第一章2018(1)

1.蒸气压缩式制冷循环热力学原理――液体气化吸收热量皮肤涂抹上酒精，酒精蒸发，皮肤凉快。酒精气化吸热。液体气化都要从周围物体吸收热量，蒸气压缩制冷就是利用液体气化吸热达到制冷。－－压缩制冷――液体气化特性（不完全）液体在沸腾中吸热，饱和温度和吸热量随液体所处的压力而变化，压力越低，饱和温度越低；且不同液体的饱和压力，饱和温度和吸热量也各不相同。展开液体气化特性引言1kgR22、0.584MPa，饱和温度5oC，吸热量为200.62kJ/kg(单位质量气化潜热)；296MPa,-15oC,211.00kJ/kg。蒸气压缩制冷即基于物质这个特性进行的。想想？压力（MPa）饱和温度(oC)1.53401.35350.49800.35-100.246-20R22饱和温度－压力•若R220.246MPa，-18oC，初始处于液态，则其会瞬时蒸发，吸收外界热量，－－制冷；•使得气化后的R22继续参与工作，须对其压缩，使其p和T均提高，如增加到1.53MPa，33oC，则R22发生冷凝，向外界放出热量，－－压缩冷凝；•为使得冷凝后的R22继续参与工作，须对其膨胀，使其p和T均降低，如降低到0.246MPa，-18oC，则其必然会发生蒸发，参与制冷。结合图说明H2O1atm100oCwwe被冷却介质q0冷却介质qk•若某一R220.246MPa，-18oC，初始处于液态，则其会瞬时蒸发，吸收外界热量；•为使得气化后的R22继续参与工作，须对其压缩，使其压力和温度均提高，如增加到1.53MPa，33oC，则R22发生冷凝，向外界放出热量；•为使得冷凝后的R22继续参与工作，须对其膨胀，使其压力和温度均降低，如降低到0.246MPa，-18oC，则其必然会发生蒸发，参与制冷。4个热工过程：蒸发、压缩、冷凝和膨胀组成了一个蒸汽压缩制冷循环。动画本章主要内容蒸气压缩式制冷循环的热力学原理（本章基本思路）（1）理想制冷循环1.1无温差传热的逆向可逆循环－－逆卡诺循环具有温差传热的逆向可逆循环具有变温热源的理想循环－－洛伦兹循环（2）理论制冷循环1.2膨胀阀、干压缩、液体过冷、吸气过热（3）理论制冷循环的热力计算1.3本章主要内容逆向循环？低温热源Tl动力装置高温热源Th功WQhQl低温热源To制冷装置高温热源Tk功WQhQl被冷却介质冷却介质R2定律工质热→功热机功→热/冷引：制冷循环是逆向循环1.1理想制冷循环正向循环低温热源To制冷装置高温热源TkWQhQl被冷却介质冷却介质工质引：卡诺逆卡诺制冷循环是逆向循环•若某一R220.246MPa，18oC，初始处于液态，则其会瞬时蒸发，吸收外界热量－－制冷；•为使得气化后的R22继续参与工作，须对其压缩，使其压力和温度均提高，如增加到1.53MPa，35oC，则R22发生冷凝，向外界放出热量－－制热；•为使得冷凝后的R22继续参与工作，须对其膨胀，使其压力和温度均降低，如降低到0.246MPa，18oC，则其必然会发生蒸发，参与制冷。动力循环卡诺•卡诺力求提高热机效率，任何不可逆因素均引起功损失。•举例：不同温度物体之间直接传热~的损失实质上也是功损失：它们之间本来可以利用一台热机使部分热转化为功，而热量不可逆地传递使得这部分可能得到的机械功没有得到。•如何克服：无温差传热：工质在与热源等温条件下吸热，在与冷源等温条件下放热。•如何实现：传热面积无限大。制冷循环？？逆卡诺循环的基本组成卡诺循环引：逆卡诺循环工作于两个热源之间的正向循环，组成：两个可逆等温过程+两个可逆等熵过程。•确定实现热变功的条件；•指出提高实际热机热效率的方向与途径；•指出在一定温度范围内热变功的最大效率。？逆卡诺循环逆卡诺循环－－最完善的制冷循环，不考虑工质在流动和状态变化过程中内部和外部不可逆损失，其由2个等温和2个等熵过程组成。1.1.1无传热温差的逆向可逆循环－－逆卡诺循环继续解释熵总引：条件过程功热COP什么是熵？什么是熵？1865年德国科学家克劳修斯引入了Entropy(‘entrəpi’)，一个新概念伴随着热力学第二定律就在欧洲出现了，熵很快在物理领域的热力学和统计力学范围内占据了重要地位。随着科技飞速发展和人们对自然现象认识的不断深入，熵已经被应用到化学、生物学等自然学科，并逐步跨越自然科学的界限，渗透到了经济学、管理学等社会科学中，甚至有人提出，熵将成为一种新的世界观。知识点1•熵是一种状态参数，是度量系统无序度的函数；熵增大意味着系统无序度或混乱程度的增大。•随着固→液→气相变过程的进行，无序度递增，熵递增；•单纯pvT系统中，等温膨胀、等压或等容升温过程，熵随着无序度增大而增大；随着温度降低，物质无序度减小，R3定律从某种意义上看就是描述0K时系统熵值。（R3－－凝聚系统在恒温过程中的熵变，随温度趋于0K而趋于0）•ds=(δq/T)R，对于定温可逆过程，有：q=T﹒∆s•工质在任何可逆过程中，吸热时，工质的熵增大；放热时，工质熵减；绝热时，工质熵定。•不可逆绝热系统中，工质的熵一定增大（体现熵增原理）。知识点2－－逆卡诺循环具备的条件利用液体气化制冷的逆卡诺循环必须具备的4点条件：知识点3－－热力学过程描述2'wwe被冷却介质4'1'q0冷却介质3'qk•高、低温热源温度恒定；•工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间无传热温差；•工质流经各个设备时无内部不可逆损失；•膨胀机输出功为压缩机所用。知识点2逆卡诺循环过程热力学描述2'wwe被冷却介质4'1'q0冷却介质3'qk过程热力学描述可采用温熵图（T-S）来描述什么是温熵图？ST12Q1-2|R=阴影面积R知识点3采用什么图来描述？依据？Tk'T0'TS1'q0'4'SbSaw2'qk'3'we2'wwe被冷却介质4'1'q0冷却介质3'qk过程热力学描述－－T-S图的思考等温吸热，熵增等熵压缩（等熵即绝热）等温放热，熵减等熵膨胀（等熵即绝热）moving制冷工质不同于理想气体，区别？一个临界点TS过程热力学描述气体加压液化所允许的最高温度－－临界温度；气体在临界温度时发生液化的最小压力－－临界压力。二条饱和线三个状态区五个工质状态六条等值线制冷工质有相变TS1'q0'4'qk'3'w2'we知识点4－－过程中的功与热如何在T－S图上描述？在p－v图上描述？强调：气液两相区从低温热源吸热)/()(''00kgkJssTqba)/()(''kgkJssTqbakk00''('')()(/)cekkab1kg制冷剂每一次循环（？）过程中的热与功引：wc推导TS1'q0'4'qk'3'w2'weTkT0知识点4从高温热源放热外界输入的功率Tk'T0'T逆卡诺循环q0'qk'wwe(w+q0')-(qk'+we)=0w-we=qk'-q0'wc=w-we=qk'-q0'阴影面积S知识点5－－COP过程中的热与功根据热力学第一定律（R1定律）：表示循环经济性能，单位耗功量所制得的冷量：'''))(''()(''0000TTTssTTssTwqkbakbacoc制冷系数(COP）影响因素高温热源温度Tk'oC低温热源温度T0'oC逆卡循环εc30530-5405例1：求下列逆卡诺循环制冷系数COP7.667.9511.13计算实例知识点5收益能量/补偿能量影响因素：εc=f(T0’,Tk’)，与制冷剂特性或设备无关；意义：逆卡诺循环制冷系数可用来评价其他制冷循环的热力完善程度/循环效率，实际制冷循环接近逆卡诺循环程度。η=ε/εcTk'T0'εc30511.1330-57.664057.95T0'升高，Tk'降低，εc增大，制冷循环经济性提高；T0'与Tk'对εc影响不等价，T0'影响大于Tk'（可推导）；在恒定高、低温热源区间，逆卡诺循环的COP最大。几点说明??'''))(''()(''0000TTTssTTssTwqkbakbacoc说明：•制冷系统可以、=、1，这是与热机热效率最大区别所在；动手试试：找出COP=1和1的例子。动手试试思考与讨论1.1.2具有温差传热的逆向循环思考与讨论热机效率为什么一定小于1，而制冷系统可以1，而且一般情况下会1？无温差传热，蒸发器、冷凝器传热面积无穷大。1.1.2具有传热温差的逆向循环Tk'T0'T制冷剂冷却介质制冷剂被冷却介质引：温差传热被冷却介质冷却介质q0qk举例：家用冰箱-18℃25℃Tk、Tk'To、T0'T制冷剂冷却介质制冷剂被冷却介质逆卡诺循环STk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂冷却介质有温差的逆向循环TkT0制冷剂蒸发温度T0制冷剂冷凝温度Tk具有传热温差的逆向循环：过程描述负面影响35oC25oC-23oC-18oCT0T0'，T0＝T0'－ΔT0；-23oC-18oCTkTk'，Tk＝Tk'＋ΔTk；35oC25oC25oC-18oCTk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂外界介质有温差的逆向循环TkT0负面影响冷量？向压缩机输入功？如上是定性分析，下面是定量研究－－COP怎样变化？)()''(')'('''0000000000TTTTTTTTTTTTTTTkkkkkc特点：εc'εc，热力完善度εc'/εc1制冷系数Tk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂外界介质有温差的逆向循环TkT0计算实例影响因素：传热温差ΔTk、ΔT0的增大，COP降低；ΔT0的影响ΔTk的影响。特点影响因素高温热源温度Tk’低温热源温度To’冷凝器ΔTk蒸发器ΔTo逆卡循环εc温差的εc'热力完善度η30-5007.6640-5005.9640500405007.95551010105例2：求下列逆向循环制冷系数COP7.6615.961110.760.610.697.957.956.074.875.467.957.957.957.95传热温差ΔTk、ΔT0的增大，对COP的影响◦传热温差ΔTk、ΔT0的增大，COP降低；◦ΔT0的影响ΔTk的影响.)()''(''000000TTTTTTTTTkkkc以家用冰箱为例：冷冻食品温度-18oC－低温热源；外界环境温度25oC－高温热源；在高低温热源温度之间，逆卡诺循环效率最高；TS为获得-18oC低温，可以用-23oC、-25oC、-30oC等来获得，显然，采用-23oC的较为经济，COP较高，即ΔTk、ΔT0增大，COP降低;洛仑兹循环1.1.3有变温热源的逆向循环－－Lorenz循环Tk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂冷却介质有温差的逆向循环TkT0有变温热源的逆向循环Lorenz循环Tk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂冷却介质TkT0总结：过程影响措施引：影响食品：不高于-18℃；冷却水：不超过30℃-18oC-23oC35oC30oC-18oC5oC25oC30oC35oC-23oCTk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂冷却介质有变温热源的逆向循环Lorenz循环TkT0负面影响：如何克服？思路增加了制冷剂与被冷却介质和冷却介质的传热温差，造成制冷循环的不可逆损失增大，制冷系数和热力完善度下降。Tk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂冷却介质有变温热源的逆向循环Lorenz循环TkT0负面影响：如何克服？变温相变Tk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂冷却介质有变温热源的逆向循环Lorenz循环TkT0措施如何克服？思路Tk'T0'TS被冷却介质制冷剂制冷剂冷却介质有变温热源的逆向循环Lorenz循环TkT0•单一物质的制冷剂等压冷凝或蒸发其温度恒定，不能实现变温冷凝或蒸发；•只有两种以上制冷剂混合，才有可能变温冷凝或蒸发。——非共沸混合物，不存在共沸点。图1.6非共沸混合物制冷图•非共沸混合物在等压条件下，饱和温度随组成成分发生变化；Endof理想循环，总结•非共沸混合物进行Lorenz循环比较节能与经济；•寻求非共沸混合物及其实际应用亟待研发。1无温差的逆向可逆循环－－逆卡诺循