制冷技术的热力学基础

制冷技术的热力学基础

制冷技术的热力学基础

在制冷循环中，工质不断地进行着热力状态变化。描述工质所处热力状态的物理量称为工质的热力状态参数，简称状态参数。一定的状态，其状态参数有确定的数值。工质状态变化时，初、终状态参数之间的差值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的过程无关。

制冷技术中常见的状态参数有：温度、压力、比容、内能、焓与熵等。这些参数对于进行制冷循环的分析和热力计算，都是非常重要的。

一、温度温度是描述热力系统冷热状态的物理量，是标志物体冷热程度的参数。

物体的温度可采用测温仪表来测定。为了使温度的测量准确一致，就要有一个衡量温度的标尺，简称温标，工程上常用的温标有：

二、摄氏温标又叫国际百度温标，常用符号t表示，单位为℃。

2.绝对温标常用符号T表示，单位为开尔文（代号为K）。绝对温标与摄氏温标仅是起点不同而已

（t=0℃时，T=273.16K），它们每度的温度间隔确是一致的。在工程上其关系可表示为：

T=273+t（K）

二、压力压力是单位面积上所承受的垂直作用力，常用符号P表示。

压力可用压力表来测定。在国际单位制中，压力单位为帕斯卡（Pa），实际应用时也可用兆帕斯卡（MPa）或巴（bar）表示,1MPa=106Pa而1bar=105 Pa。压力的标记有绝对压力、表压力和真空度三种情况。绝对压力是指容器中气体的实际压力，用符号P表示；表压力（PB）是指压力表（或真空表）所指示的压力；而当气体的绝对压力比大气压力（B）还低时，容器内的绝对压力比大气压力低的数值，称为真空度（PK）。三者之间的关系是：

P=PB表压力+B大气压力或 P=B大气压力-PK真空度，作为工质的状态参数应该是绝对压力，而不是表压力或真空度。

三、比容比容是指单位质量工质所占有的容积，用符号υ表示。

比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。比容的倒数为工质的密度，即单位容积工质所具有的质量，用符号ρ表示。比容和密度之间互为倒数关系。

四、内能内能是工质内部所具有的分子动能和分子位能的总和，用符号ｕ表示。

分子动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动能和分子内部振动能三项，其大小

与气体的温度有关。而分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与工质的比容有关。

既然气体的内动能决定于气体的温度、内位能决定于气体的比容，所以气体的内能是其温度和比容的函数。也就是说内能是一个状态参数。

五、焓焓是一个复合的热力状态参数，表征系统中所有的总能量，它是内能与压力之和。对１kg工质而言，可表示为：

ｈ＝ｕ＋Pυ（kJ/kg）或（kcal/kg）

式中ｈ—焓或称比焓（kJ/kg或kcal/kg）υ—比容（m3/kg）

ｕ—内能（kJ/kg或kcal/kg）ｐ—绝对压力（N/m2或[wqp1] [wqp2] Pa）

在工程单位制中，压力单位常用工程气压、物理大气压和毫米水柱等单位。由于内能和压力位能都是温度的参数，所以焓也是状态参数。确切地说，焓是一定质量的流体，从某一初始状态变为任一热力状态所加入的总热量。

六、熵熵是一个导出的热力状态参数，熵的中文意义是热量被温度除所得的商，熵的外文原名意义是“转变”，指热量可以转变为功的程度，它表征工质状态变化时，与外界热交换的程度。熵是通过其他可以直接测量的数量间接计算出来的。

一、热力学第二定律

在热量传递和热、功转换时，热力学第一定律只能说明它们之间的数量关系，确不

能揭示热功转换的条件和方向性。对于能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度则是由热力学第二定律来揭示的，它指出：“热量能自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体”。这正象石头或水不可能自发的从低处向高处运动一样。但这并不是说石头和水在任何条件下都不可能由低处移向高处，只要外界给它们足够大的作用力，在这个力的作用下石头或水就能由低处移向高处，这个外界作用力称为补偿。同样，不能把热力学第二定律的说法理解为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体”。而是只要有一个补偿过程，热量就能自低温物体传到高温物体。制冷装置就是以消耗一定的外间功作为补偿过程而实现人工制冷的。

二、循环与理想制冷循环

1、正循环及热效率

膨胀--压缩循环按瞬时针方向进行的，称为正循环。在P—υ图上，正循环的膨胀线1—2—3位于压缩线3—4—1之上。正循环的单位质量净功w0 为正值，若设高温热源加给工质的热量为q1，工质放给低温热源的热量为q2，则：

(一)循环热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了持续不断地将热转换为功,工程上是通过热机来实现的。但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。为了能重复地进行膨胀，工质在每次膨胀之后必须进行压缩，以便使其回到初态。我们把工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循环”。循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。如下图所示：

评价正循环的好坏，通常用循环热效率ηt来衡量，循环热效率是指工质在整个热力循环中，对外界所作的净功w0 与循环中外界所加给工质的热量q1的比值。即：

2.逆循环及性能系数

膨胀--压缩循环按逆时针方向进行的，称为逆循环。如图2-1所示。逆循环的压缩线3—2—1位于膨胀线1—4—3 之上。其循环的净功为负值。若用q1表示工质向高温热源放出的热量，用q2表示工质从低温热源吸收的热量，则有：

w0=q1-q2 或 q1=q2+w0

上式说明，外界对工质作功，且热量的传递方向也全部改变。也就是说，逆循环的效果是消耗外界的功，将热量从低温物体传递给高温物体。如逆循环的目的是从低温物体中吸收热量，则称为制冷循环。如逆循环的目的是给高温物体供热，则称为热泵循环。

逆循环的好坏通常用性能系数ε来衡量。对于制冷机来说，是指从冷源吸收的热量

q2与消耗的循环净功w0的比值ε1称为制冷系数。对于热泵来说，是指供给热源的热量q1与消耗的循环净功w0的比值ε2称为供热系数。从上述分析可见，伴随着低温热源把一部分热量q2传送到高温热源中去的同时, 循环的净功w0也将转变为热量并流向高温热源，这就是使热量从低温热源传给高温热源所必需的补偿条件。没有这个补偿条件，热量是不可能从低温热源传给高温热源的。

（二）理想制冷循环

理想制冷循环可通过逆卡诺循环来说明。逆卡诺循环如图2-2所示，它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）的温度为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为：

首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。

由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T0和热源（即环境介质）的温度Tk；降低Tk，提高T0，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。

总上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数εk之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号η表示。即：

η=ε/εk

热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个技术经济指标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性