制冷原理与技术课件

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，第三节制冷技术与跨学科，第一节制冷与低温原理的热力学基础，1.1.1制冷与低温原理的热力学基础，1.1热力学第一定律，热力学能，热力学能与总能，工质总储能，内储能，外储能，热力学能，总能， 如果质量m、速度cf、重力场中的高度z、宏观动能和工作介质的重力势能，能量可以通过两种方式从一个物体转移到另一个物体，即推进力。 2.能量转移和转换。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，这是热力学第一定律的解析表达式，一部分加到工作介质上的热量用来增加工作介质在工作介质中的热力学能量的储存，其余的以做功的方式传递到外界。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，工作介质将返回到其原始状态(1-15)。完成一个循环后，封闭系统将与外界进行热交换，热交换量等于与外界交换的净功(1-16)，4.2开放系统的能量平衡，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，机器对工作介质施加功wc以提高工作介质的压力。工质向外界释放热量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，但有反应交换，动能差和势能差也可以忽略。1kg工质吸热，1kg工质动能增加，工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，是判断实际过程的方向，并提供了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状态下的比熵定义为(1-33)，2。反向可逆循环反向卡诺循环具有恒定的热源温度，卡诺制冷机是热力学理想的等温制冷机，3。具有可变热源温度的反向可逆循环洛伦兹循环，并且，假设制冷过程和冷却过程的传热温差为T，制冷量，热盘焦耳-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，即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。2。绝热膨胀、气体等熵膨胀、压力微小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。这个过程越慢，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热理想等温源系统，“冷源”是指待冷却的空间，“热源”是指制冷机放热的对象，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下的COP，4.2热理想等压源系统，在工作介质未冷凝的气体制冷机系统中，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。对于理想的等压源制冷机，(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，制冷和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)制冷剂的发展、应用和选择原则，1.2.1热力学性质，2。迁移性能，作为制冷剂应符合要求，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制冷剂名称，制冷剂按其化学成分主要有三种，字母 R 和一组数字或字母，在它后面，表示制冷剂，按制冷剂分子组成按一定规则，1。无机化合物，2。氟利昂和烷烃，书写规则，制冷剂缩写，3。非共沸混合工作介质。共沸混合工作介质。环烷烃、烯烃及其卤素，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。例如，表1-4制冷剂符号，此外，有机氧化物、脂肪胺以R6开头，数字后可选。详见表1-5制冷剂标准符号表示。1.2.3制冷剂的物理和化学性质及其应用，1 .安全性，(1)毒性。虽然有些氟利昂制冷剂毒性低，但它们会分解到极限、爆炸极限，表1-7某些制冷剂的易燃易爆特性，注：无表示不燃烧，na表示未知。表1-8 ASHREAE 34-1992以毒性和可燃性为界限的安全分类，表1-9某些制冷剂的安全分类，(2)低温技术的发展历史，3。对材料的影响。在正常情况下，卤素化合物制冷剂不适用于最常用的金属材料。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。4.与润滑油互溶。对于每一种氟利昂，都有一个溶解的临界温度，即溶解曲线最高点的温度。氟利昂与矿物润滑油在常温下的溶解关系可用经验公式确定。5.水溶性，“冰阻塞现象”。当温度降至0以下时，水形成冰，堵塞节流阀或毛细管的通道，形成“冰堵”，导致冰箱不能正常工作。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(三氟甲基氯三氯甲烷)，(4)R22(二氟二氯甲烷CHF2Cl)，3。碳氢化合物，(1)R600a(异丁烷i-C4H10)，(2)R290(丙烷C3H8)，比R600a沸点和冰点低，比R600a蒸汽压高，体积制冷量大，其他制冷和安全特性与R600a相似。4。混合制冷剂，(1)共沸制冷剂，共沸制冷剂的特性：表1-11几种共沸制冷剂的组成和沸点，(2)非共沸制冷剂，当溶液在一定压力下加热时，首先达到饱和液体点A(泡点)，然后加热到点B，即进入两相区，当加热到点C(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差。表1-12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，表1-14e-p-H2的H2含量列出了H2东部p-H2的平衡含量与温度之间的关系。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二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。喷泉效应液氦3和液氦4的混合物可以自发地分成两个相，一个是超流体(富氦相4)，另一个是正常流体(富氦相3)。这种相分离现象成为氦稀释制冷机的基础。第三节制冷技术的交叉学科研究，制冷和低温技术的交叉学科研究实例，以及制冷在空调中的作用。2.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。利用超导和磁场相关的迈斯纳效应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，红外光学镜头可以用来捕捉热源的形状和跟踪热源。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中