华时的温度与相应的压力有关。见表冰升华时的温度与相应的压力有关。见表1-1。图图片片表表11.tif5/25/20234n在共晶固体未完全融化成液体之前，它的温度在共晶固体未完全融化成液体之前，它的温度是不变的，称为共晶温度。是不变的，称为共晶温度。n表表1-3为一些用于制冷目的的共晶溶液的物理为一些用于制冷目的的共晶溶液的物理性质。性质。图片图片表表13.tif5/25/20236二二.压压焓图焓图 在制冷行业中用处最大，用得最多的是压在制冷行业中用处最大，用得最多的是压焓图。焓图。通常使用的压通常使用的压

4、焓图均用压力取对数作纵坐标。焓图均用压力取对数作纵坐标。图上共有六个状态参数，相应有六簇等状态参数图上共有六个状态参数，相应有六簇等状态参数曲线。曲线。分别为：分别为：压力压力 pbar；比焓比焓 hkj/kg；温度温度 t；比熵比熵 skj/kg.K；比体积比体积 vm3/kg；干度；干度 x 无因次无因次 5/25/20237第二节第二节 绝热膨胀制冷绝热膨胀制冷 气体制冷机是利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，气体制冷机是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程来制冷。并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷。气体膨胀制冷有三种方式：气体膨胀制冷有三种方式：

5、1.高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，温度降大。高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，温度降大。膨胀机结构复杂，一般气体制冷机均采用。膨胀机结构复杂，一般气体制冷机均采用。2.气体经节流阀膨胀，无外功输出，温度降小，设备结气体经节流阀膨胀，无外功输出，温度降小，设备结构简单，便于进行气体流量的调整。构简单，便于进行气体流量的调整。3.绝热放气制冷绝热放气制冷在低温制冷机中大量使用，普冷中在低温制冷机中大量使用，普冷中极少采用。极少采用。5/25/20238n对于理想气体：对于理想气体：5/25/202310n实际膨胀过程中，按多变过程膨胀。实际膨胀过程中，按多变过程膨胀。n理想气体的积分等熵效应由

6、下式确定：理想气体的积分等熵效应由下式确定：nm多变过程的多变指数。多变过程的多变指数。5/25/202311n节流后节流后p降低，降低，T可能升高、降低或不变。微可能升高、降低或不变。微分节流效应（或焦耳分节流效应（或焦耳汤姆逊效应）为：汤姆逊效应）为：5/25/202313第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 正向循环正向循环热机，按顺时针方向进行热机，按顺时针方向进行n循环可分循环可分n 逆向循环逆向循环制冷机或热泵，按逆时针方制冷机或热泵，按逆时针方向进行。向进行。可逆循环可逆循环 循环又可分为循环又可分为 不可逆循环。不可逆循环。5/25/202315n 内部不可逆内部

7、不可逆摩擦、扰动等摩擦、扰动等n不可逆过程包括不可逆过程包括n 外部不可逆外部不可逆温差传热等温差传热等5/25/202316n逆卡诺循环的温熵图如下：逆卡诺循环的温熵图如下：n23过程放热量：过程放热量：n 面积面积23562n41过程吸热量：过程吸热量：n 面积面积145615/25/202318n据热力学第一定律：据热力学第一定律：面积面积123415/25/202319n消耗单位功所获得的制冷量的值，称为消耗单位功所获得的制冷量的值，称为制冷系数。制冷系数。n制冷系数与低温热源的温度成正比，与制冷系数与低温热源的温度成正比，与高低温热源的温差成反比。当高低温热高低温热源的温差成反比。当

8、高低温热源的温度一定时，制冷系数为定值。制源的温度一定时，制冷系数为定值。制冷系数与制冷剂的性质无关。冷系数与制冷剂的性质无关。5/25/202320n高低温热源温度变化对制冷系数的影响：高低温热源温度变化对制冷系数的影响：n 结论：结论：5/25/202321n热力完善度：实际循环的制冷系数与工作于相同热力完善度：实际循环的制冷系数与工作于相同温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。其温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。其值恒小于值恒小于1。n制冷系数与热力完善度的异同：制冷系数与热力完善度的异同：1.两者同为衡量制冷循环经济性的指标；两者同为衡量制冷循环经济性的指标；2.两者定义不同。

9、制冷系数为制冷循环总的制冷量两者定义不同。制冷系数为制冷循环总的制冷量与所消耗的总功之比。与所消耗的总功之比。热力完善度为实际循环的制冷系数与工作于相同热力完善度为实际循环的制冷系数与工作于相同温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。5/25/202324n3.两者的作用不同。制冷系数只能用于衡量两两者的作用不同。制冷系数只能用于衡量两个工作于相同温度范围内的制冷循环的经济性，个工作于相同温度范围内的制冷循环的经济性，热力完善度可用于衡量两个工作于不同温度范热力完善度可用于衡量两个工作于不同温度范围内的制冷循环的经济性。围内的制冷循环的经济性。n4.两者

10、的数值不同。制冷系数一般大于两者的数值不同。制冷系数一般大于1，热，热力完善度恒小于力完善度恒小于1。5/25/202325二.变温热源时的逆向可逆循环变温热源时的逆向可逆循环洛伦兹循环洛伦兹循环n制冷机在实际工作中，被冷却对象和环境介质的温度往往是制冷机在实际工作中，被冷却对象和环境介质的温度往往是随着热交换过程的进行而变化的。随着热交换过程的进行而变化的。n图图1-4表示的循环即为高温热源和低温热源温度变化时的情表示的循环即为高温热源和低温热源温度变化时的情况。循环为况。循环为a-b-c-d-a；制冷量为面积：；制冷量为面积：a-d-d-a-a。如要用一个由两个定温过如要用一个由两个定温过

11、程和两个绝热过程组成的程和两个绝热过程组成的循环代替，则：循环代替，则：制冷剂向高温热源的放过制冷剂向高温热源的放过程为：程为：b-g，温度，温度Tb；制冷剂从低温热源的放过制冷剂从低温热源的放过程为：程为：d-1，温度，温度Td；5/25/202326n在热源温度变化的条件下，由两个和热源之间无温在热源温度变化的条件下，由两个和热源之间无温差的热交换过程及两个等熵过程组成的逆向可逆循差的热交换过程及两个等熵过程组成的逆向可逆循环是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。环是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。n热源温度变化时循环的热力完善度可表示成：热源温度变化时循环的热力完善度可表示成

12、：=/Ln洛伦兹循环制冷系数的计算：可分解成无数个微元洛伦兹循环制冷系数的计算：可分解成无数个微元循环计算。见图循环计算。见图1-5整个循环的制冷系数可表示为：整个循环的制冷系数可表示为：图片图片图图15.tif5/25/202328nT Tm m 及及T TO O是热力学意义上的平均温度。所以是热力学意义上的平均温度。所以洛伦洛伦兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度T Tm m 和以吸热和以吸热平均温度平均温度T TO O为高低温热源的逆向卡诺为高低温热源的逆向卡诺循环的制冷系数。循环的制冷系数。5/25/202329n经济性能是以热力系数作为评价指标

13、的。经济性能是以热力系数作为评价指标的。n热力系数：获得的制冷量与消耗的热量之比。用热力系数：获得的制冷量与消耗的热量之比。用0 0表示。表示。n结论：通过输入热量制冷的可逆制冷机，其热力系结论：通过输入热量制冷的可逆制冷机，其热力系数等于工作于数等于工作于T Ta a、T T0 0之间的逆向卡诺循环制冷机的之间的逆向卡诺循环制冷机的制冷系数与工作在制冷系数与工作在 T TH H、T Ta a之间的正卡诺循环的热效之间的正卡诺循环的热效率的乘积，由于后者小于率的乘积，由于后者小于1 1，因此：，因此：0 0总是小于总是小于0 0。5/25/202332四四.压缩蒸汽制冷循环压缩蒸汽制冷循环n流

14、程图见图流程图见图1-7。n组成的基本设备：压缩组成的基本设备：压缩机、冷凝器、节流设备、机、冷凝器、节流设备、蒸发器。蒸发器。n进行四个热力过程。进行四个热力过程。n压缩机：对工质进行压压缩机：对工质进行压缩过程，消耗外功缩过程，消耗外功W，将工质压力升高；将工质压力升高；5/25/202333n冷凝器：为换热器，将来自压缩机的高温、高压气冷凝器：为换热器，将来自压缩机的高温、高压气体冷却并冷凝成液体。工质对外放出热量体冷却并冷凝成液体。工质对外放出热量qk；n节流设备：将工质压力由冷凝压力降低为蒸发压力，节流设备：将工质压力由冷凝压力降低为蒸发压力，同时温度降低；同时温度降低；n蒸发器：也

15、为换热器，经过节流的制冷剂在其中汽蒸发器：也为换热器，经过节流的制冷剂在其中汽化，吸收汽化潜热完成制冷。吸热量为化，吸收汽化潜热完成制冷。吸热量为q0；n循环的制冷系数：循环的制冷系数：=Q=Q0 0/W=q/W=q0 0/w/w；nq q0 0单位质量制冷量。单位质量制冷量。n定义：单位质量制冷剂在一次循环中从低温热源所定义：单位质量制冷剂在一次循环中从低温热源所吸收的热量。吸收的热量。nWW单位压缩功（比功）。单位压缩功（比功）。n定义：压缩机压缩单位质量的制冷剂所消耗的功。定义：压缩机压缩单位质量的制冷剂所消耗的功。5/25/202334nQ Q0 0=q=q0 0q qm m=q=qv

16、 vV kwV kw；nq qm m-流经压缩机的制冷剂质量流量流经压缩机的制冷剂质量流量,Kg/s,Kg/s；nV-V-压缩机吸入口处的制冷剂体积流量压缩机吸入口处的制冷剂体积流量,m,m3 3/s/s。nq qv v=q=q0 0/v/v1 1 kj/mkj/m3 3nq qv v-单位容积制冷量；单位容积制冷量；nq qv v定义：压缩机每吸入单位体积制冷剂蒸汽定义：压缩机每吸入单位体积制冷剂蒸汽（按吸气状态计的体积）所制取的冷量。它仅（按吸气状态计的体积）所制取的冷量。它仅与制冷剂及吸气状态有关。与制冷剂及吸气状态有关。5/25/202335五五.热泵循环热泵循环n热泵循环与制冷循环的

17、区别：热泵循环与制冷循环的区别：n1.两者的目的不同。热泵的目的是为了获得高两者的目的不同。热泵的目的是为了获得高温（制热），也就是着眼于放热至高温热源；温（制热），也就是着眼于放热至高温热源；制冷机的目的是为了获得低温（制冷），也就制冷机的目的是为了获得低温（制冷），也就是着眼于从低温热源吸热。是着眼于从低温热源吸热。n2.两者的工作温区往往有所不同。由于两者的两者的工作温区往往有所不同。由于两者的目的不同，热泵是将环境作为低温热源，而制目的不同，热泵是将环境作为低温热源，而制冷机是将环境作为高温热源。对于同一环境温冷机是将环境作为高温热源。对于同一环境温度来说，热泵的工作温区明显高于制冷机。度来说，热泵的工作温区明显高于制冷机。5/25/202336n表明热泵循环经济性的指标为热泵系数，用表明热泵循环经济性的指标为热泵系数，用表示，其定义为：表示，其定义为：=Q=QH H/W/WnQ QH H热泵向高温热源输送的热量；热泵向高温热源输送的热量；nWW热泵机组消耗的外功。热泵机组消耗的外功。n=Q=QH H/W=1+/W=1+1n热泵从能量利用的角度比直接消耗电能或燃料热泵从能量利用的角度比直接消耗电能或燃料获取热量的要节能。获取热量的要节能。5/25/202337