第一章制冷的热力学基础PPT课件

1、第一节相变制冷 第二节气体膨胀制冷 第三节其它制冷方式 第四节制冷热力学特性分析,主要内容,相变制冷：利用液体在低温下蒸发吸热或固体在低温下融化或升华吸热来制冷,如蒸气压缩式制冷和吸收式制冷 绝热膨胀制冷：高压气体经绝热膨胀降低温度吸热来制冷 气体涡流制冷：高压气体经涡流管膨胀后可分离为热、冷两股气流，利用冷气流吸热即可制冷 热电制冷：直流电通过半导体热电堆，即可在一端产生冷效应，在另一端产生热效应，利用冷端吸热即可制冷,引言：主要制冷方法,第一节相变制冷,相变制冷的原理及特点 相变：物质集聚态（气态、液态或固态）的变化 相变潜热：物质发生相变时，由于分子重新排列和分子热运动速度改变，必然伴随

2、着吸收或放出一定的热量，这种热量称为相变潜热 相变制冷：利用物质由质密态到质稀态的相变（融化、蒸发、升华）时的吸热效应达到制冷目的,第一节相变制冷,固体融化制冷 制冷技术中常用纯水冰、冰盐、共晶冰、相变材料或气体水合物的融化过程来制冷，无法连续制冷 纯水冰：在标准大气下，融化温度为273.15K，融化潜热为335kJ/kg，实现0度以上的制冷 冰盐：冰和盐类的混和物，实现0度以下的制冷 共晶冰：由共晶溶液冰结而成的冰，用于冷藏食品（0度以下融化）或空调蓄冷（0度以上融化）,图2.1 水的相平衡图 图2.2 CO2的相平衡图,第一节相变制冷,第一节相变制冷,第一节相变制冷,固体升华制冷 目前使用

3、得最多的固体升华制冷剂是CO2，N2，Ne，Ar CO2：在标准大气下，升华温度为-78.5度，升华潜热为573.6kJ/kg。升华后的低温CO2若再升温到度，则总的制冷量为646.4kJ/kg，其单位质量制冷能力是冰的1.9倍，单位容积制冷能力是冰的2.95倍,第一节相变制冷,液体汽化制冷 利用液体汽化过程的吸热效应来制冷，制冷剂是流体（液体或气体），可以构筑制冷循环实现连续制冷 制冷循环的四个基本过程：、制冷剂液体在低温下蒸发，成为低压蒸气；、将低压蒸气提高压力，使之成为高压蒸气；、将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体；、将高压液体降低压力，使之重新变为低压液体返回过程，从而完成循环 典型的制

4、冷循环：蒸气压缩式、吸收式、吸附式、蒸气喷射式,图2.3 蒸气压缩式制冷系统简图,第一节相变制冷,液体汽化制冷 蒸气压缩式制冷循环：以消耗电能或机械能为能量补偿，通过压缩机对低压气体做功，使之压力升高,第一节相变制冷,液体汽化制冷 蒸气吸收式制冷循环：通过液体吸收剂对制冷剂蒸气进行吸收，再利用驱动热源加热吸收工质对，来产生较高压力和温度的制冷剂蒸气,图2.6 蒸气吸收式制冷系统图,第一节相变制冷,液体汽化制冷 蒸气吸附式制冷循环：通过固体吸附剂对制冷剂蒸气进行吸收，再利用驱动热源加热吸附工质对，来产生较高压力和温度的制冷剂蒸气,图2.7 间歇型吸附式制冷系统的原理图,第一节相变制冷,液体汽化制

5、冷 蒸气喷射式制冷循环：使用热能作为驱动能源，利用喷射器实现从蒸发器中抽取蒸气并压缩到高压,图2.9 蒸气喷射式制冷系统图,第二节气体膨胀制冷,气体膨胀制冷的原理及特点 在气体低温制冷机和气体液化装置中，普遍采用气体膨胀的方法获得低温 气体膨胀制冷主要分为四种方式：、气体经节流阀膨胀，称为绝热节流，节流前后焓值不变；、高压气体在膨胀机内等熵膨胀，温度降低，对外输出功；、气体等温膨胀，从外界吸热；、绝热放气，容器内的存留气体温度下降,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷 等焓节流过程： 定义：节流是高压流体在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门等阻力元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。 特点：

6、在工程上节流过程进行得很快，近似作为绝热过程处理，前后的比焓值不变，是不可逆过程，熵必定增大。对于处于气液两相区的单一物质，节流后温度总是降低的；对于理想气体，焓是温度的单值函数，所以绝热节流前后焓值不变，温度也不变；对于实际气体，焓是温度和压力的函数，绝热节流后温度降低、升高和不变种情况都可能出现,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷 实际气体的节流效应： 微分节流效应（焦耳汤姆逊系数）：实际气体节流时，温度随微小压降而产生的变化，用下式表示： 积分节流效应：当压降为一有限数值时，整个节流过程产生的温度变化，用下式表示：,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷 实际气体的节流效应： 物理解释：

7、 由于节流前后焓值不变，所以节流前后的内能变化等于进出推动功的差值：u2-u1=p1v1-p2v2 气体的内能包括内动能和内位能两部分，而气体温度是降低升高还是不变，仅取决于气体内动能是减小、增大还是不变 当p1v1p2v2时，u2u1，即节流后内能减小。由于内位能总是增大，所以内动能必定减小，那么节流后气体温度降低 当p1v1=p2v2时，u2u1，即节流后内能不变，此时内位能的增加等于内动能的减少，节流后气体温度仍然降低,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷 实际气体的节流效应： 物理解释： 当p1v1p2v2时，u2u1，即节流后内能增大。此时，若内能的增加小于内位能的增加，则内动能是减

8、小的，温度仍是降低；若内能的增加大于内位能的增加，则内动能必然要增大，温度要上升；若内能的增加等于内位能的增加，则内动能不变，温度也不变，即微分节流效应等于，这个温度称为转化温度,等焓节流膨胀制冷,第二节气体膨胀制冷,焦耳汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷 林德制冷循环：,图2.13 林德循环系统图 图2.14 林德循环T-s图,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷 节流液化循环：气体液化循环是一开式循环，所用的气体在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被部分或全部地液化并作为液态产品输出,第二节气体膨胀制冷,气体等熵膨胀制冷 等熵膨胀的热力学特性：理想情况下，

9、气体在膨胀机中的膨胀过程对外有功输出，膨胀后气体内位能增大，消耗的这些能量需要内动能来补偿，因此气体温度必然降低，产生冷效应： 微分等熵效应 积分等熵效应,第二节气体膨胀制冷,气体等熵膨胀制冷 等熵膨胀的热力学特性： 等熵膨胀总是产生冷效应，而节流膨胀则需要在气体转化曲线内部才产生冷效应 相同条件下，等熵膨胀的温降比节流膨胀大得多，as-ah=v/cp；等熵膨胀的制冷量比节流膨胀大，qs-qh=we 等熵膨胀可以回收膨胀功，进一步提高循环的经济性 节流膨胀和等熵膨胀各有优势，在实际中都有应用：节流阀结构比较简单，还可在气液两相区工作；而等熵膨胀的膨胀机结构复杂，且带液的两相膨胀机的设计技术尚不

10、成熟,第二节气体膨胀制冷,气体等熵膨胀制冷 布雷顿制冷循环：以气体为工质，由两个等压和等熵过程组成，工质不发生相变，又称为气体制冷循环。由于是利用气体吸收显热实现制冷，而气体比热容很小，因此单位容积制冷很小、制冷效率低。目前主要用于飞机座舱的空调和获取-70度以下的温度,图2.16 无回热气体制冷机系统图,图2.17 无回热气体制冷机 理论循环T-s图,第二节气体膨胀制冷,气体等温膨胀制冷 斯特林制冷循环： 制冷原理：低温气体在等温膨胀过程中要从外界吸热，产生冷效应，是一种由两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，也称为定容回热循环,图2.20 理想斯特林循环的工作过程,第二节气体

11、膨胀制冷,气体等温膨胀制冷 维勒米尔（）制冷循环： 制冷原理：VM制冷机是用热能驱动的斯特林制冷机。图中-2-3-4-1为逆向斯特林循环，它是在T0下等温吸热，在Ta下等温放热。1-2-3-4-1为正向斯特林循环，它在Th下从高温热源等温吸热，在Ta下等温放热。常用VM制冷机的中间温度Ta为环境温度。可见，VM制冷机不需要动力驱动，直接消耗高温热源的热能制冷，又称为热气体制冷机,图2.22 VM制冷理论循环的p-V图,第二节气体膨胀制冷,绝热放气制冷 定义：又称为西蒙膨胀，它是容器中的高压气体向低压空间放气的膨胀过程。在此过程中，留在容器中的气体向放出的气体作推动功，消耗自身的一部分内能而降温

12、，产生制冷效应，介于节流膨胀与等熵膨胀之间，是目前获得低温的重要方法之一。吉福特麦克马洪（G-M)制冷和脉管制冷最为典型。 绝热放气制冷的热力学特性：如果放气过程进行得很慢，活塞左侧和右侧的气体始终处于平衡状态，将按等熵过程膨胀，做外功最大，温降也最大；如果放气过程很迅速，则做功最小，温降也最小。,第二节气体膨胀制冷,绝热放气制冷 吉福特麦克马洪(G-M)制冷循环：由升压、等压进气、绝热放气、等压排气个热力过程组成,图2.24 单级G-M 制冷机系统图,第二节气体膨胀制冷,绝热放气制冷 脉管制冷机：利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得低温,图2.26 基本型脉管制冷机结构原理图,第三节其它制

13、冷方式,涡流管制冷 制冷原理：利用人工方法使压缩气体产生涡流运动，涡流室中心部分的气体失去能量，经孔板流出时具有较低的温度；边缘部分的气体吸收能量，动能增加，并通过与管壁的摩擦将部分动能变成热能，因此流出时具有较高的温度。这样同一股气流分成冷、热两部分气流，其中分离出来的冷气流便可用来制冷,图2.27 涡流管的结构及工作 原理示意图 1进气管；2喷嘴；3孔板；4冷端管子；5涡流室；6热端管子；7控制阀,第三节其它制冷方式,热电制冷（半导体制冷） 制冷原理：如图，当电偶通以直流电流时，P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动，载流子从冷端金属片吸收热量提高势能

14、进入半导体，然后在热端金属片处排出热量降低势能并进入热端金属片。如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端与发热端也随之互换。,第三节其它制冷方式,磁制冷 制冷原理：利用顺磁性物质在绝热去磁过程中吸收热量的原理获得低温。在磁化过程中，分子磁矩按照外磁场方向平行规则的排列，增加了磁介质的有序度，对外放热；在去磁过程中，分子磁矩重新按任意方向排列，磁有序度下降，从外界吸收热量。,图2.30 磁制冷理想循环的S-T图 图2.31 艾里克森循环的S-T图,第三节其它制冷方式,热声制冷 制冷原理：在谐振管的热端输入声波（驻波），处于热声板叠左端的气体受声波压缩温度升高放出热量，右端的气体绝热膨胀温度降低吸收热

15、量，这样，在声波的每个循环中，气团将热量从板叠的右端向左端传递,图2.32 热声制冷机的基本工作原理图,第三节其它制冷方式,氦稀释制冷 制冷原理：当He与He的混合物在0.87k以下温度时会发生相分离，上相为He的浓相，下相为He的浓相。如果用某些方法来提取下相He溶液中的氦原子，那么3He原子会由上面的3He浓相溶解到下相中并伴随吸热，从而降低温度。,化学制冷 制冷原理：利用某些化学反应的吸热效应制冷，例如化肥溶解于水时是吸热反应，可使化肥溶液保持度达两天之久；如采用液氧作制冷工质，金属氧化物为吸附剂的化学吸附方式，可获取的低温。总之，自然界中一切具有吸热或降温效应的现象都可以用作制冷。,第

16、三节其它制冷方式,制冷方法的选择 合适的制冷温度和制冷量范围：在普冷范围内，一般采用蒸气压缩式和吸收式制冷。当温度小于度、制冷量在以下时，适合采用热电制冷。在深冷温度范围内，通常采用气体膨胀制冷方法及磁制冷。 消耗能量的形式：在电力供应不足的场合，或燃料供应充足的场合，尤其是有废热、余热可以利用的场合，应优先考虑吸收或吸附式制冷。 运行安全性和可靠性：如氨不适合用在人口密集的场合 环境保护：使用的制冷剂应不破坏臭氧层且温室效应小 系统初投资和运行管理费用 操作维护的方便性,第四节制冷循环的热力学分析,引言 正向循环与逆向循环：正循环是把热量转化成机械功的动力循环，在温熵图或压焓图上按顺时针方向

17、进行，热力发动机都是按正向循环工作；逆向循环是一种消耗功的循环，在温熵图或压焓图上按逆时针方向进行，制冷机和热泵都是按逆向循环工作。 可逆循环与不可逆循环：循环的各个过程中，只要包含不可逆过程，就是不可逆循环。制冷循环的不可逆过程可分为内部不可逆和外部不可逆。制冷剂在流动过程中因摩擦、扰动及内部不平衡而引起的损失，属内部不可逆；换热器中有温差时的传热损失，属外部不可逆。逆向可逆循环，是热力学上最完善的制冷循环,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析 制冷循环分类：（a)机械能或电能驱动的制冷循环；(b)热能驱动的制冷循环,图2.33 制冷系统的能量转换关系示意图,第四节制冷循环的热力

18、学分析,制冷循环的热力学分析 机械或电能驱动的逆卡诺循环： 热力学分析,图2.34 逆卡诺循环在 T-s图上的表示,制冷系数的特性： 1、高温高，低温低，制冷系数小 2、低温比高温对它影响程度大 3、与循环介质无关 4、其值可大于1，小于1，或等于1,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析 机械或电能驱动的逆卡诺循环：有传热温差时,制冷系数：,热力完善度的特性： 1、其数值恒小于1 2、温差越大，其值越小,热力完善度：,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析 机械或电能驱动的洛伦兹循环：热源温度发生变化时,洛伦兹循环过程及循环分析,洛伦兹循环的分析及热力学评价：,洛伦兹循环

19、的制冷系数：,微元的制冷系数：,洛伦兹循环过程的消耗功：,洛伦兹循环与逆卡诺循环对比：见图1-3,洛伦兹循环过程的排热量：,洛伦兹循环过程的制冷量：,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析 机械或电能驱动的制冷循环实例：蒸气压缩式制冷循环,系统制冷量的计算方法（质量流量表达体积流量表达）：,制冷系数表达式（系统冷量表达）,制冷剂单位容积制冷量表达及意义,压缩蒸气制冷循环的4大件：压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析 热能驱动的可逆制冷循环： 热力学分析,图2.35 热能驱动可逆 制冷循环的T-s图,热力系数的特性：,1、热力系数小于逆卡诺

20、循环系数，但是比较基准不一样。 2、热力系数随高温热源提高，低温热源提高，环境温度降低，而提高。,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析 热能驱动的可逆制冷循环：可逆热机和可逆机械制冷机的叠加,图2.36 热能驱动制冷机能量转换的等价关系,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析 热力完善度：,第四节制冷循环的热力学分析,热泵循环的热力学分析,图2.37 热泵的能量转换关系示意图,区别： （1）两者目的不同；（2）两者的工作温度区间不同,热泵和制冷机的关系：,联系：两者的循环都为逆循环，都可称制冷循环,第四节制冷循环的热力学分析,热泵循环的热力学分析,机械热泵：,热能驱动热泵：,第四节制冷循环的热力学分析,热泵循环的热力学分析,图2.38 热泵空调系统工作原理图,第四节制冷循环的热力学分析,热泵循环的热力学分析,图2.39 同时制热和制冷的循环示意图,The objective of a refrigerator is to remove heat (QL) from the cold medium;