第一章-制冷的热力学基础.ppt

第一章制冷的热力学基础,制冷原理与装置,第一节相变制冷,第二节气体膨胀制冷,第三节其它制冷方式,第四节制冷热力学特性分析,主要内容,相变制冷：,利用液体在低温下蒸发吸热或固体在低温下融化或升华吸热来制冷,如蒸气压缩式制冷和吸收式制冷,绝热膨胀制冷：,高压气体经绝热膨胀降低温度吸热来制冷,气体涡流制冷：,高压气体经涡流管膨胀后可分离为热、冷两股气流，利用冷气流吸热即可制冷,热电制冷：,直流电通过半导体热电堆，即可在一端产生冷效应，在另一端产生热效应，利用冷端吸热即可制冷,引言：主要制冷方法,第一节相变制冷,相变制冷的原理及特点,相变：,物质集聚态（气态、液态或固态）的变化,相变潜热：,物质发生相变时，由于分子重新排列和分子热运动速度改变，必然伴随着吸收或放出一定的热量，这种热量称为相变潜热,相变制冷：,利用物质由质密态到质稀态的相变（融化、蒸发、升华）时的吸热效应达到制冷目的,第一节相变制冷,固体融化制冷,制冷技术中常用纯水冰、冰盐、共晶冰、相变材料或气体水合物的融化过程来制冷，无法连续制冷,纯水冰,：在标准大气下，融化温度为,273.15K,，融化潜热为,335kJ/kg,，实现,0,度以上的制冷,冰盐：,冰和盐类的混和物，实现,0,度以下的制冷,共晶冰：,由共晶溶液冰结而成的冰，用于冷藏食品（,0,度以下融化）或空调蓄冷（,0,度以上融化）,图,2.1,水的相平衡图 图,2.2 CO2,的相平衡图,第一节相变制冷,第一节相变制冷,第一节相变制冷,固体升华制冷,目前使用得最多的固体升华制冷剂是,CO,2,，,N,2,，,Ne,，,Ar,CO,2,：在标准大气下，升华温度为,-78.5,度，升华潜热为,573.6kJ/kg,。升华后的低温,CO2,若再升温到度，则总的制冷量为,646.4kJ/kg,，其单位质量制冷能力是冰的,1.9,倍，单位容积制冷能力是冰的,2.95,倍,第一节相变制冷,液体汽化制冷,利用液体汽化过程的吸热效应来制冷，制冷剂是流体（液体或气体），可以构筑制冷循环实现连续制冷,制冷循环的四个基本过程：,、制冷剂液体在低温下蒸发，成为低压蒸气；、将低压蒸气提高压力，使之成为高压蒸气；、将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体；、将高压液体降低压力，使之重新变为低压液体返回过程，从而完成循环,典型的制冷循环：,蒸气压缩式、吸收式、吸附式、蒸气喷射式,图,2.3,蒸气压缩式制冷系统简图,第一节相变制冷,液体汽化制冷,蒸气压缩式制冷循环：,以消耗电能或机械能为能量补偿，通过压缩机对低压气体做功，使之压力升高,第一节相变制冷,液体汽化制冷,蒸气吸收式制冷循环：,通过液体吸收剂对制冷剂蒸气进行吸收，再利用驱动热源加热吸收工质对，来产生较高压力和温度的制冷剂蒸气,图,2.6,蒸气吸收式制冷系统图,第一节相变制冷,液体汽化制冷,蒸气吸附式制冷循环：,通过固体吸附剂对制冷剂蒸气进行吸收，再利用驱动热源加热吸附工质对，来产生较高压力和温度的制冷剂蒸气,图,2.7,间歇型吸附式制冷系统的原理图,第一节相变制冷,液体汽化制冷,蒸气喷射式制冷循环：,使用热能作为驱动能源，利用喷射器实现从蒸发器中抽取蒸气并压缩到高压,图,2.9,蒸气喷射式制冷系统图,第二节气体膨胀制冷,气体膨胀制冷的原理及特点,在气体低温制冷机和气体液化装置中，普遍采用气体膨胀的方法获得低温,气体膨胀制冷主要分为四种方式：,、气体经节流阀膨胀，称为绝热节流，节流前后焓值不变；、高压气体在膨胀机内等熵膨胀，温度降低，对外输出功；、气体等温膨胀，从外界吸热；、绝热放气，容器内的存留气体温度下降,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷,等焓节流过程,：,定义：,节流是高压流体在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门等阻力元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。,特点：,在工程上节流过程进行得很快，近似作为绝热过程处理，前后的比焓值不变，是不可逆过程，熵必定增大。对于,处于气液两相区的单一物质,，节流后温度总是降低的；对于,理想气体,，焓是温度的单值函数，所以绝热节流前后焓值不变，温度也不变；对于,实际气体,，焓是温度和压力的函数，绝热节流后温度降低、升高和不变种情况都可能出现,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷,实际气体的节流效应,：,微分节流效应（焦耳汤姆逊系数）：,实际气体节流时，温度随微小压降而产生的变化，用下式表示：,积分节流效应：,当压降为一有限数值时，整个节流过程产生的温度变化，用下式表示：,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷,实际气体的节流效应,：,物理解释：,由于节流前后焓值不变，所以节流前后的内能变化等于进出推动功的差值：,u,2,-u,1,=p,1,v,1,-p,2,v,2,气体的内能包括内动能和内位能两部分，而气体温度是降低升高还是不变，仅取决于气体内动能是减小、增大还是不变,当,p,1,v,1,p,2,v,2,时，,u,2,p,2,v,2,时，,u,2,u,1,，即节流后内能增大。此时，若内能的增加小于内位能的增加，则内动能是减小的，温度仍是降低；若内能的增加大于内位能的增加，则内动能必然要增大，温度要上升；若内能的增加等于内位能的增加，则内动能不变，温度也不变，即微分节流效应等于，这个温度称为转化温度,等焓节流膨胀制冷,第二节气体膨胀制冷,图,1-12,实际气体的等焓节流膨胀,零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。,若节流后气体温度保持不变，这样的温度称为转化温度,。,焦耳汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率,气体,最高转化温度,(K),气体,最高转化温度,(K),He,4,45,CO,652,H,2,205,Ar,794,Ne,250,O,2,761,N,2,621,CH,4,939,空气,603,CO,2,1500,NH,3,1994,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷,林德制冷循环,：,图,2.13,林德循环系统图 图,2.14,林德循环,T-s,图,第二节气体膨胀制冷,等焓节流膨胀制冷,节流液化循环,：气体液化循环是一开式循环，所用的气体在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被部分或全部地液化并作为液态产品输出,第二节气体膨胀制冷,气体等熵膨胀制冷,等熵膨胀的热力学特性,：理想情况下，气体在膨胀机中的膨胀过程对外有功输出，膨胀后气体内位能增大，消耗的这些能量需要内动能来补偿，因此气体温度必然降低，产生冷效应：,微分等熵效应,积分等熵效应,第二节气体膨胀制冷,气体等熵膨胀制冷,等熵膨胀的热力学特性,：,等熵膨胀总是产生冷效应，而节流膨胀则需要在气体转化曲线内部才产生冷效应,相同条件下，等熵膨胀的温降比节流膨胀大得多，,a,s,-a,h,=v/c,p,；等熵膨胀的制冷量比节流膨胀大，,q,s,-q,h,=w,e,等熵膨胀可以回收膨胀功，进一步提高循环的经济性,节流膨胀和等熵膨胀各有优势，在实际中都有应用：节流阀结构比较简单，还可在气液两相区工作；而等熵膨胀的膨胀机结构复杂，且带液的两相膨胀机的设计技术尚不成熟,第二节气体膨胀制冷,气体等熵膨胀制冷,布雷顿制冷循环,：,以气体为工质，由两个等压和等熵过程组成，工质不发生相变，又称为气体制冷循环。由于是利用气体吸收显热实现制冷，而气体比热容很小，因此单位容积制冷很小、制冷效率低。目前主要用于飞机座舱的空调和获取,-70,度以下的温度,图,2.16,无回热气体制冷机系统图,图,2.17,无回热气体制冷机,理论循环,T-s,图,第二节气体膨胀制冷,气体等温膨胀制冷,斯特林制冷循环,：,制冷原理：低温气体在等温膨胀过程中要从外界吸热，产生冷效应，是一种由两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，也称为定容回热循环,图,2.20,理想斯特林循环的工作过程,第二节气体膨胀制冷,气体等温膨胀制冷,维勒米尔（）制冷循环,：,制冷原理：,VM,制冷机是用热能驱动的斯特林制冷机。图中,-2-3-4-1,为逆向斯特林循环，它是在,T,0,下等温吸热，在,T,a,下等温放热。,1-2-3,-4,-1,为正向斯特林循环，它在,T,h,下从高温热源等温吸热，在,T,a,下等温放热。常用,VM,制冷机的中间温度,T,a,为环境温度。可见，,VM,制冷机不需要动力驱动，直接消耗高温热源的热能制冷，又称为热气体制冷机,图,2.22 VM,制冷理论循环的,p-V,图,第二节气体膨胀制冷,绝热放气制冷,定义：,又称为西蒙膨胀，它是容器中的高压气体向低压空间放气的膨胀过程。在此过程中，留在容器中的气体向放出的气体作推动功，消耗自身的一部分内能而降温，产生制冷效应，介于节流膨胀与等熵膨胀之间，是目前获得低温的重要方法之一。吉福特麦克马洪（,G-M),制冷和脉管制冷最为典型。,绝热放气制冷的热力学特性：,如果放气过程进行得很慢，活塞左侧和右侧的气体始终处于平衡状态，将按等熵过程膨胀，做外功最大，温降也最大；如果放气过程很迅速，则做功最小，温降也最小。,第二节气体膨胀制冷,绝热放气制冷,吉福特麦克马洪,(G-M),制冷循环,：由升压、等压进气、绝热放气、等压排气个热力过程组成,图,2.24,单级,G-M,制冷机系统图,第二节气体膨胀制冷,绝热放气制冷,脉管制冷机,：利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得低温,图,2.26,基本型脉管制冷机结构原理图,第三节其它制冷方式,涡流管制冷,制冷原理,：利用人工方法使压缩气体产生涡流运动，涡流室中心部分的气体失去能量，经孔板流出时具有较低的温度；边缘部分的气体吸收能量，动能增加，并通过与管壁的摩擦将部分动能变成热能，因此流出时具有较高的温度。这样同一股气流分成冷、热两部分气流，其中分离出来的冷气流便可用来制冷,图,2.27,涡流管的结构及工作 原理示意图,1,进气管；,2,喷嘴；,3,孔板；,4,冷端管子；,5,涡流室；,6,热端管子；,7,控制阀,第三节其它制冷方式,热电制冷（半导体制冷）,制冷原理,：如图，,当电偶通以直流电流时，,P,型半导体内载流子,(,空穴,),和,N,型半导体内载流子,(,电子,),在外电场作用下产生运动，载流子从冷端金属片吸收热量提高势能进入半导体，然后在热端金属片处排出热量降低势能并进入热端金属片。如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端与发热端也随之互换。,第三节其它制冷方式,磁制冷,制冷原理,：利用顺磁性物质在绝热去磁过程中吸收热量的原理获得低温。在磁化过程中，分子磁矩按照外磁场方向平行规则的排列，增加了磁介质的有序度，对外放热；在去磁过程中，分子磁矩重新按任意方向排列，磁有序度下降，从外界吸收热量。,图,2.30,磁制冷理想循环的,S-T,图 图,2.31,艾里克森循环的,S-T,图,第三节其它制冷方式,热声制冷,制冷原理,：在谐振管的热端输入声波（驻波），处于热声板叠左端的气体受声波压缩温度升高放出热量，右端的气体绝热膨胀温度降低吸收热量，这样，在声波的每个循环中，气团将热量从板叠的右端向左端传递,图,2.32,热声制冷机的基本工作原理图,第三节其它制冷方式,氦稀释制冷,制冷原理,：当,He,与,He,的混合物在,0.87k,以下温度时会发生相分离，上相为,He,的浓相，下相为,He,的浓相。如果用某些方法来提取下相,He,溶液中的氦原子，那么,3,He,原子会由上面的,3,He,浓相溶解到下相中并伴随吸热，从而降低温度。,化学制冷,制冷原理,：利用某些化学反应的吸热效应制冷，例如化肥溶解于水时是吸热反应，可使化肥溶液保持度达两天之久；如采用液氧作制冷工质，金属氧化物为吸附剂的化学吸附方式，可获取的低温。,总之，自然界中一切具有吸热或降温效应的现象都可以用作制冷。,第三节其它制冷方式,制冷方法的选择,合适的制冷温度和制冷量范围,：,在普冷范围内，一般采用蒸气压缩式和吸收式制冷。当温度小于度、制冷量在以下时，适合采用热电制冷。在深冷温度范围内，通常采用气体膨胀制冷方法及磁制冷,。,消耗能量的形式,：,在电力供应不足的场合，或燃料供应充足的场合，尤其是有废热、余热可以利用的场合，应优先考虑吸收或吸附式制冷。,运行安全性和可靠性,：,如氨不适合用在人口密集的场合,环境保护,：,使用的制冷剂应不破坏臭氧层且温室效应小,系统初投资和运行管理费用,操作维护的方便性,第四节制冷循环的热力学分析,引言,正向循环与逆向循环,：正循环是把热量转化成机械功的动力循环，在温熵图或压焓图上按顺时针方向进行，,热力发动机都是按正向循环工作,；逆向循环是一种消耗功的循环，在温熵图或压焓图上按逆时针方向进行，,制冷机和热泵都是按逆向循环工作,。,可逆循环与不可逆循环,：循环的各个过程中，只要包含不可逆过程，就是不可逆循环。制冷循环的不可逆过程可分为内部不可逆和外部不可逆。制冷剂在流动过程中因摩擦、扰动及内部不平衡而引起的损失，属内部不可逆；换热器中有温差时的传热损失，属外部不可逆。,逆向可逆循环，是热力学上最完善的制冷循环,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析,制冷循环分类,：,（,a),机械能或电能驱动的制冷循环；,(b),热能驱动的制冷循环,图,2.33,制冷系统的能量转换关系示意图,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析,机械或电能驱动的逆卡诺循环,：,热力学分析,图,2.34,逆卡诺循环在,T-s,图上的表示,制冷系数的特性：,1,、高温高，低温低，制冷系数小,2,、低温比高温对它影响程度大,3,、与循环介质无关,4,、其值可大于,1,，小于,1,，或等于,1,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析,机械或电能驱动的逆卡诺循环,：有传热温差时,制冷系数：,热力完善度的特性：,1,、其数值恒小于,1,2,、温差越大，其值越小,热力完善度：,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析,机械或电能驱动的洛伦兹循环,：热源温度发生变化时,洛伦兹循环过程及循环分析,洛伦兹循环的分析及热力学评价：,洛伦兹循环的制冷系数：,微元的制冷系数：,洛伦兹循环过程的消耗功：,洛伦兹循环与逆卡诺循环对比：见图,1-3,洛伦兹循环过程的排热量：,洛伦兹循环过程的制冷量：,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析,机械或电能驱动的制冷循环实例,：蒸气压缩式制冷循环,系统制冷量的计算方法（质量流量表达体积流量表达）：,制冷系数表达式,（系统冷量表达）,制冷剂单位容积制冷量表达及意义,压缩蒸气制冷循环的,4,大件：压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析,热能驱动的可逆制冷循环,：,热力学分析,图,2.35,热能驱动可逆,制冷循环的,T-s,图,热力系数的特性：,1,、热力系数小于逆卡诺循环系数，但是比较基准不一样。,2,、热力系数随高温热源提高，低温热源提高，环境温度降低，而提高。,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析,热能驱动的可逆制冷循环,：可逆热机和可逆机械制冷机的叠加,图,2.36,热能驱动制冷机能量转换的等价关系,第四节制冷循环的热力学分析,制冷循环的热力学分析,热力完善度,：,第四节制冷循环的热力学分析,热泵循环的热力学分析,图,2.37,热泵的能量转换关系示意图,区别,：（,1,）两者目的不同；（,2,）两者的工作温度区间不同,热泵和制冷机的关系：,联系：两者的循环都为逆循环，都可称制冷循环,第四节制冷循环的热力学分析,热泵循环的热力学分析,机械热泵：,热能驱动热泵：,第四节制冷循环的热力学分析,热泵循环的热力学分析,图,2.38,热泵空调系统工作原理图,第四节制冷循环的热力学分析,热泵循环的热力学分析,图,2.39,同时制热和制冷的循环示意图,The objective of a refrigerator is to remove heat(Q,L,)from the cold medium;,the objective of a heat pump is to supply heat(Q,H,)to a warm medium.,The refrigerator and The Heat Pump,Heat Pump Heats a House in Winter and Cools it in Summer,习题,、利用相变制冷的方法有哪几种？它们各有什么特点？,、在夏季，将室内冰箱的门打开，可以起到空调的作用吗？为什么？,、蒸气压缩式制冷循环包括哪个主要过程？发生这些过程的相应装置名称是什么？,、在节流过程中，流体的热力学参数变化如何？请解释为什么制冷剂经过节流阀膨胀后温度会降低。,、在液体汽化制冷中，制冷剂离开蒸发器后，能不能直接进行冷凝器进行冷凝？为什么？,、吸收式制冷和吸附式制冷的区别有哪些？,、利用气体膨胀制冷的方法有哪几种？它们的特点是什么？,、气体绝热节流过程中，温度一定降低吗？为什么？对于气体等熵膨胀过程情况又如何？,、涡流管制冷的原理和特点是什么？请说出它主要适用的场合。,、热电制冷的特点是什么？它主要有哪些应用？,、热声制冷的原理是什么？相比于其他制冷方法，它的主要优势是什么？,习题,、选择制冷方法时，需要考虑的因素有哪些？,、机械能驱动的制冷机的制冷系数和热能驱动制冷机的热力系数分别如何计算？怎样对这两台制冷机的经济性进行比较？,、什么叫做制冷循环的热力学完善度？它与循环的性能系数有什么区别？,、什么叫做热泵？它的工作原理是什么？它与直接进行电供热或燃料燃烧供热相比，哪个的热力学经济性最好？,习题,谢谢大家！,