制冷原理與技術(shù)課件

第一章制冷與低溫的熱力學(xué)基礎(chǔ)，第一節(jié)制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)，第二節(jié)制冷與低溫工質(zhì)，第三節(jié)制冷技術(shù)與跨學(xué)科，第一節(jié)制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)，1.1.1制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)，1.1熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)能，熱力學(xué)能與總能，工質(zhì)總儲(chǔ)能，內(nèi)儲(chǔ)能，外儲(chǔ)能，熱力學(xué)能，總能， 如果質(zhì)量m、速度cf、重力場(chǎng)中的高度z、宏觀動(dòng)能和工作介質(zhì)的重力勢(shì)能，能量可以通過(guò)兩種方式從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，即推進(jìn)力。 2.能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換。圖1-1a示出了工作介質(zhì)通過(guò)管道進(jìn)入氣缸的過(guò)程。工作介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)p、v、t由p-v圖中的中點(diǎn)c表示。作用在面積為a的活塞上的工作介質(zhì)的力為pA，工作介質(zhì)流入氣缸時(shí)推動(dòng)活塞移動(dòng)一段距離，工作pA=pV=mpv。m代表進(jìn)入氣缸的工作介質(zhì)的質(zhì)量，這種功稱為推力功。如圖中矩形區(qū)域所示，1kg工作介質(zhì)的推力等于pv。焓，進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開(kāi)系統(tǒng)的能量=儲(chǔ)存在系統(tǒng)中的能量的增加(1-10)，4.1封閉系統(tǒng)的能量平衡，4 .熱力學(xué)第一定律的基本能量方程，工作介質(zhì)從外部吸收熱量q后從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2，并在外部做功。如果忽略工作介質(zhì)的宏觀動(dòng)能和勢(shì)能的變化，工作介質(zhì)儲(chǔ)存能量的增加就是熱力學(xué)能量u(1-11)的增加，這是熱力學(xué)第一定律的解析表達(dá)式，一部分加到工作介質(zhì)上的熱量用來(lái)增加工作介質(zhì)在工作介質(zhì)中的熱力學(xué)能量的儲(chǔ)存，其余的以做功的方式傳遞到外界。對(duì)于微元過(guò)程，第一定律(1-12a)的解析表達(dá)式的微分形式，對(duì)于1kg的工作介質(zhì)，(1-12b)、(1-12c)和(1-12)一般適用于封閉系統(tǒng)，適用于可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程，并且對(duì)工作介質(zhì)的性質(zhì)沒(méi)有限制。完成一個(gè)循環(huán)后，工作介質(zhì)將返回到其原始狀態(tài)(1-15)。完成一個(gè)循環(huán)后，封閉系統(tǒng)將與外界進(jìn)行熱交換，熱交換量等于與外界交換的凈功(1-16)，4.2開(kāi)放系統(tǒng)的能量平衡，穩(wěn)定流動(dòng)，只有單一流體流入和流出系統(tǒng)，(1-21)，軌跡形式，(1-22)，當(dāng)流入質(zhì)量為m的流體時(shí)，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程：當(dāng)工作介質(zhì)流過(guò)壓縮機(jī)時(shí)，機(jī)器對(duì)工作介質(zhì)施加功wc以提高工作介質(zhì)的壓力。工質(zhì)向外界釋放熱量q，膨脹過(guò)程采用絕熱過(guò)程。能量方程的應(yīng)用，當(dāng)工作介質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)，與外界有熱交換，但有反應(yīng)交換，動(dòng)能差和勢(shì)能差也可以忽略。1kg工質(zhì)吸熱，1kg工質(zhì)動(dòng)能增加，工質(zhì)流經(jīng)噴嘴和擴(kuò)散器時(shí)不對(duì)設(shè)備做功，熱交換可以忽略不計(jì)，當(dāng)工質(zhì)流經(jīng)閥門(mén)時(shí)，流動(dòng)截面突然收縮，壓力下降，稱為節(jié)流。設(shè)置流動(dòng)絕熱，前部和后部之間的動(dòng)能差和勢(shì)能差被忽略，節(jié)流前后的焓相等，因?yàn)樵诠?jié)流過(guò)程中沒(méi)有外部功，1。制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析。熱力學(xué)第二定律，熵是熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，是判斷實(shí)際過(guò)程的方向，并提供了過(guò)程是否可以實(shí)現(xiàn)和可逆的判據(jù)?？赡孢^(guò)程1-2的熵增，克勞修斯積分，P和T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)，2。反向可逆循環(huán)反向卡諾循環(huán)具有恒定的熱源溫度，卡諾制冷機(jī)是熱力學(xué)理想的等溫制冷機(jī)，3。具有可變熱源溫度的反向可逆循環(huán)洛倫茲循環(huán)，并且，假設(shè)制冷過(guò)程和冷卻過(guò)程的傳熱溫差為T(mén)，制冷量，熱盤(pán)焦耳-湯姆遜系數(shù)，制冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件，對(duì)于理想氣體，(2)節(jié)流過(guò)程的物理特性，(3)轉(zhuǎn)換溫度和轉(zhuǎn)換曲線，即T-P圖上的連續(xù)曲線，稱為轉(zhuǎn)換曲線。表1-1最高轉(zhuǎn)化溫度列出了一些氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度。2。絕熱膨脹、氣體等熵膨脹、壓力微小變化引起的溫度變化。微分等熵效應(yīng)，(1-58)，理想氣體的溫差(絕熱指數(shù))，(1-60)，等熵膨脹過(guò)程隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而增大，也隨著初始溫度T1的增大而增大。(1)假設(shè)放氣過(guò)程非常緩慢，活塞左側(cè)的氣體總是處于平衡和等熵膨脹狀態(tài)，做功是根據(jù)其自身壓力計(jì)算的，因此外部做功最大，溫降最大。(2)假設(shè)在閥門(mén)打開(kāi)后，活塞右側(cè)的氣體將立即從P1下降到P2，因此當(dāng)活塞左側(cè)的氣體膨脹時(shí)，它將僅在恒定壓力P2下做功，具有最小的外部功和最小的溫度下降。實(shí)際的放氣過(guò)程總是在上述兩種極限情況之間。這個(gè)過(guò)程越慢，就越接近等熵膨脹過(guò)程。(1)氣體的絕熱指數(shù)越大，溫度比T2/T1越小(P2/P1常數(shù))，溫度降越大，單原子氣體的溫度降越大。(2)隨著壓力比P1/P2的增加，溫度比T2/T1下降得越來(lái)越慢，單級(jí)壓力比不應(yīng)太大，通常為3-5。4.1熱理想等溫源系統(tǒng)，“冷源”是指待冷卻的空間，“熱源”是指制冷機(jī)放熱的對(duì)象，4 .低溫氣體制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ)，表1-2卡諾制冷機(jī)在300K和低溫Tc下的COP，4.2熱理想等壓源系統(tǒng)，在工作介質(zhì)未冷凝的氣體制冷機(jī)系統(tǒng)中，吸熱過(guò)程改變溫度，而不是像卡諾制冷機(jī)那樣在等溫條件下吸熱。這樣，實(shí)際系統(tǒng)和卡諾系統(tǒng)之間的比較是不公平的，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的冷源溫度不是恒定的。對(duì)于理想的等壓源制冷機(jī)，(1-66)，上述公式適用于任何工作介質(zhì)。對(duì)于許多氣體冰箱，當(dāng)壓力足夠低時(shí)，工作介質(zhì)氣體可以近似為理想氣體。對(duì)于具有恒定壓力比熱(1-70)的理想氣體，COP與用作制冷劑的理想氣體無(wú)關(guān)。COPi僅與最高冷源溫度與最低冷源溫度之比以及熱源溫度與最低冷源溫度之比相關(guān)。1.1.3制冷和低溫區(qū)的劃分，1。制冷和低溫區(qū)的劃分，將溫度區(qū)除以123 k，制冷和制冷的溫度范圍是從環(huán)境溫度到接近絕對(duì)零度，即0 k，2。制冷和低溫技術(shù)的發(fā)展歷史，(1)制冷技術(shù)的發(fā)展歷史，(2)制冷劑的發(fā)展、應(yīng)用和選擇原則，1.2.1熱力學(xué)性質(zhì)，2。遷移性能，作為制冷劑應(yīng)符合要求，3。物理和化學(xué)性質(zhì)，4。其他，原材料來(lái)源充足，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。1.2.2制冷劑名稱，制冷劑按其化學(xué)成分主要有三種，字母 R 和一組數(shù)字或字母，在它后面，表示制冷劑，按制冷劑分子組成按一定規(guī)則，1。無(wú)機(jī)化合物，2。氟利昂和烷烴，書(shū)寫(xiě)規(guī)則，制冷劑縮寫(xiě)，3。非共沸混合工作介質(zhì)。共沸混合工作介質(zhì)。環(huán)烷烴、烯烴及其鹵素，縮寫(xiě)符號(hào)規(guī)定環(huán)烷烴和環(huán)烷烴的鹵代化合物應(yīng)以字母“RC”開(kāi)頭，烯烴和烯烴的鹵代化合物應(yīng)以字母“R1”開(kāi)頭，以下數(shù)字排列規(guī)則應(yīng)與氟利昂和烷烴的符號(hào)表示相同。例如，表1-4制冷劑符號(hào)，此外，有機(jī)氧化物、脂肪胺以R6開(kāi)頭，數(shù)字后可選。詳見(jiàn)表1-5制冷劑標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示。1.2.3制冷劑的物理和化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用，1 .安全性，(1)毒性。雖然有些氟利昂制冷劑毒性低，但它們會(huì)分解到極限、爆炸極限，表1-7某些制冷劑的易燃易爆特性，注：無(wú)表示不燃燒，na表示未知。表1-8 ASHREAE 34-1992以毒性和可燃性為界限的安全分類(lèi)，表1-9某些制冷劑的安全分類(lèi)，(2)低溫技術(shù)的發(fā)展歷史，3。對(duì)材料的影響。在正常情況下，鹵素化合物制冷劑不適用于最常用的金屬材料。只有在某些條件下，如水解和分解，一些物質(zhì)才能與制冷劑反應(yīng)。制冷系統(tǒng)應(yīng)盡量避免水與銅和鐵共用。4.與潤(rùn)滑油互溶。對(duì)于每一種氟利昂，都有一個(gè)溶解的臨界溫度，即溶解曲線最高點(diǎn)的溫度。氟利昂與礦物潤(rùn)滑油在常溫下的溶解關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式確定。5.水溶性，“冰阻塞現(xiàn)象”。當(dāng)溫度降至0以下時(shí)，水形成冰，堵塞節(jié)流閥或毛細(xì)管的通道，形成“冰堵”，導(dǎo)致冰箱不能正常工作。6。泄漏，表110水在某些制冷劑中的溶解度(25)，注：na表示未發(fā)現(xiàn)可用數(shù)據(jù)。沸點(diǎn)-33.3，冰點(diǎn)-77.9，單位體積制冷量大，粘度小，傳熱好，流阻小，毒性大，具有一定的可燃性，安全分類(lèi)為B2氨蒸氣無(wú)色，氨溶液飛濺，對(duì)皮膚有強(qiáng)烈刺激性氣味，會(huì)引起腫脹甚至凍傷。氨系統(tǒng)中的水會(huì)加劇對(duì)金屬的腐蝕，降低制冷量。系統(tǒng)中從氨中分離出來(lái)的游離氫與水以任意比例互溶，但在礦物潤(rùn)滑油中溶解度很小。空氣爆炸時(shí)氨溶液的比例小于礦物潤(rùn)滑油的比例。在油沉積的下部，氨制冷機(jī)中不定期使用銅和銅合金材料(磷青銅除外)。1.2.4常見(jiàn)制冷劑。1.無(wú)機(jī)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?xì)浠衔铮?1)R600a(異丁烷i-C4H10)，(2)R290(丙烷C3H8)，比R600a沸點(diǎn)和冰點(diǎn)低，比R600a蒸汽壓高，體積制冷量大，其他制冷和安全特性與R600a相似。4?；旌现评鋭?，(1)共沸制冷劑，共沸制冷劑的特性：表1-11幾種共沸制冷劑的組成和沸點(diǎn)，(2)非共沸制冷劑，當(dāng)溶液在一定壓力下加熱時(shí)，首先達(dá)到飽和液體點(diǎn)A(泡點(diǎn))，然后加熱到點(diǎn)B，即進(jìn)入兩相區(qū)，當(dāng)加熱到點(diǎn)C(露點(diǎn))時(shí)，完全蒸發(fā)成飽和蒸汽。泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度之間的溫差稱為溫度差。表1-12顯示了目前廣泛使用的非共沸制冷劑的類(lèi)型和組成。(3)常用混合制冷劑的特點(diǎn)，沸點(diǎn)-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)氫氣，表1-14e-p-H2的H2含量列出了H2東部p-H2的平衡含量與溫度之間的關(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(duì)自旋轉(zhuǎn)方向不同。氘也有o-D2和p-D2。當(dāng)溫度降低時(shí)，氘中的p-D2變成o-D2，而當(dāng)溫度降低時(shí)，氫變成p-H2。(3)氦4和氦4有兩種不同的液相。表1-15顯示了雙流體模型中氦二中正常流體的質(zhì)量比。當(dāng)溫度通過(guò)點(diǎn)下降時(shí)，液體的比熱有一個(gè)大的躍變。噴泉效應(yīng)液氦3和液氦4的混合物可以自發(fā)地分成兩個(gè)相，一個(gè)是超流體(富氦相4)，另一個(gè)是正常流體(富氦相3)。這種相分離現(xiàn)象成為氦稀釋制冷機(jī)的基礎(chǔ)。第三節(jié)制冷技術(shù)的交叉學(xué)科研究，制冷和低溫技術(shù)的交叉學(xué)科研究實(shí)例，以及制冷在空調(diào)中的作用。2.人工環(huán)境。有以下幾種與制冷相關(guān)的人工環(huán)境試驗(yàn)。根據(jù)食品加工方式的不同，食品低溫加工技術(shù)可分為三類(lèi)：3。食物冷凍和冷凍干燥。低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)，5。低溫電子技術(shù)。利用超導(dǎo)和磁場(chǎng)相關(guān)的邁斯納效應(yīng)代替油或空氣作為潤(rùn)滑劑，可以制造無(wú)摩擦軸承。無(wú)功率損耗的超導(dǎo)電機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。具有極小偏差的超導(dǎo)陀螺儀也被開(kāi)發(fā)出來(lái)。一列時(shí)速500公里的低溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)已經(jīng)在日本試運(yùn)行。機(jī)械設(shè)計(jì)，紅外光學(xué)鏡頭可以用來(lái)捕捉熱源的形狀和跟蹤熱源。一些紅外材料通常在120千度以下的低溫下工作，這使得熱源的遙感信號(hào)更加清晰。為了捕捉高度敏感的信號(hào)，通常需要較低的溫度。通常，紅外衛(wèi)星需要70-120K的低溫，這通常由斯特林制冷機(jī)、脈管制冷機(jī)和輻射制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)。太空遠(yuǎn)紅外觀測(cè)要求溫度低于2K，這通常是通過(guò)超流氦冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。紅外遙感技術(shù)在煉鋼中起著重要的作用。低溫系統(tǒng)也用于氨生產(chǎn)。在壓力容器的加工過(guò)程中，將預(yù)成型的圓筒放入冷卻到液氮溫度的模具中，用高壓氮?dú)馓畛淙萜?，使其膨?5%，然后將容器從模具中取出并返回到室溫。使用這種方法，材料的屈服強(qiáng)度可提高4-5倍。目前，低溫技術(shù)是從鋼結(jié)構(gòu)輪胎中