制冷空調(diào)技術(shù)

制冷空調(diào)技術(shù)第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章制冷熱工基礎第一節(jié)基本概念第二節(jié)制冷的熱力學基礎第三節(jié)制冷的傳熱學基礎第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)基本概念狀態(tài)參數(shù)中比容、壓力、溫度是可由儀表直接測量得到的參數(shù)，稱作基本狀態(tài)參數(shù)。一、基本狀態(tài)參數(shù)1.比容(v，m3/kg)單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的體積；比容和密度之間互為倒數(shù)。2.壓力(p，單位Pa)單位面積上所承受的垂直作用力；分子運動撞擊在單位面積上呈現(xiàn)的平均作用力；工程上常用的單位：

兆帕(1MPa=106Pa)；巴(1bar=105Pa)；標準大氣壓(1atm=101325Pa)第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月3.溫度描述系統(tǒng)冷、熱狀況的狀態(tài)參數(shù)標志物體內(nèi)部分子無序運動的劇烈程度溫度的高低通常用溫標來表示

常用的溫標有：

(1)熱力學絕對溫標（熱力學溫度或絕對溫度）：

開爾文在熱力學第二定律的基礎上，從理論上引入的與測溫物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)的溫標?？勺鳛闃藴蕼貥?，一切經(jīng)驗溫標均可以用此溫標來校正(符號為T，單位為K)。

(2)攝氏溫標：

符號為t、單位℃。1960年國際計量會議把水的三相點定為273.16K，0.01℃。

(3)熱力學溫標的關(guān)系

t(℃)=T(K)－273.15

另外常用的溫標還有華氏溫標和朗肯溫標。第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月一個不受外界影響的系統(tǒng)，無論初始狀態(tài)如何，經(jīng)過充分長時間后，必將達到這樣一種狀態(tài):——系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化，即達到平衡狀態(tài)。二、平衡狀態(tài)參數(shù)1.定義沒有外界作用的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間而變化的狀態(tài)。2.實現(xiàn)條件對于一個狀態(tài)可以自由變化的熱力系，如果系統(tǒng)內(nèi)以及系統(tǒng)與外界的一切不平衡勢差均不存在，則熱力系一切可見的宏觀變化停止，這時熱力系處于平衡狀態(tài)。3.特點具有確定的狀態(tài)參數(shù)。平衡狀態(tài)第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1.定義系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程之后，如果沿原來路徑逆向進行，能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡?？赡孢^程與準平衡過程從定義上的一個重要區(qū)別就在于過程逆行,“沒有遺留下任何變化”，例如功、熱、狀態(tài)等變化。2.實現(xiàn)條件推動過程的勢差無限小，而且不存在任何耗散現(xiàn)象。無耗散效應的準平衡過程就是可逆過程。所謂耗散指固體或液體的磨擦、電阻、非彈性形變、磁滯等現(xiàn)象起的效應，使能量耗散了，變?yōu)闊帷?.特點可逆過程是熱力學的抽象，實際過程無法實現(xiàn)，但可以無限接近它研究可逆過程的目的，在于抓主要矛盾，反映本質(zhì)。把可逆過程作為實際過程中能量轉(zhuǎn)化效果的比較標準;在實際熱力學計算中，通常是把某一實際過程理想化為可逆過程計算，然后引入必要的經(jīng)驗修正?？赡孢^程第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)制冷的熱力學基礎如果兩個物體分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡(相互之間沒有熱量傳遞)，則彼此也必定處于熱平衡。處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)溫度必然具有相同的溫度。一、熱力學定律1.熱力學第零定律處于熱平衡的系統(tǒng)必然有一個在數(shù)值上相等的熱力學參數(shù)(溫度)描述這一平衡特性。如果要測量A的溫度，可以用已知物性與溫度關(guān)系的物體B與A接觸，使之達到熱平衡，可由B讀得A的溫度。B：氣體、液體、熱電偶、熱電阻溫度計第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一2.熱力學第一定律第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月用符號U表示，單位是焦耳（J）

熱力學能1kg物質(zhì)的熱力學能稱比熱力學能用符號u表示，單位是焦耳/千克（J/kg）比熱力學能熱力學能(1)熱力學能和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關(guān)。第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月工質(zhì)的總儲存能內(nèi)部儲存能外部儲存能熱力學能總能動能位能第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月工質(zhì)的總儲存能

E－總能，Ek－動能

Ep

－位能E=U+Ek+Ep內(nèi)部儲存能和外部儲存能的和，即熱力學能與宏觀運動動能及位能的總和若工質(zhì)質(zhì)量m，速度cf，重力場中高度z宏觀動能:

重力位能:工質(zhì)的總能:比總能:力學參數(shù)cf和z只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式作功借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。傳熱借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動。(2)能量的傳遞和轉(zhuǎn)化第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月焓用符號H表示，單位是焦耳（J）

H=U+pV比焓用符號h表示，單位是焦耳/千克（J/kg）焓是一個狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h=f(T,v)或

h=f(p,T);h=f(p,v)

(3)焓第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月進入系統(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ΔU

熱力學第一定律的解析式第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月加給工質(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對于1kg工質(zhì)第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月熱量Q熱力學能變量ΔU功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+

系統(tǒng)對外作功W+

系統(tǒng)熱力學能增大ΔU+可逆過程完成一循環(huán)后，工質(zhì)恢復原來狀態(tài)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第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月工質(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

每kg工質(zhì)需作功膨脹過程均采用絕熱過程壓縮機能量平衡

膨脹機能量平衡(5)能量方程式的應用穩(wěn)定流動能量平衡方程第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱力過程、準平衡過程與可逆過程熱力系由一狀態(tài)向另一狀態(tài)變化時所經(jīng)歷全部狀態(tài)的總和1.定義

在熱力過程中，不平衡勢差無限小，熱力學所經(jīng)歷的一系列狀態(tài)都無限接近于平衡狀態(tài)的熱力過程。2.實現(xiàn)條件推動過程進行的勢差無限小。3.特點準平衡過程可在狀態(tài)參數(shù)坐標圖中用連續(xù)曲線表示；準平衡過程是一種理想過程，是實際過程進行得足夠緩慢的極限情況，一切實際過程只能接近于準平衡過程在工程實際設備中進行的過程?？勺鳛闇势胶膺^程。熱力過程準平衡過程第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月噴管能量轉(zhuǎn)換換熱器能量平衡工質(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備作功，熱量交換可忽略不計第19頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月工質(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)流前后的焓相等該式只對節(jié)流前后穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過程段。

節(jié)流第20頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月（制冷量）高溫熱源低溫熱源制冷機QaQ0W向高溫熱源的排熱量制冷機的消耗功由低溫熱源的吸熱量=+制冷機的性能系數(shù)COP=Q0/W(CoefficienceOfPerformance)第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月熱不能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進行的方向、條件及限度的定律(1)制冷循環(huán)的熱力學分析熱力學循環(huán)正向循環(huán)熱能轉(zhuǎn)化為機械功逆向循環(huán)消耗功循環(huán)除了一二個不可避免的不可逆過程外，其余均為可逆過程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。理想循環(huán)3.熱力學第二定律第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月高溫物體低溫物體熱量可以自動傳遞熱量不能自動傳遞必須消耗能量機械能電能……熱能熱力學第二定律第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月熵熱力學狀態(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)。

定義式

qrev是可逆過程的換熱量，T為熱源溫度可逆過程1-2的熵增

克勞修斯積分=0可逆循環(huán)＜0不可逆循環(huán)＞0不可能實行的循環(huán)第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月p、T狀態(tài)下的比熵定義為:(2)熱源溫度不變時的逆向可逆循環(huán)

——逆卡諾循環(huán)

當高溫熱源和低溫熱源隨著過程的進行溫度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆向循環(huán)。在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學效率最高的制冷循環(huán)，因為它沒有任何不可逆損失。

第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月卡諾制冷機是熱力理想的等溫制冷機第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月過程1－2壓縮工質(zhì)，同時放熱至熱源，維持制冷劑溫度恒定過程2－3工質(zhì)從熱源溫度Th可逆絕熱膨脹到冷源溫度Tc

過程3－4熱量從冷源轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中同時工質(zhì)做功以使制冷劑維持一定的溫度過程4－1制冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓縮到熱源溫度第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月制冷工質(zhì)向高溫熱源放熱量制冷工質(zhì)從低溫熱源吸熱量

系統(tǒng)所消耗的功

卡諾制冷系數(shù)

卡諾熱泵循環(huán)效率

熱力完善度

第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月溫

度

T熵S洛倫茲循環(huán)的T-s圖

(3)熱源溫度可變時的逆向可逆循環(huán)—洛倫茲循環(huán)洛倫茲循環(huán)工作在二個變溫熱源間。與卡諾循環(huán)不同之處主要是蒸發(fā)吸熱和冷卻放熱均為變溫過程第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(假設制冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為ΔT)制冷量

排熱量

耗功

洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù)

第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月以卡諾循環(huán)作為比較依據(jù)，第一類循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機，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)。兩類制冷循環(huán)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

(a)以電能或機械能驅(qū)動

(b)以熱能驅(qū)動

(4)熱源驅(qū)動的逆向可逆循環(huán)——三熱源循環(huán)第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月對可逆制冷機熱力系數(shù)4.制冷的獲得方法焦耳湯姆遜效應(1)節(jié)流過程的熱力學特征通過膨脹閥時焓不變，因閥中存在摩擦阻力損耗，所以它是個不可逆過程，節(jié)流后熵必定增加第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月節(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)流元件結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在小型制冷空調(diào)裝置中應用廣泛第33頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(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。沒有一個制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)可以大于相同溫限下工作的卡諾制冷機，否則就可以制造第二類永動機。要達到相同的制冷效應，所有實際的制冷機都要比卡諾制冷機花費更多的功。

熱力學第二定律的推論之一第34頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月制冷劑在T1和T2

之間可逆等壓吸熱，放熱過程是可逆等溫過程。

第35頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月對理想等壓源制冷機上式對任何工質(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

COP與用作制冷劑的理想氣體無關(guān)。C