第三章 制冷的熱力學(xué)基本原理-沈淳-2015412----

1、第三章第三章 制冷的熱力學(xué)基本原理制冷的熱力學(xué)基本原理第三章第三章 制冷的熱力學(xué)基本原理制冷的熱力學(xué)基本原理 從熱力學(xué)角度，制冷系統(tǒng)是利用逆向循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。從熱力學(xué)角度，制冷系統(tǒng)是利用逆向循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 按能量補(bǔ)償方式，各種制冷方法主要?dú)w為兩大類：按能量補(bǔ)償方式，各種制冷方法主要?dú)w為兩大類：（1 1）以機(jī)械能或電能為補(bǔ)償）以機(jī)械能或電能為補(bǔ)償 如：蒸汽壓縮制冷，氣體膨脹制冷，熱電制冷，電化學(xué)制冷如：蒸汽壓縮制冷，氣體膨脹制冷，熱電制冷，電化學(xué)制冷（2 2）以熱能為補(bǔ)償）以熱能為補(bǔ)償 如：吸收式制冷，蒸汽噴射式制冷，固體吸附式制冷如：吸收式制冷，蒸汽噴射式制冷，固體吸附式制冷第一節(jié)第

2、一節(jié) 制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)1以機(jī)械能或電能驅(qū)動的制冷機(jī)，引入以機(jī)械能或電能驅(qū)動的制冷機(jī)，引入制冷系數(shù)制冷系數(shù)以熱能驅(qū)動方式的制冷機(jī)，引入以熱能驅(qū)動方式的制冷機(jī)，引入熱力系數(shù)熱力系數(shù) 制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)國外習(xí)慣上將制冷系數(shù)和熱力系數(shù)統(tǒng)稱為國外習(xí)慣上將制冷系數(shù)和熱力系數(shù)統(tǒng)稱為制冷機(jī)的性能系數(shù)制冷機(jī)的性能系數(shù)COP ( Coefficient of performance ) 00WQ對開啟式對開啟式 ， 軸功率制冷量對封閉式對封閉式 ，電功率制冷量 以機(jī)械能或電能驅(qū)動的制冷機(jī)，其以機(jī)械能或電能驅(qū)動的制冷機(jī)，其制冷系數(shù)制冷系數(shù)chapter 3 The Es

3、sense of Thermodynamics1 以熱能驅(qū)動方式的制冷機(jī)，其以熱能驅(qū)動方式的制冷機(jī)，其熱力系數(shù)熱力系數(shù)gQQ0- 驅(qū)動熱源向制冷機(jī)輸入的熱量驅(qū)動熱源向制冷機(jī)輸入的熱量 以熱能驅(qū)動方式的制冷機(jī)，從驅(qū)動熱源吸收熱量，完成以熱能驅(qū)動方式的制冷機(jī)，從驅(qū)動熱源吸收熱量，完成從低溫?zé)嵩次鼰?、向高溫?zé)嵩捶艧岬哪芰哭D(zhuǎn)換，從而達(dá)到制從低溫?zé)嵩次鼰帷⑾蚋邷責(zé)嵩捶艧岬哪芰哭D(zhuǎn)換，從而達(dá)到制冷目的。冷目的。 可分析得到，熱能驅(qū)動的可逆制冷劑的熱力系數(shù)也只與可分析得到，熱能驅(qū)動的可逆制冷劑的熱力系數(shù)也只與驅(qū)動熱源溫度、高溫?zé)嵩礈囟?、低溫?zé)嵩礈囟扔嘘P(guān)，而與工驅(qū)動熱源溫度、高溫?zé)嵩礈囟?、低溫?zé)嵩礈囟扔嘘P(guān)，而與

4、工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。驅(qū)動熱源的品位越高，高低溫?zé)嵩礈囟仍浇淤|(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。驅(qū)動熱源的品位越高，高低溫?zé)嵩礈囟仍浇咏?，則熱力系數(shù)越大。近，則熱力系數(shù)越大。4chapter 3 The Essense of Thermodynamics1 實(shí)際制冷循環(huán)都是不可逆的，其性能系數(shù)實(shí)際制冷循環(huán)都是不可逆的，其性能系數(shù)COP恒小于相同恒小于相同條件下的可逆機(jī)的性能系數(shù)條件下的可逆機(jī)的性能系數(shù)COPc。 用用制冷循環(huán)的熱力完善度制冷循環(huán)的熱力完善度來評價(jià)實(shí)際制冷循環(huán)與可逆循環(huán)來評價(jià)實(shí)際制冷循環(huán)與可逆循環(huán)的接近程度。的接近程度。cc10越大，循環(huán)越好，熱力學(xué)的不可逆損失越小。越大，循環(huán)越好，熱力學(xué)的不可逆損失越小。

5、5一、逆卡諾循環(huán)一、逆卡諾循環(huán) The reversed Carnot Cycle 4-1 可逆定溫吸熱可逆定溫吸熱 。Reversible constant-temperature , heat absorption 1-2 可逆絕熱可逆絕熱 (定熵定熵)壓縮，耗功；壓縮，耗功； Reversible adiabatic compress2-3 可逆定溫放熱可逆定溫放熱 ； Reversible constant-temperature, heat rejection3-4 可逆絕熱可逆絕熱 (定熵定熵)膨脹，對外作功；膨脹，對外作功；Reversible adiabatic expansi

6、on第二節(jié)第二節(jié) 蒸汽壓縮制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析蒸汽壓縮制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析 r1kTT 2r20TT 0223面積)(1414kkssssTq0441面積)(414100ssssTq00kwqqq3012345面積)(140ssTTk0k000TTTWQR00TTTWQkkkHP單位制冷量（單位吸熱量）單位制冷量（單位吸熱量）heat absorption ： 單位功耗：單位功耗：制冷系數(shù)制冷系數(shù)COP：對熱泵，供熱系數(shù)對熱泵，供熱系數(shù)COP ：單位放熱量單位放熱量 heat rejection（1 1）應(yīng)盡可能降低高溫?zé)嵩刺幍姆艧釡囟龋?yīng)盡可能降低高溫?zé)嵩刺幍姆艧釡囟?，但通常向環(huán)，但通常向

7、環(huán)境放熱，應(yīng)使之接近環(huán)境溫度境放熱，應(yīng)使之接近環(huán)境溫度 最經(jīng)濟(jì)。最經(jīng)濟(jì)。（2 2）在滿足制冷能力的前提下，就盡可能提高低溫?zé)嵩刺帲┰跐M足制冷能力的前提下，就盡可能提高低溫?zé)嵩刺幍奈鼰岬臏囟鹊奈鼰岬臏囟?，使之接近環(huán)境溫度，使之接近環(huán)境溫度 。（3 3）在恒定的高、低溫?zé)嵩磧?nèi)（）在恒定的高、低溫?zé)嵩磧?nèi)（ 、 一定）時，逆卡諾一定）時，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最高。循環(huán)的制冷系數(shù)最高。0k000RTTTWQc0TkT4可見，工質(zhì)放熱溫度可見，工質(zhì)放熱溫度 ，工質(zhì)吸熱溫度，工質(zhì)吸熱溫度 1rT0TkT2rT1rT2rT溫熵圖一點(diǎn)：臨界點(diǎn)三區(qū)：氣相區(qū)、液相區(qū)、 濕蒸氣區(qū)五態(tài)：過冷液體、飽和液體、 飽和蒸氣

8、、過熱蒸氣、 濕蒸氣 八線：等壓線、等焓線、等溫線、 等熵線、飽和蒸氣線、飽和液體線、 等干度線、 等容線51. 濕蒸汽區(qū)逆卡諾循環(huán)的理論實(shí)現(xiàn)濕蒸汽區(qū)逆卡諾循環(huán)的理論實(shí)現(xiàn) 由于蒸發(fā)、冷凝過程是等溫等壓的吸熱、放熱過程，由于蒸發(fā)、冷凝過程是等溫等壓的吸熱、放熱過程，從理論上講，在濕蒸氣區(qū)，蒸汽壓縮制冷循環(huán)完全可從理論上講，在濕蒸氣區(qū)，蒸汽壓縮制冷循環(huán)完全可以實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)，以獲得最大的制冷系數(shù)。以實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)，以獲得最大的制冷系數(shù)。 一般工質(zhì)的汽化潛熱比較大，利用工質(zhì)相變可獲得一般工質(zhì)的汽化潛熱比較大，利用工質(zhì)相變可獲得相當(dāng)大的單位制冷量，使制冷能力較大。相當(dāng)大的單位制冷量，使制冷能力較大。1

9、1（2 2）采用汽液分離器或過熱蒸汽）采用汽液分離器或過熱蒸汽 過熱：過熱：有效過熱有效過熱由蒸發(fā)器完成由蒸發(fā)器完成 有害過熱有害過熱由外環(huán)境完成由外環(huán)境完成 有害過熱主要是蒸發(fā)器至壓縮機(jī)管道受熱，使制冷量不變，但壓有害過熱主要是蒸發(fā)器至壓縮機(jī)管道受熱，使制冷量不變，但壓縮機(jī)耗功增加，最終使制冷系數(shù)降低?？s機(jī)耗功增加，最終使制冷系數(shù)降低。 所以，要求所以，要求 對蒸發(fā)器至壓縮機(jī)的管道保溫。對蒸發(fā)器至壓縮機(jī)的管道保溫。（1）以節(jié)流閥取代膨脹機(jī)）以節(jié)流閥取代膨脹機(jī) 雖損失了一些功（膨脹機(jī)作功）雖損失了一些功（膨脹機(jī)作功）和制冷量，但設(shè)備簡單可靠，和制冷量，但設(shè)備簡單可靠，且用節(jié)流閥也便于調(diào)節(jié)。且用

10、節(jié)流閥也便于調(diào)節(jié)。 為防止壓縮機(jī)液擊，進(jìn)入壓縮機(jī)中的工質(zhì)為防止壓縮機(jī)液擊，進(jìn)入壓縮機(jī)中的工質(zhì) 至少應(yīng)為干飽和蒸汽，這樣，壓縮機(jī)雖多消耗一些功、工質(zhì)平均放熱溫至少應(yīng)為干飽和蒸汽，這樣，壓縮機(jī)雖多消耗一些功、工質(zhì)平均放熱溫 度升高，但壓縮機(jī)工作穩(wěn)定、效率高、且制冷量也有所增加。度升高，但壓縮機(jī)工作穩(wěn)定、效率高、且制冷量也有所增加。 為保證進(jìn)入壓縮機(jī)的工質(zhì)至少為干飽和蒸汽，應(yīng)采用汽液分離器或采用為保證進(jìn)入壓縮機(jī)的工質(zhì)至少為干飽和蒸汽，應(yīng)采用汽液分離器或采用有一定過熱度的過熱蒸汽。有一定過熱度的過熱蒸汽。chapter 3 The Essense of Thermodynamics12 （3）工質(zhì)過冷

11、）工質(zhì)過冷 由于蒸汽的存在會使制冷工質(zhì)流過節(jié)流閥時流動不穩(wěn)定、質(zhì)由于蒸汽的存在會使制冷工質(zhì)流過節(jié)流閥時流動不穩(wěn)定、質(zhì)量流量減少，常在冷凝器中使制冷工質(zhì)具有一定的過冷度。量流量減少，常在冷凝器中使制冷工質(zhì)具有一定的過冷度。 節(jié)流前的制冷工質(zhì)液體冷卻到低于冷凝溫度的稱液體過冷，節(jié)流前的制冷工質(zhì)液體冷卻到低于冷凝溫度的稱液體過冷，該溫差稱為過冷度，有液體過冷的循環(huán)稱過冷循環(huán)。該溫差稱為過冷度，有液體過冷的循環(huán)稱過冷循環(huán)。 在耗功不變的情況下，過冷可增加制冷量，使制冷系數(shù)增加。在耗功不變的情況下，過冷可增加制冷量，使制冷系數(shù)增加。12m等壓線等壓線 水平線水平線m等焓線等焓線 垂直線垂直線m等干度線等

12、干度線 濕蒸氣區(qū)域內(nèi)曲線濕蒸氣區(qū)域內(nèi)曲線m等熵線等熵線 向右上方大斜率曲線向右上方大斜率曲線m等容線等容線 向右上方小斜率曲線向右上方小斜率曲線m等溫線等溫線 垂直線（液相區(qū)）垂直線（液相區(qū)）水平線（兩相區(qū)）水平線（兩相區(qū)） 向右下方彎曲（過熱蒸氣區(qū)）向右下方彎曲（過熱蒸氣區(qū)）3. 壓壓-焓圖焓圖 （ ln p-h圖圖 ）R717壓焓圖壓焓圖R22壓焓圖壓焓圖R134a壓焓圖壓焓圖3. 壓壓-焓圖焓圖 （ ln p-h圖圖 ）23hhqk12s0)(hhwwc1-2 可逆絕熱壓縮可逆絕熱壓縮2-3 可逆定溫放熱可逆定溫放熱3-4 絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流 43hh 124102hhhhwq制冷系數(shù)制冷

13、系數(shù) 4-1 可逆定溫吸熱可逆定溫吸熱吸熱量即制冷量吸熱量即制冷量014qhh17184. 真正的實(shí)際循環(huán)真正的實(shí)際循環(huán) 由于傳熱溫差、流動阻力存在，使由于傳熱溫差、流動阻力存在，使在相同的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度范圍內(nèi)，在相同的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度范圍內(nèi)，真正的實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)存在一些差真正的實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)存在一些差別。別。使使23線高于線高于2323線，線，4 41 1線低于線低于4141線。線。 冷卻水或冷卻空氣的溫度低于冷凝溫度冷卻水或冷卻空氣的溫度低于冷凝溫度T Tk k，且是變化，且是變化 （入口溫度低、出口溫度高）；載冷劑或冷庫的溫度高于蒸（入口溫度低、出口溫度高）；載冷劑或冷庫的

14、溫度高于蒸發(fā)溫度，載冷劑或冷庫的溫度也是變化的（入口溫度高、出發(fā)溫度，載冷劑或冷庫的溫度也是變化的（入口溫度高、出口溫度低）?？跍囟鹊停＃? 1）傳熱溫差的存在）傳熱溫差的存在19（2）吸入壓縮機(jī)的蒸汽并非絕熱壓縮。）吸入壓縮機(jī)的蒸汽并非絕熱壓縮。（3）流動阻力的存在）流動阻力的存在 蒸汽首先被汽缸壁加熱，壓縮后的蒸蒸汽首先被汽缸壁加熱，壓縮后的蒸汽溫度高于汽缸壁，又通過缸壁放熱，壓汽溫度高于汽缸壁，又通過缸壁放熱，壓縮中蒸汽溫度與缸壁溫差較小，近乎絕熱?？s中蒸汽溫度與缸壁溫差較小，近乎絕熱。壓力下降，使壓力下降，使23線、線、41成為斜線，并非完全定溫過程。成為斜線，并非完全定溫過程。 壓

15、縮機(jī)進(jìn)氣閥、排氣閥處氣閥阻力的存在，導(dǎo)致壓力下壓縮機(jī)進(jìn)氣閥、排氣閥處氣閥阻力的存在，導(dǎo)致壓力下降；蒸發(fā)器、冷凝器中流動阻力的存在，也導(dǎo)致壓降，使降；蒸發(fā)器、冷凝器中流動阻力的存在，也導(dǎo)致壓降，使2 23 3線、線、4 41 1線成為斜線，并非完全定溫過程。線成為斜線，并非完全定溫過程。例3-1：制冷工質(zhì)為R22，試對該理論循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算。解： 基本思路為： 首先由tk得到：Pk、h3、h4 由t0得到：P0、h1、v1 由pk、p0得到：h2 然后按熱力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算0000103555ktCtCQkW 三、單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)熱力計(jì)算三、單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)熱力計(jì)算01401000210

16、01000230/vmmVmkkmkcqhhqqvqQqwhhPq wqq vQPqhhQq q單位質(zhì)量制冷量： 單位容積制冷量： 質(zhì)量流量： 理論比功： 理論功率： 容積流量： 制冷系數(shù)： 單位熱負(fù)荷： 熱負(fù)荷： 熱力完善度： 例32 :某空調(diào)用制冷系統(tǒng)，制冷工質(zhì)為R22，所需制冷量Q0為50kW，空調(diào)用冷水溫度tc10，冷卻水溫度tw=32，蒸發(fā)器端部傳熱溫差取t05，冷凝器端部傳熱溫差取tk8，試進(jìn)行循環(huán)的熱力計(jì)算。計(jì)算中取液體過冷度tg5，吸氣管路有害過熱度tr5，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)0.8，指示效率i0.8。 lgp0h1132s24壓縮機(jī)的指示功壓縮機(jī)的指示功Ni :直接用于氣體壓縮消

17、耗的功，直接用于氣體壓縮消耗的功， 可用儀器測得的壓縮機(jī)示功圖計(jì)算得到?？捎脙x器測得的壓縮機(jī)示功圖計(jì)算得到。壓縮機(jī)的理論功壓縮機(jī)的理論功N : 按等熵壓縮過程消耗的功。按等熵壓縮過程消耗的功。壓縮機(jī)的指示效率壓縮機(jī)的指示效率i ：補(bǔ)充概念：指示功（率）理論功（率）iNNi 指示效率指示效率 和機(jī)械效率和機(jī)械效率 的乘積通常稱為壓縮機(jī)的總效率的乘積通常稱為壓縮機(jī)的總效率，它能反映壓縮機(jī)在某工況下運(yùn)行時的各種損失。它能反映壓縮機(jī)在某工況下運(yùn)行時的各種損失。 軸功率軸功率 Shaft PowerShaft Power ， ： 壓縮機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)存在各種機(jī)械摩擦損失，如軸承、連桿壓縮機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)存在各種

18、機(jī)械摩擦損失，如軸承、連桿、活塞環(huán)等各摩擦件所消耗的功率、曲軸驅(qū)動油泵工作也需要、活塞環(huán)等各摩擦件所消耗的功率、曲軸驅(qū)動油泵工作也需要消耗功率，這些耗功率損失可用機(jī)械效率消耗功率，這些耗功率損失可用機(jī)械效率 來表示，相應(yīng)的來表示，相應(yīng)的功率為壓縮機(jī)的軸功率。功率為壓縮機(jī)的軸功率。bNmmimibNNNkWim補(bǔ)充概念：23lg p0h11 32 s24014010002102100/vmsiiimqhhqqvqQqwhhwwhhwPq w單位質(zhì)量制冷量： 單位容積制冷量： 質(zhì)量流量： 理論比功： 指示比動： 理論功率： 01000023/iiVmVVhiikkmkicccwcPPqq vqqQ

19、PQPqhhQq qttt指示功率： 容積流量： 理論容積流量： 制冷系數(shù)： 單位熱負(fù)荷： 熱負(fù)荷： 熱力完善度： 例33:某單位現(xiàn)有一臺106F型制冷壓縮機(jī)，欲用來配一座小型冷庫，庫溫要求為tc10，水冷冷凝器的冷卻水溫tw=30，試對循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算。已知壓縮機(jī)參數(shù)：缸徑D100mm，行程S70mm，氣缸數(shù)Z6，轉(zhuǎn)速n1440r/min，蒸發(fā)器傳熱溫差取t010，冷凝器傳熱溫差取tk5，制冷工質(zhì)為R22，蒸發(fā)器出口的過熱度為5，管路過熱為5，液體過冷溫度為32，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)0.6，指示效率i0.65，機(jī)械效率m0.9。lgp0h132s2410140102100000/vsiiiiqh

20、hqqvwhhwwqwqwk0循環(huán)特性： 壓力比： p /p 單位質(zhì)量制冷量： 單位容積制冷量： 理論比功： 指示比動： 制冷系數(shù)： 實(shí)際制冷系數(shù)： 10000/hVsVmVsmmimieimqqqqvq qq wq wPh2V2s121ik制冷機(jī)特性參數(shù)： 理論輸氣量： q =D SnZ 4 實(shí)際輸氣量： 制冷劑質(zhì)量流量： 制冷量： Q 理論功率： P 指示功率： P 軸功率： Ph -h 冷凝器熱負(fù)荷： h =h + Q =qm23(h -h )chapter 3 The Essense of Thermodynamics27三、單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)熱力計(jì)算三、單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)熱力計(jì)算1. 一臺以一臺以R134a 為工質(zhì)的單級蒸汽壓縮制冷為工質(zhì)的單級蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)溫度為系統(tǒng)，蒸發(fā)溫度為-20，冷凝溫度為，冷凝溫度為40，過熱度過熱度10 ，過冷度，過冷度5 ，試進(jìn)行理論循環(huán)，試進(jìn)行理論循環(huán)的熱力計(jì)算。的熱力計(jì)算。27chapter 3 The Essense of Thermodynamics28 2. 一臺以一臺以R134a 為工質(zhì)的單級蒸汽壓縮制冷為工質(zhì)的單級蒸汽壓縮制冷