1、2022-3-161第一章第一章 制冷的熱力學基礎制冷的熱力學基礎n制冷機、熱泵、聯合機制冷機、熱泵、聯合機按逆向循環工作按逆向循環工作n據熱力學第一定律：向高溫熱源的放熱量等據熱力學第一定律：向高溫熱源的放熱量等于從低溫熱源的吸熱量與所消耗的功之和。于從低溫熱源的吸熱量與所消耗的功之和。公式表示如下：公式表示如下：n制冷機：制冷機：n熱泵：熱泵：n聯合機：聯合機：00kahhQwQQwQQwQ2022-3-162n在制冷技術范圍內，常用的人工制冷方法有：在制冷技術范圍內，常用的人工制冷方法有：n相變制冷；氣體絕熱膨脹制冷；氣體渦流制冷；相變制冷；氣體絕熱膨脹制冷；氣體渦流制冷；熱電制冷等。熱

2、電制冷等。2022-3-163第一節第一節 相變制冷相變制冷一、物質的相變特性一、物質的相變特性（一）液體汽化（一）液體汽化 汽化汽化吸收汽化潛熱吸收汽化潛熱 實際制冷循環中，高壓液體節流壓力降低，實際制冷循環中，高壓液體節流壓力降低，產生閃發氣體，干度為產生閃發氣體，干度為x x。此時。此時1Kg1Kg制冷劑汽制冷劑汽化所吸收的熱量為：化所吸收的熱量為： ()/rhhT sskj kg0(1)/qrxkJ kg2022-3-164( (二二) )固體的融化與升華固體的融化與升華n融化：固體變為液體的過程。一般用冰融化吸收潛融化：固體變為液體的過程。一般用冰融化吸收潛熱制冷。熱制冷。n升華：固

3、體直接變為氣體的過程。一般用干冰升華升華：固體直接變為氣體的過程。一般用干冰升華吸收潛熱制冷。吸收潛熱制冷。n在水的三相點溫度下，冰可以直接升華為水蒸氣。在水的三相點溫度下，冰可以直接升華為水蒸氣。冰升華時的溫度與相應的壓力有關。見表冰升華時的溫度與相應的壓力有關。見表1-1。圖圖片片表表11.tif2022-3-1652022-3-166n冰鹽混合物的融化過程可以達到冰鹽混合物的融化過程可以達到0以下的溫以下的溫度。度。n冰鹽冷卻所能達到的溫度與鹽的種類及溶液的冰鹽冷卻所能達到的溫度與鹽的種類及溶液的濃度有關。見表濃度有關。見表1-2。圖片圖片表表12.tifn溶液冰：由共晶溶液凍結成的冰，

4、也稱共晶冰。溶液冰：由共晶溶液凍結成的冰，也稱共晶冰。2022-3-167n在共晶固體未完全融化成液體之前，它的溫度在共晶固體未完全融化成液體之前，它的溫度是不變的，稱為共晶溫度。是不變的，稱為共晶溫度。n表表1-3為一些用于制冷目的的共晶溶液的物理為一些用于制冷目的的共晶溶液的物理性質。性質。圖片圖片表表13.tif2022-3-168二二.壓壓焓圖焓圖 在制冷行業中用處最大，用得最多的是壓在制冷行業中用處最大，用得最多的是壓焓圖。焓圖。 通常使用的壓通常使用的壓焓圖均用壓力取對數作縱坐標。焓圖均用壓力取對數作縱坐標。 圖上共有六個狀態參數，相應有六簇等狀態參數圖上共有六個狀態參數，相應有六

5、簇等狀態參數曲線。曲線。分別為：分別為： 壓力壓力 pbar； 比焓比焓 hkj/kg； 溫度溫度 t； 比熵比熵 skj/kg.K； 比體積比體積 vm3/kg；干度；干度 x 無因次無因次 2022-3-169第二節第二節 絕熱膨脹制冷絕熱膨脹制冷 氣體制冷機是利用高壓氣體的絕熱膨脹以達到低溫，氣體制冷機是利用高壓氣體的絕熱膨脹以達到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復熱過程來制冷。并利用膨脹后的氣體在低壓下的復熱過程來制冷。 氣體膨脹制冷有三種方式：氣體膨脹制冷有三種方式： 1.高壓氣體經膨脹機膨脹，有外功輸出，溫度降大。高壓氣體經膨脹機膨脹，有外功輸出，溫度降大。膨脹機結構復雜，一般氣

6、體制冷機均采用。膨脹機結構復雜，一般氣體制冷機均采用。 2.氣體經節流閥膨脹，無外功輸出，溫度降小，設備氣體經節流閥膨脹，無外功輸出，溫度降小，設備結構簡單，便于進行氣體流量的調整。結構簡單，便于進行氣體流量的調整。 3.絕熱放氣制冷絕熱放氣制冷在低溫制冷機中大量使用，普冷中在低溫制冷機中大量使用，普冷中極少采用。極少采用。2022-3-1610一一.有外功輸出的膨脹過程有外功輸出的膨脹過程等等熵膨脹熵膨脹n溫度隨微小壓力變化而變化的關系即微分溫度隨微小壓力變化而變化的關系即微分等熵效應：等熵效應：ssppTTvPCT2022-3-1611n對于理想氣體：對于理想氣體：,12121111ps

7、idkkvRTPTkPkpTTTTp2022-3-1612n實際膨脹過程中，按多變過程膨脹。實際膨脹過程中，按多變過程膨脹。n理想氣體的積分等熵效應由下式確定：理想氣體的積分等熵效應由下式確定：nm多變過程的多變指數。多變過程的多變指數。1212111mmpTTTTp2022-3-1613二二.節流膨脹過程節流膨脹過程n如節流過程中氣體與環境之間無熱量交換，則節流如節流過程中氣體與環境之間無熱量交換，則節流前后焓值保持不變。前后焓值保持不變。n節流會產生冷效應、熱效應及零效應三種情況，利節流會產生冷效應、熱效應及零效應三種情況，利用節流的冷效應可以制冷。用節流的冷效應可以制冷。n節流降溫但不制

8、冷，節流有摩擦損失。節流降溫但不制冷，節流有摩擦損失。n理想氣體：理想氣體：u和和pv僅是溫度的函數，所以僅是溫度的函數，所以h也是溫也是溫度的函數。度的函數。n理想氣體節流時，理想氣體節流時，u=0； h=0； 所以所以 T=0；n對于實際氣體對于實際氣體u、h不僅與不僅與T有關，還與有關，還與p有關。有關。2022-3-1614n節流后節流后p降低，降低，T可能升高、降低或不變。微可能升高、降低或不變。微分節流效應（或焦耳分節流效應（或焦耳湯姆遜效應）為：湯姆遜效應）為：hhTp2121pphTTTTdpp2022-3-1615n純物質在飽和區域內，在相同的壓降下具有相純物質在飽和區域內，

9、在相同的壓降下具有相同的溫差同的溫差T。 因此：因此：shshdTdpTTTvvppr2022-3-1616第三節第三節 制冷熱力學特性分析制冷熱力學特性分析循環可分循環可分正向循環正向循環熱機，按順時熱機，按順時針方向進行針方向進行逆向循環逆向循環制冷機或熱泵，制冷機或熱泵，按逆時針方向進行。按逆時針方向進行。循環又可分為循環又可分為可逆循環可逆循環不可逆循環不可逆循環2022-3-1617n 內部不可逆內部不可逆摩擦、擾動等摩擦、擾動等n不可逆過程包括不可逆過程包括n 外部不可逆外部不可逆溫差傳熱等溫差傳熱等一一.熱源溫度不變時的逆向可逆循環熱源溫度不變時的逆向可逆循環逆卡逆卡諾循環諾循環

10、n逆向卡諾循環：當高溫熱源和低溫熱源的溫逆向卡諾循環：當高溫熱源和低溫熱源的溫度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個可逆的絕熱過程組成的逆向循環，稱為逆向可逆的絕熱過程組成的逆向循環，稱為逆向卡諾循環。卡諾循環。n在相同的溫度范圍內，逆向卡諾循環是效率在相同的溫度范圍內，逆向卡諾循環是效率最高的制冷循環，無任何不可逆損失。最高的制冷循環，無任何不可逆損失。n逆卡諾循環的溫熵圖如下：逆卡諾循環的溫熵圖如下：n23過程放熱量：過程放熱量：n 面積面積23562n41過程吸熱量：過程吸熱量：n 面積面積145612314qT ssT ss0014qTss2022

11、-3-1620n據熱力學第一定律：據熱力學第一定律：面積面積123410000014qwqwqqTTss2022-3-1621n消耗單位功所獲得的制冷量的值，稱為消耗單位功所獲得的制冷量的值，稱為制冷系數。制冷系數。n制冷系數與低溫熱源的溫度成正比，與制冷系數與低溫熱源的溫度成正比，與高低溫熱源的溫差成反比。當高低溫熱高低溫熱源的溫差成反比。當高低溫熱源的溫度一定時，制冷系數為定值。制源的溫度一定時，制冷系數為定值。制冷系數與制冷劑的性質無關。冷系數與制冷劑的性質無關。01400000140TssqTwTTssTT2022-3-1622n高低溫熱源溫度變化對制冷系數的影響：高低溫熱源溫度變化對

12、制冷系數的影響： 結論：結論：002000020000TTTTTTTTTTTT 0200000022000000022001()01()TTuvuuvvvTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT2022-3-1624具有傳熱溫差（外部不可逆）的逆向卡具有傳熱溫差（外部不可逆）的逆向卡諾循環：循環的諾循環：循環的T-S圖如下：圖如下：2022-3-1625n如如 和和 為可逆過程，則循環為可逆過程，則循環的制冷系數為：的制冷系數為：n由卡諾定理得知，由卡諾定理得知， 總是小于總是小于3412000kTTT02022-3-1626n熱力完善度：實際循環的制冷系數與工作于相同熱力完善度：實際循環的

13、制冷系數與工作于相同溫度范圍內的逆向卡諾循環的制冷系數之比。其溫度范圍內的逆向卡諾循環的制冷系數之比。其值恒小于值恒小于1。n制冷系數與熱力完善度的異同：制冷系數與熱力完善度的異同：1.兩者同為衡量制冷循環經濟性的指標；兩者同為衡量制冷循環經濟性的指標；2.兩者定義不同。制冷系數為制冷循環總的制冷量兩者定義不同。制冷系數為制冷循環總的制冷量與所消耗的總功之比。與所消耗的總功之比。 熱力完善度為實際循環的制冷系數與工作于相同熱力完善度為實際循環的制冷系數與工作于相同溫度范圍內的逆向卡諾循環的制冷系數之比。溫度范圍內的逆向卡諾循環的制冷系數之比。2022-3-1627n3.兩者的作用不同。制冷系數

14、只能用于衡量兩兩者的作用不同。制冷系數只能用于衡量兩個工作于相同溫度范圍內的制冷循環的經濟性，個工作于相同溫度范圍內的制冷循環的經濟性，熱力完善度可用于衡量兩個工作于不同溫度范熱力完善度可用于衡量兩個工作于不同溫度范圍內的制冷循環的經濟性。圍內的制冷循環的經濟性。n4.兩者的數值不同。制冷系數一般大于兩者的數值不同。制冷系數一般大于1，熱，熱力完善度恒小于力完善度恒小于1。二.變溫熱源時的逆向可逆循環變溫熱源時的逆向可逆循環洛倫茲洛倫茲循環循環n制冷機在實際工作中，被冷卻對制冷機在實際工作中，被冷卻對象和環境介質的溫度往往是隨著象和環境介質的溫度往往是隨著熱交換過程的進行而變化的。熱交換過程的

15、進行而變化的。n圖圖1-4表示的循環即為高溫熱源表示的循環即為高溫熱源和低溫熱源溫度變化時的情況。和低溫熱源溫度變化時的情況。循環為循環為a-b-c-d-a；制冷量為面；制冷量為面積：積：a-d-d-a-a。2022-3-1629如要用一個由兩個定溫過如要用一個由兩個定溫過程和兩個絕熱過程組成的程和兩個絕熱過程組成的循環代替，則：循環代替，則：制冷劑向高溫熱源的放過制冷劑向高溫熱源的放過程為：程為：b-g，溫度，溫度Tb；制冷劑從低溫熱源的吸熱制冷劑從低溫熱源的吸熱過程為：過程為：d-1，溫度，溫度Td； 要獲取與循環要獲取與循環a-b-c-d-a相同的制冷相同的制冷量，則需進行循環量，則需進

16、行循環e-f-g-d-e。n循環循環a-b-c-d-a與循環與循環e-f-g-d-e比較：比較：n制冷量面積制冷量面積 a-d-d-a-a； n a-d-d-a-an功耗面積功耗面積 a-b-c-d-a； n e-f-g-d-en在熱源溫度變化的條件下，由兩個和熱在熱源溫度變化的條件下，由兩個和熱源之間無溫差的熱交換過程及兩個等熵源之間無溫差的熱交換過程及兩個等熵過程組成的逆向可逆循環是消耗功最小過程組成的逆向可逆循環是消耗功最小的循環，即制冷系數最高的循環。的循環，即制冷系數最高的循環。n熱源溫度變化時循環的熱力完善度可表熱源溫度變化時循環的熱力完善度可表示成：示成：n洛倫茲循環制冷系數的計

17、算：可分解成洛倫茲循環制冷系數的計算：可分解成無數個微元循環計算。無數個微元循環計算。l 2022-3-1632n見圖見圖1-5整個循環的制冷系數可表示為：整個循環的制冷系數可表示為：aoiodibakoioicdommomT dsqqqTdsT dsTTT2022-3-1633nT Tm m 及及T TOmOm是熱力學意義上的平均溫度。是熱力學意義上的平均溫度。所以所以洛倫茲循環的制冷系數等于一洛倫茲循環的制冷系數等于一個以放熱平均溫度個以放熱平均溫度T Tm m 和以吸熱和以吸熱平均平均溫度溫度T TOmOm為高低溫熱源的逆向卡諾循為高低溫熱源的逆向卡諾循環的制冷系數。環的制冷系數。202

18、2-3-1634三三.熱能驅動制冷循環熱能驅動制冷循環n吸收式制冷循環即為熱能驅動的制冷循環。實際吸收式制冷循環即為熱能驅動的制冷循環。實際上為三熱源循環。據熱力學第一定律：上為三熱源循環。據熱力學第一定律：q qk k=q=qH H+q+q0 0n對于可逆制冷機，根據熱力學第二定律，在一個對于可逆制冷機，根據熱力學第二定律，在一個循環中熵增為零。循環中熵增為零。koHaHoooHaHaoHqqqTTTqTTTqTTT00000000111(1)1kHHkHaHHaaHHHaaHaHHHqqqqqqq TTq TqTqTqTqTTqTTTTqTT n經濟性能是以熱力系數作為評價指標的。經濟性能

19、是以熱力系數作為評價指標的。n熱力系數：獲得的制冷量與消耗的熱量之比。熱力系數：獲得的制冷量與消耗的熱量之比。用用0 0表示。表示。ooHaoHaoHqTTTqTTT2022-3-1637n結論：通過輸入熱量制冷的可逆制結論：通過輸入熱量制冷的可逆制冷機，其熱力系數等于工作于冷機，其熱力系數等于工作于Ta、T0之間的逆向卡諾循環制冷機的制冷系之間的逆向卡諾循環制冷機的制冷系數與工作在數與工作在 TH、Ta之間的正卡諾循之間的正卡諾循環的熱效率的乘積，由于后者小于環的熱效率的乘積，由于后者小于1，因此：因此： 0總是小于總是小于0。2022-3-1638四四.壓縮蒸汽制冷循環壓縮蒸汽制冷循環n流

20、程圖見圖流程圖見圖1-7。n組成的基本設備：壓縮組成的基本設備：壓縮機、冷凝器、節流設備、機、冷凝器、節流設備、蒸發器。蒸發器。n進行四個熱力過程。進行四個熱力過程。n壓縮機：對工質進行壓壓縮機：對工質進行壓縮過程，消耗外功縮過程，消耗外功W，將工質壓力升高；將工質壓力升高；n冷凝器：為換熱器，將來自壓縮機的高溫、冷凝器：為換熱器，將來自壓縮機的高溫、高壓氣體冷卻并冷凝成液體。工質對外放出高壓氣體冷卻并冷凝成液體。工質對外放出熱量熱量qk；n節流設備：將工質壓力由冷凝壓力降低為蒸節流設備：將工質壓力由冷凝壓力降低為蒸發壓力，同時溫度降低；發壓力，同時溫度降低；n蒸發器：也為換熱器，經過節流的制

21、冷劑在蒸發器：也為換熱器，經過節流的制冷劑在其中汽化，吸收汽化潛熱完成制冷。吸熱量其中汽化，吸收汽化潛熱完成制冷。吸熱量為為q0；2022-3-1640循環的制冷系數：循環的制冷系數：q0單位質量制冷量。單位質量制冷量。定義：單位質量制冷劑在一次循環中從低定義：單位質量制冷劑在一次循環中從低溫熱源所吸收的熱量。溫熱源所吸收的熱量。 單位壓縮功（比功）。單位壓縮功（比功）。定義：壓縮機壓縮單位質量的制冷劑所消定義：壓縮機壓縮單位質量的制冷劑所消耗的功。耗的功。w000QqWw2022-3-1641n - -流經壓縮機的制冷劑質量流量流經壓縮機的制冷劑質量流量,Kg/s,Kg/s；n - -壓縮機吸入口處的制冷劑體積流壓縮機吸入口處的制冷劑體積流量量,m,m3 3/s/s。nq qv v=q=q0 0/v/v1 1 kj/mkj/m3 3nq qv v- -單位容積制冷量；單位容積制冷