制冷原理第2章

1、制冷原理第二章 制冷的热力学基础 提纲热力学基本定律 相变制冷 绝热膨胀制冷 热力学基本定律基本概念热力学研究能量相互转换过程中所应遵循的规律的科学不考虑物质的微观结构和反应机理 只能告诉我们在某种条件下，变化能否发生，进行的程度如何 不能说明所需的时间、经过的历程、变化发生的根本原因 热力学基本定律基本概念系统与环境划定的所研究的一部分物质或空间 称为系统与系统密切相关的其它部分称为环境 热力学基本定律基本概念系统：用界面分离出的研究对象。外界：系统以外的所有物质1、系统与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界热力系统选取的人为性锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器只交

2、换功只交换热既交换功也交换热边界特性真实、虚构固定、活动(二)、闭口系和开口系、绝热系和孤立系热力系 外界 物质交换能量交换物质流进和流出热力系统传热和作功两种形式热力系统分类以系统与外界关系划分： 有 无是否传质 开口系 闭口系是否传热 非绝热系 绝热系是否传功 非绝功系 绝功系是否传热、功、质 非孤立系 孤立系工质的基本状态参数一、状态与状态参数1.状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况2.状态参数：描述工质状态的宏观物理量3.状态参数的特征：(1)、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然(2)、状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关。数学表达式如下：式中，x1，

3、x2分别代表两种状态的状态参数(3)、状态参数数学特征：点函数。 4.基本状态参数：常用的三个状态参数是压力、温度 和比体积（密度），它们都是可以直接测量的 物理量，并且物理意义简单易懂5.常用状态参数： 温度T、压力p、密度、比容v、内能u、焓h、熵s、（火用）ex、自由能f、g思考： 上述状态参数如何分类？强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S比参数：比容比内能比焓比熵单位：/kg /kmol 具有强度量的性质温度定义：标志物体冷热程度的物理量。其数值称为温标1)宏观：表示物体冷

4、热程度的物理量。2)微观：分子热运动的统计结果3)第零定律 温度标尺：热力学温标的规定：纯水三相点的温度为基准，并指定为273.16K，每1K为纯水三相点温度的 1/273.16温度摄氏温标：用t表示，单位为热力学 (开尔文或绝对)温标：用T表示，单位为K 可以看出两种温标的温差是相等的压力定义：单位面积上所承受的垂直作用力，以 表示注意：物理学： 压强 压力 工程： 压力 总压对应绝对压力表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压 力计显示的绝对压力超出大气压力的部分。表压力=绝对压力-大气压力(2)真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空 计显示的绝对压力低于大气压力的部分。真空度=大

5、气压力-绝对压力要想知道气体的绝对压力，还要知道当时当地的大气压力，然后通过上述公式进行计算。绝对压力与相对压力示意图当 p pb表压力 pe当 p 0 热力学第一定律及其应用 热力学第一定律能量既不能创造，也不能消灭，它只能从一种形式转变为另一种形式，在转化中，能量的总量不变，即能量守恒与转化定律。热力学第一定律是在热现象领域内的能量守恒与转化定律 输入系统的能量输出系统的能量=热力系统内贮存的能量的变化 热力学第一定律的数学表达式 Q =U + W 闭口系统与开口系统闭口系统系统与外界只有功、热的交换，而无物质交换 开口系统有工质流入与流出的系统称为开口热力学系统，简称开口系工质在开口系统

6、中流动而传递的功，这种功叫做推动功，单位质量的推动功等于pv 开口系统热力学第一定律条件：(1)过程中没有其它功，W = 0；(2)等压过程：即p1 = p2 = pe 热力学第一定律可表示为： U = Q + W = Qppe(V2 V1)= Qp p(V2V1)W称为膨胀功 wpV焓的导出移项得：Qp = (U2 + p2V2)(U1 + p1V1) = (U + pV)将上面的（U + pV）定义成一个新的状态函数，焓，用符号H 表示 单位工质的焓称为比焓，用h表示，即 开口系统能量方程的一般表达式 在dt时间内进行一个微元过程：质量为m1的微元工质流入进口截面1-1，质量为m2的微元工

7、质流出出口截面2-2；同时系统从外界接受热量Q，对机器设备作功W1。完成该微元过程后，系统内工质质量增加了dm，系统的总能量增加了dEcv 稳定流动能量方程 若流动过程中开口系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间变化，这种流动过程称为稳定流动过程 稳定流动能量方程技术功wt 由稳定流动能量方程 变形为： 热能进出口推动功之差 进出口动能之差 进出口位能之差 机械能技术功wt膨胀功加上进出系统的推动功之差称为技术功wt 膨胀功与技术功的关系 ：忽略工质进出系统的动能和位能，有 热力学第二定律 热力学第二定律揭示了能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度热力学第二定律热量能自发的

8、从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体” 循环 工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循环” 循环热效率 循环热效率工质在整个热力循环中，对外界所作的净功w0 与循环中外界所加给工质的热量q1的比值 热效率总小于1，即在循环中，热能不能全部变为机械能 制冷循环 与热泵循环逆循环的效果是消耗外界的功，将热量从低温物体传递给高温物体 制冷循环逆循环的目的是从低温物体中吸收热量热泵循环 逆循环的目的是给高温物体供热 实现使热量从低温物体转移到高温物体，必须消耗一定的能量制冷系数与供热系数 制冷系数1从冷源吸收的热量q2与消耗的循环净功w0的比值供热系数2供

9、给热源的热量q1与消耗的循环净功w0的比值逆卡诺循环 逆卡诺循环如图所示，它由两个等温过程和两个绝热过程组成 逆卡诺循环的制冷系数 逆卡诺循环制热系数 例题25 利用逆卡诺循环工作的热泵为一住宅采暖。已知室外环境温度为-10，为保证室内20的温度，每小时需提供105kJ热量。试求1)该热泵每小时从室外吸取多少热量；2）热泵所需的功率；3）若采用电炉取暖，电炉的功率是多少? 解： 1）该热泵的制热系数为 又由于 故从室外的吸热量为 2）热泵所需功率为 3）电炉采暖所需功率为 比熵s 数学式定义 比熵是工质的一个状态参数，随着工质的状态变化而变化 如过程中既不吸热也不放热，则工质的比熵不变，该过程

10、称为定熵过程（绝热过程） 相变制冷 相变制冷是利用液体汽化吸热的效应来实现制冷 吸热和放热过程中制冷工质发生相变 汽化潜热数值较大，可以提高单位质量工质的制冷能力 几个基本概念汽化和液化汽化蒸发沸腾饱和温度和饱和压力饱和蒸汽饱和水饱和状态相应的温度和压力称为饱和温度（ts）和饱和压力，两者一一对应。 ts =f(P)物质的状态发生变化水的定压汽化过程容器中装有1kg水，0pvTs100abab100100cddc100ee水蒸气的定压发生过程t tsv vv = vv = vv v v未饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽h hh = hh = hh h hs ss = ss = ss s

11、 s水预热汽化过热ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavcd五个状态：（1）a：未饱和水（过冷水），t ts , 过热度t = t- ts , p、T 是独立的状态参数，单相均匀系= f ( p , T )。三个阶段：1）定压预热阶段a-b：未饱和水变为饱和水。比液体热：2）定压汽化阶段b-c-d：饱和水变为干饱和蒸汽，既是定压又是定温的相变加热过程。比汽化潜热：3）定压过热阶段d-e：饱和蒸汽变成过热蒸汽，比过热热：ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavcd饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和温度Ts饱和压力ps一一对应放掉一些水，Ts ps不变 ？

12、Tspsps=1.01325barTs=100 青藏ps=0.6barTs=85.95 高压锅ps=1.6barTs=113.32 饱和参数未饱和水和过热蒸汽表（节录）定压过程 理想气体的状态方程 定压过程的特征方程 在定压过程中，气体的比体积与热力学温度成正比 定压过程定压过程中传递的功量 定压过程传递的热量 定压过程中，气体与外界交换的热量等于其焓的变化 绝热过程 (定熵过程 )绝热过程 (定熵过程 )气体在绝热过程中与外界的热量交换为0，其熵不变 特征方程 k称为绝热指数 体积变化功技术功 绝热过程中，气体与外界交换的功量等于其内能变化的相反数 实际做功量在实际的压缩机中，由于压缩机机壳向外散热，因此，工质在压缩机中并不是一个绝热过程，我们通常用一个等熵效率s来进行修正 压缩机理论上输入的功 绝热膨胀制冷 气体膨胀制冷是利用高压气体绝热膨胀或绝热放气使气体温度降低而实现的 用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程 绝热膨胀制冷装置 绝热膨胀制冷 空气在冷却器中放出的热量 制冷量 空气绝热膨胀制冷的p-v图和T-s图 绝热膨胀制冷循环所消耗的净功 循环的制冷系数 过程1-2，3-4均为定熵过程，则有 绝热膨胀制冷过程2-3，4-1均为定压过程，则有 p2p3；p1p4 有 则逆卡诺循环