暖通空调知识讲解

术
T( )P= T
JT =0 节流时温度不变
T( )P< T
JT <0 节流时温度升高
(3) 转化温度与转化曲线
范德瓦尔 状态方程
a
( P 2 )( b) RT
(1-53)
制
冷 原
转化温度
Ti

2a bR
(1
b

)2
(1-55)
理 与
转化温度与 压力的关系
术
稳定流动能量平衡方程
wi h1 h2
(1-25)
图1-5 换热器能量平衡
图1-6 喷管能量转换
制
冷
原
理 工质流经换热器时和外 工质流经喷管和扩压 与 界有热量交换而无功的 管时不对设备作功 ，
技 交换，动能差和位能差 热量交换可忽略不计 术 也可忽略不计
1kg的工质吸热量
1kg工质动能的增加
原
运动动能及位能的总和 。
理 与
E－总能， Ek －动能 Ep －位能 E=U+Ek+Ep
(1-2)
技
若工质质量m，速度cf，重力场中高度z
术
宏观动能
Ek

1 2
mc
2 f
重力位能 E p mgz
工质的总能
E
U

1 2
mc
2 f

mgz
(1-3)
比总能
e

u

1 2
c
2 f

gz
(1-4)
与
技
q du w (1-12c)
术
式(1-12) 对闭口系普遍适用，适用于可逆
过程也适用于不可逆过程，对工质性质也无
限制。
热量Q
系统吸热Q+
功W
代数值 系统对外作功W+
热力学能变量Δ U
系统热力学能增大Δ U+
制
可逆过程 W pdV
冷 原
2
Q dU pdV ,Q U 1 pdV
(1-9)
4．热力学第一定律的基本能量方程式
进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加 (1-10)
制
冷 4.1 闭口系统的能量平衡
原 工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功 理 W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则 与 工质储存能的增加即为热力学能的增加Δ U
技 热力学第一定律的解析式 术
d
d
d
冷 原
系统只有单股流体进出，qm1

m1 d
qm2
m2 d
qm
理
q

h
1 2
c
2 f

gz

wi
(1-21)
与
技 术
微量形式
q

dh
1 2
dc
2 f

gdz wi
(1-22)
当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程
Q

H

1 2
mc2f

mgz
焓
用符号H表示，单位是焦耳 （J）
制
H= U+pV
(1-5)
冷
比焓
原
用符号h表示，单位是焦耳/千克 （J／kg）
理
h u pv
(1-6)
与 技
焓是一个状态参数。
术
焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数。 如：h=f(T,v) 或 h=f(p,T); h=f(p,v)
2
h1a2 h1b2 1 dh h2 h1
术
JT
( T P
)h
(1-46)
焦耳－汤姆
逊系数就是
图上等焓线
的斜率
制
冷 原
转化曲线上
JT 0
理
节流后升温
JT <0
与
节流后降温
技
图1-12 实际气体的等焓节流膨胀
JT >0
术
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。
进一步推导得
对可逆制冷机
热力系数
制
0

q0 qh

( TR T0 TR
)(Th T0 Th
)

c

Th T0 Th
(1-45)
冷
原 1.1.2 制冷与低温的获得方法
理 1.焦耳汤姆逊效应
与 (1) 节流过程的热力学特征
技
通过膨胀阀时焓不变，因阀中存在摩擦阻力
术
损耗，所以它是个不可逆过程，节流后熵必
过程3－4
理
热量从冷源转移到工质中
与
同时工质做功以使制冷剂
技
维持一定的温度
术
过程4－1
制冷剂从冷源温度可逆
绝热压缩到热源温度
制冷工质向高温热源放热量 qi T0s12 制冷工质从低温热源吸热量 q0 TR s12
(1-34) (1-35)
制 系统所消耗的功 wnet qi q0 (T0 TR )s12 (1-36)
与
不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等
技 术
熵过程组成的逆向循环。
在相同温度范围内，它是消耗功最小的循 环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它
没有任何不可逆损失。
制
卡诺制冷 机是热力
冷
理想的等
原
温制冷机
理
与
技
术
过程1－2 压缩工质，同时放热至热 源，维持制冷剂温度恒定
制
过程2－3
冷 原
工质从热源温度Th可逆绝 热膨胀到冷源温度Tc

2
ds
1
2 qrev
1T
术
=0 可逆循环
克劳修斯积分 qrev
T
＜0 不可逆循环 ＞0 不可能实行的循环
p、T状态下的比熵定义为
p、T q
s s T p、T
p0、T0
p0、T0
制
(1-33)
冷 2.热源温度不变时的逆向可逆循环
原
——逆卡诺循环
理 当高温热源和低温热源随着过程的进行温度
q h2 h1
1 2
(c
2 f
2

c
2 f1
)

h1

h2
节流
制
冷
原
理 与
工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下 降，这种流动称为节流。
技 术
设流动绝热，前后两截面间的动能差和位 能差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的 焓相等 h1 h2
该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节 流过程段。
热力学能
制
用符号U表示，单位是焦耳 （J）
冷
比热力学能
原
1kg物质的热力学能称比热力学能
理
用符号u表示，单位是焦耳/千克 （J／kg）
与
技
热力状态的单值函数。
术
热力学能 状态参数，与路径无关。
两个独立状态参数的函数 。
总能
内部储存能 外部储存能
热力学能 动能 位能
制
工质的总储存能
冷 内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观
定增加
制冷系统中的节流元件
节流阀、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等 多种形式。
制 结构简单，价格低廉，在小型制冷空调装置中应用广泛
冷 焦耳－汤姆逊效应
原 理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温 理 度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的 与 函数，节流后温度一般会发生变化。
技 焦耳－汤姆逊系数
Wi
Q

dH

1 2
mdc2f

mgdz
Wi
5.能量方程式的应用
图1-3 压缩机能量平衡
工质流经压缩机时，机器对工
质做功wc,使工质升压，工质对
制 外放热q 冷 每kg工质需作功
原
wc (h2 h1 ) (q)
(1-24)
理
图1-4 膨胀机能量平衡
与 技
膨胀过程均采用绝热过程
热力学第二定律涉及的温度为热力学温度(K)
T=273.16+t
(1-29)
熵是热力学状态参数，是判别实际过程的方
制
向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。
冷 原
定义式 ds qrev
T
(1-30)
理
qrev是可逆过程的换热量，T为热源温度
与 技
可逆过程1-2的熵增
s s2 s1
2
(1-13)
理
q du pdv, q u 1 pdv
(1-14)
与
完成一循环后，工质恢复原来状态 dU 0
技
Q W
(1-15)
术
闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的
热量等于与外界交换的净功量 Qnet Wnet
qnet wnet (1-16)
4.2 开口系统的能量平衡
dE1 p1dV1 Q (dE2 p2dV2 Wi ) dECV (1-17)
由E=me,V=mv,h=u+pv,得
Q

dECV
(h2

1 2
c
2 f
2
gz2 )m2
(h1

1 2
c
2 f1
gz1 )m1
Wi
(1-19)
制
稳定流动
dECV 0, min mout
w
COP Q0
q0
W低温热源 TR
(被冷却对象)
高温热源 T0 (环境)
驱动热源 Th
qa
制冷机 q0
qh
q0
qg
低温热源 TR
(被冷却对象)
术
(a)以电能(或a) 机械能驱动 (b)以热(b)能驱动
以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是卡诺循 环制冷机，而第二类循环则是理想的热源驱动逆向可逆 循环——三热源循环。
图1-2 开口系统流动过程中的能量平衡
制
冷
原
理
与
技 术
图示开口系统，dτ 时间内，质量m1(体积为dV1)的微 元工质流入截面1-1，质量m2 (体积为dV2 ) 的微元工质流出 2-2，系统从外界得到热量Q，对机器设备作功Wi 。
过程完成后系统内工质质量增加dm, 系统总能增加dECV
由系统能量平衡的基本表达式有
Ti 2a [2 1 3b2 P]2
9Rb
a
(1-56)
技
在T－P图上为一连续曲线，称为转化曲线
术
针对范德瓦尔气体的最高转化
温度
b
(此时P 0或 0)
制
冷
原
理
与
技
图1-1b所示考察开口系统和外界之间功的交换。 取一开口系统，1kg工质从截面1-1流入该热力系，
术 工质带入系统的推动功p1v1，作膨胀功由状态1到2，再
从截面2-2流出，带出系统的推动功为p2v2。
( pv) p2v2 p1v1是系统为维持工质流动所需的功， 称为流动功
3．焓
制
冷
原
理
与
技
图1-1a所示为工质经管道进入气缸的过程。
术
工质状态参数p、v、T，用p-v图中点C表示。 工质作用于面积A的活塞上的力为pA，工质流入气
缸时推动活塞移动距离 l，作功pA l=pV=mpv。m表示
进入气缸的工质质量，这一份功叫做推动功。
1kg工质的推动功等于pv如图中矩形面积所示。
力学参数cf和z只取决于工质在参考系中的速度和高度
制
2.能量的传递和转化
冷
能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式
原
作功
理
借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。
与
传热
技
借传热来传递能量无需物体的宏观移动。
术
推动功
因工质在开口系统中流动而传递的功。 对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。
推动功只有在工质移动位置时才起作用。
图1-10 洛伦兹循环的T-s图
制
洛伦兹循环工作
冷
在二个变温热源
温度 T
原
间。
理
与卡诺循环不同
与
之处主要是蒸发
技
吸热和冷却放热
术
均为变温过程
熵S
(假设制冷过程和冷却过程传热温差均为Δ T )
制冷量 q0 (T0 T / 2)(s2 s3 )
制 冷 排热量
原
qi (TR T / 2)(s1 s4 ) (TR T / 2)(s2 s3)
理
与 技
耗功 wnet q0 qR
(1-40)
术
洛伦兹循环制冷系数
L

qi wnet
TR (T / 2) T0 TR T
4.热源驱动的逆向可逆循环——三热源循环
图1-11 两类制冷循环能量转换关系图
制 冷 原 理 与 技
高温热源 T0 (环境)
qa
w 制冷机
q0
Q W U U2 U1 Q U W
(1-11)
加给工质的热量一部分用于增加工质的热 力学能储存于工质内部，余下一部分以作功 的方式传递至外界。
制
对微元过程，第一定律解析式的微分形式
冷
Q dU W
(1-12a)
原
Hale Waihona Puke Baidu
理
对于1 kg工质， q u w
(1-12b)
JT

1 [T ( )P ] Cp T
(1-50)
对理想气体 JT =0
制
实际气体表达式可通过实验来建立
冷 原 理
对空气和氧
在P＜15×103kPa
JT
(a0

b0
P)(
273)2 T
(1-51)
与 技
(2) 节流过程的物理特征
T( )P> T
JT >0 节流时温度降低
冷
原 理
卡诺制冷系数
c

q0 wnet

q0 qi q0
TR T0 TR
(1-37)
与 技 术
卡诺热泵循环效率
h 1

h

qi wnet
qi qi q0
T0 T0 TR
(1-38)
热力完善度
1
c
(1-39)
3.热源温度可变时的逆向可逆循环—洛伦兹循环
第一节 制冷与低温原理的热工基础
1.1.1 制冷与低温原理的热力学基础
制
冷
1.热力学第一定律
原
理 自然界中的一切物质都具有能量，能量不
与 可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从
技
一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化 过程中能量的总量保持不变。
术
能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。
热力学能和总能
2.热力学第二定律
热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高
温物体
制
研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条 件及限度的定律
冷
原 1.制冷循环的热力学分析
理
正向循环
与 热力学循环
技
逆向循环
热能转化为机械功 消耗功
术
理想循环
循环除了一二个不可避免的不可逆过程外其 余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。