制冷与低温原理

第一章制冷和低温的热力学基础，第一节制冷和低温原理的热工学基础，第二节制冷和低温工程，第三节制冷技术和学科交叉，第一节制冷和低温原理的热工学基础，1.1制冷和低温原理的热力学基础，1 .热力学第一定律，热力学能，热力学能和常时，工程的总储藏能，内部储藏能外部储藏能、热力学能、常时工质质量m、速度cf、重力场的高度z、宏观动能、重力位能、能从一个物体传递到另一个物体，有推动力、2 .能量的传递和转换、3 .焓、 进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储的能量增加(1-10 )、4.1闭口系统的能量平衡、4 .热力学第一定律的基本能量方程式、工质从外部吸热q后，从状态1变化为2，对外功率w。 如果忽略工质宏观动能和位能的变化，工质储能的增加就是热力学能量的增加u，(1-11 )，用热力学第一定律的解析式，施加给工质的一部分热量被储存在工质内部，剩下的一部分工作对于微流程、第一定律解析式的微分形式，(1-12a )，对于1kg工程，(1-12b )、(1-12c )、式(1-12 )普遍适用于闭口系，既适用于可逆流程，也适用于非可逆流程，对工程性质没有限制。 代数值、可逆过程、一个循环结束后，工质恢复到原来的状态，(1-15 )，闭口系统结束一个循环后，循环中与外界交换的热量等于与外界交换的净电量，(1-16 )、4.2开放系统的能量平衡，稳定流能方程，工质流过压缩机机器对工质进行工作wc，升压工质向外部散热的q，膨胀过程采用了绝热过程，5 .能量方程式的应用，工质在热交换器流动时与外部有热交换而无效的交换，动能差和能量差也可以无视，1kg的工质的吸热量，1kg的工业工质在喷嘴和扩压管流动时不对设备工作，热交换可以忽略，工质在阀流动时流动截面突然收缩，压力下降的流动绝热，忽略前后两截面间的动能差和位能差，过程中没有对外功，因此节流前后的焓相等1 .制冷循环的热力学分析、热力学循环、2 .热力学第二定律、熵是热力学状态参数，是判断实际过程方向、过程能否实现和能否可逆的标准。 可逆过程1-2的熵增加、克劳狄积分、p、t状态下的比熵，(1-33 )、2 .热源温度不变化时的逆可逆循环逆卡诺循环、3 .热源温度变化时的逆可逆循环洛伦兹循环、冷冻过程和冷却过程的传热温度差都为t 以发热量、洛伦兹循环冷冻系数、卡诺循环为比较依据，第一类循环是卡诺循环冷冻机，第二类循环是理想的热源驱动逆可逆循环三热源循环。 4、热源驱动的逆可逆循环三热源循环，1.1.2制冷和低温的获得方法，1 .焦耳-汤姆森效应，节流阀，毛细管，热膨胀阀和电子膨胀阀等多种形式。 焦耳-汤姆森效应，理想的气体焓只是温度的函数，气体节流时温度不变，实际的气体焓是温度和压力的函数，节流时温度也不变。 相对于焦耳-汤姆森系数、制冷系统中的光圈元件、理想气体，(2)光圈过程的物理特征是： (3)转换温度和转换曲线，T-P图上是连续曲线，被称为转换曲线，表1-1的最大转换温度表示部分气体的最高转换温度。 2、绝热膨胀、气体等熵膨胀时，压力的微小变化引起的温度变化。 微分等熵效应、(1-58 )、理想气体(绝热指数)、(1-60 )、等熵膨胀过程的温度差随着膨胀压力比P1/P2变大而变大，随着初温T1变高而变大。3、隔热放气、(1)假设放气过程慢，活塞左侧的气体总是处于平衡状态，等熵膨胀，工作以自己的压力计算，所以对外功最大，温度下降也最大。 (2)假设阀门刚打开后，活塞右侧的气体从P1下降到P2，活塞左侧的气体膨胀时只对一定的压力P2起作用，对外功最小，温度下降也最小。 实际放气过程总是处于上述两个极限情况之间，过程越慢，越接近等熵膨胀过程。 分析这两种极限情况，可以得出结论： (1)气体隔热指数越大，温度比T2/T1(P2/P1一定时)越小，温度下降越大，单原子气体能得到越大的温度下降。 (2)随着压力比P1/P2变大，温度比T2/T1的减少越来越慢，单阶段的压力比不太大，一般取3到5。 4.1热理想等温源系统，“冷源”是指制冷机必须冷却的空间“热源”是指制冷机发热的对象，4 .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时的性能系数COP，4.2热理想等压力源系统，在工程上不凝结的气体制冷机系统中，吸热过程因此，实际的系统与卡诺系统相比是不公平的。 因为实际系统的冷热源温度不一定。 理想的等压源冷冻机(1-66 )，上式适用于任何工程。 对大多数气体冷冻机来说，压力足够低的情况下，工业气体可以近似为理想气体。 相对于具有定压比热的理想气体，(1-70)cop与作为制冷剂使用的理想气体无关。 COPi只关于最高冷热源温度与最低冷热源温度之比和热源温度与最低冷热源温度之比。1.1.3制冷和低温温度区的划分，1 .制冷和低温温度区的划分，以123K划分温度区，制冷、制冷的温度范围从环境温度，接近绝对零度0K，2 .制冷和低温技术的发展历史，(1)制冷技术的发展历史，第二节制冷和低温工程，1.2.1制冷剂的发展1 .关于热力学性质2 .转移性方面，作为制冷剂要求3 .物理化学性方面，4 .另外，原料源充足，制造技术简单，价格便宜。 1.2.2制冷剂的命名，制冷剂根据其化学组成主要有三种，字母“r”和后面的数字和字母表示制冷剂，根据制冷剂分子组成按一定的规则写，1 .无机化合物，2 .氟利昂和烷烃类，规则，制冷剂的缩短符号，3 .非共沸混合工程，4.2 烯烃及其卤化物略号的规定：环烷烃和环烷烃的卤化物以文字“RC”开始，烯烃和烯烃的卤化物以文字“R1”开始，之后的数字的标记规则与氟利昂和烷烃类符号的标记中的数字的标记规则相同。 表1-4制冷剂符号的例子，另外，有机酸化合物、脂肪族胺以R6开始，之后数字是任意的。 详情可从表1-5的制冷剂标准符号表示中检测出。 1.2.3制冷剂的物理化学性质及其应用，1 .安全性，(1)毒性，一些氟利昂制冷剂毒性低，但在高温或火焰的作用下分解毒性极高的光气。 表1-6制冷剂的毒性指标表示常用制冷剂TLVs或AEL值，(2)燃烧性和爆炸性，(3)安全分类，表1-8和表1-9分别表示6个安全等级的区分定义和几个制冷剂的安全分类。 2 .热稳定性、制冷剂在正常运转条件下不分解。 温度高，油、钢铁、铜长时间存在的话，会发生变质和热分解。爆炸极限，表17中制冷剂易燃烧的爆炸特性，注： None不燃烧，na未知。 表1-8ASHRAE34-1992以毒性和可燃性为界的安全分类，表1-9制冷剂的安全分类，(二)低温技术的发展历史，3 .对材料的作用，在正常情况下卤素化合物制冷剂和很多常用金属材料不起作用。 有仅在某种状况下，例如水解作用、分解作用等与制冷剂起作用的材料。 在冷冻系统中要尽量避免水分的存在和铜铁的共享。4 .与润滑油的相互溶解性，每种氟利昂存在溶解极限温度，也就是溶解曲线的最高点的温度，在常温下氟利昂和矿物润滑油的溶解关系可以用经验式判别，5 .与水的溶解性，“冰堵塞现象”是指，温度达到0以下时，水变成冰，堵塞节流阀和毛细管的通路，形成“冰堵塞”，冷冻机6 .泄漏性，表1-10水分在部分制冷剂中的溶解度(25)注： na显示找不到可获得的数据。 沸点-33.3、凝固点-77.9的每单位容积的冷冻量粘性小，热传导性好，流动阻力小，毒性大，具有一定的可燃性，安全分类为B2氨蒸汽无色，具有强烈刺激性气味的氨水飞散到皮肤上时肿胀， 进而冻伤氨系的水分促进金属腐蚀的同时，减少冷冻量，在与水的相互溶解度小的体系中，氨分离的游离氢在一定程度上积蓄到空气爆炸氨水的比重比矿物润滑油小为止，油沉积下部定期地在氨冷冻机中不使用铜和铜合金材料(磷青铜除外)， 1.2.4必须释放常用制冷剂1 .无机物、2 .氟利昂、(1)R12 (二氟二氯甲烷CF2Cl2 )、(2)R134a (四氟乙烷CH2FCF3 )、(3)R11 (单氟氯仿CFCl3 )、(4)R22 (1)R600a (异丁烷i-C4H10 )、(2)R290 (丙烷C3H8)、沸点和凝固点低于r6a，蒸气压高，容积冷冻量大于r6a，其他冷冻特性和安全特性与r6a00a类似。 4 .混合制冷剂，(1)共沸制冷剂，共沸制冷剂的特征：表1-11的几个共沸制冷剂的组成和沸点，(2)非共沸制冷剂，在一定压力下溶液被加热的情况下，首先到达饱和液点a (泡点)，再被加热而到达到达点b，进一步被加热而到达点c (露点)的情况下泡点温度和露点温度的温差称为温度滑移，表1-12的非共沸混合制冷剂现在示出了很多非共沸制冷剂的种类和组成。 (3)常用混合制冷剂的特性、沸点-33.5、ODP值高。 5 )非共沸制冷剂R401A和R401B、1.2.5低温液体的性质，表1-13在气压下饱和低温液体的性质，(1)通常气体、(2)氢、表1-14e-H2中的p-H2的含量表示e-H2中的p-H2的平衡含量与温度的关系. 重氢也存在o-D2和p-D2，温度下降时重氢中的p-D2有o-D2，氢温度下降时氢从o-H2有p-H2，氦4、LHe有2种不同的液相，表1-15两流体模型中的常流体在heii中的质量比，温度下降时 (4)氦3、3、3,0.827K以下，液氦3和液氦4混合物可以自发地分离成两相，一个是超流体(富氦4相)，另一个是常流体(富氦3相)。 这种相的分离现象是氦稀释冷冻机的基础。 在第三节冷冻技术和学科交叉、冷冻和低温技术学科交叉的领域中，冷冻在空调中的作用，1 .空调、冷气和空调的关系相互关联而独立，通过人工的方法构成了各种各样的人想达到的环境条件。 2 .人工环境、制冷相关的人工环境试验有以下种类。 根据食品的处理方式，食品的低温处理技术分为三种。 3 .食品的冷冻和冷冻干燥，4 .低温生物医学技术，5 .低温电子技术，利用关于超导性的Meissner效果，用磁场代替油和空气作为润滑剂，能制作出没有摩擦的轴承。 在船用推进系统中，应用了无电力损失的超导电动机。 还开发了偏差极小的超导陀螺仪。 时速为500km/h的低温超导磁悬浮列车已经在日本开始试验运行。 6 .机械设计，可用红外光学镜头拍摄热源的外形，跟踪热源。 有些红外线材料在120K以下的低温下工作，为了更清楚热源遥感信号，拍摄高灵敏度的信号，需要更低的温度。 一般的红外线卫星需要70-120K的低温，大多通过斯特林冷冻机、脉冲管冷冻机、辐射冷冻机来实现。空间远红外线观测需要2K以下的温度，通常是通过过流氦的冷却技术来实现的。 7 .红外线遥感技术、炼钢时的氧起着一定的重要作用。 采集氨时也使用了低温系统。 加工压力容器时，在冷却到液氮温度的模具中放入预成形圆柱，向容器中填充高压氮气使其膨胀15%，使容器从模具中分离，恢复到室温。 在该方法中，材料的屈服强度为45倍。 8、加工过程中，目前低温技术是回收钢结