第一章 制冷的热力学基础

1、第一章制冷的热力学基础第一章制冷的热力学基础 学习要点：学习要点： 1、了解几种常用的制冷方法；、了解几种常用的制冷方法； 2、掌握相变制冷和绝热膨胀制冷的基本原理；、掌握相变制冷和绝热膨胀制冷的基本原理； 3、掌握逆卡诺循环的热力过程及基本参数的计算；、掌握逆卡诺循环的热力过程及基本参数的计算； 4、掌握洛伦兹循环的热力过程；、掌握洛伦兹循环的热力过程； 5、了解热能驱动的制冷循环与热泵循环的基本原理。、了解热能驱动的制冷循环与热泵循环的基本原理。 一、一、 制冷的基本方法制冷的基本方法 1. 相变制冷：相变制冷：利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低 温下

2、的熔化或升华过程温下的熔化或升华过程(液体气化、水冰或溶液冰的熔化、液体气化、水冰或溶液冰的熔化、 干冰升华干冰升华)向被冷却物体吸取热量的过程。向被冷却物体吸取热量的过程。 2. 气体膨胀制冷：气体膨胀制冷：利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，利用高压气体的绝热膨胀以达到低温， 并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制取冷量的过并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制取冷量的过 程。程。 (1) 膨胀机膨胀：气体温降大，制冷量大，效率高膨胀机膨胀：气体温降大，制冷量大，效率高 (2) 节流阀膨胀：温降小，制冷量小节流阀膨胀：温降小，制冷量小 ，效率低。，效率低。 3. 气体涡流制冷：气体涡流制

3、冷：高压气体经涡流管膨胀后即可分离为高压气体经涡流管膨胀后即可分离为 热、冷两股气流，利用冷气流的复热过程即可制冷。热、冷两股气流，利用冷气流的复热过程即可制冷。 4. 热电制冷：热电制冷：令直流电通过半导体热电堆，令直流电通过半导体热电堆， 即可在一端即可在一端 产生冷效应，在另一端产生热效应。产生冷效应，在另一端产生热效应。 第一节第一节 相变制冷相变制冷 一、物质的相变特性一、物质的相变特性 （一）液体气化（一）液体气化 物质从液态变为气态的过程称为气化。任何液体气化时物质从液态变为气态的过程称为气化。任何液体气化时 都要吸收热量。在定压下，单位质量液体气化时所吸收的都要吸收热量。在定压

4、下，单位质量液体气化时所吸收的 热量称为气化热热量称为气化热 r（单位为（单位为j/kg）。）。 式中，式中，h为比焓，单位为为比焓，单位为j/kg; S为比熵，单位为为比熵，单位为j/(kg.K)； 上角上角 表示液态；上角表示液态；上角 ” 表示气态。表示气态。 气化热随着压力的升高而降低，气化温度随着压力的气化热随着压力的升高而降低，气化温度随着压力的 升高而升高升高而升高, 在临界压力时，气化热为零；而在相同压力在临界压力时，气化热为零；而在相同压力 下，不同液体的气化热和气化温度是不相同的。下，不同液体的气化热和气化温度是不相同的。 较高压力的饱和液体节流降压后即进入两相区，并闪较高

5、压力的饱和液体节流降压后即进入两相区，并闪 发出一定的饱和蒸气。对于发出一定的饱和蒸气。对于1kg制冷剂，若用制冷剂，若用 x 表示闪发表示闪发 后的干度，则当其余液体全部转变为饱和蒸气时吸收的热后的干度，则当其余液体全部转变为饱和蒸气时吸收的热 量为量为 称为单位质量制冷量，简称单位制冷量。称为单位质量制冷量，简称单位制冷量。单位制冷量单位制冷量 不仅与制冷剂的气化热有关，还随节流后的干度而变。不仅与制冷剂的气化热有关，还随节流后的干度而变。制制 冷剂液体在节流膨胀前后压力变化范围越大，则节流过程冷剂液体在节流膨胀前后压力变化范围越大，则节流过程 中闪发的气体量越多，因而单位制冷量就越小。中

6、闪发的气体量越多，因而单位制冷量就越小。 0 q （二）固体的融化与升华（二）固体的融化与升华 1、 基本慨念：基本慨念： （1）升华：指固态物质不经液态直接转变成气态的现象称为升华。）升华：指固态物质不经液态直接转变成气态的现象称为升华。 升华分为：常压升华、真空升华、低温升华。升华分为：常压升华、真空升华、低温升华。 （2）升华点升华点: 与固体物质的饱和蒸气压相对应的温度，称为该物质与固体物质的饱和蒸气压相对应的温度，称为该物质 的升华点。的升华点。 在升华点时，不但在晶体表面，而且在其内部也发生了在升华点时，不但在晶体表面，而且在其内部也发生了 升华，作用很剧烈，易将杂质带入升华产物中

7、。为了使升华只发生升华，作用很剧烈，易将杂质带入升华产物中。为了使升华只发生 在固体表面，通常总是在低于升华点的温度下进行，此时固体的蒸在固体表面，通常总是在低于升华点的温度下进行，此时固体的蒸 气压低于外压。气压低于外压。 （3）真空升华真空升华 :由于升华与固体蒸气压和外压的相对大小有关，降由于升华与固体蒸气压和外压的相对大小有关，降 低外压可以降低升华温度，低外压可以降低升华温度，在常压下不能升华或升华很慢的物质可在常压下不能升华或升华很慢的物质可 以采用真空升华。真空升华还可防止被升华的物质因温度过高而分以采用真空升华。真空升华还可防止被升华的物质因温度过高而分 解或在升华时被氧化。解

8、或在升华时被氧化。 （4）低温升华低温升华: 1976年年JW米切尔提出低温升华技术，米切尔提出低温升华技术，即将温即将温 度和压力维持在升华物质的三相点以下，使它在很低的压力（几毫度和压力维持在升华物质的三相点以下，使它在很低的压力（几毫 米汞柱）下升华，经冷凝后捕集在冷阱中而与杂质分离。此法操作米汞柱）下升华，经冷凝后捕集在冷阱中而与杂质分离。此法操作 简单，产品纯度很高，简单，产品纯度很高， 2.、冰的升华：、冰的升华： 在常压下（在常压下（p=98.067kpa), 饱和水蒸气的温度为饱和水蒸气的温度为 所以，在常压下冰不会发生升华。所以，在常压下冰不会发生升华。 冰的低温升华：冰的低

9、温升华：在水的三相点温度（在水的三相点温度（ ）以下，冰可以）以下，冰可以 直接升华为水蒸气，冰升华时的温度与相应的压力有关。直接升华为水蒸气，冰升华时的温度与相应的压力有关。 表表11列出了升华压力和升华温度之间的关系。列出了升华压力和升华温度之间的关系。 在零度时，水的饱和蒸气压为在零度时，水的饱和蒸气压为kpaps61. 0 Cttr 01. 0 Cts 09.99 3、 应用冰和盐混合物的融化过程可以达到应用冰和盐混合物的融化过程可以达到 0以下的低以下的低 温温。 3. 溶液冰：溶液冰：由共晶溶液冻结成的冰，也称共晶冰。由共晶溶液冻结成的冰，也称共晶冰。 特点：在共晶固体未完全融化成

10、液体之前，它的温度特点：在共晶固体未完全融化成液体之前，它的温度 是不变的，称为共晶温度。是不变的，称为共晶温度。 4. 干冰干冰(固体二氧化碳固体二氧化碳) 干冰的三相点参数为：温度干冰的三相点参数为：温度 压力压力 在大气压下，干冰的升华热为在大气压下，干冰的升华热为573.6kj/kg 升华温度为升华温度为 常压下干冰受热时直接升华为二氧化碳，它对食品无害，常压下干冰受热时直接升华为二氧化碳，它对食品无害， 因此可用来冷却和保存食物，并且可直接与食物接触。因此可用来冷却和保存食物，并且可直接与食物接触。 二、压焓图二、压焓图 图中的拱状曲线代表制冷剂所有的饱和液体和饱和蒸图中的拱状曲线代

11、表制冷剂所有的饱和液体和饱和蒸 气的状态，曲线上的最高点为临界点，它是饱和蒸气和饱气的状态，曲线上的最高点为临界点，它是饱和蒸气和饱 和液体的分界点，在它左面的曲线为饱和液体线，在它右和液体的分界点，在它左面的曲线为饱和液体线，在它右 面的曲线为饱和蒸气线。拱状线内的区域为两相区，饱和面的曲线为饱和蒸气线。拱状线内的区域为两相区，饱和 液体线左边的区域为过冷液体区，饱和蒸气线右边为过热液体线左边的区域为过冷液体区，饱和蒸气线右边为过热 蒸气区，临界点以上为超临界区。蒸气区，临界点以上为超临界区。 Cttr 6 .56 kPaptr 2 102 . 5 C 5 .78 第二节第二节 绝热膨胀制冷

12、绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程一、有外功输出的膨胀过程 等熵膨胀等熵膨胀(可逆的绝热膨胀可逆的绝热膨胀)中温度与压力的关系可用下式中温度与压力的关系可用下式 表示：表示： 称为微分等熵效应。对于理想气体称为微分等熵效应。对于理想气体 膨胀过程的全部温降称为积分等熵效应：膨胀过程的全部温降称为积分等熵效应： s T V C AT T V R T P T p P T CRA p RA k k C p 1 在实际膨胀过程中，由于过程的不可逆，因此总是按多变在实际膨胀过程中，由于过程的不可逆，因此总是按多变 过程膨胀。这时，理想气体的积分等熵效应由下式确定：过程膨胀。这时，理想气体的积分等熵效

13、应由下式确定： 二、节流膨胀过程二、节流膨胀过程 实际气体节流膨胀时，温度随微小压力变化而变化的关实际气体节流膨胀时，温度随微小压力变化而变化的关 系可用下式表示：系可用下式表示： 称为微分节流效应，称为微分节流效应， 积分节流效应为：积分节流效应为： h 第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析 一、基本慨念一、基本慨念 1、正向循环：正向循环：把热量转化成机械功的循环为正循环。把热量转化成机械功的循环为正循环。 在温一熵图在温一熵图 或压一焓图上，循环的各个过程都是依次按顺时针方向变化的。或压一焓图上，循环的各个过程都是依次按顺时针方向变化的。 2、逆向循环：、逆向循环：将机械功

14、转化成热量的循环为逆循环。所有的制冷将机械功转化成热量的循环为逆循环。所有的制冷 机和热泵都是按逆向循环工作的。在温熵图或压一焓图上，循环的机和热泵都是按逆向循环工作的。在温熵图或压一焓图上，循环的 各个过程都是依次按逆时针方向变化的。各个过程都是依次按逆时针方向变化的。 3、可逆循环：、可逆循环：在构成循环的各个过程中没有任何形式的热损失及在构成循环的各个过程中没有任何形式的热损失及 机械损失。机械损失。 4、不可逆循环：、不可逆循环：在构成循环的各个过程中，存在某种损失。在构成循环的各个过程中，存在某种损失。 在制冷循环里，各种形式的不可逆过程可分成两类：在制冷循环里，各种形式的不可逆过程

15、可分成两类： （1）内部不可逆：制冷剂在其流动或状态变化过程中因摩擦、扰）内部不可逆：制冷剂在其流动或状态变化过程中因摩擦、扰 动及内部不平衡而引起的损失，都属于内部不可逆；动及内部不平衡而引起的损失，都属于内部不可逆； （2）外部不可逆：蒸发器、冷凝器及其他换热器中有温差时的传）外部不可逆：蒸发器、冷凝器及其他换热器中有温差时的传 热损失，属于外部不可逆。热损失，属于外部不可逆。 二、基本制冷循环二、基本制冷循环 1、热源温度不变时的逆向可逆循环、热源温度不变时的逆向可逆循环逆卡诺循环逆卡诺循环 当高温热源和低温热源的温度不变时，具有两个可逆的等温过程当高温热源和低温热源的温度不变时，具有两

16、个可逆的等温过程 和两个等熵过程的逆向循环，称为逆卡诺循环。在相同温度范围内，和两个等熵过程的逆向循环，称为逆卡诺循环。在相同温度范围内， 它是消耗功最小的循环，即效率最高的制冷循环，因为它没有任何它是消耗功最小的循环，即效率最高的制冷循环，因为它没有任何 不可逆损失。不可逆损失。 制冷剂向高温热源放出的热量为：制冷剂向高温热源放出的热量为： 制冷剂从被冷却对象所吸取制冷剂从被冷却对象所吸取 的热量（称为制冷量）为：的热量（称为制冷量）为： 循环所消耗的功为循环所消耗的功为 逆卡诺循环的制冷系数为：逆卡诺循环的制冷系数为： 2、具有传热温差的不可逆循环、具有传热温差的不可逆循环 制冷系数为：制

17、冷系数为： 热力完善度的定义为：热力完善度的定义为： 实际制冷循环的制冷系数实际制冷循环的制冷系数 相同热源温度时逆卡诺循环的制冷系数相同热源温度时逆卡诺循环的制冷系数 0 0 0 w q 0 3、变温热源时的逆向可逆循环、变温热源时的逆向可逆循环洛伦兹循环洛伦兹循环 图中图中 e-f-g-d-e 是一个由两个等熵和是一个由两个等熵和 两个等温过程组成的逆卡诺循环。两个等温过程组成的逆卡诺循环。 这个循环为了获得面积为这个循环为了获得面积为 的制冷量，的制冷量， 需要消耗面积为需要消耗面积为 f-g-d-e-f 的功。的功。 图中图中 a-b-c-d-a 是在热源温度变化的是在热源温度变化的

18、条件下，由两个和热源之间无温差的热条件下，由两个和热源之间无温差的热 交换过程及两个等熵过程所组成的逆向交换过程及两个等熵过程所组成的逆向 可逆循环，可逆循环， 则它在制取面积为则它在制取面积为 的冷量时，只需要的冷量时，只需要 消耗面积为消耗面积为a-b-c-d-a 的功。的功。 显然，它是消耗功最小的循环，显然，它是消耗功最小的循环， 称为称为洛伦兹循环。洛伦兹循环。 点点e 的位置是根据表示制冷量的面积的位置是根据表示制冷量的面积 等于等于 而定。而定。 eedde aadda eedde aadda 结论：结论：在热源温度变化的条件下，由两个和热源之间无在热源温度变化的条件下，由两个和

19、热源之间无 温差的热交换过程及两个等熵过程所组成的逆向可逆循温差的热交换过程及两个等熵过程所组成的逆向可逆循 环，是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。在环，是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。在 热源温度变化时，制冷循环的热力完善度可以表示成：热源温度变化时，制冷循环的热力完善度可以表示成： 4、热能驱动的制冷循环、热能驱动的制冷循环 热量热量 取自温度为取自温度为 的被冷却物体，的被冷却物体， 来自高温蒸气、燃烧气体来自高温蒸气、燃烧气体 或其他热源，或其他热源， 是系统在是系统在 温度下（通常是环境温度）放出的热温度下（通常是环境温度）放出的热 量。量。 通过输人热量制冷的制冷机，通过输人热量制冷的制冷机， 其经济性是以热力系数作为其经济性是以热力系数作为 评价指标的。热力系数是指评价指标的。热力系数是指 获得的制冷量与消耗的热量获得的制冷量与消耗的热量 之比，用之比，用 表示。表示。 对于可逆制冷机，热力系数对于可逆制冷机，热力系数 用用 表示：表示： 0 q 0 T H q k q a T 0 5、压缩蒸气制冷循环（详见第三章）、压缩蒸气制冷循环（详见第三章） 6、热泵循环、热泵循环 原理：以冷凝器或其他部件放出的热量来供热的制冷系统。原理：以冷凝器或