制冷的热力学基础

金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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：主要制冷方法金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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）金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆图2.1水的相平衡图图2.2CO2的相平衡图第一节相变制冷金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆第一节相变制冷金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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CO2，N2，Ne，ArCO2：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０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倍金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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：１、制冷剂液体在低温下蒸发，成为低压蒸气；２、将低压蒸气提高压力，使之成为高压蒸气；３、将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体；４、将高压液体降低压力，使之重新变为低压液体返回过程１，从而完成循环典型的制冷循环：蒸气压缩式、吸收式、吸附式、蒸气喷射式金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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，使之压力升高金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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：１、气体经节流阀膨胀，称为绝热节流，节流前后焓值不变；２、高压气体在膨胀机内等熵膨胀，温度降低，对外输出功；３、气体等温膨胀，从外界吸热；４、绝热放气，容器内的存留气体温度下降金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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３种情况都可能出现金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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：21pphdpTpphcvTvT金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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：u2-u1=p1v1-p2v2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p1v1p2v2时，u2u1，即节流后内能减小。由于内位能总是增大，所以内动能必定减小，那么节流后气体温度降低当p1v1=p2v2时，u2＝u1，即节流后内能不变，此时内位能的增加等于内动能的减少，节流后气体温度仍然降低金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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：当p1v1p2v2时，u2u1，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０，这个温度称为转化温度金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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)He445CO652H2205Ar794Ne250O2761N2621CH4939空气603CO21500NH31994金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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图金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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pPssTvcTPT21ppsdpT金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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，as-ah=v/cp；等熵膨胀的制冷量比节流膨胀大，qs-qh=we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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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图金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆第二节气体膨胀制冷气体等温膨胀制冷维勒米尔（ＶＭ）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１-2-3-4-1为逆向斯特林循环，它是在T0下等温吸热，在Ta下等温放热。1-2-3’-4’-1为正向斯特林循环，它在Th下从高温热源等温吸热，在Ta下等温放热。常用VM制冷机的中间温度Ta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2.22VM制冷理论循环的p-V图金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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。金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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４个热力过程组成图2.24单级G-M制冷机系统图金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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金品质•高追求我们让你更放心！返回◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆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