制冷技术的热力学基础

1、制冷技术的热力学基础 制冷技术的热力学基础 在制冷循环中，工质不断地进行着热力状态变化。描述工质所处热力状态的物理量称为工质的热力状态参数，简称状 态参数。一定的状态，其状态参数有确定的数值。工质状态变化时，初、终状态参数之间的差值，仅与初、终状态有 关，而与状态变化的过程无关。 制冷技术中常见的状态参数有：温度、压力、比容、内能、熔与爛等。这些参数对于进行制冷循环的分析 和热力计算，都是非常重要的。 一、温度温度是描述热力系统冷热状态的物理量，是标志物体冷热程度的参数。 物体的温度可釆用测温仪表来测定。为了使 温度的测量准确一致，就要有一个衡量 温度的标尺，简称温标，工程上 常用的温标有：

2、二、摄氏温标 又叫国际百度温标，常用符号t表示，单位为C。 2. 绝对温标常用符号T表示，单位为开尔文（代号为K） o绝对温标与摄氏温标仅是起点不同而己 （t=0 C时，T二273. 16K），它们每度的温度间隔确是一致的。在工程上其关系可表示为： T二273+t （ K） 二、压力压力是单位面积上所承受的垂直作用力，常用符号P表示。 压力可用压力表来测定。在国际单位制中，压力单位为帕斯卡（ Pa）,实际应用时也可用兆帕斯卡 （MPa或巴（bar）表示，IMPa二106Pa而lbar二105 Pa。压力的标记有绝对压力、表压力和真空度三种情况。绝对压 力是指容器中气体的实际压力，用符号P表示；

3、表压力（PB是指压力表（或真空表）所指示 的压力；而当气体的绝对压力比大气压力（B）还低时，容器内的绝对压力比大气压力低的数值，称为真 空度（PKo三者之间的关系是： P二PB表压力+B大气压力或P二B大气压力-PK真空度，作为工质的状态参数应该是绝对压力，而不是表压 力或真空 度。 三、比容比容是指单位质量工质所占有的容积，用符号U表示。 比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。比容的倒数为工质的密度，即单位容积工质所具有的质量，用符号 P表示。比容和密度之间互为倒数关系。 四、内能内能是工质内部所具有的分子动能和分子位能的总和，用符号U表示。 分子动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动

4、能和分子内部振动能三项，其大小 与气体的温度有关。而分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与工质的比容有关。 既然气体的内动能决定于气体的温度、内位能决定于气体的比容，所以气体的内能是其温度和比容的函数 也就是说内能是一个状态参数。 五、焰 焙是一个复合的热力状态参数，表征系统中所有的总能量，它是内能与压力之和。对1血工质而 言，可表示为： h = U+ P U （kj/kg ）或（kcal/kg ） 式中h 焰或称比焰（kj/kg或kcal/kg ） U 比容（m3/kg） U 内能（kj/kg 或 kcal/kg ） p绝对压力（N/m2 或wqpl wqp2J Pa） 在工程单位制中，压

5、力单位常用工程气压、物理大气压和毫米水柱等单位。由于内能和压力位能都是 温 度的参数，所以熔也是状态参数。确切地说，焙是一定质量的流体，从某一初始状态变为任一热力状态所加入的总热 量。 六、爛爛是一个导岀的热力状态参数，爛的中文意义是热量被温度除所得的商，爛的外文原名意义是 “转变”，指热量可以转变为功的程度，它表征工质状态变化时，与外界热交换的程度。爛是通过其他可以直接测 量的数量间接计算岀来的。 、热力学第二定律 在热量传递和热、功转换时，热力学第一定律只能说明它们之间的数量关系，确不 能揭示热功转换的条件和方向性。对于能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度则是由热力学第二定律来揭示 的

6、，它指出：“热量能自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体”。这正象石头或水 不可能自发的从低处向高处运动一样。但这并不是说石头和水在任何条件下都不可能由低处移向高处，只要外界给它 们足够大的作用力，在这个力的作用下石头或水就能由低处移向高处，这个外界作用力称为补偿。同样，不能把热力 学第二定律的说法理解为：“不可能把热量从低温物体传到高温 物体”。而是只要有一个补偿过程，热量就能自低温 物体传到高温物体。制冷装置就是以消耗一定的外间功作为补偿过程而实现人工制冷的。 二、循环与理想制冷循环 1、正循环及热效率 膨胀一压缩循环按瞬时针方向进行的，称为正循环。在PU图上，正

7、循环的膨胀线1 一 23位于压缩线 3- 4-1之上。正循环的单位质量净功wO为正值，若设高温热源加给工质的热量为ql ,工质放给低温热源的热量 为q2,则： （一）循环 热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了持续不断地将热转换为功，工程上是通过热机來实现 的。 但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。为了能重复地进行膨胀，工质在每次膨胀之后必须 进行压缩，以便使其回到初态。我们把工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循 环”。循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。如下图所示： 评价正循环的好坏，通常用循环热效率nt来衡量，循环热效率是指工质在整

8、个热力循环中，对外界所作 的净功wO与循环中外界所加给工质的热量ql的比值。即： 2. 逆循环及性能系数 膨胀一压缩循环按逆时针方向进行的，称为逆循环。如图2-1所示。逆循环的压缩线3-2-1位于膨胀线1 一 4- 3之上。其循环的净功为负值。若用ql表示工质向高温热源放出的热量，用q2表示工质从低温热源吸收的热 量，则有： w0=ql-q2或ql二q2+w0上式说明，外界对工质作功，且热量的传递方向也全部改变。也就是说，逆循环的效果是消耗 外界的功，将热量从低温物体传递给高温物体。如逆循环的目的是从低温物体中吸收热量，则称为制冷循环。如逆循 环的目的是给高温物体供热，则称为热泵循环。 逆循环

9、的好坏通常用性能系数 來衡量。对于制冷机来说，是指从冷源吸收的热量 q2与消耗的循环净功wO的比值 1称为制冷系数。对于热泵来说，是抬供给热源的热量ql与消耗的循 环净功沁的比值 2称为供热系数。从上述分析可见，伴随着低温热源把一部分热量q2传送到高温热源 中去的同时，循环的净功曲也将转变为热量并流向高温热源，这就是使热量从低温热源传给高温热源所必需的补偿 条件。没有这个补偿条件，热量是不可能从低温热源传给高温热源的。 （二）理想制冷循环 理想制冷循环可通过逆卡诺循环來说明。逆卡诺循环如图2-2所示，它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设 低温热源（即被冷却物体）的 温度为TO,高温热源（即

10、环境介质）的 温度为Tk,则工质的温度 在吸热过程中为TO, 在放热过程中为Tk,就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温 差，即传热是在等温下进行的，压 缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为： 首先工质在TO下从冷源（即被冷却物体）吸取热量qO,并进行等温膨胀4-1,然后通过绝热压缩1-2,使其温度由 TO升高至环境介质的 温度Tk,再在Tk下进行等温压缩2-3,并向环境介质（即高温热源）放出热量qk,最后再进行 绝热膨胀3-4,使其温度由Tk降至TO即使工质回到初始状态4,从而完成一个循 环。 由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（

11、即被冷却物体）的温度TO和热 源（即环境介质）的 温度Tk;降低Tk,提高TO,均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给 定的冷源和热源 温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷 循环的制冷系数都小 于逆卡诺循环的制冷系数。 总上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善 程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数 k之比，称为该制冷 机循环的热力完善度，用符号n表示。即： n = / k热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环

12、的一个技术经济指 标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性 好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。 一、制冷剂的相态变化众所周知，物质有三种状态，就是固态、液态和气态。通常我们把固态的物体叫固体，液态的 物体叫液体，气态的物体叫气体。物质的三种状态，在一定的压力和温度 条件下是可以相互转化的。其转化过程分 别称 为： 1. 汽化物质从液态转变为气态的过程称为汽化。汽化有蒸发和沸腾两种形式。其中，在液体表面进行的汽化过程 叫蒸发，在液体内部产生气泡的剧烈汽化过程叫沸腾。在一定压力下，蒸发在任何温度下都可进行，而沸腾只有液 体被加热

13、到一定温度才开始进行。当汽液两相共存并且保持平衡状态时称为饱和状态。此时的蒸汽和液体分别叫做 饱和蒸汽和饱和液体，处 于饱和状态的压力与 温度称为饱和压力与饱和 温度。饱和压力与饱和 温度 总是相互对应 的，即一定的饱和 压力对应着一定的饱和 温度，反之亦然。二者之间的对应关系是：饱和 温度 愈高，饱和压力也 愈高。反之，饱和压力愈高，饱和 温度 也愈高。这是饱和状态的一个重要特点。 2. 冷凝物质从汽态转变为液态的过程称为冷凝或叫做液化。 汽体的液化温度与压力有关，增大压力，可使汽体在较高的温度下液化。液化的基本方法是降低温度和增加压 力。 3. 升华物质由固态直接转变为气态的过程称为升华。

14、 4. 凝华物质由气态直接转变为固态的过程称为凝华。例如空气中的水蒸汽在膨胀阀上结霜时发生的过程。 二、制冷剂的压一焙图及热力性质表制冷剂的热力状态可以用其热力性质表来说明（常用制冷剂的饱和热力性质表 见附表），也可以用压一焙图 来表示。压一焙图（lgP -h图）是一种以绝对压力的对数值lgP为纵坐标，熔值为横坐标的热工图表。采用对 数值1認（而不采用P）为纵坐标的目的是为了缩小图的尺寸，提高低压区域的精确度，但在使用时 仍然直接从图上 读出P的数值即可。 1. 压一焰图（IgP h图）的结构 压一焙图中有两条比较粗的曲线，左边一条为饱和液体线（干度X =0）,右边一条为 干饱和蒸汽线（干度X

15、 =1）,两线交于一点K,且将图分成了三个区域。其中K称为临界 等压线P:水平细直线。 等焙线h :竖直细直线。 等温线t :点划线，其在过冷液体区为竖直线，在湿蒸汽区为水平线，在过热蒸汽区为稍微向右下方弯曲的曲 线。 等爛线S:为从左到右稍向上弯曲的实线。点，饱和液体线左侧为过冷液体区，干饱和蒸汽线右侧为过热蒸汽 区，两线之间为湿蒸汽区。 等比容线U：在湿蒸汽区和过热蒸汽图23压一焰图区中，为从左到右稍向上弯曲的虚线，但比等 爛线平坦， 液体区无等比容线，因为不同压力下的液体容积变化不大。 等干度线x :只存在于湿蒸汽区和过热蒸汽区域内，走向与饱含液体线或干饱和蒸汽线基本一致。压一熔图上每

16、一点都代表制冷剂的某一状态，在温度、压力、比容、焙、爛、干度六个状态参数中，只要知道其中任意两个独立 的状态参数，就可以在图中确定其状态点，从而查出其它儿个状态参数。制冷工程中，高压区和湿蒸汽区的中间部分 很少用到，所以有些压一熔图中往往将这两部分删去不画。不同的制冷剂， 其压一熔图（IgP 一 h图）的形状也有所不同，常用制冷剂R717、R12及R22的饱和热力性质表见附表。在工程计 算中，根据需要可以查取制冷剂的饱和热力性质表，根据一个状态参数，再查取制冷剂的饱和液体或干饱和蒸汽的其 它状态参数。 2. 压一熔图（IgP h图）的应用 压一熔图（IgP -h图）是进行制冷循环分析和计算的重

17、要工具，在进行制冷循环的热力分析和计算之前，必须首 先确定循环的工作参数，以便利用压一熔图再來确定循环的各有关状态点的参数值，如图24所 示。 点1 :为制冷剂蒸汽进入压缩机的状态。如不考虑管路的冷量损失，则压缩机的吸汽温度tl即为制冷剂 出蒸发器时的温度t0,即tl = t0,在理想情况下，进压缩机的制冷剂蒸汽为饱和状态。如己知蒸发温度 to,便能知道制冷剂蒸发压力P0,这样便能根据P0二C的等压线和干饱和蒸汽线的交点得出点lo 点2 :为制冷剂出压缩机的状态，也是进冷凝器的状态。过程1一2为制冷剂在压缩机中绝热压缩过程。 绝热过程中爛不变，即SI = S2,该过程沿点1的等境线进行，它与P

18、2C的等压线的交点即为点2。 点5:为制冷剂在冷凝器中凝结成饱和液体的状态。它可由Pk=C的等压线与饱和液体线相交得到。 点3:为制冷剂液体过冷后的状态。因为制冷剂液体在过冷过程中的等于冷凝压力Pk,它的温度低于冷凝 温度，所以Pk=C的等压线和tg=C的等温线交点即为点3。 点4:为制冷剂出节流阀（膨胀阀）的状态，也是进蒸发器的初态。因为节流前后的熔值不变，而压力降低至蒸发 压力P0,温度为蒸发温度t0,所以由点3作垂线（即等熔线）与t0二C的等温线相交即得点4。4-1:为制冷剂在蒸发 器中的汽化吸热过程。这样根据图上所得的状态点，即可查得各状态点的热力参数 值。 例2 1绝对压力为2bar,比容为0. 7m3/ kg的氨呈何种状态？ 解：所求的状态是lgP h图上P二2bar的水平线和U二0.7 m3/kg