热机制冷机以及卡诺循环

1、热机制冷机以及卡诺循环主讲： 王冬（50%）成员： 陈亮糖（50%）2 循环过程应用非常常见，如循环过程应用非常常见，如汽车发动机、蒸汽机等，还有冰汽车发动机、蒸汽机等，还有冰箱、空调等，它们分别以不同的箱、空调等，它们分别以不同的方式利用了不同种类的循环过程，方式利用了不同种类的循环过程，最终具有了各自不同的功能。最终具有了各自不同的功能。 那么，这些机器和设备是怎那么，这些机器和设备是怎样利用循环过程来达到各自的目样利用循环过程来达到各自的目的？对于它们什么是最关键的指的？对于它们什么是最关键的指标？工程师设计高性能的机器和标？工程师设计高性能的机器和设备以及提高其性能的依据是什设备以及提

2、高其性能的依据是什么呢？么呢？ 循环过程及其在工程中的应用循环过程及其在工程中的应用循环过程循环过程系统由某一状态出发，经过任意一系列的系统由某一状态出发，经过任意一系列的状态，最后又回到原来状态的过程。状态，最后又回到原来状态的过程。e = 0。 只有准静态过程在只有准静态过程在p-v图上有对应的过程曲线。图上有对应的过程曲线。准静态循环过程对应于准静态循环过程对应于p-v图上一封闭的曲线。图上一封闭的曲线。opv212v1v对如图示的正循环，由对如图示的正循环，由12的膨胀过程中系统对外作的膨胀过程中系统对外作正功正功由由2 1的压缩过程中系统的压缩过程中系统对外作负功对外作负功正循环过程

3、中，系统对外作的总功（净功）为：正循环过程中，系统对外作的总功（净功）为：正循环正循环吸q放qw下的面积膨胀曲线121w下的面积压缩曲线212w021闭循环曲线所围面积www可见，正循环过程中系统对外作正功。可见，正循环过程中系统对外作正功。opv212v1v逆循环逆循环吸q放q 系统对外作的净功系统对外作的净功 w= - w1+w20即外界对系统作功即外界对系统作功。系统从外界吸收的净热系统从外界吸收的净热 q=- q1+q20即系统向外（高温热源）即系统向外（高温热源）放热。放热。w由此可见，在逆循环过程中，外界对系统作功，把热由此可见，在逆循环过程中，外界对系统作功，把热量由低温热源传递

4、到高温热源。量由低温热源传递到高温热源。那么，外界对系统作的功可使多少热量由低温热源传到那么，外界对系统作的功可使多少热量由低温热源传到高温热源呢？这就是致冷机的效率问题。高温热源呢？这就是致冷机的效率问题。1. 热机热机 把热能转换成机械能的装置称为热机，如蒸汽机、把热能转换成机械能的装置称为热机，如蒸汽机、汽车发动机等。汽车发动机等。2. 热机工作特点热机工作特点需要一定工作物质。需要一定工作物质。至少需要两个热源。至少需要两个热源。工作物质作正循环。工作物质作正循环。opv正循环正循环吸q放qw3.工作示意图工作示意图高温热源高温热源t1低温热源低温热源t2热机w2q1q1qw热机从高温

5、热源吸取热热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源。另一部分放到低温热源。4.热机效率热机效率,21qqw热机效率热机效率 如果从高温源吸取的如果从高温源吸取的热量转变成的功越多，则热量转变成的功越多，则热机效率就越大。热机效率就越大。121qqq121qq1热机热机 ：持续地将热量转变为功的机器：持续地将热量转变为功的机器 . 工作物质工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质并对外做功的物质 . 致冷机的工作物致冷机的工作物质作逆循环。通过外质作逆循环。通过外界对系统作功将系统界对系统作功将系统由低温源吸

6、收的热量由低温源吸收的热量传递到高温源，从而传递到高温源，从而使低温源温度降低。使低温源温度降低。opv逆循环逆循环吸q放qw例如：例如：电冰箱、空调都属于致冷机。电冰箱、空调都属于致冷机。高温热源高温热源t1低温热源低温热源t2致冷机w1q2q1.工作示意图工作示意图致冷机是通过外界作功致冷机是通过外界作功将低温源的热量传递到将低温源的热量传递到高温源中，使低温源温高温源中，使低温源温度降低。度降低。2.致冷系数致冷系数如果外界做一定的功，从低如果外界做一定的功，从低温源吸取的热量越多，致冷温源吸取的热量越多，致冷效率越大。效率越大。室外室外室内室内wqe2致冷系数致冷系数由能量守恒由能量守

7、恒21qqwwqe2 电冰箱的工作物质为氟里昂电冰箱的工作物质为氟里昂 12 (ccl2f2)，氟里昂，氟里昂对大气的臭氧层有破坏的作用，对大气的臭氧层有破坏的作用，2005 年我国将停止使年我国将停止使用氟里昂作致冷剂。以保护臭氧层。溴化锂致冷和半用氟里昂作致冷剂。以保护臭氧层。溴化锂致冷和半导体致冷已进入市场。导体致冷已进入市场。212qqqwqe2节流阀节流阀冷凝器冷凝器压缩机压缩机冰室冰室3.电冰箱工作原理电冰箱工作原理冰箱循环示意图冰箱循环示意图 空调机不仅可以制空调机不仅可以制冷，而且也可制热。将冷，而且也可制热。将其称为热泵。其称为热泵。高温热源高温热源t1低温热源低温热源t2热

8、泵w放q吸q室外室外室内室内 热泵是通过外界作功，热泵是通过外界作功，将低温源（室外）的热量将低温源（室外）的热量泵到高温源（室内），与泵到高温源（室内），与制冷机顺序相反。制冷机顺序相反。1.供暖系数供暖系数如果外界做一定的功，泵到如果外界做一定的功，泵到高温源的热量越多，供暖系高温源的热量越多，供暖系数就越大。数就越大。w1q由能量守恒由能量守恒21qwqeqwwq1w21高温热源高温热源t1低温热源低温热源t2热泵w放q吸q室外室外室内室内1.卡诺正循环与卡诺热机卡诺正循环与卡诺热机卡诺循环卡诺循环工作物质只与两工作物质只与两个恒温热源交换热量的循环。个恒温热源交换热量的循环。正、逆循环

9、分别对应于正、逆循环分别对应于卡诺卡诺热机和制冷机。热机和制冷机。准静态卡诺循环准静态卡诺循环由两由两个等温过程和两个绝热个等温过程和两个绝热过程构成的循环。过程构成的循环。2. 理想气体准静态卡诺循环理想气体准静态卡诺循环 及其效率及其效率opv等温线43212t绝热线1t在此仅限于讨论准静态卡诺在此仅限于讨论准静态卡诺循环。循环。opv等温线43212t绝热线1t正循环与功能转换正循环与功能转换0ln1211vvrtmmq吸热吸热3 4 等温收缩过程等温收缩过程4323422lnlnvvrtmmvvrtmmq022 qw放热放热1 2 的等温膨胀过程的等温膨胀过程012e011qw2 3的

10、绝热膨胀过程的绝热膨胀过程023q041qopv等温线43212t绝热线1t023w4 1的绝热压缩过程的绝热压缩过程041w 整个循环过程中系统整个循环过程中系统吸收的净热等于系统对外吸收的净热等于系统对外的功的功43212121lnlnvvtvvtrmmqqqw 效率效率1214321211lnlnlnvvtvvtvvtqw124312lnln1vvvvtt由由2 -3和和4-1的的 绝热膨胀和压缩过程方程绝热膨胀和压缩过程方程213112tvtv214111tvtv上两式相比上两式相比143112vvvv即即4312vvvvopv等温线43212t绝热线1t)/ln()/ln(11214

11、32vvtvvt可见，理想气体准静态卡诺循环的效率只由高低温热可见，理想气体准静态卡诺循环的效率只由高低温热源的热力学温度决定，与具体的工作物质无关。源的热力学温度决定，与具体的工作物质无关。121tt121tt卡诺热机的效率卡诺热机的效率3.提高热机效率的方法。提高热机效率的方法。121tt t2/t1越小越好，但低温热源的温度通常为外界大越小越好，但低温热源的温度通常为外界大气的温度，难以人为地改变。因此通常以提高高温热气的温度，难以人为地改变。因此通常以提高高温热源的温度来提高热机的效率。源的温度来提高热机的效率。23解：解：根据卡诺热机的循环效率可得，地热发电机的热根据卡诺热机的循环效

12、率可得，地热发电机的热机效率为机效率为48. 015.57315.2981112tt则发电机每小时对外做的功为则发电机每小时对外做的功为111010.48 2 10 j9.6 10 jwq 发电机的输出功率为发电机的输出功率为1049.6 102.7 10 kw3600wpt24汽车发动机汽车发动机热机热机汽油机的循环过程汽油机的循环过程一般汽车发动机的循环过程由两个等容过程和两一般汽车发动机的循环过程由两个等容过程和两个绝热组成，其中个绝热组成，其中ab和和cd为绝热过程，该循环过为绝热过程，该循环过程决定了发动机的关键性技术指标程决定了发动机的关键性技术指标热机效率。热机效率。v2pop1

13、p2cdbav1吸吸放放25汽车发动的热机效率为汽车发动的热机效率为1dacbtttt 12111abtvtv 其中，其中，ta为燃料燃烧前的温度，为燃料燃烧前的温度， ta为燃料燃烧为燃料燃烧后的温度；后的温度；v1为气体压缩前的体积，为气体压缩前的体积，v2为气体压缩为气体压缩后的体积。后的体积。26提高汽车发动机效率的途径提高汽车发动机效率的途径（1）提高高温热源的温度（发动机本身的温度），）提高高温热源的温度（发动机本身的温度），陶瓷外壳的发动机陶瓷外壳的发动机（2）提高发动机的压缩比（用压缩前的气缸总容积）提高发动机的压缩比（用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积）与压缩后的气缸容积）4.卡诺逆循环与卡诺制冷机卡诺逆循环与卡诺制冷机 完全类似于完全类似于卡诺正循环的分析，可以证明，理想卡诺正循环的分析，可