制冷的热力学基础.ppt

第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 第二节第二节 绝热膨胀制冷绝热膨胀制冷 第三节第三节 制冷热力学特性分析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 第一节第一节 相变制冷相变制冷 一、物质的相变特性一、物质的相变特性 基本知识：基本知识： 1 1、物质的相、物质的相、 相变（固、气、液）相变（固、气、液） 2 2、成分、成分 3 3、相图、相图 4 4、自由度、自由度 5 5、相律、相律 IRT of USST: Wu Weidong 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 一、物质的相变特性一、物质的相变特性 基本知识：基本知识： 纯质：水，三相（冰、水、汽），相图纯质：水，三相（冰、水、汽），相图 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 一、物质的相变特性一、物质的相变特性 混合物：盐水，相图混合物：盐水，相图 R22/R12R22/R12 基本知识：基本知识： 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 一、物质的相变特性一、物质的相变特性 能量：吸热能量：吸热状态：液状态：液 气气 （一）液（一）液- -气气 气化热气化热 ： 特特 性：与压力有关，不同压力不一样性：与压力有关，不同压力不一样 与材料有关，不同物质不一样与材料有关，不同物质不一样 与状态有关，在临界压力以上为与状态有关，在临界压力以上为0 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、物质的相变特性一、物质的相变特性 热量变化的公式：热量变化的公式： 物质在气液两相区内的干度：物质在气液两相区内的干度：x x 部分气化的热量变化：部分气化的热量变化： 特性：干度大，气化热小特性：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 第一节第一节 相变制冷相变制冷 2 2、固体的升华、固体的升华 状态：固气，吸热状态：固气，吸热 热量：升华热热量：升华热 1 1、固体的融化、固体的融化 状态：固液，吸热状态：固液，吸热 热量为熔解热（融化热）：水热量为熔解热（融化热）：水335335KJ/KGKJ/KG （二）固体的融化与升华（二）固体的融化与升华 3 3、冰盐混合物（类似前述的盐水）、冰盐混合物（类似前述的盐水） 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 表表1-1 1-1 冰的升华压力和对应的升华温度冰的升华压力和对应的升华温度 干冰的三相点：干冰的三相点：518518kPa,-56.6CkPa,-56.6C 水的水的三相点：三相点：0.610.61kPa,0.0CkPa,0.0C 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 表表1-2 1-2 冰盐混合时的温度冰盐混合时的温度 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 表表1-3 1-3 一些共晶溶液的物理温度一些共晶溶液的物理温度 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 二、压二、压- -焓图焓图 1 1、压、压- -焓焓图的图的结构：结构： 气液相变制冷是主要的制冷方法。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。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，其中压图表也有很多形式，其中压- -焓图使用最多焓图使用最多。 过程线：过程线： 等压线、等压线、 等温线、等温线、 等焓线、等焓线、 等熵线、等熵线、 等容线等容线,.,. 过冷度过冷度 过热度过热度 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 要求要求（1 1）表示过程（吸热或放热）表示过程（吸热或放热） （2 2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）：热度）： 过程：从点过程：从点1 1（温度（温度20C20C，压力压力2 bar2 bar）等熵变化到点等熵变化到点2 2（压力（压力10 bar10 bar）再等再等 压变化到点压变化到点3 3（温度（温度30C30C），），再次等焓变化到点再次等焓变化到点4 4（压力（压力2 bar2 bar），），最后等压最后等压 回到点回到点1 1。 2 2、压、压- -焓图的使用焓图的使用二、压 二、压- -焓图焓图 图图1-1 R134a1-1 R134a的压的压- -焓图焓图 第一章 制冷的热力学基础 第一节第一节 相变制冷相变制冷 要求要求（1 1）表示过程（吸热或放热）表示过程（吸热或放热） （2 2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）：热度）： 过程：从点过程：从点1 1（温度（温度2020C C，压力压力2 2 barbar）等熵变化到点等熵变化到点2 2（压力（压力10 10 barbar）再等再等 压变化到点压变化到点3 3（温度（温度3030C C），），再次等焓变化到点再次等焓变化到点4 4（压力（压力2 2 barbar），），最后等压最后等压 回到点回到点1 1。 2 2、压、压- -焓图的使用（结果）焓图的使用（结果） 二、压二、压- -焓图焓图 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 第一节第一节 相变制冷相变制冷 要求要求（1 1）表示过程（吸热或放热）表示过程（吸热或放热） （2 2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）：热度）： 过程：从点过程：从点1 1（温度（温度20C20C，压力压力2 bar2 bar）等熵变化到点等熵变化到点2 2（压力（压力10 bar10 bar）再等再等 压变化到点压变化到点3 3（温度（温度30C30C），），再次等焓变化到点再次等焓变化到点4 4（压力（压力2 bar2 bar），），最后等压最后等压 回到点回到点1 1。 2 2、压、压- -焓图的使用（结果）焓图的使用（结果） 二、压二、压- -焓图焓图 第一章 制冷的热力学基础 第二节第二节 绝热绝热膨胀膨胀制冷 气体绝热膨胀的三种方式：气体绝热膨胀的三种方式： 气体制冷机的定义：气体制冷机的定义： 引言引言 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 1）等熵膨胀）等熵膨胀 （2 2）等焓膨胀）等焓膨胀 （3 3）绝热放气）绝热放气 第一章 制冷的热力学基础 第二节第二节 绝热绝热膨胀膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程一、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。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 第二节第二节 绝热绝热膨胀膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程一、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。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 第二节第二节 绝热绝热膨胀膨胀制冷 对于理想气体 ： 故 一、有外功输出的膨胀过程一、有外功输出的膨胀过程 第一章 制冷的热力学基础 第二节第二节 绝热绝热膨胀膨胀制冷 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 第二节第二节 绝热膨胀制冷绝热膨胀制冷 二、节流膨胀过程二、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 第二节第二节 绝热膨胀制冷绝热膨胀制冷 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 第二节第二节 绝热膨胀制冷绝热膨胀制冷 二、节流膨胀过程二、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 第二节第二节 绝热膨胀制冷绝热膨胀制冷 二、节流膨胀过程二、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 最高转转化温度 (K) 气 体 最高转转化温度 (K) He 4 45CO652 H2205Ar794 Ne250O2761 N2621CH 4 939 空 气 603CO 2 1500 NH 3 1994 第一章 制冷的热力学基础 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 （2 2）可逆循环和不可逆循环）可逆循环和不可逆循环 （1 1）正循环（生产功）和逆循环（消耗功）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，评价制冷循环本节目的寻找热力学上最佳制冷循环，评价制冷循环 （3 3）内部不可逆和外部不可逆）内部不可逆和外部不可逆 引言：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 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 循环过程及循环分析循环过程及循环分析 定义及热力学评价：定义及热力学评价： 一、逆卡诺循环一、逆卡诺循环 图图1-2 1-2 逆卡诺循环在逆卡诺循环在T-ST-S图上图上 的表示的表示 1-41-4过程吸热量：过程吸热量： 2-32-3过程放热量：过程放热量： 循环过程的消耗功：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 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 一、逆卡诺循环一、逆卡诺循环 图图1-2 1-2 逆卡诺循环在逆卡诺循环在T-ST-S图上图上 的表示的表示 制冷系数：制冷系数： 制冷系数的特性：制冷系数的特性： 1 1、高温高，低温低，制冷系数小、高温高，低温低，制冷系数小 2 2、低温比高温对它影响程度大、低温比高温对它影响程度大 3 3、与循环介质无关、与循环介质无关 4 4、其值可大于、其值可大于1 1，小于，小于1 1，或等于，或等于1 1 第一章 制冷的热力学基础 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 循环过程及循环分析循环过程及循环分析 定义及热力学评价：定义及热力学评价： 一、逆卡诺循环一、逆卡诺循环 图图1-3 1-3 有温差传热的不可逆制冷有温差传热的不可逆制冷 循环循环 1-41-4过程的吸热量：过程的吸热量： 2-32-3过程的放热量：过程的放热量： 循环过程的消耗功：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 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 一、逆卡诺循环一、逆卡诺循环 制冷系数：制冷系数： 热力完善度的特性：热力完善度的特性： 1 1、其数值恒小于、其数值恒小于1 1 2 2、温差越大，其值越小、温差越大，其值越小 热力完善度：热力完善度： 图图1-3 1-3 有温差传热的不可逆制冷循环有温差传热的不可逆制冷循环 第一章 制冷的热力学基础 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 二、洛伦兹循环二、洛伦兹循环 图图1-4 1-4 变温热源时的逆向可逆循环变温热源时的逆向可逆循环 洛伦兹循环的制冷系数：洛伦兹循环的制冷系数： 微元的制冷系数：微元的制冷系数： 洛伦兹循环过程的消耗功：洛伦兹循环过程的消耗功： 洛伦兹循环与逆卡诺循环对比：洛伦兹循环与逆卡诺循环对比： 图图1-5 1-5 用微元循环来分析洛伦兹循环用微元循环来分析洛伦兹循环 洛伦兹循环过程的排热量：洛伦兹循环过程的排热量： 洛伦兹循环过程的制冷量：洛伦兹循环过程的制冷量： L L 洛伦兹循环的分析及热力学评价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 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 三、热能驱动制冷循环三、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。 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 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 热力学第一定律热力学第一定律- -能量平衡：能量平衡： 热力学分析及热力学评价：热力学分析及热力学评价： 三、热能驱动制冷循环三、热能驱动制冷循环 图图1-6 1-6 三热源制冷系统图三热源制冷系统图 经济性评价指标经济性评价指标- -热力系数热力系数 热力学第二定律热力学第二定律- -熵增为熵增为0 0： 分析模型见图分析模型见图1-61-6。 三热源的热力系数推导式：三热源的热力系数推导式： 定义式：定义式： 第一章 制冷的热力学基础 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 三、热能驱动制冷循环三、热能驱动制冷循环 图图1-6 1-6 三热源制冷系统图三热源制冷系统图 热力系数的特性热力系数的特性 ： 1 1、热力系数小于逆卡诺循环系数，、热力系数小于逆卡