制冷空调技术

制冷空调技术第1页，共38页，2023年，2月20日，星期五第一章制冷热工基础第一节基本概念第二节制冷的热力学基础第三节制冷的传热学基础第2页，共38页，2023年，2月20日，星期五第一节基本概念状态参数中比容、压力、温度是可由仪表直接测量得到的参数，称作基本状态参数。一、基本状态参数1.比容(v，m3/kg)单位质量工质所占有的体积；比容和密度之间互为倒数。2.压力(p，单位Pa)单位面积上所承受的垂直作用力；分子运动撞击在单位面积上呈现的平均作用力；工程上常用的单位：

兆帕(1MPa=106Pa)；巴(1bar=105Pa)；标准大气压(1atm=101325Pa)第3页，共38页，2023年，2月20日，星期五3.温度描述系统冷、热状况的状态参数标志物体内部分子无序运动的剧烈程度温度的高低通常用温标来表示

常用的温标有：

(1)热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）：

开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正(符号为T，单位为K)。

(2)摄氏温标：

符号为t、单位℃。1960年国际计量会议把水的三相点定为273.16K，0.01℃。

(3)热力学温标的关系

t(℃)=T(K)－273.15

另外常用的温标还有华氏温标和朗肯温标。第4页，共38页，2023年，2月20日，星期五一个不受外界影响的系统，无论初始状态如何，经过充分长时间后，必将达到这样一种状态:——系统的宏观性质不随时间变化，即达到平衡状态。二、平衡状态参数1.定义没有外界作用的条件下，系统的宏观性质不随时间而变化的状态。2.实现条件对于一个状态可以自由变化的热力系，如果系统内以及系统与外界的一切不平衡势差均不存在，则热力系一切可见的宏观变化停止，这时热力系处于平衡状态。3.特点具有确定的状态参数。平衡状态第5页，共38页，2023年，2月20日，星期五1.定义系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。可逆过程与准平衡过程从定义上的一个重要区别就在于过程逆行,“没有遗留下任何变化”，例如功、热、状态等变化。2.实现条件推动过程的势差无限小，而且不存在任何耗散现象。无耗散效应的准平衡过程就是可逆过程。所谓耗散指固体或液体的磨擦、电阻、非弹性形变、磁滞等现象起的效应，使能量耗散了，变为热。3.特点可逆过程是热力学的抽象，实际过程无法实现，但可以无限接近它研究可逆过程的目的，在于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程中能量转化效果的比较标准;在实际热力学计算中，通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后引入必要的经验修正。可逆过程第6页，共38页，2023年，2月20日，星期五第二节制冷的热力学基础如果两个物体分别与第三个系统处于热平衡(相互之间没有热量传递)，则彼此也必定处于热平衡。处于热平衡状态的系统温度必然具有相同的温度。一、热力学定律1.热力学第零定律处于热平衡的系统必然有一个在数值上相等的热力学参数(温度)描述这一平衡特性。如果要测量A的温度，可以用已知物性与温度关系的物体B与A接触，使之达到热平衡，可由B读得A的温度。B：气体、液体、热电偶、热电阻温度计第7页，共38页，2023年，2月20日，星期五自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一2.热力学第一定律第8页，共38页，2023年，2月20日，星期五用符号U表示，单位是焦耳（J）

热力学能1kg物质的热力学能称比热力学能用符号u表示，单位是焦耳/千克（J/kg）比热力学能热力学能(1)热力学能和总能热力状态的单值函数。两个独立状态参数的函数。状态参数，与路径无关。第9页，共38页，2023年，2月20日，星期五工质的总储存能内部储存能外部储存能热力学能总能动能位能第10页，共38页，2023年，2月20日，星期五工质的总储存能

E－总能，Ek－动能

Ep

－位能E=U+Ek+Ep内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观运动动能及位能的总和若工质质量m，速度cf，重力场中高度z宏观动能:

重力位能:工质的总能:比总能:力学参数cf和z只取决于工质在参考系中的速度和高度第11页，共38页，2023年，2月20日，星期五能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式作功借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。传热借传热来传递能量无需物体的宏观移动。(2)能量的传递和转化第12页，共38页，2023年，2月20日，星期五焓用符号H表示，单位是焦耳（J）

H=U+pV比焓用符号h表示，单位是焦耳/千克（J/kg）焓是一个状态参数。焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数。如：h=f(T,v)或

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

(3)焓第13页，共38页，2023年，2月20日，星期五进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加闭口系统的能量平衡(4)

热力学第一定律的基本能量方程式工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储存能的增加即为热力学能的增加ΔU

热力学第一定律的解析式第14页，共38页，2023年，2月20日，星期五加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存于工质内部，余下部分以作功的方式传递至外界。对微元过程，第一定律解析式的微分形式对于1kg工质第15页，共38页，2023年，2月20日，星期五热量Q热力学能变量ΔU功W代数值系统吸热Q+

系统对外作功W+

系统热力学能增大ΔU+可逆过程完成一循环后，工质恢复原来状态闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的热量等于与外界交换的净功量第16页，共38页，2023年，2月20日，星期五工质流经压缩机时，机器对工质做功wc,使工质升压，工质对外放热q

每kg工质需作功膨胀过程均采用绝热过程压缩机能量平衡

膨胀机能量平衡(5)能量方程式的应用稳定流动能量平衡方程第17页，共38页，2023年，2月20日，星期五三、热力过程、准平衡过程与可逆过程热力系由一状态向另一状态变化时所经历全部状态的总和1.定义

在热力过程中，不平衡势差无限小，热力学所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态的热力过程。2.实现条件推动过程进行的势差无限小。3.特点准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示；准平衡过程是一种理想过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程在工程实际设备中进行的过程常可作为准平衡过程。热力过程准平衡过程第18页，共38页，2023年，2月20日，星期五喷管能量转换换热器能量平衡工质流经换热器时和外界有热量交换而无功的交换，动能差和位能差也可忽略不计1kg的工质吸热量1kg工质动能的增加工质流经喷管和扩压管时不对设备作功，热量交换可忽略不计第19页，共38页，2023年，2月20日，星期五工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流。设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的焓相等该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节流过程段。

节流第20页，共38页，2023年，2月20日，星期五（制冷量）高温热源低温热源制冷机QaQ0W向高温热源的排热量制冷机的消耗功由低温热源的吸热量=+制冷机的性能系数COP=Q0/W(CoefficienceOfPerformance)第21页，共38页，2023年，2月20日，星期五热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律(1)制冷循环的热力学分析热力学循环正向循环热能转化为机械功逆向循环消耗功循环除了一二个不可避免的不可逆过程外，其余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。理想循环3.热力学第二定律第22页，共38页，2023年，2月20日，星期五高温物体低温物体热量可以自动传递热量不能自动传递必须消耗能量机械能电能……热能热力学第二定律第23页，共38页，2023年，2月20日，星期五熵热力学状态参数，是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。

定义式

qrev是可逆过程的换热量，T为热源温度可逆过程1-2的熵增

克劳修斯积分=0可逆循环＜0不可逆循环＞0不可能实行的循环第24页，共38页，2023年，2月20日，星期五p、T状态下的比熵定义为:(2)热源温度不变时的逆向可逆循环

——逆卡诺循环

当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。

第25页，共38页，2023年，2月20日，星期五卡诺制冷机是热力理想的等温制冷机第26页，共38页，2023年，2月20日，星期五过程1－2压缩工质，同时放热至热源，维持制冷剂温度恒定过程2－3工质从热源温度Th可逆绝热膨胀到冷源温度Tc

过程3－4热量从冷源转移到工质中同时工质做功以使制冷剂维持一定的温度过程4－1制冷剂从冷源温度可逆绝热压缩到热源温度第27页，共38页，2023年，2月20日，星期五制冷工质向高温热源放热量制冷工质从低温热源吸热量

系统所消耗的功

卡诺制冷系数

卡诺热泵循环效率

热力完善度

第28页，共38页，2023年，2月20日，星期五温

度

T熵S洛伦兹循环的T-s图

(3)热源温度可变时的逆向可逆循环—洛伦兹循环洛伦兹循环工作在二个变温热源间。与卡诺循环不同之处主要是蒸发吸热和冷却放热均为变温过程第29页，共38页，2023年，2月20日，星期五(假设制冷过程和冷却过程传热温差均为ΔT)制冷量

排热量

耗功

洛伦兹循环制冷系数

第30页，共38页，2023年，2月20日，星期五以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是卡诺循环制冷机，第二类循环则是理想的热源驱动逆向可逆循环——三热源循环。两类制冷循环能量转换关系图

(a)以电能或机械能驱动

(b)以热能驱动

(4)热源驱动的逆向可逆循环——三热源循环第31页，共38页，2023年，2月20日，星期五对可逆制冷机热力系数4.制冷的获得方法焦耳汤姆逊效应(1)节流过程的热力学特征通过膨胀阀时焓不变，因阀中存在摩擦阻力损耗，所以它是个不可逆过程，节流后熵必定增加第32页，共38页，2023年，2月20日，星期五节流阀、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等多种形式。焦耳－汤姆逊效应理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化。焦耳－汤姆逊系数

制冷系统中的节流元件结构简单，价格低廉，在小型制冷空调装置中应用广泛第33页，共38页，2023年，2月20日，星期五(2)热力理想等压源系统在工质未冷凝的气体制冷机系统中，吸热过程是变温的，而不象在卡诺制冷机中那样在等温下吸热。这样，实际系统与卡诺系统比较是不公平的，因为实际系