1、制冷与低温原理配套教材第一章第一章 制冷与低温的热力学基础制冷与低温的热力学基础 目 录气体绝热膨胀制冷2 2其他制冷方法4 4相变制冷 3 3 1 1制冷循环热力学特性分析 3 3 3 3制冷与低温原理配套教材 一、液体汽化一、液体汽化 物质从液态变为汽态的过程称为汽化。任何液体汽化时都要吸收热量。在定压下单位质量液体汽化时所吸收的热量称为汽化热。r=h-h=T(s-s)(1-2)式中h 和h 分别为饱和蒸气和饱和液体的比焓，s 和s 分别为饱和蒸气和饱和液体的比熵。对于任何一种液体，汽化热是随其汽化时的压力变化而变化的；而在相同压力下，不同的液体其汽化热也是不同的。制冷与低温原理配套教材1
2、.1 相变制冷 制冷与低温原理配套教材1.1 相变制冷从图中可以看出：制冷剂的分子量(R22分子量为86.5，R744为44，R717为17)越小，其汽化热的数值越大；对任何一种物质，随着汽化温度的提高其汽化热不断减小，当到达临界状态时汽化热为零。在制冷机的工作过程中，在低温下蒸发的制冷剂液体都是令高压液体经节流降压而得到的。较高压力的饱和液体节流降压后即进入两相区，并闪发出一定的饱和蒸气。对于1kg制冷剂，若用x表示闪发后的干度，则当其余液体全部转变为饱和蒸气时吸收的热量为x)-r(1q0式中 r 为制冷剂的汽化热，q0一般称为单位质量制冷量，简称单位制冷量。分析式（1-3）可知，单位制冷量
3、不仅与制冷剂的汽化热有关，还随节流后的干度而变。制冷剂液体在节流膨胀前后压力变化范围越大，则节流过程中闪发的气体量越多，单位制冷量就越小。(1-3)二、固体的融化与升华二、固体的融化与升华 在制冷技术中常应用纯水冰或溶液冰的融化及干冰（即固体二氧化碳）的升华过程来制冷。除干冰可以由高压液体二氧化碳用降压法得到外，纯水冰和溶液冰都需用制冷机制备。无论纯水冰、干冰或溶液冰，因不具备流动性，所以都不能利用它们的融化或升华过程来组成制冷机的循环。天然冰的来源是有限的，现代制冷技术中大量应用的纯水冰都来源于人工制冰厂。利用纯水冰融化只能使被冷却的物体保持0以上的温度。溶液冰是指由共晶溶液冻结成的冰，也称
4、共晶冰。在共晶固体未完全融化成液体之前，它的温度是不变的，称为共晶温度。共晶温度低于0的共晶冰，通常应用于无机械制冷的冷藏汽车中。共晶温度高于0的共晶冰，通常作为储能空调系统的储能介质。干冰是固体二氧化碳的习惯叫法。干冰升华时需要吸收升华热，故可用来制冷。干冰可用来冷却和保存食物，并可直接与食物接触。制冷与低温原理配套教材1.1 相变制冷 三、压焓图三、压焓图 制冷与低温原理配套教材1.1 相变制冷压-焓图的纵坐标表示压力，横坐标表示比焓值。通常纵坐标都以对数坐标表示，因此也叫lgp-h图。图中，拱状曲线代表制冷剂所有的饱和液体和饱和蒸气的状态，曲线上的最高点为临界点临界点，它是饱和蒸气和饱和
5、液体的分界点，在它左面的曲线为饱和液体线饱和液体线，在它右面的曲线为饱和蒸气线饱和蒸气线。拱状线内的区域为两相区两相区，饱和液体线左边的区域为过过冷液体区冷液体区，饱和蒸气线右边为过热蒸气区过热蒸气区，临界点以上为超临界区超临界区。制冷与低温原理配套教材1.1 相变制冷纯物质的等温线等温线在两相区为水平线，在过冷液体区为略向左上方延伸的上凹曲线，非常接近于垂直线。这是因为压力对过冷液体比焓值的影响很小的缘故。有些图在该区域没有标出等温线，这时就用垂直线代替，不会导致很大的误差。在过热蒸气区，等温线是向右下方延伸的下凹曲线。温度较高的等温线在压力较低时也接近于垂直线，这是因为此时的制冷剂气体已接
6、近于理想气体，因而比焓值与压力无关。在过热蒸气区，等比体积等比体积线线和等比熵线等比熵线都是向右上方延伸的下凹曲线，但等比熵线的斜率比等比体积线大。在压-焓图上，等压线等压线和等比等比焓线焓线是最简单的，分别为水平线和垂直线。各种等值特性线已经在图1-2中给出。1.2 气体绝热膨胀制冷气体绝热膨胀制冷 气体制冷机是利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷。气体绝热膨胀的特性随所使用的设备而变，一般有三种方式：一是令高压气体经膨胀机（常用活塞式或透平式）膨胀，此时有外功输出，因而气体的温降大，复热时制冷量也大；但要用膨胀机，系统结构比较复杂。在一般大制冷量的气
7、体制冷机中均采用这一膨胀方式。二是绝热放气制冷，这种膨胀方式无外功输出，它在小型低温制冷机中大量使用；三是令气体经节流阀膨胀（通常称为节流），此时也无外功输出，气体的温降小，制冷量也小，但系统结构比较简单，也便于进行气体流量的调节。制冷与低温原理配套教材 一、有外功输出的膨胀过程一、有外功输出的膨胀过程制冷与低温原理配套教材1.2 气体绝热膨胀制冷 当气体实现有外功输出的绝热膨胀时，最理想的情况是可逆绝热膨胀，即等熵膨胀。等熵膨胀中温度随微小压力变化而变化的关系可用下式表示 （1-4）s称为微分等熵效应。对于理想气体，,故 （1-5）膨胀过程的全部温降称为积分等熵效应对于理想气体经过演算以后可
8、得 （1-6）（1-7）在实际膨胀过程中，由于过程的不可逆，因此总是按多变过程膨胀。这时，理想气体的积分等熵效应由下式确定 （1-8）式中，m为多变指数。二、绝热放气过程二、绝热放气过程 制冷与低温原理配套教材1.2 气体绝热膨胀制冷 设一刚性容器容积为V，放气前气体处于高压状态（p1，T1，m1），打开阀门后，容器内的高压气体向外面的低压空间排放。假定放气时容器和阀门是绝热的，放气过程没有输出外功，容器内气体随时处于均匀状态，放气终了气体处于低压状态（p2，T2，m2）。对容器内的气体运用热力学第一定律可得 （1-9）其中，U为容器内气体总内能。因此 （1-10）式（1-9）表明，系统内能的
9、减少等于排出气体带走的能量。联立求解上述方程与状态方程，就可以得到放气终了的温度以及放气量。制冷与低温原理配套教材1.2 气体绝热膨胀制冷mdTcTdmcTdmcvvpTdTkmdm11vpcck mRTpv 0TdTmdmvdVpdp0dV假定容器内的气体可当作理想气体时解的情况。对于理想气体，式（1-9）可写为 （1-11）整理后，得 （1-12）式中。将理想气体状态方程写成微分形式 （1-13）代入式（1-12），并注意到，可以得到压力与温度的变化关系（1-14）积分后得kk)pp(TT11212 （1-15）不难看出，绝热放气过程容器中气体的状态变化规律恰好与有外功输出的可逆绝热（等熵
10、）过程相同式（1-7），我们还可以证明，留在系统内工质的比熵与放气前系统内工质的比熵相同。从式（1-15）可以看出，刚性容器的绝热放气必定是一个降温过程。这种降温过程在低温中又称西蒙（Simon）膨胀。三、节流膨胀过程三、节流膨胀过程 制冷与低温原理配套教材1.2 气体绝热膨胀制冷hhpTa212112pppphhdpadppTTTTpphcvTvTapTvT 在节流膨胀过程中没有外功的输出。如果在节流过程中气体与环境之间没有热量交换，则节流前后的比焓值保持不变。因此，节流过程是一降温而不制冷的过程；而且节流时有磨擦损失，是一个不可逆过程，其结果将导致熵的增加。理想气体的内能u和pv值仅是温度
11、的函数。因此，理想气体节流时，u=0，h=0，T=0，这说明理想气体的节流过程前后比焓和温度均不变。实际气体的内能不仅与温度有关，而且还与压力有关，节流后的温度T2可大于、等于或小于节流前的温度T1。实际气体节流膨胀时,温度随微小压力变化而变化的关系可用下式表示 （1-16）h称为微分节流效应，或称焦耳-汤姆逊效应，简称焦-汤效应。由h可求出积分节流效应为 （1-17）微分节流效应也可表示成下式 （1-18）由式（1-18）可知，微分节流效应的符号取决于 与v的差值，此一差值与气体的种类及所处的状态有关。如果这一差值大于零，则节流后温度降低；如果为负，则温度升高，为零则表示温度不变。制冷与低温
12、原理配套教材1.2 气体绝热膨胀制冷在制热区内等焓线在任一点的斜率为负值，在制冷区为正值。因此，在制冷区开始节流，积分节流效应始终为负值，即随着节流过程的进行，温度总是下降。在制热区，如果节流开始时的温度高于Tmax或低于Tmin，则积分节流效应始终是正值，即节流后温度升高。如果节流开始时的温度介于Tmin和Tmax之间，则节流积分效应有可能是正、是负或零，这取决于节流开始的状态和节流后的压力。一般气体的Tmax都高于环境温度，因此在环境温度下节流都有可能使之温度降低。但氦气、氢气和氖气，它们的Tmax远低于环境温度，因此，在环境温度下节流是不能让它们降温的。若要使它们温度降低必须采用预冷到T
13、max之后再节流的办法或用膨胀机膨胀的办法或绝热放气的办法。微分节流效应为零时压力与温度的对应关系称为转化曲线。转化曲线把p-T平面分为两个区：制热区和制冷区。在制热区内，微分节流效应为负值，在制冷区内为正值。而积分节流效应的情况则有所不同。图中的点1、2、3在一条等焓线上。制冷与低温原理配套教材1.2 气体绝热膨胀制冷如果将气体先从状态1等温压缩到状态2，然后再节流到与状态1相等的压力，其状态点为3，最后再从3经等压吸热回复到原来的状态1。这一过程所吸收的热量在数值上与压缩前后的比焓差相等，用 表示，习惯上称为等温节流效应。等温节流效应在气体液化循环计算中经常用到。dpdTaahsvvrTp
14、TpThs 纯物质在饱和区域内，在相同的压降下具有相同的温差T，因此 （1-19）它可以按照克拉贝隆-克劳修斯方程式计算求得 (1-20)1.3 制冷循环热力学特性分析制冷循环热力学特性分析 在热力学里，循环可分为正向循环和逆向循环两种。动力循环，即把热量转化成机械功的循环，是正循环。所有的热力发动机都是按正向循环工作的。在温-熵图或压-焓图上，循环的各个过程都是依次按顺时针方向变化的。逆向循环是一种消耗功的循环。所有的制冷机制冷机或热泵热泵都是按逆向循环工作的。在温-熵图或压-焓图上，循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。循环又可以分为可逆循环可逆循环和不可逆循环不可逆循环两种。在构成循
15、环的各个过程中，只要包含有不可逆过程，则这个循环就是不可逆循环。在制冷循环里，各种形式的不可逆过程可分成两类：内部不可逆和外部不可逆。制冷剂在其流动或状态变化过程中因摩擦、扰动及内部不平衡而引起的损失，都属于内部不可逆；蒸发器、冷凝器及其他换热器中有温差时的传热损失，属于外部不可逆。有些循环除了一两个不可避免的不可逆过程外，其余均为可逆过程，这样的循环以及可逆循环都称为理想循环。研究逆向理想循环的目的，是要寻找热力学上最完善的制冷循环，作为评价实际循环效率高低的标准。制冷与低温原理配套教材一、热源温度不变时的逆向可逆循环一、热源温度不变时的逆向可逆循环-逆卡诺循环逆卡诺循环 制冷与低温原理配套
16、教材1.3 制冷循环热力学特性分析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，称为逆卡诺循环逆卡诺循环。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。T0图1-4为一般逆卡诺循环的T-s图。1-2为等熵压缩过程，3-4是等熵膨胀过程。2-3是等温放热过程，4-1是等温吸热过程。高温热源（例如环境介质）的温度为T，低温热源（即被冷却对象）的温度为 ，它们分别等于制冷剂放热时的温度Tk和吸热时的温度T0。现在对图中的循环1-2-3-4-1进行分析。制冷剂向高温热源放出的热量为 （1-21）在T-S
17、图上以面积2-3-5-6-2表示。在1-4过程中，制冷剂从被冷却对象所吸取的热量(称为制冷量)为 （1-22）循环所消耗的功w0 等于压缩过程（1-2和2-3）所消耗的功与膨胀过程（3-4和4-1）所获得的功之差 （1-23）在T-s 图上以面积1-2-3-4-1表示。制冷与低温原理配套教材1.3 制冷循环热力学特性分析 在规定工况下，整台制冷机以同一单位表示的单位时间从低温物体中移去的热量与输入的能量之比，称为制冷系数制冷系数。在这里，制冷系数可用下式表示 （1-24）将式（1-22）、（1-23）代入式（1-24），得逆卡诺循环的制冷系数为 （1-25）从上式可以看出，逆卡诺循环的制冷系数
18、与 成正比，与 成反比，当 与 越接近，的值迅速上升，即只用少量的功就可以把较多的热量从低温热源转移到高温热源。在一定的高温热源和低温热源下它是一定值。也就是说，逆卡诺循环的制冷系数只与高温热源和低温热源的温度有关，而与制冷剂的性质无关。由式（1-25）可得 (1-26)故 (1-27)由此可知，T升高和 降低都将导致逆卡诺循环制冷系数的降低，而降低影响的程度更为显著，这意味着要实现温度较低的制冷具有更高的难度。制冷与低温原理配套教材1.3 制冷循环热力学特性分析现在再来分析一下具有传热温差（外部不可逆）的循环。如图所示，图中高温热源温度为T，制冷剂向高温热源放热时的温度为Tk；低温热源的温度
19、为 ，制冷剂向低温热源吸热时的温度为T0。很显然，如果1-2和3-4是可逆过程的话，则1-2-3-4的制冷系数为 （1-28）它将小于按（1-25）计算的0 事实上，任何一个不可逆循环的制冷系数，总是小于相同热源温度时的逆卡诺循环的制冷系数。而一切实际的制冷循环都是不可逆循环，因此，一切实际循环的制冷系数总是小于相同热源时的逆卡诺循环的制冷系数 。热力完善度的定义为 式中，为实际制冷循环的制冷系数，0为相同热源温度时的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度是表示实际循环的完善性接近逆卡诺循环的程度。热力完善度的数值恒小于1。二、变温热源时的逆向可逆循环二、变温热源时的逆向可逆循环-洛仑兹循环洛仑兹循
20、环 制冷与低温原理配套教材1.3 制冷循环热力学特性分析 制冷机在实际工作中，被冷却对象的温度和环境介质的温度往往是随着热交换过程的进行而变化的。可逆的逆向循环b-c-d-a-b是消耗功最小的循环，称为洛伦兹循环洛伦兹循环，它在制取相同的冷量时比由两个等熵和两个等温过程组成的制冷循环f-g-d-e-f少消耗的功在图中用阴影面积表示。因此：在热源温度变化的条件下，由两个和热源之间无温差的热交换过程及两个等熵过程所组成的逆向可逆循环，是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。在热源温度变化时，制冷循环的热力完善度可以表示成：是实际循环的制冷系数，L是制冷剂与热源之间不存在温差的并有两个等熵过程所组
21、成的逆向可逆循环即洛伦兹循环的制冷系数。洛伦兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度Tm和吸热平均温度T0m为高低温热源温度的等效逆卡诺循环的制冷系数。三、三、热能驱动制冷循环热能驱动制冷循环 制冷与低温原理配套教材1.3 制冷循环热力学特性分析 以热能直接驱动的制冷循环，例如吸收制冷循环和吸附制冷循环，实际上为三热源循环，如下图。热量q0取自低温的温度为T0的被冷却物体，qH来自高温蒸气、燃烧气体或其他热源，qk是系统在Ta温度下（通常是环境温度）放出的热量。按热力学第一定律：(1-33)对于可逆制冷机，按热力学第二定律，在一个循环中熵增为零，即 （1-34）从上述两个公式可以得到 （1-35
22、）通过输入热量制冷的制冷机，其经济性是以热力系数作为评价指标的。热力系数是指获得的制冷量与消耗的热量之比，用表示。对于可逆制冷机，热力系数用0表示.(1-36)根据式（1-35），得 （1-37）输入热量制冷的制冷机，其热力系数随加热热源温度TH和被冷却物体的温度T0的升高而增加。四、四、蒸气压缩制冷循环蒸气压缩制冷循环 制冷与低温原理配套教材1.3 制冷循环热力学特性分析 一台单级蒸气压缩制冷机的流程由下列四个基本设备组成：压缩机压缩机 它的作用是将蒸发器中的制冷剂蒸气吸入，并将其压缩到冷凝压力，然后排至冷凝器。冷凝器冷凝器 它是一个换热器，它的作用是将来自压缩机的高压制冷剂蒸气冷却并冷凝成
23、液体。在这一过程中，制冷剂蒸气放出热量，故需用其他物体或介质）例如，水、空气）来冷却。节流机构节流机构 制冷剂液体流过节流机构时，压力由冷凝压力降低到蒸发压力，一部分液体转化为蒸气。常用节流机构有膨胀阀、毛细管等。蒸发器蒸发器 它也是一个换热器，它的作用是使经节流阀供入的制冷剂液体蒸发成蒸气，以吸收被冷却物体的热量。蒸发器是一个对外输出冷量的设备，输出的冷量可以冷却液体载冷剂，也可直接冷却空气或其他物体。从压缩机出来的高压高温制冷剂气体进入冷凝器被冷却并进一步冷凝成液体后，进入节流装置膨胀阀减压，部分液体闪发成蒸气，这些汽液两相的混合物进入蒸发器，在里面吸热蒸发成蒸气后回到压缩机重新被压缩，从
24、而完成一个循环。制冷与低温原理配套教材五、气体液化循环五、气体液化循环六、斯特林制冷循环六、斯特林制冷循环七、七、G-M制冷循环制冷循环八、脉管制冷八、脉管制冷1.3 制冷循环热力学特性分析九、九、热泵循环热泵循环 制冷与低温原理配套教材1.3 制冷循环热力学特性分析 热泵与制冷机在原理上是完全相同的，热泵就是以冷凝器或其他部件放出的热量来供热的制冷系统。如果要说这两者有什么区别的话，主要有两点：1.两者的目的不同 一台热泵（或制冷机）与周围环境在能量上的相互作用是从低温热源吸热，然后放热至高温热源，与此同时，按照热力学第二定律，必须消耗机械功。如果目的是为了获得高温（制热），也就是着眼于放热至高温热源，那就是热泵。如果目的是为了获得低温（制冷），也就是着眼于从低温热源吸热，那就是制冷机。2.两者的工作温区往往有所不同 上述所谓的高温热源和低温热源，只是它们彼此相对而言的。由于两者目的不同，通常，热泵是将环境作为低温热源，而制冷机则是将环境作为高温热源。那么，对同一环境温度来说，热泵的工作温区就明显高于制冷机。1.4 其他制冷方法其他制冷方法 制冷与低温原理配套教材一、气体涡流制冷一、气体涡流制冷二、半导体制冷二、半导体制冷三、热声制冷三、热声制冷四、绝热去磁制冷四、绝热去磁制冷五、氦稀释制冷五、氦稀释制冷
