熱機制冷機以及卡諾循環(huán)課件

1、熱機制冷機以及卡諾循環(huán),成員： 陳亮糖（50%）,2,循環(huán)過程應(yīng)用非常常見，如汽車發(fā)動機、蒸汽機等，還有冰箱、空調(diào)等，它們分別以不同的方式利用了不同種類的循環(huán)過程，最終具有了各自不同的功能。,那么，這些機器和設(shè)備是怎樣利用循環(huán)過程來達到各自的目的？對于它們什么是最關(guān)鍵的指標？工程師設(shè)計高性能的機器和設(shè)備以及提高其性能的依據(jù)是什么呢？,循環(huán)過程及其在工程中的應(yīng)用,1. 循環(huán)過程,循環(huán)過程系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過任意一系列的狀態(tài)，最后又回到原來狀態(tài)的過程。E = 0。,2. 準靜態(tài)循環(huán)過程,只有準靜態(tài)過程在P-V圖上有對應(yīng)的過程曲線。準靜態(tài)循環(huán)過程對應(yīng)于P-V圖上一封閉的曲線。,3. 正循環(huán)與逆循

2、環(huán),正循環(huán)在P-V圖上按順時針方向進行的循環(huán)。,逆循環(huán)在P-V圖上按逆時針方向進行的循環(huán)。,對如圖示的正循環(huán)，由12的膨脹過程中系統(tǒng)對外作正功,4. 正循環(huán)過程的功能轉(zhuǎn)換,由2 1的壓縮過程中系統(tǒng)對外作負功,正循環(huán)過程中，系統(tǒng)對外作的總功（凈功）為：,正循環(huán),可見，正循環(huán)過程中系統(tǒng)對外作正功。,逆循環(huán),5. 逆循環(huán)過程的功能轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)對外作的凈功 W= - W1+W20即外界對系統(tǒng)作功。,系統(tǒng)從外界吸收的凈熱 Q=- Q1+Q20即系統(tǒng)向外（高溫熱源）放熱。,由熱力學(xué)第一定律， Q=W0， Q1=Q2+W,由此可見，在逆循環(huán)過程中，外界對系統(tǒng)作功，把熱量由低溫熱源傳遞到高溫熱源。,那么，外界對

3、系統(tǒng)作的功可使多少熱量由低溫熱源傳到高溫熱源呢？這就是致冷機的效率問題。,1. 熱機,把熱能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置稱為熱機，如蒸汽機、汽車發(fā)動機等。,2. 熱機工作特點,需要一定工作物質(zhì)。,至少需要兩個熱源。,工作物質(zhì)作正循環(huán)。,正循環(huán),3.工作示意圖,高溫熱源T1,低溫熱源T2,熱機從高溫熱源吸取熱量，一部分轉(zhuǎn)變成功，另一部分放到低溫熱源。,4.熱機效率,熱機效率,如果從高溫源吸取的熱量轉(zhuǎn)變成的功越多，則熱機效率就越大。,熱機 ：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器 .,工作物質(zhì)（工質(zhì)）：熱機中被利用來吸收熱量并對外做功的物質(zhì) .,致冷機的工作物質(zhì)作逆循環(huán)。通過外界對系統(tǒng)作功將系統(tǒng)由低溫源吸收的熱量傳遞到

4、高溫源，從而使低溫源溫度降低。,逆循環(huán),例如：電冰箱、空調(diào)都屬于致冷機。,高溫熱源T1,低溫熱源T2,1.工作示意圖,致冷機是通過外界作功將低溫源的熱量傳遞到高溫源中，使低溫源溫度降低。,2.致冷系數(shù),如果外界做一定的功，從低溫源吸取的熱量越多，致冷效率越大。,室外,室內(nèi),致冷系數(shù),由能量守恒,電冰箱的工作物質(zhì)為氟里昂 12 (CCL2F2)，氟里昂對大氣的臭氧層有破壞的作用，2005 年我國將停止使用氟里昂作致冷劑。以保護臭氧層。溴化鋰致冷和半導(dǎo)體致冷已進入市場。,節(jié)流閥,冷凝器,壓縮機,冰室,3.電冰箱工作原理,冰箱循環(huán)示意圖,空調(diào)機不僅可以制冷，而且也可制熱。將其稱為熱泵。,高溫熱源T1

5、,低溫熱源T2,室外,室內(nèi),熱泵是通過外界作功，將低溫源（室外）的熱量泵到高溫源（室內(nèi)），與制冷機順序相反。,1.供暖系數(shù),如果外界做一定的功，泵到高溫源的熱量越多，供暖系數(shù)就越大。,由能量守恒,1.卡諾正循環(huán)與卡諾熱機,卡諾循環(huán)工作物質(zhì)只與兩個恒溫熱源交換熱量的循環(huán)。正、逆循環(huán)分別對應(yīng)于卡諾熱機和制冷機。,準靜態(tài)卡諾循環(huán)由兩個等溫過程和兩個絕熱過程構(gòu)成的循環(huán)。,2. 理想氣體準靜態(tài)卡諾循環(huán) 及其效率,在此僅限于討論準靜態(tài)卡諾循環(huán)。,正循環(huán)與功能轉(zhuǎn)換,吸熱,3 - 4 等溫收縮過程,放熱,1 - 2 的等溫膨脹過程,2 3的絕熱膨脹過程,4 1的絕熱壓縮過程,整個循環(huán)過程中系統(tǒng)吸收的凈熱等于系

6、統(tǒng)對外的功,效率,由2 -3和4-1的 絕熱膨脹和壓縮過程方程,上兩式相比,即,可見，理想氣體準靜態(tài)卡諾循環(huán)的效率只由高低溫熱源的熱力學(xué)溫度決定，與具體的工作物質(zhì)無關(guān)。,卡諾熱機的效率,3.提高熱機效率的方法。,T2/T1越小越好，但低溫熱源的溫度通常為外界大氣的溫度，難以人為地改變。因此通常以提高高溫熱源的溫度來提高熱機的效率。,23,解：根據(jù)卡諾熱機的循環(huán)效率可得，地熱發(fā)電機的熱機效率為,則發(fā)電機每小時對外做的功為,發(fā)電機的輸出功率為,24,汽車發(fā)動機熱機,汽油機的循環(huán)過程,一般汽車發(fā)動機的循環(huán)過程由兩個等容過程和兩個絕熱組成，其中AB和CD為絕熱過程，該循環(huán)過程決定了發(fā)動機的關(guān)鍵性技術(shù)指標熱機效率。,25,汽車發(fā)動的熱機效率為,其中，TA為燃料燃燒前的溫度， TA為燃料燃燒后的溫度；V1為氣體壓縮前的體積，V2為氣體壓縮后的體積。,26,提高汽車發(fā)動機效率的途徑,（1）提高高溫熱源的溫度（發(fā)動機本身的溫度），陶瓷外殼的發(fā)動機 （2）提高發(fā)動機的壓縮比（用壓縮前的氣缸總?cè)莘e與壓縮后的氣缸容積