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)機理 只能告訴我們在某種條件下，變化能否發(fā)生，進行的程度如何 不能說明所需的時間、經(jīng)過的歷程、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 稱為系統(tǒng)與系統(tǒng)密切相關(guān)的其它部分稱為環(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邊界熱力系統(tǒng)選取的人為性鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器過熱器只交

2、換功只交換熱既交換功也交換熱邊界特性真實、虛構(gòu)固定、活動(二)、閉口系和開口系、絕熱系和孤立系熱力系 外界 物質(zhì)交換能量交換物質(zhì)流進和流出熱力系統(tǒng)傳熱和作功兩種形式熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分： 有 無是否傳質(zhì) 開口系 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 與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)表達式如下：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：點函數(shù)。 4.基本狀態(tài)參數(shù)：常用的三個狀態(tài)參數(shù)是壓力、溫度 和比體積（密度），它們都是可以直接測量的 物理量，并且物理意義簡單易懂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？強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(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 具有強度量的性質(zhì)溫度定義：標志物體冷熱程度的物理量。其數(shù)值稱為溫標1)宏觀：表示物體冷

4、熱程度的物理量。2)微觀：分子熱運動的統(tǒng)計結(jié)果3)第零定律 溫度標尺：熱力學(xué)溫標的規(guī)定：純水三相點的溫度為基準，并指定為273.16K，每1K為純水三相點溫度的 1/273.16溫度攝氏溫標：用t表示，單位為熱力學(xué) (開爾文或絕對)溫標：用T表示，單位為K 可以看出兩種溫標的溫差是相等的壓力定義：單位面積上所承受的垂直作用力，以 表示注意：物理學(xué)： 壓強 壓力 工程： 壓力 總壓對應(yīng)絕對壓力表壓力：當氣體的絕對壓力高于大氣壓力時，壓 力計顯示的絕對壓力超出大氣壓力的部分。表壓力=絕對壓力-大氣壓力(2)真空度：當氣體的絕對壓力低于大氣壓力時，真空 計顯示的絕對壓力低于大氣壓力的部分。真空度=大

5、氣壓力-絕對壓力要想知道氣體的絕對壓力，還要知道當時當?shù)氐拇髿鈮毫?，然后通過上述公式進行計算。絕對壓力與相對壓力示意圖當 p pb表壓力 pe當 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)表達式 Q =U + W 閉口系統(tǒng)與開口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)系統(tǒng)與外界只有功、熱的交換，而無物質(zhì)交換 開口系統(tǒng)有工質(zhì)流入與流出的系統(tǒng)稱為開口熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱開口系工質(zhì)在開口系統(tǒng)

6、中流動而傳遞的功，這種功叫做推動功，單位質(zhì)量的推動功等于pv 開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律條件：(1)過程中沒有其它功，W = 0；(2)等壓過程：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稱為膨脹功 wpV焓的導(dǎo)出移項得：Qp = (U2 + p2V2)(U1 + p1V1) = (U + pV)將上面的（U + pV）定義成一個新的狀態(tài)函數(shù)，焓，用符號H 表示 單位工質(zhì)的焓稱為比焓，用h表示，即 開口系統(tǒng)能量方程的一般表達式 在dt時間內(nèi)進行一個微元過程：質(zhì)量為m1的微元工質(zhì)流入進口截面1-1，質(zhì)量為m2的微元工

7、質(zhì)流出出口截面2-2；同時系統(tǒng)從外界接受熱量Q，對機器設(shè)備作功W1。完成該微元過程后，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)定流動能量方程 若流動過程中開口系統(tǒng)內(nèi)部及其邊界上各點工質(zhì)的熱力參數(shù)及運動參數(shù)都不隨時間變化，這種流動過程稱為穩(wěn)定流動過程 穩(wěn)定流動能量方程技術(shù)功wt 由穩(wěn)定流動能量方程 變形為： 熱能進出口推動功之差 進出口動能之差 進出口位能之差 機械能技術(shù)功wt膨脹功加上進出系統(tǒng)的推動功之差稱為技術(shù)功wt 膨脹功與技術(shù)功的關(guān)系 ：忽略工質(zhì)進出系統(tǒng)的動能和位能，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)換過程進行的方向、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)過一系列狀態(tài)變化又回到初態(tài)的封閉過程，稱為“循環(huán)” 循環(huán)熱效率 循環(huán)熱效率工質(zhì)在整個熱力循環(huán)中，對外界所作的凈功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，它由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成 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，每小時需提供105kJ熱量。試求1)該熱泵每小時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)的一個狀態(tài)參數(shù)，隨著工質(zhì)的狀態(tài)變化而變化 如過程中既不吸熱也不放熱，則工質(zhì)的比熵不變，該過程

10、稱為定熵過程（絕熱過程） 相變制冷 相變制冷是利用液體汽化吸熱的效應(yīng)來實現(xiàn)制冷 吸熱和放熱過程中制冷工質(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)的溫度和壓力稱為飽和溫度（ts）和飽和壓力，兩者一一對應(yīng)。 ts =f(P)物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化水的定壓汽化過程容器中裝有1kg水，0pvTs100abab100100cddc100ee水蒸氣的定壓發(fā)生過程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熱蒸汽h hh = hh = hh h hs ss = ss = ss s

11、 s水預(yù)熱汽化過熱ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavcd五個狀態(tài)：（1）a：未飽和水（過冷水），t ts , 過熱度t = t- ts , p、T 是獨立的狀態(tài)參數(shù)，單相均勻系= f ( p , T )。三個階段：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程。比汽化潛熱：3）定壓過熱階段d-e：飽和蒸汽變成過熱蒸汽，比過熱熱：ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavcd飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動態(tài)平衡飽和溫度Ts飽和壓力ps一一對應(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)未飽和水和過熱蒸汽表（節(jié)錄）定壓過程 理想氣體的狀態(tài)方程 定壓過程的特征方程 在定壓過程中，氣體的比體積與熱力學(xué)溫度成正比 定壓過程定壓過程中傳遞的功量 定壓過程傳遞的熱量 定壓過程中，氣體與外界交換的熱量等于其焓的變化 絕熱過程 (定熵過程 )絕熱過程 (定熵過程 )氣體在絕熱過程中與外界的熱量交換為0，其熵不變 特征方程 k稱為絕熱指數(shù) 體積變化功技術(shù)功 絕熱過程中，氣體與外界交換的功量等于其內(nèi)能變化的相反數(shù) 實際做功量在實際的壓縮機中，由于壓縮機機殼向外散熱，因此，工質(zhì)在壓縮機中并不是一個絕熱過程，我們通常用一個等熵效率s來進行修正 壓縮機理論上輸入的功 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現(xiàn)的 用兩個定壓過程來代替逆向卡諾循環(huán)的兩個定溫過程 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) 過程1-2，3-4均為定熵過程，則有 絕熱膨脹制冷過程2-3，4-1均為定壓過程，則有 p2p3；p1p4 有 則逆卡諾循環(huán)