制冷技术 制冷热力学原理

制冷技术制冷技术 制冷热力学原理制冷热力学原理 2002202402602803003203403603804004200500100015002000250030003500P / KPaT / K 制冷原理 抽抽气气 吸吸热热Q 蒸蒸发发 温度下温度下降降 P1 P2 T1 T2 饱和蒸气压曲线饱和蒸气压曲线 液体汽化制冷液体汽化制冷 制冷原理 液体汽化制冷液体汽化制冷 第一章 制冷原理 液体汽化制冷液体汽化制冷 制冷原理 液体汽化制冷液体汽化制冷 compressor condenser expansion device evaporator 制冷原理 为了使上述过程得以连续进行，必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸汽，再不断地将其液体补充进去。通过一定的方法将蒸汽抽出，再令其凝结为液体后返回到容器中，就能满足这一要求。 因此，液体蒸发制冷循环必须具备以下四个四个基本过程基本过程：低压下蒸发汽化、蒸气升压、高压气体液化、高压液体降压。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。 液体汽化制冷液体汽化制冷 为了实现制冷循环，必须消耗能量，该能量可以是电能、热能、机械能、太阳能及其他形式的能量。 为了实现上述能量转换，首先必须有使制冷机能达到比低温热源更低温度的过程，并连续不断地从被冷却物体吸取热量。 利用某种物质状态变化，从较低温度的热源吸取一利用某种物质状态变化，从较低温度的热源吸取一定的热量，通过一个消耗功（或热量）的补偿过程，定的热量，通过一个消耗功（或热量）的补偿过程，向较高温度的热源放出热量。向较高温度的热源放出热量。 制冷原理制冷原理 饱和状态 饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和状态：汽化与凝结的动态平衡 饱和温度饱和温度Ts 饱和压力饱和压力ps 一一对应一一对应 放掉一些水放掉一些水，Ts不变不变， ps不变不变 Ts ps 液体汽化制冷液体汽化制冷 液体汽化时，需要吸收热量，液体所吸收的热量来自被冷却对象，因而使被冷却对象变冷，或者使它维持在环境温度以下的某一低温。 标准大气压下， 1kg 液氨汽化可吸收 1371kJ 的热量，且气体温度低达 -33.4 ； p 870pa 时，水在 5 下即可沸腾，吸热 2489kJ/kg 。 热力学基本定律热力学基本定律 热力学第一定律热力学第一定律：能量守恒和转换定律 热力学第二定律热力学第二定律：不可能把热从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。 热量由低温物体传向高温物体，是一个非自发的过程，需要使用一定的设备，消耗外界能量作为补偿。 工程热力学是制冷技术的理论基础理论基础 热力学知识回顾热力学知识回顾 能量之间能量之间数量数量的关系的关系 热力学第一定律热力学第一定律 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律 所有满足能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能的过程是否都能自发自发进行？进行？ 自发过程的方向性 自发过程：自发过程：不需要任何外界作用而自动进不需要任何外界作用而自动进 行的过程。行的过程。 自然界自发过程都具有方向性自然界自发过程都具有方向性 热量由高温物体传向低温物体热量由高温物体传向低温物体 摩擦生热摩擦生热 水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势电流自动地由高电势流向低电势 自发过程的方向性 功量功量 自发过程具有方向性、条件、限度自发过程具有方向性、条件、限度 摩擦生热 热量热量 100% 热量热量 发电厂 功量功量 40% 放热放热 热力学第二定律的表述与实质 热功转换热功转换 传传 热热 热二律的热二律的表述表述有有 6060- -7070 种种 1851年年 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 热功转换的角度热功转换的角度 1850年年 克劳修斯表述克劳修斯表述 热量传递的角度热量传递的角度 开尔文普朗克表述 不可能从不可能从单一热源单一热源取热，并使之完全转变为取热，并使之完全转变为有用功有用功而不产生其它影响而不产生其它影响。 热机不可能将从热机不可能将从热源热源吸收的热量全部转吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给变为有用功，而必须将某一部分传给冷源冷源。 理想气体理想气体 T 过程过程 q = = w 冷热源冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变容量无限大，取、放热其温度不变 但违反了热但违反了热 力学第二定律力学第二定律 热二律与第二类永动机 第二类永动机：设想的从第二类永动机：设想的从单一热源单一热源取热并取热并 使之完全变为功的热机。使之完全变为功的热机。 这类永动机这类永动机 并不违反热力并不违反热力 学第一定律学第一定律 第二类永动机是不可能制造成功的第二类永动机是不可能制造成功的 环境是个大热源环境是个大热源 克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体而不引不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化起其它变化。 热量不可能自发地、不付代价地从低不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体温物体传至高温物体。 空调空调,制冷制冷 代价：耗功代价：耗功 两种表述的关系 开尔文普朗克开尔文普朗克 表述表述 完全等效完全等效! 克劳修斯表述克劳修斯表述： 违反一种表述违反一种表述,必违反另一种表述必违反另一种表述! 可逆可逆循环和循环和不可逆循环不可逆循环 循环由过程构成 不可逆循环 可逆 过程 不可逆 循环 可逆循环 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。 逆循环逆循环 p V T S 净效应：对内作功 净效应：放热 逆循环：逆时针方向（逆循环：逆时针方向（消耗功把热量由低温消耗功把热量由低温热源送至高温热源）热源送至高温热源） 2 1 1 2 动力循环与动力循环与制冷（热泵制冷（热泵) )循环循环 制冷制冷RefrigerationRefrigeration循环循环逆循环逆循环 输入功量（或其他代价），从低温热源取热输入功量（或其他代价），从低温热源取热 动力动力PowerPower循环循环正循环正循环 输入热输入热, ,通过循环输出功通过循环输出功 热泵热泵Heat PumpHeat Pump循环循环逆循环逆循环 输入功量（或其他代价），向高温热用户供热输入功量（或其他代价），向高温热用户供热 卡诺循环卡诺循环 理想可逆热机循环理想可逆热机循环 4 4- -1 1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功 1 1- -2 2定温吸热定温吸热过程，过程，q q1 1 = = T T1 1( (s s2 2- -s s1 1) ) 3 3- -4 4定温放热定温放热过程，过程，q q2 2 = = T T2 2( (s s2 2- -s s1 1) ) 2 2- -3 3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功 t1wq2212t,C121111TssTTssT 卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率 T1 T2 Rc q1 q2 w 122111qqqqq t,c只取决于只取决于恒温热源恒温热源T1和和T2 而与工质的性质无关；而与工质的性质无关； T1 t,c , T2 c ，温差越大，温差越大， t,c越高越高 t,c只取决于只取决于恒温恒温热源热源T1和和T2 而与工质的性质无关；而与工质的性质无关； 卡诺循环热机效率的说明 T1 t,c , T2 c ，温差越大，温差越大， t,c越高越高 当当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能单热源热机不可能 T1 = K, T2 = 0 K, t,c 100%， 热二律热二律 2212t,C121111TssTTssT t,Rt,任卡诺定理 热二律的推论之一 定理：在两个不同温度的定理：在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的间工作的 所有热机，以所有热机，以可逆热机可逆热机的热效率为的热效率为最高最高。 卡诺提出：卡诺提出：卡诺循环卡诺循环效率最高效率最高 即在恒温即在恒温T1、T2下下 1850年开尔文年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证年克劳修斯分别重新证明明 卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环从理论上确定了通过热机循环 实现热能转变为机械能的条件，指实现热能转变为机械能的条件，指 出了提高热机热效率的方向，是研出了提高热机热效率的方向，是研 究热机性能不可缺少的准绳。究热机性能不可缺少的准绳。 对热力学第二定律的建立具有对热力学第二定律的建立具有 重大意义。重大意义。 卡诺定理举例 A 热机是否能实现热机是否能实现 1000 K 300 K A 2000 kJ 800 kJ 1200 kJ 可能可能 如果：如果：W=1500 kJ 2tC13001170%1000TT 1500 kJ t150075%2000不可能不可能 500 kJ t1120060%2000wq逆卡诺循环逆卡诺循环（属可逆循环属可逆循环） 组成： c-b 工质可逆定熵压缩 b-a工质向高温热源可逆定温放热 a-d工质可逆定熵膨胀 d-c工质从低温冷源可逆定温吸热 冷源 T热源 TT2冷源 TT1热源 T逆卡诺循环的制冷系数逆卡诺循环的制冷系数 逆卡诺循环的供热系数： 1、2121TTT2112TTT 3、逆卡诺循环的制冷系数通常大于1。 4、逆卡诺循环可以用于供热和制冷。供热时叫做热泵。 1122、逆卡诺循环的制冷系数可能小于、等于、大于1。逆卡诺循环的供热系数大于1。 T0 c 逆卡诺循环理想制冷循环 Tk T0 制冷制冷 2212Cqqwqq221202122102()()()T ssTT ssT ssTTTk T0 Rc qk q0 w 0211TTT s s2 s1 T2 c T1 卡诺逆循环卡诺制热循环 T0 T1 制热制热 T s 1112qqwqq121112102110()()()T ssTT ssT ssTTT1 T0 Rc q1 q2 w 0111TTs2 s1 T0 两种补偿方法： 1. 消耗机械能或电能 2. 消耗热能 热量由低温物体传向高温物体，是一个非自发的过程，需要使用一定的设备，消耗外界能量作为补偿。 热力学第二定律热力学第二定律 制冷的热力学基础制冷的热力学基础 图图1 制冷机的能量转换关系制冷机的能量转换关系 (a) 以电能或机械能驱动的制冷机以电能或机械能驱动的制冷机 (b) 以热能驱动的制冷机以热能驱动的制冷机 热力学关心的是热力学关心的是能量转换的经济性能量转换的经济性，即花费一定的补偿能，即花费一定的补偿能，可以收到多少制冷效果（制冷量）。可以收到多少制冷效果（制冷量）。 对于机械或对于机械或电驱动电驱动方式的制冷机引入制冷系数方式的制冷机引入制冷系数 来衡量；来衡量； 对于对于热能驱动热能驱动方式的制冷机，引入热力系数来衡量。方式的制冷机，引入热力系数来衡量。 (1)制冷系数制冷系数 (2)热力系数热力系数 式中式中 - 制冷机的制冷量；制冷机的制冷量； - 制冷机的输入功；制冷机的输入功； - 驱动热源向制冷机输入的热量。驱动热源向制冷机输入的热量。 习惯上将制冷系数和热力系数统称为制冷机的习惯上将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数性能系数COP(Coefficience of Performance)COP(Coefficience of Performance)。 制冷的热力学基础制冷的热力学基础 冰箱的组成冰箱的组成 单门电冰箱单门电冰箱 热源温度不变时的逆向可逆循环热源温度不变时的逆向可逆循环 1-2 等熵压缩 2-3 等温放热 3-4 等熵膨胀 4-1 等温吸热 特点特点 两个恒温热源两个恒温热源 两个等温过程两个等温过程 两个等熵过程两个等熵过程 逆卡诺循环逆卡诺循环 高温热源（环境介质）的温度Tk=制冷剂放热时的温度Tk 低温热源（被冷却对象）的温度T0=制冷剂吸热时的温度T0 制冷系数制冷系数 1100000TTTTTwqkkcTkT T0 Rc q q0 w0 1）工作在两个恒温热源问的可逆制冷循环，仅与热源温度有关，与系统所用的制冷剂性质无关。 2)制冷系数值与两个热源高、低温度的比值相关。高温热源温度越低，低温热源温度越高，制冷系数越高，说明系统循环效率高；反之亦然。 3)求得的制冷系数值最大，表明输入单位功得到的制冷量最多。 仅供教材参考，请勿他用 一、一、理想的制冷循环是按逆卡诺循环进行的。 实现逆卡诺循环的重要条件： 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的换热无传热温差； 制冷工质流经各个设备时无摩擦损失及其它内部不可逆损失。 逆卡诺循环是由两个定温和两个绝热过程组成。在湿蒸气区区域内进行的逆卡诺循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器，其制冷循环以及循环过程在T-S图上的表示如下页图1-1所示。 理想制冷循环理想制冷循环 仅供教材参考，请勿他用 图图1-1 逆卡诺循环过程逆卡诺循环过程 第一节第一节 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理 仅供教材参考，请勿他用 12为绝热压缩过程，为绝热压缩过程，制冷剂由状态1经过绝热压缩（等熵压缩）到状态2，消耗机械功Wc，制冷剂的温度由To升至Tk。 23为等温冷凝过程为等温冷凝过程，制冷剂在TK下向冷却剂放出冷凝热量qK，然后被冷却到状态3 。 34为绝热膨胀过程，为绝热膨胀过程，制冷剂由状态3绝热膨胀（等熵膨胀）到状态4，膨胀机输出功We，制冷剂的温度由Tk降到To。 41为等温吸热过程为等温吸热过程,制冷剂 由状态4等温To下从被冷却物体中吸取热量qo（即制取单位制冷量qo），这时制冷剂又恢复到初始状态1，这样便完成了一个制冷循环。如果循环继续重复进行，则要不断地消耗机械功，才能不断地进行制冷。 制冷剂在逆卡诺制冷循环中包括四个热过程。 仅供教材参考，请勿他用 1）压缩过程在湿蒸气区中进行的，危害性很大。（什么是湿压缩，湿压缩的危害？） 2）膨胀机等熵膨胀不经济，不现实。因此，在实际蒸气压缩式制冷循环中采用膨胀阀（也称节流阀）代替膨胀机。 3）无温差的传热实际上是不可能的。因为冷凝器和蒸发器不可能有无限大的传热面积。所以实际循环只能使蒸发温度低于被冷却物体的温度，冷凝温度高于冷却剂的温度。 虽然逆卡诺循环制冷系数最大，但只是一个理想制冷循环，在实际工程中无法实现，但是通过该循环的分析所得出的结论对实际制冷循环具有重要的指导意义，对提高制冷装置经济性指出了重要的方向。 逆卡诺循环实现的困难逆卡诺循环实现的困难 为了评价实际制冷循环与可逆制冷循环的接近程度，引入制冷循环热力完善度的概念。 可逆循环性能系数实际循环性能系数热力完善度 c10的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。 热力完善度热力完善度 1)相同点：均可反映制冷循环的经济性。 2)不同点： 制冷性能系数与循环中传热温差、制冷剂特性、各部件效率以及系统损失有关，是衡量制冷机械自身经济性的一个绝对值。分析比较某一制冷机械的性能系数时，需要针对同一机型、相同热源条件和测试标准来进行，否则，不具备可比性。 热力完善度是度量某一个实际制冷循环与可逆制冷循环的比值，是表示某一类制冷机械实际循环效率与可逆循环的理想值的差异程度，是一个相对值。在任意热源工作条件、任一机型之间均具有可比性。 制冷系数和热力完善度比较制冷系数和热力完善度比较 两台制冷机的冷热源温度同为两台制冷机的冷热源温度同为T0=260K，Tk=300K，其制冷系数，其制冷系数为为E1=5.0，E2=4.0，试问哪台制冷机，试问哪台制冷机的经济性好？若两台制冷机的冷热源温度不同：分的经济性好？若两台制冷机的冷热源温度不同：分别为别为T01=260K，Tk1=300K， T02=240K，Tk2=300K，试问哪台制冷机的经济性好？，试问哪台制冷机的经济性好？ 有关计算题有关计算题 有传热温差的制冷循环有传热温差的制冷循环 T Tk k冷却介质的温度 T T0 0被冷却对象的温度 逆卡诺循环： 1-2-3-4-1 T Tk k 冷凝器中制冷剂的温度 T T0 0 蒸发器中制冷剂的温度 有传热温差的循环：1-2-3-4-1 耗功量增加：阴影面积 制冷量减少：1-1-4-4-1 有传热温差的循环1-2-3-4-1的制冷系数为 逆卡诺循环的制冷系数 热力完善度 1c To ToTo =c= = TkTo （Tk+Tk）（ToTo） ToTo = （TkTo）+（Tk+To） To c= TkTo 有一逆卡诺循环，其被冷却物体有一逆卡诺循环，其被冷却物体(冷源）冷源）的温度恒的温度恒定为定为5，热源热源温度为温度为40,求其制冷系数。求其制冷系数。 有一理想制冷循环，被冷却物体有一理想制冷循环，被冷却物体(冷源）冷源）的温度恒的温度恒定为定为5，环境介质，环境介质(热源）热源）的温度为的温度为25，两个，两个传传热过程的传热温差均为热过程的传热温差均为5，试问：，试问： a) 逆卡诺循环的制冷系数为多少？逆卡诺循环的制冷系数为多少？ b) 当考虑传热温差时，制冷系数当考虑传热温差时，制冷系数又是多少又是多少? 有关计算题有关计算题 q2 q2 q1 q1 w w T2 T0 T0 T1 两者的目的和着眼点不同两者的目的和着眼点不同 制冷制冷 热泵热泵 高温高温 高温高温 低温低温 低温低温 两者的工作温度范围不同两者的工作温度范围不同 工工作作原原理理相相同同 热泵循环热泵循环 主要有两点： 两者的目的不同。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。 两者的工作温区往往有所不同。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。对同一环境温度来说，热泵的工作温区就明显高于制冷机 热泵与制冷机的区别热泵与制冷机的区别 T0 T2 T1 制冷制冷 制热制热 T s 两者的工作温区不同。两者的工作温区不同。 W T0 Q1 Q2 T2 制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数 两者的目的不同。两者的目的不同。 W T1 Q1 Q2 T0 制热循环：制热系数制热循环：制热系数 q2 q2 q1 q1 w w T2 T0 T0 T1 2qw制冷制冷系数系数 制热制热系数系数 11qw12qqwww制冷制冷 热泵热泵 热泵系数永远大于1，所以，从能量利用角度，热泵比直接消耗电能或燃料获取热量的要节能。 64 第一章第一章 制冷的热力学原理制冷的热力学原理 ？使制冷剂在较低温度和压力下吸热蒸发，在较使制冷剂在较低温度和压力下吸热蒸发，在较高温度下冷凝放热。高温度下冷凝放热。 65 第一章第一章 制冷的热力学原理制冷的热力学原理 对于小型空调器对于小型空调器 R22: 蒸发温度蒸发温度t0=7.2， 蒸发压力蒸发压力p0=0.625MPa 冷凝温度冷凝温度tk=54.4， 冷凝压力冷凝压力pk=2.146MPa