第一章制冷与低温的热力学基础

。第一章制冷与低温的热力学基础，第一节制冷与低温原理的热力学基础，第二节制冷与低温工质，第三节制冷技术与交叉学科，第一节制冷的热力学基础和低温原理，1.1.1制冷的热力学基础和低温原理，1.1热力学第一定律，热力学能量，热力学能量和总能量，工作介质的总储存能量，内部储存能量，外部储存能量，热力学能量，总能量，如果工作介质质量m，速度cf，重力场中的高度z，宏观动能，重力势能，能量可以通过两种方式从一个物体转移到另一个物体，推动功，2。能量传递和转换，图1-1a示出了工作介质通过管道进入气缸的过程。工作介质状态参数p、v、t由p-v图中的中点c表示。作用在面积为a的活塞上的工作介质的力为pA，工作介质流入气缸时推动活塞移动一段距离，工作pA=pV=mpv。m代表进入气缸的工作介质的质量，这种功称为推力功。如图中矩形区域所示，1kg工作介质的推力等于pv。焓，进入系统的能量-离开系统的能量=储存在系统中的能量的增加(1-10)，4.1封闭系统的能量平衡，4 .热力学第一定律的基本能量方程，工作介质从外部吸收热量q后从状态1变为状态2，并在外部做功。如果忽略工作介质的宏观动能和势能的变化，工作介质储存能量的增加就是热力学能量u(1-11)的增加，热力学第一定律的解析表达式，添加到工作介质中的一些热量用于增加存储在工作介质中的工作介质的热力学能量，其余的热量以做功的方式传递到外部。对于微元过程，第一定律(1-12a)的解析表达式的微分形式，对于1kg的工作介质，(1-12b)、(1-12c)和(1-12)一般适用于封闭系统，适用于可逆过程和不可逆过程，并且对工作介质的性质没有限制。完成一个循环后，工作介质将返回其原始状态(1-15)。闭环系统将完成一个循环，其中与外界交换的热等于与外界交换的净功，(1-16)，4.2开放系统的能量平衡，(1-21)，(1-22)，稳定流动，只有单一流体流入和流出系统，(1-21)，轨迹形式，(1-22)，当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程，当工作介质流过压缩机时，机器向工作介质施加功wc以提高工作介质的压力，工作介质向外释放热量q，膨胀过程采用绝热过程。能量方程的应用，当工作介质流经换热器时，与外界有热交换，但反应交换、动能差和势能差也可以忽略。1kg工作介质吸热，1kg工作介质动能增加，工作介质流经喷嘴和扩散器时不对设备做功，热交换可以忽略不计、当工作介质流经阀门时，流动截面突然收缩，压力下降，称为节流。设置流动绝热，前部和后部之间的动能差和势能差被忽略，节流前后的焓相等，因为在节流过程中没有外部功，1。制冷循环的热力学分析。热力学第二定律，熵是热力学状态参数，它是判断实际过程的方向，并提供过程是否可以实现和可逆的判据。可逆过程1-2的熵增，克劳修斯积分，p和t态的比熵定义为，(1-33)，2。反向可逆循环具有恒定热源温度的反向卡诺循环，卡诺制冷机是热力学理想的等温制冷机。具有可变热源温度的反向可逆循环-洛伦兹循环、(假设制冷过程和冷却过程之间的传热温差为T)，参考焦耳-汤姆逊系数，制冷系统中的节流元件，对于理想气体，(2)节流过程的物理特性，(3)转换温度和转换曲线是T-P图上的连续曲线，称为转换曲线，表1-1最高转化温度列出了一些气体的最高转化温度。当绝热膨胀和气体等熵膨胀时，由轻微压力变化引起的温度变化。微分等熵效应，(1-58)，理想气体的温差(绝热指数)，(1-60)，等熵膨胀过程随着膨胀压力比P1/P2的增大而增大，也随着初始温度T1的增大而增大。(1)假设放气过程非常缓慢，活塞左侧的气体总是处于平衡和等熵膨胀状态，做功是根据其自身压力计算的，因此外部做功最大，温降最大。(2)假设在阀门打开后，活塞右侧的气体将立即从P1下降到P2，因此当活塞左侧的气体膨胀时，它将仅在恒定压力P2下做功，具有最小的外部功和最小的温度下降。实际的放气过程总是在上述两种极限情况之间。过程进行得越慢，就越接近等熵膨胀过程。(1)气体的绝热指数越大，温度比T2/T1越小(P2/P1常数)，温度降越大，单原子气体的温度降越大。(2)随着压力比P1/P2的增加，温度比T2/T1下降得越来越慢，单级压力比不应太大，通常为3-5。4.1热力学理想等温源系统，“冷源”是指待冷却的空间，“热源”是指冰箱放热的对象。低温气体制冷的热力学基础，表1-2卡诺制冷机在300K和低温Tc下的性能系数，以及4.2热力学理想等压源系统。在工作介质不冷凝的气体制冷系统中，吸热过程改变温度，而不是像卡诺制冷机那样在等温条件下吸热。这样，实际系统和卡诺系统之间的比较是不公平的，因为实际系统的冷源温度不是恒定的。对于理想的等压冰箱，(1-66)，上述公式适用于任何工作介质。对于许多气体冰箱，当压力足够低时，工作介质气体可以近似为理想气体。对于具有恒定压力比热(1-70)的理想气体，COP与用作制冷剂的理想气体无关。COPi仅与最高冷源温度与最低冷源温度之比以及热源温度与最低冷源温度之比相关。1.1.3制冷和低温区的划分，1 .制冷和低温区的划分，将温度区除以123 k，制冷，制冷的温度范围是从环境温度到接近绝对零度，即0 k，2 .制冷和低温技术的发展历史，(1)制冷技术的发展历史，(2)制冷和低温工质的发展、应用和选择原则，1.2.1第2、1节制冷剂。热力学性质，2。迁移特性，作为制冷剂需要满足的要求，3.物理和化学性质，4。其他，原材料来源充足，制造工艺简单，价格低廉。1.2.2制冷剂被命名为。根据其化学成分，制冷剂主要分为三类。字母“R”和其后的一组数字或字母代表制冷剂。根据制冷剂的分子组成，它们是按照一定的规则编制的。1.无机化合物，2。氟利昂和烷烃，汇编规则，制冷剂的缩写符号，3.非共沸混合制冷剂，4。共沸混合制冷剂，5。环烷烃、烯烃及其卤化物质。缩写符号规定环烷烃和环烷烃的卤代化合物应以字母“RC”开头，烯烃和烯烃的卤代化合物应以字母“R1”开头，以下数字排列规则应与氟利昂和烷烃的符号表示相同。表1-4中制冷剂的符号以举例的方式给出。此外，有机氧化物和脂肪胺以R6开始，然后是可选的数字。详见表1-5在更高的温度下，如果长时间使用，油、钢和铜会变质甚至热解。爆炸极限，表1-7一些制冷剂的易燃易爆特性。注：无表示无燃烧，钠表示未知。表1-8 ASHREAE 34-1992基于毒性和易燃性的安全分类，表1-9某些制冷剂的安全分类，(2)低温技术的发展历史，以及3。对材料的影响。在正常情况下，卤素化合物制冷剂和最常用的金属材料不起作用。只有在某些条件下，如水解和分解，一些物质才能与制冷剂反应。制冷系统应尽量避免水与铜和铁共用。与润滑油的互溶性，每一种氟利昂的溶解都有一个临界温度，即溶解曲线最高点的温度，常温下氟利昂与矿物润滑油的溶解关系可由经验公式确定，与水的溶解度，即“冰堵现象”，当温度降至0以下时，水结冰，堵塞节流阀或毛细管的通道，形成“冰堵”，冰箱无法正常工作。6。泄漏，表110水在某些制冷剂中的溶解度(25)，注：na表示未发现可用数据。沸点-33.3，冰点-77.9，单位体积制冷量大，粘度小，传热好，流阻小，毒性大，具有一定的可燃性，安全分类为B2氨蒸气无色，氨溶液飞溅，对皮肤有强烈刺激性气味，会引起肿胀甚至冻伤。氨系统中的水会加剧对金属的腐蚀，降低制冷量。系统中从氨中分离出来的游离氢与水以任意比例互溶，但在矿物润滑油中溶解度很小。空气爆炸时氨溶液的比例小于矿物润滑油的比例。在油沉积的下部，氨制冷机中不定期使用铜和铜合金材料(磷青铜除外)。1.2.4常见制冷剂。1.无机物，2.氟利昂，(1)R12(二氟二氯甲烷二氯甲烷)，(2)R134a(四氟乙烷CH2FCF3)。(3) R11(三氟甲基氯氟化碳)，(4)R22(二氟二氯甲烷CHF2 Cl)。(3)烃类，(1)R600a(异丁烷i-C4H10)，(2)R290(丙烷C3H8)，沸点和冰点低于R600a，蒸汽压较高，容积制冷量大于R600a。其他制冷和安全特性与R600a相似。混合制冷剂，(1)共沸制冷剂，共沸制冷剂的特性，(2)非共沸制冷剂，几种共沸制冷剂的组成和沸点，(1)当溶液在一定压力下加热时，首先达到饱和液体点a(泡点)，然后加热到b点，即进入两相区，当连续加热到c点(露点)时，完全蒸发成饱和蒸汽。泡点温度和露点温度之间的温差称为温度滑移，表1-12中的一些非共沸混合制冷剂显示了目前广泛使用的非共沸制冷剂的类型和组成。(3)常用混合制冷剂的特点，沸点-33.5，ODP值较高。5)非共沸制冷剂R401A和R401B，1.2.5低温液体的性质，表1-13大气压下一些饱和低温液体的性质，(1)常规气体，(2)氢气，和表1-14e-p-H2的H2含量列出了H2东部p-H2的平衡含量和温度之间的关系。这两种不同形式的氢的区别在于组成氢分子的粒子的相对自旋转方向不同。氘也有o-D2和p-D2。当温度降低时，氘中的p-D2变成o-D2，而当温度降低时，氢变成p-H2。(3)氦4和氦4有两种不同的液相，表1-15显示了双流体模型中氦2中正常流体的质量比。当温度通过点下降时，液体的比热有一个大的跃变。(4)氦3，在0.827 K以下，液氦3和液氦4的混合物可以自发地分成两相，一相是超流体(富含氦4相)，另一相是正常流体(富含氦3相)。这种相分离现象成为氦稀释制冷机的基础。第3节制冷技术和学科的交叉，冰箱交叉领域的例子人工环境，有以下几种与制冷相关的人工环境试验。根据食品加工方式的不同，食品低温加工技术可分为三类：3。食物冷冻和冷冻干燥。低温生物医学技术，5。低温电子技术，利用与超导有关的迈斯纳效应，磁场代替油或空气作为润滑剂，可以制造无摩擦轴承。无功率损耗的超导电机已经应用于船舶推进系统。具有极小偏差的超导陀螺仪也被开发出来。一列时速500公里的低温超导磁悬浮列车已经在日本试运行。机械设计，红外光学镜头可以捕捉热源的形状并跟踪热源。一些红外材料通常在120千度以下的低温下工作，这使得热源的遥感信号更加清晰。为了捕捉高度敏感的信号，通常需要较低的温度。通常，红外卫星需要70-120K的低温，这通常由斯特林制冷机、脉管制冷机和辐射制冷机实现。太空远红外观测要求温度低于2K，这通常是通过超流氦冷却技术实现的。红外遥感技术在炼钢中起着重要的作用。低温系统也用于氨生产。在压力容器的加工过程中，将预成型的圆筒放入冷却到液氮温度的模具中，用高压氮气填充容器，使其膨胀15%，然后将容器从模具中取出并返回到室温。使用这种方法，材料的屈服强度可提高4-5倍。目前，低温技术是从钢结构轮胎