制冷與低溫的熱力學基礎(chǔ).ppt

第一章制冷與低溫的熱力學基礎(chǔ) 第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ) 第二節(jié)制冷與低溫工質(zhì) 第三節(jié)制冷技術(shù)與學科交叉 第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ) 1 1 1制冷與低溫原理的熱力學基礎(chǔ) 1 熱力學第一定律 熱力學能 熱力學能和總能 工質(zhì)的總儲存能 內(nèi)部儲存能 外部儲存能 熱力學能 總能 若工質(zhì)質(zhì)量m 速度cf 重力場中高度z 宏觀動能 重力位能 能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式 推動功 2 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化 圖1 1a所示為工質(zhì)經(jīng)管道進入氣缸的過程 工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)p v T 用p v圖中點C表示 工質(zhì)作用于面積A的活塞上的力為pA 工質(zhì)流入氣缸時推動活塞移動距離 作功pA pV mpv m表示進入氣缸的工質(zhì)質(zhì)量 這一份功叫做推動功 1kg工質(zhì)的推動功等于pv如圖中矩形面積所示 3 焓 進入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 系統(tǒng)中儲存能量的增加 1 10 4 1閉口系統(tǒng)的能量平衡 4 熱力學第一定律的基本能量方程式 工質(zhì)從外界吸熱Q后從狀態(tài)1變化到2 對外作功W 若工質(zhì)宏觀動能和位能的變化忽略不計 則工質(zhì)儲存能的增加即為熱力學能的增加 U 1 11 熱力學第一定律的解析式 加給工質(zhì)的熱量一部分用于增加工質(zhì)的熱力學能儲存于工質(zhì)內(nèi)部 余下一部分以作功的方式傳遞至外界 對微元過程 第一定律解析式的微分形式 1 12a 對于1kg工質(zhì) 1 12b 1 12c 式 1 12 對閉口系普遍適用 適用于可逆過程也適用于不可逆過程 對工質(zhì)性質(zhì)也無限制 代數(shù)值 可逆過程 完成一循環(huán)后 工質(zhì)恢復(fù)原來狀態(tài) 1 15 閉口系完成一循環(huán)后 循環(huán)中與外界交換的熱量等于與外界交換的凈功量 1 16 4 2開口系統(tǒng)的能量平衡 穩(wěn)定流動 系統(tǒng)只有單股流體進出 1 21 微量形式 1 22 當流入質(zhì)量為m的流體時 穩(wěn)定流動能量方程 工質(zhì)流經(jīng)壓縮機時 機器對工質(zhì)做功wc 使工質(zhì)升壓 工質(zhì)對外放熱q 膨脹過程均采用絕熱過程 5 能量方程式的應(yīng)用 工質(zhì)流經(jīng)換熱器時和外界有熱量交換而無功的交換 動能差和位能差也可忽略不計 1kg的工質(zhì)吸熱量 1kg工質(zhì)動能的增加 工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴壓管時不對設(shè)備作功 熱量交換可忽略不計 工質(zhì)流過閥門時流動截面突然收縮 壓力下降 這種流動稱為節(jié)流 設(shè)流動絕熱 前后兩截面間的動能差和位能差忽略 因過程無對外做功 故節(jié)流前后的焓相等 節(jié)流 1 制冷循環(huán)的熱力學分析 熱力學循環(huán) 2 熱力學第二定律 熵是熱力學狀態(tài)參數(shù) 是判別實際過程的方向 提供過程能否實現(xiàn) 是否可逆的判據(jù) 可逆過程1 2的熵增 克勞修斯積分 p T狀態(tài)下的比熵定義為 1 33 2 熱源溫度不變時的逆向可逆循環(huán) 逆卡諾循環(huán) 卡諾制冷機是熱力理想的等溫制冷機 3 熱源溫度可變時的逆向可逆循環(huán) 洛倫茲循環(huán) 假設(shè)制冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為 T 制冷量 排熱量 洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù) 以卡諾循環(huán)作為比較依據(jù) 第一類循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機 而第二類循環(huán)則是理想的熱源驅(qū)動逆向可逆循環(huán) 三熱源循環(huán) 4 熱源驅(qū)動的逆向可逆循環(huán) 三熱源循環(huán) 1 1 2制冷與低溫的獲得方法 1 焦耳湯姆遜效應(yīng) 節(jié)流閥 毛細管 熱力膨脹閥和電子膨脹閥等多種形式 焦耳 湯姆遜效應(yīng) 理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù) 氣體節(jié)流時溫度保持不變 而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù) 節(jié)流后溫度一般會發(fā)生變化 焦耳 湯姆遜系數(shù) 制冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件 對理想氣體 2 節(jié)流過程的物理特征 3 轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線 在T P圖上為一連續(xù)曲線 稱為轉(zhuǎn)化曲線 表1 1最大轉(zhuǎn)化溫度列出了一部分氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度 2 絕熱膨脹 氣體等熵膨脹時 壓力的微小變化所引起的溫度變化 微分等熵效應(yīng) 1 58 對理想氣體 為絕熱指數(shù) 1 60 等熵膨脹過程的溫差 隨著膨脹壓力比P1 P2的增大而增大 還隨初溫T1的提高而增大 3 絕熱放氣 1 假定放氣過程進行很慢 活塞左側(cè)氣體始終處于平衡狀態(tài)而等熵膨脹 所作功按其本身壓力計算 因而對外作功最大 溫降也最大 2 設(shè)想閥門打開后活塞右側(cè)氣體立即從P1降到P2 因而當活塞左側(cè)氣體膨脹時只針對一恒定不變壓力P2作功 對外作功最小 溫降也最小 實際放氣過程總是介于上述兩種極限情況之間 過程進行得越慢 愈接近等熵膨脹過程 分析這兩種極限情況可得結(jié)論 1 氣體絕熱指數(shù)越大 則溫比T2 T1 P2 P1一定時 越小 溫降越大 用單原子氣體可獲較大溫降 2 隨壓比P1 P2增大 溫比T2 T1減少越來越慢 單級壓比不宜過大 一般取3到5 4 1熱力理想等溫源系統(tǒng) 冷源 指需冷卻的空間 熱源 則指制冷機放熱的對象 4 低溫氣體制冷的熱力學基礎(chǔ) 表1 2卡諾制冷機在300K和低溫Tc時的性能系數(shù)COP 4 2熱力理想等壓源系統(tǒng) 在工質(zhì)未冷凝的氣體制冷機系統(tǒng)中 吸熱過程是變溫的 而不象在卡諾制冷機中那樣在等溫下吸熱 這樣 實際系統(tǒng)與卡諾系統(tǒng)比較是不公平的 因為實際系統(tǒng)的冷源溫度不恒定 對理想等壓源制冷機 1 66 上式對任何工質(zhì)都適用 對許多氣體制冷機而言 壓力足夠低時 工質(zhì)氣體可近似為理想氣體 對具有定壓比熱的理想氣體 1 70 COP與用作制冷劑的理想氣體無關(guān) COPi僅與最高冷源溫度與最低冷源溫度之比和熱源溫度與最低冷源溫度之比有關(guān) 1 1 3制冷與低溫溫區(qū)的劃分 1 制冷與低溫溫區(qū)的劃分 通過123 來分界溫區(qū) 制冷 制冷的溫度范圍是從環(huán)境溫度開始 一直可達接近絕對零度即0 2 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史 一 制冷技術(shù)的發(fā)展歷史 第二節(jié)制冷與低溫工質(zhì) 1 2 1制冷劑的發(fā)展 應(yīng)用與選用原則 1 熱力學性質(zhì)方面 2 遷移性質(zhì)方面 作為制冷劑應(yīng)符合的要求 3 物理化學性質(zhì)方面 4 其它 原料來源充足 制造工藝簡單 價格便宜 1 2 2制冷劑命名 制冷劑按其化學組成主要有三類 字母 R 和它后面的一組數(shù)字或字母 表示制冷劑 根據(jù)制冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫 1 無機化合物 2 氟里昂和烷烴類 編寫規(guī)則 制冷劑的簡寫符號 3 非共沸混合工質(zhì) 4 共沸混合工質(zhì) 5 環(huán)烷烴 鏈烯烴以及它們的鹵代物 簡寫符號規(guī)定 環(huán)烷烴及環(huán)烷烴的鹵代物用字母 RC 開頭 鏈烯烴及鏈烯烴的鹵代物用字母 R1 開頭 其后的數(shù)字排寫規(guī)則與氟里昂及烷烴類符號表示中的數(shù)字排寫規(guī)則相同 表1 4制冷劑符號舉例 此外 有機氧化物 脂肪族胺用R6開頭 其后數(shù)字任選 詳細可從表1 5制冷劑標準符號表示中查出 1 2 3制冷劑的物理化學性質(zhì)及其應(yīng)用 1 安全性 1 毒性 雖然一些氟里昂制冷劑其毒性都較低 但在高溫或火焰作用下會分解出極毒的光氣 表1 6制冷劑的毒性指標給出常用制冷劑TLVs或AEL值 2 燃燒性和爆炸性 3 安全分類 表1 8與表1 9分別給出了6個安全等級的劃分定義和一些制冷劑的安全分類 2 熱穩(wěn)定性 制冷劑在正常運轉(zhuǎn)條件下不發(fā)生裂解 在溫度較高又有油 鋼鐵 銅存在長時間使用會發(fā)生變質(zhì)甚至熱解 爆炸極限 表1 7一些制冷劑的易燃易爆特性 注 None表示不燃燒 na表示未知 表1 8ASHRAE34 1992以毒性和可燃性為界限的安全分類 表1 9一些制冷劑的安全分類 二 低溫技術(shù)的發(fā)展歷史 3 對材料的作用 正常情況下 鹵素化合物制冷劑與大多數(shù)常用金屬材料不起作用 只在某種情況例如水解作用 分解作用等下 一些材料才會和制冷劑發(fā)生作用 制冷系統(tǒng)中應(yīng)盡量避免水分存在和銅鐵共用 4 與潤滑油的互溶性 對每種氟利昂存在一個溶解臨界溫度 即溶解曲線最高點的溫度 常溫下氟利昂與礦物潤滑油溶解關(guān)系可用經(jīng)驗公式判別 5 與水的溶解性 冰堵現(xiàn)象 當溫度降到0 以下時 水結(jié)成冰而堵塞節(jié)流閥或毛細管的通道形成 冰堵 致使制冷機不能正常工作 6 泄漏性 表1 10水分在一些制冷劑中的溶解度 25 注 na表示沒有找到可用的數(shù)據(jù) 沸點 33 3 凝固點 77 9 單位容積制冷量大粘性小 傳熱性好 流動阻力小毒性較大 有一定的可燃性 安全分類為B2氨蒸氣無色 具有強烈的刺激性臭味氨液飛濺到皮膚上會引起腫脹甚至凍傷氨系統(tǒng)中有水分會加劇對金屬腐蝕同時減小制冷量以任意比與水互溶但在礦物潤滑油中的溶解度很小系統(tǒng)中氨分離的游離氫積累至一定程度遇空氣爆炸氨液比重比礦物潤滑油小 油沉積下部需定期放出在氨制冷機中不用銅和銅合金材料 磷青銅除外 1 2 4常用制冷劑 1 無機物 2 氟利昂 1 R12 二氟二氯甲烷CF2Cl2 2 R134a 四氟乙烷CH2FCF3 3 R11 一氟三氯甲烷CFCl3 4 R22 二氟一氯甲烷CHF2Cl 3 碳氫化合物 1 R600a 異丁烷i C4H10 2 R290 丙烷C3H8 沸點和凝固點比R600a低 蒸氣壓較高和容積制冷量比R600a大 其他制冷特性及安全特性均與R600a相似 4 混合制冷劑 1 共沸制冷劑 共沸制冷劑特點 表1 11幾種共沸制冷劑的組成和沸點 2 非共沸制冷劑 一定壓力下溶液加熱時 首先到達飽和液體點A 泡點 再加熱到達點B 即進入兩相區(qū) 繼續(xù)加熱到點C 露點 時全部蒸發(fā)完成為飽和蒸氣 泡點溫度和露點溫度的溫差稱之為溫度滑移 表1 12一些非共沸混合制冷劑顯示了目前應(yīng)用較多的非共沸制冷劑的種類及組成 3 常用混合制冷劑的特性 沸點 33 5 ODP值較高 5 非共沸制冷劑R401A和R401B 1 2 5低溫液體的性質(zhì) 表1 13大氣壓下一些飽和低溫液體的性質(zhì) 1 常規(guī)氣體 2 氫 表1 14e H2中p H2的含量列出了e H2中p H2的平衡含量隨溫度的關(guān)系 這兩種不同形式的氫的區(qū)別在于組成氫分子的粒子的相對自旋轉(zhuǎn)方向不同 氘也有o D2和p D2存在 溫度降低時氘中的p D2向o D2轉(zhuǎn)變而氫在溫度降低時由o H2向p H2轉(zhuǎn)變 3 氦4 LHe有兩種不同液相 表1 15兩流體模型中常流體在He 中的質(zhì)量比 當溫度降低通過 點時 液體比熱有一個大幅度跳躍 噴泉效應(yīng) 4 氦3 0 827K以下 液氦3和液氦4的混合物能自發(fā)分離為兩相 一種是超流體 富含氦4相 另一種是常流體 富含氦3相 這種相的分離現(xiàn)象成為氦稀釋制冷機的基礎(chǔ) 第三節(jié)制冷技術(shù)與學科交叉 制冷與低溫技術(shù)的學科交叉領(lǐng)域舉例 制冷在空調(diào)中的作用 1 空氣調(diào)節(jié) 制冷和空調(diào)的關(guān)系相互聯(lián)系又獨立 用人工方法構(gòu)成各種人們所希望達到的環(huán)境條件 包括地面的各種氣候變化和高空宇宙及其它特殊的要求 2 人工環(huán)境 與制冷有關(guān)的人工環(huán)境試驗有以下幾種 根據(jù)對食品處理方式不同 食品低溫處理工藝可分三類 3 食品冷凍與冷凍干燥 4 低溫生物醫(yī)學技術(shù) 5 低溫電子技術(shù) 運用與超導電性有關(guān)的Meissner效應(yīng) 用磁場代替油或空氣作潤滑劑 可以制成無磨擦軸承 在船用推進系統(tǒng)中 無電力損失的超導電機已獲得應(yīng)用 偏差極小的超導陀螺也已經(jīng)被研制出來 時速500km h的低溫超導磁懸浮列車已經(jīng)在日本投入試驗運行 6 機械設(shè)計 采用紅外光學鏡頭可以拍攝熱源外形 并可以對熱源進行跟蹤 一些紅外材料往往工作在120K以下的低溫下 使得熱源遙感信號更為清晰 為了拍攝高靈敏度的信號往往需要更低的溫度 一般紅外衛(wèi)星需要70 120K的低溫 往往通過斯特林制冷機 脈沖管制冷機 輻射制冷器來實現(xiàn) 空間遠紅外觀測則需要2K以下的溫度 往往通過超流氦的冷卻技術(shù)來實現(xiàn) 7 紅外遙感技術(shù) 煉鋼時氧起到某些重要的作用 制取氨時也用到低溫系統(tǒng) 壓力容器加工時 將預(yù)成形的圓柱體放在冷卻到液氮溫度的模具中 在容器中充入高壓氮氣 讓其擴脹15 然后容器被從模具中移開并恢復(fù)到室溫 使用這個方法 材料的屈服強度能增加4至5倍