1、第1章热力学基础 第第1章热力学基础章热力学基础 1.1热力学基本定律热力学基本定律 1.2水蒸气及其形成过程水蒸气及其形成过程 1.3压缩式制冷循环压缩式制冷循环 1.4制冷剂和载冷剂制冷剂和载冷剂 1.5溶液热力学基础溶液热力学基础 第1章热力学基础 1.1热力学基本定律热力学基本定律 1.1.1热力学第一定律、热力学能及比焓热力学第一定律、热力学能及比焓1.热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体体现,它建立起了物质能量平衡和相互转换之间的数量关系。根据能量守恒与转换定律,任何一个系统都可表示为 WEEWEQ12(11)第1章热力学基础 即加给系统的热量Q
2、,等于系统总能量的增量E及对外所做功之和。式(11)是热力学第一定律的一般表达式,它适用于任何系统、任何过程和任何工质。式中的Q、W、E均为代数值。按规定:系统吸热,Q为正,反之为负;系统对外做功,W为正,反之为负;系统总能量增加,E为正,反之为负。通常热能转换为机械能是通过工质的膨胀来实现的,如图11所示。当汽缸中有单位质量气体被缓慢加热时,气体逐渐膨胀,压力下降,比体积增加,过程由初态1变化到终态2。设该过程是可逆过程,在pv图上通过的途径为1a2。如果活塞面积为A,则任一瞬间气体在压力p的作用下,推动活塞移动距离ds所做的膨胀功为 dW=F ds=pA ds第1章热力学基础 图11膨胀功
3、与pv图 第1章热力学基础 因为A ds=dv,所以dW=p dv。在过程1a2中,系统所做的膨胀功为 212112ddvpWW对于质量为m的工质所做的功,则为 2121dWmpv如果知道工质在状态变化过程中,压力p和比体积v的变化关系,即过程方程式p=f(v)为已知,就可用积分方法求得比功。第1章热力学基础 由图11可知,工质在可逆过程中所做的功,可以用pv图上过程曲线1a2线下的面积来表示,即 2121a2nm11 dWpv S显然,若过程线不同,例如过程按1b2进行,即从同一初态膨胀到同一终态时,过程所完成的功量并不相等,此过程所做的膨胀功为面积S1b2nm1。由此可见,膨胀功的数值不仅
4、取决于工质的初态和终态,而且还和过程的途径有关,即与过程的性质有关。由于在pv图上可用面积的大小表示功量,因此该图又称为示功图,用该图讨论和分析热机的工作很方便。第1章热力学基础 图12轴功(a)闭口系统;(b)开口系统 第1章热力学基础 系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功,它是热力学中经常遇到的一种功量。如果外界功源向刚性绝热闭口系统输入轴功We,如图12(a)所示,则该轴功通过耗散效应转换成热量,被系统吸收,增加系统热力学能。显然,刚性容器中的工质不能膨胀,热量不可能自动地转换为机械功。因此,刚性闭口系统不能向外界输出膨胀功。图12(b)所示为开口系统与外界传递的轴功We。该轴功可以
5、是系统向外界输出(称正功),如汽轮机、内燃机,也可以是外界向系统输入(称负功),如压缩机、风机、水泵等。第1章热力学基础 2.热力学能热力学能(内能内能)在式(11)中,E为系统储存的总能量,它包括三种能量:系统作整体运动时的宏观动能Ek;在重力场中,系统处于某一高度Z的重力位能Ep;系统内物质微观运动所具有的热力学能U。因此,系统总能量为 mgZmcUEEUEpk221(12)当热力学系统静止时,宏观动能和重力位能没有变化,故 E=U 第1章热力学基础 在工程热力学讨论的范围内,热力学能是物质微观运动的能量。它由分子热运动形成的动能和分子间相互作用力形成的内能所组成,不考虑其他内能,如化学能
6、、原子能等,即工质的热力学能取决于工质的温度和比体积,或者工质的热力学状态。它可写成 u=f(T,v)通常用U表示m质量工质的热力学能,其单位为J;用u表示单位质量工质的热力学能,称比热力学能,单位为J/kg。第1章热力学基础 热力学能的绝对值无法测定,因为物质的运动是永恒的,要想找到一个没有运动而热力学能为绝对零值的基准点是不可能的。在工程计算中,通常只涉及到热力学能的相对变化,所以可任意选取某一状态的热力学能为零,作为计算基准。第1章热力学基础 3.稳定流动能量方程及比焓稳定流动能量方程及比焓实际工作的热机多数为开口系统,即系统与外界不仅有能量传递和转换,而且有物质交换。为简化起见,假定负
7、荷在不变的状态下运行,即视为稳定流动系统。稳定流动是指流道中任何截面上的参数,如压力、温度、比体积及流速等均不随时间而改变。此时,单位时间内系统与外界传递的热量和功也不随时间而变。设有一开口系统如图13(a)所示,当单位质量工质流进上述系统时,根据能量守恒与转换定律,可建立下述能量守恒关系式:()()0inouteeqeW+-+=（1-3）第1章热力学基础 式中：ine和oute公质流经截面 1-1 和 2-2时带入和流出系统的总能量；q系统流过单位质量工质时外界对系统加入的热量；eW单位质量工质流过系统时对外界输出的轴功。由式(12)可知,单位质量工质流进热力学系统带入的总能量应为 211
8、11112ineup vcgZ=+(14)式中,p1v1为单位质量工质在流动时所做的流动功,即它在推动下游工质流动时所产生的功,如图13(b)所示。第1章热力学基础 图13开口系统及流动功(a)开口系统;(b)流动功 第1章热力学基础 同理可得单位质量工质流出系统带走的能量为 22222212outeup vcgZ=+(15)将式(14)和式(15)代入式(13),整理后得 2211 122212211()()()()02eup vup vccg ZZqw+-+-+-+-=(16)令h=u+pv,这个由状态参数组合而成的新物理量h依然是一个状态参数,称为比焓(简称焓),单位为kJ/kg。因此式
9、(16)可改写为 222121211()()()2eqhhccg ZZw=-+-+-+(17)第1章热力学基础 式(17)称为稳定流动能量方程。该方程对于稳定流动的任何过程(不论可逆与否)、任何工质都适用,它是热工计算中最常用的基本公式之一。比焓的物理意义是:工质流进(出)热力系统,带入(出)的热力学能和流动功之和。因此,焓可看做是随工质转移的能量。第1章热力学基础 比焓是工质的一个重要状态参数。焓概念的引入,给许多热工问题的分析和计算带来了方便。例如,工质在流经缩孔或狭缝时,由于克服局部阻力,工质的压力降低,这种现象称为节流。在实际制冷装置中,由于制冷剂在节流过程中的速度极快,几乎来不及和外
10、界进行换热,故可以认为节流过程是绝热稳定流动过程,即dq=0;另外,制冷剂与外界无功量交换,即dWe=0。若不考虑位能差和动能变化(实际上也是极小或不变),根据稳定流动能量方程(17)并经简化,可得 12hh=即制冷剂在绝热节流过程中,节流前的比焓和节流后的比焓相等。但又不能把节流过程看做是一个可逆的等焓过程,因为制冷剂在流经缩孔时,产生了强烈的摩擦扰动,一部分动能用来克服摩擦阻力,而后变为热能被制冷剂本身吸收,气体压力不能回复到原来压力,所以节流过程是一个典型的不可逆过程。第1章热力学基础 1.1.2热力学第二定律及比熵热力学第二定律及比熵1.热力学第二定律热力学第二定律热力学第一定律确定了
11、热能传递、热能与机械能相互转换过程中的能量守恒关系。但人们通过长期的实践发现,并不是任何不违反热力学第一定律的过程都是可以实现的。因为自然界的一切过程都具有方向性,而热力学第二定律则阐述了自发过程进行的方向性和它的不可逆性,以及研究非自发过程必须具备的补充条件。第1章热力学基础 热力学第二定律有多种表述方式,但归纳起来主要有以下两种:(1)克劳休斯表述法:热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。它阐述了热量传递方向,即热量总是自发地、没有任何限制地从高温物体传到低温物体,正如水总是自发地、没有限制地从高水位流向低水位一样。若要使低温物体的热量传向高温物体,如制冷过程,则必须消耗一定
12、的能量后才能实现。这与低水位的水流向高水位时,必须通过水泵消耗一定能量才能实现一样。消耗能量的过程就是一个补充条件。第1章热力学基础(2)开尔文-普朗克表述法:不可能制造出只从一个热源取得热量,使之完全变成机械能而不引起其他变化的循环发动机。从上述说明可以知道,热功间的相互转换必然会有能量损失,因此,研究热力循环时提高热效率是一项重要任务。第1章热力学基础 2.热力循环和热效率热力循环和热效率工质从某一初态1出发,经过一系列状态变化后,又回复到初态1的封闭热力过程,称为热力循环,简称循环,如图14所示。根据循环所产生的不同效果,可分为正循环(或称动力循环)和逆循环(或称制冷循环)。第1章热力学
13、基础 图14热力循环(a)正循环;(b)逆循环 第1章热力学基础 正循环是把热能转换为机械能的循环,如图14(a)所示。该循环按顺时针方向进行。所有热力发动机都是正循环。正循环对外所做单位质量净功w0为膨胀功与压缩功之差,在pv图上为循环曲线1a2b1所包围的面积(正值)。正循环所获得的单位质量净功为 012wqq=-(18)式中:q1单位质量工质从高温热源吸进的热量;q2单位质量工质向低温热源放出的热量。第1章热力学基础 衡量正循环的经济性,通常用循环热效率t评介。循环热效率定义为单位质量工质在整个热力循环中,对外界所做的净功w0与循环过程中外界给工质的热量q1的比值,即 012211111
14、twqqqqqq(19)大量实践证明,提高高温热源温度或降低低温热源温度,热机的热效率也会提高。若热源为恒温热源,高温热源的温度为T1,低温热源的温度为T2,则热效率也可表示为 1221111tTTTTT(110)第1章热力学基础 逆循环是消耗一定量的机械能,迫使高温热源的热量流向低温热源的循环。压缩式制冷及热泵供热都是利用逆循环工作的。该循环按逆时针方向进行,如图14(b)所示。单位质量工质从低温热源吸进的热量为q2,向高温热源放出的热量为q1,逆循环所消耗的净功w0为循环曲线1b2a1所包围的面积(负值)。根据热力学第一定律可得逆循环消耗的单位质量净功为 021wqq或120qqw(111
15、)第1章热力学基础 当逆循环为制冷循环时,衡量该循环的经济性采用制冷系数,其定义为 22012qqwqq(112)当逆循环为热泵循环时,衡量该循环的经济性采用供热系数,其定义为 11012hqqwqq(113)由式(112)可见,制冷系数可大于1也可以等于1或小于1。而式(113)表示的供热系数h总大于1,即该循环过程向外界放出的热量总大于消耗的功。第1章热力学基础 3.比熵及温熵图比熵及温熵图熵是表征工质状态变化时,与外界换热程度的一个导出热力状态参数。对于单位质量工质,称为比熵(简称熵),用符号s表示,单位为kJ/(kgK)。与焓一样,熵的绝对值也无法确定,只需知道工质状态变化时熵的变化情
16、况,即用其相对值。单位质量工质在等温加热过程中,从外界加入热量q,加热时的温度为T,加热前后工质的熵分别为s1和s2,对于可逆过程可得 21qsssT(114)或21()qT ss(115)第1章热力学基础 当s2s1时,q0,表示工质从外界吸收热量;当s2s1时,q0,表示工质对外界放出热量;当s2=s1时,表示等熵过程,或称绝热过程,工质与外界无热量交换。熵在制冷循环的分析和计算中具有极重要的意义。例如,要把热量由低温物体传到高温物体,这是一个非自发过程,要使这一过程得以实现,必须辅以能量补偿,以使系统总的熵增加。第1章热力学基础 图15温熵图 第1章热力学基础 熵在制冷循环的分析和计算中
17、具有极重要的意义。例如,要把热量由低温物体传到高温物体,这是一个非自发过程,要使这一过程得以实现,必须辅以能量补偿,以使系统总的熵增加。类比于qv图,以热力学温度T为纵坐标,比熵s为横坐标组成的温熵图(Ts图),如图15所示。与pv图一样,图中每一条曲线可代表一个可逆过程。温熵图中过程曲线1a2下面的面积S1a2s2s11,表示该过程工质与外界所传递的热量,因此Ts图又称为示热图。在制冷技术中,Ts图具有重要的实用价值。第1章热力学基础 1.2水蒸气及其形成过程水蒸气及其形成过程1.2.1饱和与非饱和状态饱和与非饱和状态当液体在封闭容器中加热汽化,而且单位时间内逸出液面与回到液体中的分子数相等
18、时,蒸气与液体的物理量将保持不变,气液两相处于平衡状态。这种处于两相动平衡的状态,称为饱和状态。这时蒸气和液体的压力称为饱和压力ps,温度称为饱和温度(即沸点)ts。相应于一定的饱和压力,就有一定的饱和温度,即ps=f(ts)。第1章热力学基础 处于饱和状态的蒸气称为饱和蒸气,处于饱和状态的液体称为饱和液体。饱和蒸气和饱和液体的混合物,称为湿饱和蒸气,简称湿蒸气。相应地,不含饱和液体的饱和蒸气称为干饱和蒸气,简称干蒸气。如果蒸气的温度高于其压力所对应的饱和温度,则此蒸气称为过热蒸气。过热蒸气的温度与其压力所对应的饱和温度之差称为过热度。如果液体的温度低于其压力所对应的饱和温度,则此液体称为未饱
19、和液体,或过冷液体。过冷液体的温度与其压力所对应的饱和温度之差称为过冷度。第1章热力学基础 1.2.2水蒸气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程工程上所采用的水蒸气,大都是在锅炉中定压加热产生的。其产生过程如图16所示。水蒸气的定压加热发生过程大致可分为三个阶段:水的定压预热阶段,tts。第1章热力学基础 图16水蒸气定压发生过程示意图 第1章热力学基础 对单位质量0.01的水在压力p1下开始加热时,其初态温度tW)。这就是目前冬季广泛使用热泵供热得以省电的原因。第1章热力学基础 2.液态制冷剂过冷和吸气过热的理论制冷循环液态制冷剂过冷和吸气过热的理论制冷循环制冷装置在实际运行时,膨胀阀前的液态
20、制冷剂温度通常低于冷凝温度tc,即液体处于过冷状态,其温度称为过冷温度tu,tc-tu称为液体的过冷度。由图113可知,增大制冷剂液体的过冷度,能增加其单位质量制冷量qe,从而提高制冷系数。制冷剂的过冷度可通过适当增大冷凝器的传热面积或增设过冷器等方法获得。显然,受冷却介质温度的影响,过冷度的增加是有一定限度的。第1章热力学基础 图113液态过冷和吸气过热的理论制冷循环 第1章热力学基础 3.回热制冷循环回热制冷循环如果膨胀阀前的液体制冷剂过冷和压缩机吸气过热,主要不是通过与外界介质的热交换,而是利用流出蒸发器的低温制冷剂蒸气与流出冷凝器液体制冷剂进行热交换,这种循环称为回热循环。回热制冷循环
21、的流程及其在压焓图上的表示分别如图114和图115所示。为了实现回热循环,在制冷系统中通常设置一只热交换器以实现换热过程。第1章热力学基础 图114回热制冷循环流程 第1章热力学基础 图115回热循环在压焓图上的表示 第1章热力学基础 由图115所示的回热循环可知,制冷剂的过冷为33,过热为11。如果不考虑液、气两相在传热过程中的热量损失,则 3131hhhh-=-(132)或 1()()cuec ttc tt-=-(133)式中:c制冷剂的液体比热容;c气体比热容。第1章热力学基础 由于液体的比热容总大于气体的比热容,因此由式(135)可知,回热制冷循环中的气体过热度总大于液体过冷度。理论计
22、算和实践均证明,在实际应用中是否采用回热循环,与制冷剂特性及制冷装置运行工况有关。对于R12、R502等制冷剂,采用回热循环有利于制冷系数的提高，而对于氨、R22等制冷剂是不利的。但当R22在低温工况运行时,采用回热循环能进一步提高压缩机的吸气温度,有利于冷冻油的流动和分离。第1章热力学基础 4.二级蒸气压缩式理论制冷循环二级蒸气压缩式理论制冷循环1)蒸发温度过低对循环的影响单级蒸气压缩式制冷循环通常能达到的最低蒸发温度为-35-25(采用R502制冷剂可达-40左右),如果需要获得更低的蒸发温度,则单级循环将对制冷装置的运行产生许多不利因素。图116表示蒸发温度te降至te的制冷循环变化过程
23、,为了方便起见,tc和tu保持不变。由图中循环过程变化可见,当蒸发温度降低时,会产生下列不利因素:第1章热力学基础 1）压缩机的排气温度由2t升至2t，过高的排气温度会引起冷冻油的性能变化，影响压缩机的正常运作和使用寿命。2）压缩机的排气压力与吸气压力之比/cepp增大，使压缩机的实际吸气量减少。3）制冷剂经膨胀阀节流后的干度由4增至4，这意味着进入蒸发器的制冷剂蒸气含量增加，液体含量减少，从而降低了制冷剂的单位质量制冷量eq。同时由于蒸发温度的下降，使压缩机的吸气比体积由1升至1，降低了制冷剂的单位容积制冷量vq。这些因素最终造成循环制冷系数的极大降低。第1章热力学基础 图116蒸发温度降低
24、对制冷循环的影响 第1章热力学基础 2)一次节流完全中间冷却的二级蒸气压缩式理论制冷循环图117为该循环的流程及其在压焓图上的表示。由图可知,它与单级蒸气压缩式理论制冷循环的主要区别是:制冷剂蒸气分别在高、低压汽缸中进行两次压缩;增设了一只中间冷却器和膨胀阀;高、低压汽缸中制冷剂的循环量不相同。制冷剂的循环过程如下所述。第1章热力学基础 图117一次节流完全中间冷却二级蒸气压缩式理论制冷循环(a)循环流程图;(b)循环过程在压焓图上的表示 第1章热力学基础 高压级压缩机吸入来自中间冷却器状态3的干饱和蒸气,经绝热压缩后成为状态4的过热蒸气,并进入冷凝器中冷凝成状态5的饱和液体。该液体分为两部分
25、,其中少部分经膨胀阀2节流至状态6的低温湿饱和蒸气(在中间压力pm线上),用来冷却大部分未经节流的饱和液体5,以及由低压级压缩机排入中间冷却器的过热蒸气2,它们的状态变化分别为57和23过程。过冷液体7经膨胀阀1,一次节流为蒸发压力pe下的低压湿饱和蒸气8,并进入蒸发器中吸热、汽化成状态1的干饱和蒸气。这部分蒸气再由低压级压缩机吸入和压缩后(状态2),排入中间冷却器中,冷却为状态3的干饱和蒸气。第1章热力学基础 如果已知一次节流完全中间冷却二级蒸气压缩式理论制冷循环的制冷量Qe、冷凝温度tc(或冷凝压力pc)和蒸发温度te(或蒸发压力pe),则该循环的热力计算步骤和计算公式如下:中间压力为 m
26、cepp p=(134)通过蒸发器的制冷剂质量流量qm1(kg/s)为 118emQqhh=-(135)第1章热力学基础 进入中间冷却器制冷剂的放热量为 123157()()mmqhhqhh-+-中间冷却器中制冷剂吸热量为 236()mqhh-若中间冷却器有良好绝热,不考虑与外界传热,则 123157236()()()mmmqhhqhhqhh-+-=-整理后得 235721836()()()()mehhhhqQhhhh-+-=-(136)第1章热力学基础 高压级压缩机吸入的制冷剂质量流量qm(kg/s)为 12mmmqqq （1-37）冷凝器热负荷为 45()cmQqhh （1-38）低压级压
27、缩机吸入的制冷剂体积为 11 1vmqq v （1-39）高压级压缩机吸入的制冷剂体积为 23vmqq v （1-40）低压级压缩机的理论耗功率为 1121()mPqhh （1-41）第1章热力学基础 一次节流完全中间冷却的二级蒸气压缩式理论制冷系数为 高压级压缩机的理论耗功率为 243()mPqhh=-(142)36171236212743()()()()()()eQhhhhPPhhhhhhhhe-=+-+-(143)在实际应用中,一次节流完全中间冷却的二级蒸气压缩式理论制冷循环通常以氨系统为主。第1章热力学基础 3)一次节流不完全中间冷却的二级蒸气压缩式理论制冷循环该循环与上述二级制冷循环
28、的主要区别在于,低压级压缩机排出的状态2气体不进入中间冷却器冷却,而直接与来自中间冷却器的状态3干饱和蒸气相混合成状态3的过热蒸气,然后再由高压级压缩机吸入、压缩。同时,在系统中增设了回热换热器,使流出蒸发器的低温蒸气由te升至t1,而流出中间冷却器的状态7过冷液体,再进一步冷却至状态8,如图118所示。显然,这种制冷循环主要应用在R22等氟利昂系统中。第1章热力学基础 图118一次节流不完全中间冷却二极蒸气压缩式理论制冷循环(a)循环流程图;(b)循环过程在压焓图上的表示 第1章热力学基础 一次节流不完全中间冷却的二级蒸气压缩式理论制冷循环热力计算,与完全中间冷却的计算基本相同,也是根据已知
29、冷凝温度tc(或pc)、蒸发温度te(或pe)及制冷量Qe等参数进行计算的。中间压力为 mcepp p=然后根据中间压力pm查得其饱和温度t6,则流出中间冷却器的过冷液体温度t7=t6+t(传热温差)。低压级压缩机吸入蒸气温度t1=te+t2(吸气过热度)。这样,通过换热器的热平衡,可求得状态8的比焓,即 8701hhhh=+-8701hhhh=+-第1章热力学基础 通过蒸发器及低压级压缩机的制冷剂质量流量qm1为 10908eemQQqhhhh=-(144)根据中间冷却器的热平衡,可求得通过膨胀阀2的制冷剂质量流量qm2为 57572168633()()mmeehhhhqqQhhhhhh-=
30、-(145)高压级压缩机吸入的蒸气状态3,是由中间冷却器的饱和气体3和低压级压缩机排出的气体2相混合。根据这两部分气体混合前后的热平衡关系,可求得高压级压缩机吸入气体的比焓h3(kJ/kg)为 1 221 2233312mmmmmmmq hq hq hq hhqqq+=+(146)第1章热力学基础 冷凝器的热负荷为 45()cmQqhh=-(147)低压级压缩机吸入的制冷剂体积流量为 11 1vmqq v=(148)高压级压缩机吸入的制冷剂体积流量为 23vmqq v=(149)低压级压缩机的理论耗功率为 1121()mPqhh=-(150)第1章热力学基础 高压级压缩机的理论耗功率为 243
31、()mPqhh=-(151)一次节流不完全中间冷却的二级蒸气压缩式理论制冷系数为60831221643733()()()()()()ehhhhQPPhhhhhhhhe-=+-+-(152)第1章热力学基础 4)中间压力pm的确定在进行二级蒸气压缩式理论制冷循环计算时,首先要确定中间压力pm。正确选择中间压力,能提高循环的制冷系数。在二级蒸气压缩式理论制冷循环中,已规定了所需的中间温度Tm,则中间压力pm可直接查制冷剂的饱和蒸气表或压焓图而获得。根据二级压缩总轴功最小的原则,可推导出高、低级升压比相等时,所需轴功最小,即 mcmceempppp ppp 或=(153)第1章热力学基础 但应指出,
32、推导该式时按高、低级压缩机的质量流量和吸气温度相同导出,这和两级蒸气压缩式理论制冷循环有一定区别。因此,按式(153)计算的中间压力与最佳中间压力有一些偏差,但公式简单,可用于初步估算。按蒸发温度Te和冷凝温度Tc的比例中项,确定中间温差Tm,即 mecTTT=(154)然后根据Tm查得pm。实践表明,在蒸发温度不太低时,按此法求得的中间压力pm接近最佳值。第1章热力学基础 对于氨和制冷剂,可用如下经验公式:tm=0.4tc+0.6te+3(155)另外,根据二级蒸气压缩式理论制冷循环已知的蒸发温度Te(或pe)、冷凝温度tc(或pc)及制冷量Qe,用假设中间温度tm(或pm)的计算法,以求得
33、最大的制冷系数,然后再确定中间压力。第1章热力学基础 5.复叠式蒸气压缩理论制冷循环复叠式蒸气压缩理论制冷循环(串级制冷循环串级制冷循环)二级或多级蒸气压缩式理论制冷循环均采用一种制冷剂,当蒸发温度较低时,虽然可以用分级压缩解决压力比、节流损失和排气温度过高等方面的问题,但是当制取的温度更低时,采用一种制冷剂将出现下面一些难以克服的困难:(1)任何制冷剂,蒸发温度越低,蒸发压力也就越低。过低的蒸发压力,有时可能造成压缩机难以吸气,或者会使外界的空气进入制冷系统。(2)当蒸发温度过低时,某些常用制冷剂已达凝固温度,无法实现制冷剂的流动、循环。第1章热力学基础(3)蒸发压力降低,制冷剂的比体积增大
34、,制冷剂的质量流量会减小,制冷量大大下降。为了获得所需冷量,必须增大吸气容积,这会使压缩机体积过于庞大。复叠式蒸气压缩理论制冷循环由两个或两个以上的单级蒸气压缩式理论制冷循环组成,在每个单级制冷系统中充加不同性质的制冷剂。它既能满足在较低温度时有合适的蒸发压力,又能满足在环境温度条件下冷凝时有合适的冷凝压力。第1章热力学基础 由两个单级蒸气压缩式理论制冷循环组成的复叠式蒸气压缩理论制冷循环如图119所示。图中,左侧的单级循环与以前介绍的单级循环相同,它的冷凝器仍用环境温度条件下的水或空气作为冷却介质。但该制冷循环所得的制冷量,是用来冷凝右侧单级制冷循环中的制冷剂。左侧制冷系统运行时的温度区间较
35、高,称高温级,常用的制冷剂为R22、R134a等。右侧制冷系统运行的温度区间较低,称低温级,常用的制冷剂为R13、R503等。按图119所示的复叠式蒸气压缩理论制冷循环,在低温级蒸发器中可获得-80左右的低温。第1章热力学基础 图119复叠式蒸气压缩理论制冷循环 第1章热力学基础 若高温级采用R22制冷剂,则冷凝温度tc=35,冷凝压力pc=1.35MPa,蒸发温度te=-30,蒸发压力pe=0.16MPa,高温级压力比为 1.358.430.16cepp=若低温级采用R13制冷剂,并考虑R22和R13两种制冷剂在蒸发冷凝器中的传热温差为5,则低温级的冷凝温度tc=-25,冷凝压力pc=0.9
36、9MPa,蒸发温度te=-80,蒸发压力pe=0.11MPa,低温级压力比为 0.999.00.11cepp=0.999.00.11cepp=第1章热力学基础 上述参数表明,只要选用两种合适的制冷剂,由两个独立的单级蒸气压缩式理论制冷循环所组成的复叠式蒸气压缩理论制冷循环,就能在合适的温度工况和压力比条件下正常运行。显然,在复叠式蒸气压缩理论制冷循环中,高温级也可采用二级循环,为低温级提供更低的冷凝温度,这样就能使低温级的蒸发温度进一步降低,获得接近-100的低温。当使用三种制冷剂,即R22(高温级)、R13(中温级)、R14(低温级)复叠循环时,可获得-120的低温,各级运行的工况参数见表1
37、2。第1章热力学基础 表表12三级复叠式蒸气压缩理论制冷循环运行工况参数三级复叠式蒸气压缩理论制冷循环运行工况参数 第1章热力学基础 镍 8900 20 0.45 银 10500 0 0.235 铁 7900 20 0.452 铸铁（生铁）7250 20 0.46 钢（碳钢）7900 20 0.46 不锈钢（铬 18，镍 8）7850 20 0.46 硅钢（1%Si）7800 20 0.46 金 19290 20 0.127 石棉 570 0 0.795 石棉板 770 30 0.80 石棉纤维 470 50 0.80 第1章热力学基础 混凝土 2300 20 1.05 混凝土板 1950 3
38、5 1.00 泡沫混凝土 520 36 0.84 玻璃板、窗玻璃 2500 20 0.84 珍珠岩 200 0 0.84 蛭石 153 20 0.76 硅藻土 80200 100-红砖（建筑用砖）300 150-铬砖 16001800 20 0.84 硅藻土砖 3000 200 0.84 耐火粘土砖 20002300 500 0.96 灰泥（灰浆粉刷）1700 20 0.84 第1章热力学基础 油毡 600 20 1.47 大理石 2720 20 0.84 沙土 2000 20 1.93 沥青 2100 20 1.88 干黄沙 1600 20 0.84 玻璃纤维板 85 20 0.88 硅胶
39、140 32-矿物毛、毛毡 200 50 0.92 矿渣棉 2500 100 0.75 软木板 130200 20 1.9 聚苯乙烯泡沫塑料 3742 20 1.35 聚胺脂泡沫塑料 3642 20 1.45 第1章热力学基础 1.4.1制冷剂制冷剂1.制冷剂的种类制冷剂的种类目前,可用作制冷剂的物质有几十种,但在普通制冷范围(5-120)内所用的制冷剂只有十几种,而在一般空调制冷系统中所用的制冷剂仅有几种。1)无机化合物制冷剂水(H2O)和氨(NH3)是使用最早的两种无机化合物制冷剂。目前,氨主要用在大、中型冷库及制冰系统中,而水仅用于溴化锂吸收式制冷装置中。氨作为制冷剂的代号为R717,水
40、为R718。1.4制冷剂和载冷剂制冷剂和载冷剂第1章热力学基础（1）无机化合物 水（H2O）和氨（NH3）是使用最早的两种无机化合物制冷剂。目前，氨主要用在大、中型冷库及制冰系统中，而水仅用于溴化锂吸收式制冷装置中。氨作为制冷剂的代号为R717，水为 R718。（2）碳氢化合物 这类制冷剂主要有乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、丙烷（C3H8）和丙烯（C3H6）等，相应的制冷剂代号为 R170、R1150、R290和 R1290。这类制冷剂主要用在石化工业中，空调制冷系统不采用。第1章热力学基础（3）氟利昂 氟利昂是饱和碳氢化合物的卤素衍生物，其分子通式为CmHnFxClyBrz，并且有 2
41、m+2=n+x+y+z 的关系。因此，根据氟利昂化合物中的不同原子数，可以有许多品种的氟利昂。按规定编号方法，可编出许多代号，如氟利昂 22（HCF2C1）的代号为R22，氟利昂 134a（CH2FCF3）代号为 R134a 等。氟利昂是本世纪 30 年代随着有机化学工业的发展而研制成的有机化合物。应该承认，多品种氟利昂的出现，使压缩式制冷技术得到了极大的改善和发展。但是，在近半个世纪的应用中，最终发现常用的多数氟利昂制冷剂，如 R11、R12、R13、R113、R114、R502等，能严重破坏大气臭氧层，影响生态平衡，危及人类生存。第1章热力学基础 4)混合制冷剂混合制冷剂是由两种或两种以上
42、制冷剂,按一定比例溶解而成的一种混合物。它在制取某一区间低温时,能获得比单一化合物更优良的循环运行性能。混合制冷剂有如下两种:(1)共沸混合制冷剂。与单一化合物相同,该制冷剂在一定压力下具有一个共沸点。因此,在一定压力下,液化或汽化过程的温度不发生变化。常用的共沸混合制冷剂有R502(R22/R115)、R500(R12/R152a)等。(2)非共沸混合制冷剂。这类制冷剂在一定压力下没有共沸点,液化或汽化过程的温度将相应变化。因此,在变温热源的制冷循环中,使用非共沸混合制冷剂,能减少蒸发器和冷凝器中的传热温差,提高制冷装置的运行性能。非共沸混合制冷剂主要有R12/R13、R22/R114等。第
43、1章热力学基础 2.CFC问题及其对策问题及其对策1974年发现并于80年代确认,氟利昂中的氯原子对大气臭氧层有强烈的破坏作用。一旦臭氧层减弱或出现空洞,短波紫外线将直接投向地球,破坏生态平衡,危及人类生存。同时,氟利昂的大量排放,也会助长地球的温室效应。氟利昂是饱和碳氢化合物的卤素衍生物,或称卤代烃物质,其化学成分比较复杂,组分较多,对臭氧层的破坏程度也不相同。人们把含氯而无氢的氯利昂称为CFC,如R12(CF2Cl2)CFC12、R11(CFCl3)CFC11,此类物质对臭氧层的破坏程度最为严重。把含氯且有氢的氟利昂称为HCFC,如R22(HCF2Cl)HCFC22,此类物质对臭氧的破坏程
44、度较弱。把含氢而无氯的氟利昂称为HFC,如R134a(CH2FCF3)HFC134a,此类物质对臭氧无破坏作用。第1章热力学基础 自1977年起,联合国环境署召开了一系列国际会议,根据各种含氯氟利昂对臭氧的破坏程度,决定按计划逐步对其进行限制和禁用,并根据各国生产和使用情况,制定了受控物质的名称和逐步禁用的进度表。1989年3月,中国政府参加了在伦敦召开的保护臭氧层会议,并于1993年批准了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案。第1章热力学基础 对照国际禁用和受控物质名单,与空调和冷藏制冷关系最密切的是CFC11、CFC12和HCFC22三种制冷剂。为寻求这类使用面广、量大的制冷剂替代物,制冷和
45、热物理技术界进行了大量研究工作,提出和试验过许多替代工质。例如:HFC134a制冷剂,它与CFC12的热力性能相近,但对臭氧无破坏作用,温室效应也远小于CFC12,是目前替代CFC12的最理想工质,而且已广泛使用;HCFC123制冷剂早期曾在离心压缩式制冷系统中替代CFC11使用过,但该制冷剂具有一定毒性,而且属于HCFC制冷剂,因此,目前已不再推荐使用。第1章热力学基础 在小型低温制冷系统中,近几年也有选用与R502热力性能相近、但对臭氧无破坏作用的R404a和R507替代R12和R502的机组,而且已进入实际应用阶段。寻求综合性能良好的制冷剂,将是一项长期的研究工作,也是促使制冷技术不断提
46、高和发展的重要因素。目前,人们不但在人工合成的化合物领域内寻求新型制冷剂,同时对天然工质(如氨、二氧化碳等)及使用这些工质的设备,重新进行评价和改进,希望利用现代科学技术,使这些天然工质在新的条件下重新得到使用。第1章热力学基础 1.4.2载冷剂载冷剂1.载冷剂应具有的主要性能载冷剂应具有的主要性能(1)在传递冷量过程中,不应凝固或汽化。(2)比热容大。在传递一定冷量时,比热容大的载冷剂,其流量就小,减少了循环泵的功率。(3)密度小,粘性也小,载冷剂在循环流动过程中的阻力就小,泵的耗功率也少。(4)热导率高,可减少热交换器的传热面积。(5)稳定性好,与大气接触不分解,不改变其物理、化学性能。(
47、6)不腐蚀设备及其管路和附件。(7)价格较低。第1章热力学基础 2.常用载冷剂的种类和性能常用载冷剂的种类和性能1)水水的凝固点为0,沸点为100。它的比热容大、密度小、化学性能稳定,而且价格极低。在一般的空调制冷系统中,水是一种理想的载冷剂。目前中央空调大量使用的冷水机组,就是用水作为载冷剂,在制冷剂和空气之间传递冷量。第1章热力学基础 2)盐水当工作温度低于0时,通常采用不同含量的盐水作为载冷剂,如大型冰块的制作、低温工艺的冷却等。常用的盐水载冷剂有氯化钠和氯化钙两种溶液。这两种盐溶液的凝固点曲线如图120所示。第1章热力学基础 图120盐水溶液的凝固点曲线(a)氯化钠;(b)氯化钙 第1
48、章热力学基础 由图可知,盐水溶液的凝固点随盐的含量而改变。两图中左边的曲线为析冰线,它表明随着溶液中含盐量的增加,溶液的凝固点降低,一直降到冰盐共晶点,相当于全部溶液凝固成一整块冰盐结晶体。两图中的右边曲线为析盐线,溶液随盐含量的增加,反而会使凝固点升高。氯化钠溶液的共晶点温度为-21.2,质量分数为23.1。氯化钙溶液的共晶点温度为-55.0,质量分数为29.9。为了保证盐水溶液在流动过程中不产生析冰现象,配制盐水含量的凝固点,应比制冷剂的蒸发温度低58。根据这一要求,氯化钠溶液只能用在蒸发温度高于-15的制冷系统中,而氯化钙镕液可使用在不低于-48的制冷系统中。第1章热力学基础 3)乙二醇
49、水溶液近几年,在冰蓄冷空调系统中,常以乙二醇水溶液作为载冷剂使用。乙二醇有乙烯乙二醇和丙烯乙二醇两种,均为无色、无味的有机化合物。在低温时,乙烯乙二醇比丙烯乙二醇具有更好的性能,但在与人接触或对毒性要求严格的场合,使用丙烯乙二醇则更安全。第1章热力学基础 1.5溶液热力学基础溶液热力学基础1.5.1溶液的基本概念溶液的基本概念在吸收式制冷系统中,通常用两种不同挥发性物质组成二元溶液工质。如吸收式制冷循环中的氨水溶液或溴化锂水溶液,均属于二元溶液。二元溶液与纯物质之间存在着很大差别。纯物质各相的成分始终相同,在相变过程中,例如汽化过程,压力和温度始终保持不变,即ts=f(ps)。二元溶液则不同,
50、不仅处于平衡的液相和气相成分不一样,而且在相变时,如定压下的汽化过程,温度也不能保持恒定,而是不断升高。第1章热力学基础 1.质量分数和摩尔分数质量分数和摩尔分数一种组分的质量与溶液质量之比称为这种组分的质量分数。当溶液仅由组分1和组分2所组成时,则组分1的质量分数1为 11112mmmmmx=+(156)式中:m1、m2、m溶液中组分1、组分2及溶液的质量。显然,组分2的质量分数2为22212mmmmmx=+(157)第1章热力学基础 因此 121xx+=(158)如组分1的相对分子质量为M1,组分2的相对分子质量为M2,则组分1及组分2的摩尔数分别为 121212mmnnMM及=溶液的摩尔
