制冷原理第2章

1、制冷原理第二章 制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ) 提綱熱力學(xué)基本定律 相變制冷 絕熱膨脹制冷 熱力學(xué)基本定律基本概念熱力學(xué)研究能量相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中所應(yīng)遵循的規(guī)律的科學(xué)不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理 只能告訴我們?cè)谀撤N條件下，變化能否發(fā)生，進(jìn)行的程度如何 不能說(shuō)明所需的時(shí)間、經(jīng)過(guò)的歷程、變化發(fā)生的根本原因 熱力學(xué)基本定律基本概念系統(tǒng)與環(huán)境劃定的所研究的一部分物質(zhì)或空間 稱(chēng)為系統(tǒng)與系統(tǒng)密切相關(guān)的其它部分稱(chēng)為環(huán)境 熱力學(xué)基本定律基本概念系統(tǒng)：用界面分離出的研究對(duì)象。外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)1、系統(tǒng)與邊界邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過(guò)邊界熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過(guò)熱器只交

2、換功只交換熱既交換功也交換熱邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)(二)、閉口系和開(kāi)口系、絕熱系和孤立系熱力系 外界 物質(zhì)交換能量交換物質(zhì)流進(jìn)和流出熱力系統(tǒng)傳熱和作功兩種形式熱力系統(tǒng)分類(lèi)以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有 無(wú)是否傳質(zhì) 開(kāi)口系 閉口系是否傳熱 非絕熱系 絕熱系是否傳功 非絕功系 絕功系是否傳熱、功、質(zhì) 非孤立系 孤立系工質(zhì)的基本狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)1.狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況2.狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)狀態(tài)的宏觀物理量3.狀態(tài)參數(shù)的特征：(1)、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然(2)、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量 與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：式中，x1，

3、x2分別代表兩種狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)(3)、狀態(tài)參數(shù)數(shù)學(xué)特征：點(diǎn)函數(shù)。 4.基本狀態(tài)參數(shù)：常用的三個(gè)狀態(tài)參數(shù)是壓力、溫度 和比體積（密度），它們都是可以直接測(cè)量的 物理量，并且物理意義簡(jiǎn)單易懂5.常用狀態(tài)參數(shù)： 溫度T、壓力p、密度、比容v、內(nèi)能u、焓h、熵s、（火用）ex、自由能f、g思考： 上述狀態(tài)參數(shù)如何分類(lèi)？強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)強(qiáng)度參數(shù)：與物質(zhì)的量無(wú)關(guān)的參數(shù) 如壓力 p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性 如 質(zhì)量m、容積 V、內(nèi)能 U、焓 H、熵S比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵單位：/kg /kmol 具有強(qiáng)度量的性質(zhì)溫度定義：標(biāo)志物體冷熱程度的物理量。其數(shù)值稱(chēng)為溫標(biāo)1)宏觀：表示物體冷

4、熱程度的物理量。2)微觀：分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果3)第零定律 溫度標(biāo)尺：熱力學(xué)溫標(biāo)的規(guī)定：純水三相點(diǎn)的溫度為基準(zhǔn)，并指定為273.16K，每1K為純水三相點(diǎn)溫度的 1/273.16溫度攝氏溫標(biāo)：用t表示，單位為熱力學(xué) (開(kāi)爾文或絕對(duì))溫標(biāo)：用T表示，單位為K 可以看出兩種溫標(biāo)的溫差是相等的壓力定義：?jiǎn)挝幻娣e上所承受的垂直作用力，以 表示注意：物理學(xué)： 壓強(qiáng) 壓力 工程： 壓力 總壓對(duì)應(yīng)絕對(duì)壓力表壓力：當(dāng)氣體的絕對(duì)壓力高于大氣壓力時(shí)，壓 力計(jì)顯示的絕對(duì)壓力超出大氣壓力的部分。表壓力=絕對(duì)壓力-大氣壓力(2)真空度：當(dāng)氣體的絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)，真空 計(jì)顯示的絕對(duì)壓力低于大氣壓力的部分。真空度=大

5、氣壓力-絕對(duì)壓力要想知道氣體的絕對(duì)壓力，還要知道當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?，然后通過(guò)上述公式進(jìn)行計(jì)算。絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力示意圖當(dāng) p pb表壓力 pe當(dāng) p 0 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 熱力學(xué)第一定律能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)化中，能量的總量不變，即能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。熱力學(xué)第一定律是在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律 輸入系統(tǒng)的能量輸出系統(tǒng)的能量=熱力系統(tǒng)內(nèi)貯存的能量的變化 熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 Q =U + W 閉口系統(tǒng)與開(kāi)口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)系統(tǒng)與外界只有功、熱的交換，而無(wú)物質(zhì)交換 開(kāi)口系統(tǒng)有工質(zhì)流入與流出的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)口熱力學(xué)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)口系工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)

6、中流動(dòng)而傳遞的功，這種功叫做推動(dòng)功，單位質(zhì)量的推動(dòng)功等于pv 開(kāi)口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律條件：(1)過(guò)程中沒(méi)有其它功，W = 0；(2)等壓過(guò)程：即p1 = p2 = pe 熱力學(xué)第一定律可表示為： U = Q + W = Qppe(V2 V1)= Qp p(V2V1)W稱(chēng)為膨脹功 wpV焓的導(dǎo)出移項(xiàng)得：Qp = (U2 + p2V2)(U1 + p1V1) = (U + pV)將上面的（U + pV）定義成一個(gè)新的狀態(tài)函數(shù)，焓，用符號(hào)H 表示 單位工質(zhì)的焓稱(chēng)為比焓，用h表示，即 開(kāi)口系統(tǒng)能量方程的一般表達(dá)式 在dt時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一個(gè)微元過(guò)程：質(zhì)量為m1的微元工質(zhì)流入進(jìn)口截面1-1，質(zhì)量為m2的微元工

7、質(zhì)流出出口截面2-2；同時(shí)系統(tǒng)從外界接受熱量Q，對(duì)機(jī)器設(shè)備作功W1。完成該微元過(guò)程后，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量增加了dm，系統(tǒng)的總能量增加了dEcv 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程 若流動(dòng)過(guò)程中開(kāi)口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點(diǎn)工質(zhì)的熱力參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)都不隨時(shí)間變化，這種流動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程 穩(wěn)定流動(dòng)能量方程技術(shù)功wt 由穩(wěn)定流動(dòng)能量方程 變形為： 熱能進(jìn)出口推動(dòng)功之差 進(jìn)出口動(dòng)能之差 進(jìn)出口位能之差 機(jī)械能技術(shù)功wt膨脹功加上進(jìn)出系統(tǒng)的推動(dòng)功之差稱(chēng)為技術(shù)功wt 膨脹功與技術(shù)功的關(guān)系 ：忽略工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)的動(dòng)能和位能，有 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律揭示了能量傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行的方向、條件和限度熱力學(xué)第二定律熱量能自發(fā)的

8、從高溫物體傳向低溫物體，而不能自發(fā)的從低溫物體傳向高溫物體” 循環(huán) 工質(zhì)從初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列狀態(tài)變化又回到初態(tài)的封閉過(guò)程，稱(chēng)為“循環(huán)” 循環(huán)熱效率 循環(huán)熱效率工質(zhì)在整個(gè)熱力循環(huán)中，對(duì)外界所作的凈功w0 與循環(huán)中外界所加給工質(zhì)的熱量q1的比值 熱效率總小于1，即在循環(huán)中，熱能不能全部變?yōu)闄C(jī)械能 制冷循環(huán) 與熱泵循環(huán)逆循環(huán)的效果是消耗外界的功，將熱量從低溫物體傳遞給高溫物體 制冷循環(huán)逆循環(huán)的目的是從低溫物體中吸收熱量熱泵循環(huán) 逆循環(huán)的目的是給高溫物體供熱 實(shí)現(xiàn)使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，必須消耗一定的能量制冷系數(shù)與供熱系數(shù) 制冷系數(shù)1從冷源吸收的熱量q2與消耗的循環(huán)凈功w0的比值供熱系數(shù)2供

9、給熱源的熱量q1與消耗的循環(huán)凈功w0的比值逆卡諾循環(huán) 逆卡諾循環(huán)如圖所示，它由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成 逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù) 逆卡諾循環(huán)制熱系數(shù) 例題25 利用逆卡諾循環(huán)工作的熱泵為一住宅采暖。已知室外環(huán)境溫度為-10，為保證室內(nèi)20的溫度，每小時(shí)需提供105kJ熱量。試求1)該熱泵每小時(shí)從室外吸取多少熱量；2）熱泵所需的功率；3）若采用電爐取暖，電爐的功率是多少? 解： 1）該熱泵的制熱系數(shù)為 又由于 故從室外的吸熱量為 2）熱泵所需功率為 3）電爐采暖所需功率為 比熵s 數(shù)學(xué)式定義 比熵是工質(zhì)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，隨著工質(zhì)的狀態(tài)變化而變化 如過(guò)程中既不吸熱也不放熱，則工質(zhì)的比熵不變，該過(guò)程

10、稱(chēng)為定熵過(guò)程（絕熱過(guò)程） 相變制冷 相變制冷是利用液體汽化吸熱的效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷 吸熱和放熱過(guò)程中制冷工質(zhì)發(fā)生相變 汽化潛熱數(shù)值較大，可以提高單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷能力 幾個(gè)基本概念汽化和液化汽化蒸發(fā)沸騰飽和溫度和飽和壓力飽和蒸汽飽和水飽和狀態(tài)相應(yīng)的溫度和壓力稱(chēng)為飽和溫度（ts）和飽和壓力，兩者一一對(duì)應(yīng)。 ts =f(P)物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化水的定壓汽化過(guò)程容器中裝有1kg水，0pvTs100abab100100cddc100ee水蒸氣的定壓發(fā)生過(guò)程t tsv vv = vv = vv v v未飽和水飽和水飽和濕蒸汽飽和干蒸汽過(guò)熱蒸汽h hh = hh = hh h hs ss = ss = ss s

11、 s水預(yù)熱汽化過(guò)熱ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavcd五個(gè)狀態(tài)：（1）a：未飽和水（過(guò)冷水），t ts , 過(guò)熱度t = t- ts , p、T 是獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，單相均勻系= f ( p , T )。三個(gè)階段：1）定壓預(yù)熱階段a-b：未飽和水變?yōu)轱柡退?。比液體熱：2）定壓汽化階段b-c-d：飽和水變?yōu)楦娠柡驼羝?，既是定壓又是定溫的相變加熱過(guò)程。比汽化潛熱：3）定壓過(guò)熱階段d-e：飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽，比過(guò)熱熱：ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavcd飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡飽和溫度Ts飽和壓力ps一一對(duì)應(yīng)放掉一些水，Ts ps不變 ？

12、Tspsps=1.01325barTs=100 青藏ps=0.6barTs=85.95 高壓鍋ps=1.6barTs=113.32 飽和參數(shù)未飽和水和過(guò)熱蒸汽表（節(jié)錄）定壓過(guò)程 理想氣體的狀態(tài)方程 定壓過(guò)程的特征方程 在定壓過(guò)程中，氣體的比體積與熱力學(xué)溫度成正比 定壓過(guò)程定壓過(guò)程中傳遞的功量 定壓過(guò)程傳遞的熱量 定壓過(guò)程中，氣體與外界交換的熱量等于其焓的變化 絕熱過(guò)程 (定熵過(guò)程 )絕熱過(guò)程 (定熵過(guò)程 )氣體在絕熱過(guò)程中與外界的熱量交換為0，其熵不變 特征方程 k稱(chēng)為絕熱指數(shù) 體積變化功技術(shù)功 絕熱過(guò)程中，氣體與外界交換的功量等于其內(nèi)能變化的相反數(shù) 實(shí)際做功量在實(shí)際的壓縮機(jī)中，由于壓縮機(jī)機(jī)殼向外散熱，因此，工質(zhì)在壓縮機(jī)中并不是一個(gè)絕熱過(guò)程，我們通常用一個(gè)等熵效率s來(lái)進(jìn)行修正 壓縮機(jī)理論上輸入的功 絕熱膨脹制冷 氣體膨脹制冷是利用高壓氣體絕熱膨脹或絕熱放氣使氣體溫度降低而實(shí)現(xiàn)的 用兩個(gè)定壓過(guò)程來(lái)代替逆向卡諾循環(huán)的兩個(gè)定溫過(guò)程 絕熱膨脹制冷裝置 絕熱膨脹制冷 空氣在冷卻器中放出的熱量 制冷量 空氣絕熱膨脹制冷的p-v圖和T-s圖 絕熱膨脹制冷循環(huán)所消耗的凈功 循環(huán)的制冷系數(shù) 過(guò)程1-2，3-4均為定熵過(guò)程，則有 絕熱膨脹制冷過(guò)程2-3，4-1均為定壓過(guò)程，則有 p2p3；p1p4 有 則逆卡諾循環(huán)