第一章制冷的热力学基础
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基本知识： 混合物：盐水，相图 R22/R12
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
（一）液-气 状态：液 气 能量：吸热
(1 2)
饱和气体比熵、比焓
" ' " ' r h h T ( s s ) 气化热：
h 's '
饱和液体比熵、比焓
s"
h"
特 性：与压力有关，不同压力不一样 与材料有关，不同物质不一样 与状态有关，在临界压力以上为0
(1 15)
w0 (T T0' )s1 s4
(1 16)
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
一、逆卡诺循环
制冷系数：
q0 0 w0
0
T0' T T
' 0
(1 17)
1 T 1 ' T0
(1 18)
制冷系数的特性： 1、高温高，低温低，制冷系数小 2、低温比高温对它影响程度大 3、与循环介质无关 4、其值可大于1，小于1，或等于1
45 205 250
CO Ar O2
652 794 761
N2
空 气
621
CH4
CO2 NH3
939
603
1500
1994
图1-12
实际气体的等焓节流膨胀
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。
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
积分等熵效应表示某过程的特性；其物理意义为气体等 熵膨胀过程全部压降下的温降。 公式为： p2
T
p1
s
dp
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程
T v T s P s c P T p (1 4)
最理想的情况是可逆的绝热膨胀，即等熵膨胀。
表示等熵膨胀的参数为微分等熵效应 s 和积分等熵效应 T 微分等熵效应表示某点的特性；其物理意义为气体等熵膨 胀过程下单位压降下的温降。 公式为：
T T v s P s c P T p
(1 4)
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
三、热能驱动制冷循环
图1-11
高温热源 T0 (环境) qa w
两类制冷循环能量转换关系图
高温热源 T0 (环境) qa qh 制冷机 驱动热源 Th
制冷机
q0 w
(1 6)
在实际膨胀过程，因过程不可逆，总按多变过程膨胀：
m 1 m p2 T T1 T2 T1 1 p 1
(1 8)
第一章 制冷的热力学基础 第二节 二、节流膨胀过程
绝热膨胀制冷
节流过程的特点：功、热、压力、温度、焓、熵
引言：
本节目的寻找热力学上最佳制冷循环，评价制冷循环
热工知识： （1）正循环（生产功）和逆循环（消耗功）
所有的热力发动机都是。。。 制冷机和热泵都是。。。
（2）可逆循环和不可逆循环 （3）内部不可逆和外部不可逆
内部不可逆：制冷剂在其流动或状态变化过程中因 摩擦、挠动及内部不平衡而引起的损失； 外部不可逆：蒸发器、冷凝器及其他换热器中有温 差时的传热损失。
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。
节流过程的热力学特征
通过膨胀阀时焓不变，因阀中存在摩擦阻力损耗， 所以它是个不可逆过程，节流后熵必定增加。 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。
该式只对节流前后稳定段成立，而不适合 节流过程段。
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
部分气化的热量变化： 物质在气液两相区内的干度：x 热量变化的公式：
q0 r (1 x) (1 3)
制冷剂的干度
q 0 单位制冷量 x
特性：干度大，气化热小
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
（二）固体的融化与升华 1、固体的融化
洛伦兹循环的分析及热力学评价： 微元的制冷系数：
i
T0i Ti Toi
(1 24)
图1-4 变温热源时的逆向可逆循环
洛伦兹循环的制冷系数：
L i
T0 m Tm Tom
(1 25)
洛伦兹循环过程的制冷量： 洛伦兹循环过程的排热量： 洛伦兹循环过程的消耗功：
图1-5 用微元循环来分析洛伦兹循环
图1-2 逆卡诺循环在T-S图上 的表示
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
一、逆卡诺循环
2、无内部不可逆和有外部不可逆
定义及热力学评价：
循环过程及循环分析
2-3过程的放热量：
1-4过程的吸热量： 循环过程的消耗功：
图1-3 有温差传热的不可逆制冷 循环
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
第一章 制冷的热力学基础 第一节
二、压-焓图 2、压-焓图的使用（结果）
相变制冷
要求（1）表示过程（吸热或放热） （2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）： 过程：从点1（温度20C，压力2 bar）等熵变化到点2（压力10 bar）再等 压变化到点3（温度30C），再次等焓变化到点4（压力2 bar），最后等压 回到点1。
ห้องสมุดไป่ตู้
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
一、逆卡诺循环 定义及热力学评价：
循环过程及循环分析
1、无内部和外部不可逆
2-3过程放热量：
q T (s1 s4 )
1-4过程吸热量：
(1 14)
图1-2 逆卡诺循环在T-S图上 的表示
q0 T0' (s1 s 4 )
循环过程的消耗功：
图1-1 R134a的压-焓图
第一章 制冷的热力学基础 第一节
二、压-焓图 2、压-焓图的使用（结果）
相变制冷
要求（1）表示过程（吸热或放热） （2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）： 过程：从点1（温度20C，压力2 bar）等熵变化到点2（压力10 bar）再等 压变化到点3（温度30C），再次等焓变化到点4（压力2 bar），最后等压 回到点1。 Point T P v [C] [bar] [m^3/kg] 1 19.997 2.000 0.113940 2 73.598 10.000 0.024651 3 30.004 10.000 N/A 4 N/A 2.000 N/A Te [C]= -10.09 Tc [C] = 39.39 DT subcooling [K] = 9.39 DT superheat [K] = 30.09 h s [kJ/kg] [kJ/(kg K)] 417.746 1.8236 456.224 1.8236 241.469 N/A 241.469 N/A
一、逆卡诺循环
制冷系数：
T0 Tk T0 (1 21)
热力完善度：
0
(1 22)
热力完善度的特性： 1、其数值恒小于1 2、温差越大，其值越小
图1-3 有温差传热的不可逆制冷循环
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
二、洛伦兹循环
洛伦兹循环与逆卡诺循环对比：
对于理想气体：
R v p T p
故
s ,id
1 T p
(1 5)
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程
对于理想气体经验算后：
1 p 2 T T1 T2 T1 1 p1
（2）等焓膨胀 令气体经节流膨胀阀膨胀（也称节流）
（3）绝热放气 绝热放气制冷，主要用于低温制冷机。
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程
最理想的情况是可逆的绝热膨胀，即等熵膨胀。
表示等熵膨胀的参数有微分等熵效应 s 和积分等熵效应 T 微分等熵效应表示某点的特性；其物理意义为气体等熵膨 胀过程下单位压降下的温降。 公式为：
第一节 相变制冷
表1-2 冰盐混合时的温度
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
表1-3 一些共晶溶液的物理温度
第一章 制冷的热力学基础
第一节 二、压-焓图
气液相变制冷是主要的制冷方法。 表示其制冷过程和查阅其物性依靠图表。
图表也有很多形式，其中压-焓图使用最多。
相变制冷
过程线： 等压线、 等温线、 等焓线、 等熵线、 等容线,. 过冷度 过热度
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
基本知识： 1、物质的相、 相变（固、气、液） 2、成分 3、相图 4、自由度 5、相律
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
基本知识： 纯质：水，三相（冰、水、汽），相图
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
第一章 制冷的热力学基础
第一节 第二节
相变制冷 绝热膨胀制冷
第三节
制冷热力学特性分析
第一章 制冷的热力学基础
制冷过程：实现从低温热源吸热，消耗一个能量（电、热、
势）补偿，向高温热源放热。 这个过程必须遵从热力学第一定律和热力学第二定律。
制冷的基本方法： 1、相变制冷 2、气体绝热膨胀制冷 3、气体涡流制冷 4、热电制冷
T T v s P s c P T p
(1 4)
积分等熵效应表示某过程的特性； 其物理意义为气体等熵膨胀过程全部压降下的温降。 公式为： p2
T
p1
s
dp
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程
1、压-焓图的结构：
第一章 制冷的热力学基础 第一节
二、压-焓图
相变制冷
2、压-焓图的使用
要求（1）表示过程（吸热或放热） （2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）： 过程：从点1（温度20C，压力2 bar）等熵变化到点2（压力10 bar）再等 压变化到点3（温度30C），再次等焓变化到点4（压力2 bar），最后等压 回到点1。
状态：固液，吸热 热量为熔解热（融化热）：水335KJ/KG
2、固体的升华
状态：固气，吸热 热量：升华热
3、冰盐混合物（类似前述的盐水）
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
表1-1 冰的升华压力和对应的升华温度
水的三相点：0.61kPa,0.0C
干冰的三相点：518kPa,-56.6C
第一章 制冷的热力学基础
理想气体的 h = 0 积分节流效应表示某过程的特性； 其物理意义为气体等焓膨胀过程全部压降下的温降。 公式为： p p2 T T T2 T1 (1 10) dp h dp
2
p1
P h
p1
理想气体的 u 0, h 0, T 0
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷
引言 气体制冷机的定义：
利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，并利用膨胀 后的气体在低压下的复热过来制冷。
气体绝热膨胀的三种方式： （1）等熵膨胀 令高压气体经膨胀机膨胀。
特点： 有外功输出，温降大，制冷量大； 系统结构较复杂。 特点： 无外功输出，温降小，制冷量小。
T T " T ' v v P s p h r
(1 13)
第一章 制冷的热力学基础 第二节
二、节流膨胀过程
绝热膨胀制冷
焦耳－汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率
气 体 He4 H2 Ne 最高转化温度(K) 气体 最高转化温度(K)
第一章 制冷的热力学基础 第二节
二、节流膨胀过程
实际气体的微分节流效应公式：
v T v T p cp
绝热膨胀制冷
h
(1 11)
纯物质在饱和区域内，在相同的起始压力下，有 相同的压降就有相同的温降，因此 dT s h (1 12) dp
则有关系式：
第一章 制冷的热力学基础 第二节 二、节流膨胀过程
绝热膨胀制冷
表示节流膨胀的参数为微分节流效应和积分节流效应。
微分节流效应也称焦耳-汤姆逊效应，或简称焦-汤效应。 它表示某点的特性； 其物理意义为气体等焓膨胀过程下单位压降下温降。 公式为： T h (1 9)
P h
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
（一）液-气 状态：液 气 能量：吸热
(1 2)
饱和气体比熵、比焓
" ' " ' r h h T ( s s ) 气化热：
h 's '
饱和液体比熵、比焓
s"
h"
特 性：与压力有关，不同压力不一样 与材料有关，不同物质不一样 与状态有关，在临界压力以上为0
(1 15)
w0 (T T0' )s1 s4
(1 16)
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
一、逆卡诺循环
制冷系数：
q0 0 w0
0
T0' T T
' 0
(1 17)
1 T 1 ' T0
(1 18)
制冷系数的特性： 1、高温高，低温低，制冷系数小 2、低温比高温对它影响程度大 3、与循环介质无关 4、其值可大于1，小于1，或等于1
45 205 250
CO Ar O2
652 794 761
N2
空 气
621
CH4
CO2 NH3
939
603
1500
1994
图1-12
实际气体的等焓节流膨胀
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。
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
积分等熵效应表示某过程的特性；其物理意义为气体等 熵膨胀过程全部压降下的温降。 公式为： p2
T
p1
s
dp
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程
T v T s P s c P T p (1 4)
最理想的情况是可逆的绝热膨胀，即等熵膨胀。
表示等熵膨胀的参数为微分等熵效应 s 和积分等熵效应 T 微分等熵效应表示某点的特性；其物理意义为气体等熵膨 胀过程下单位压降下的温降。 公式为：
T T v s P s c P T p
(1 4)
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
三、热能驱动制冷循环
图1-11
高温热源 T0 (环境) qa w
两类制冷循环能量转换关系图
高温热源 T0 (环境) qa qh 制冷机 驱动热源 Th
制冷机
q0 w
(1 6)
在实际膨胀过程，因过程不可逆，总按多变过程膨胀：
m 1 m p2 T T1 T2 T1 1 p 1
(1 8)
第一章 制冷的热力学基础 第二节 二、节流膨胀过程
绝热膨胀制冷
节流过程的特点：功、热、压力、温度、焓、熵
引言：
本节目的寻找热力学上最佳制冷循环，评价制冷循环
热工知识： （1）正循环（生产功）和逆循环（消耗功）
所有的热力发动机都是。。。 制冷机和热泵都是。。。
（2）可逆循环和不可逆循环 （3）内部不可逆和外部不可逆
内部不可逆：制冷剂在其流动或状态变化过程中因 摩擦、挠动及内部不平衡而引起的损失； 外部不可逆：蒸发器、冷凝器及其他换热器中有温 差时的传热损失。
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。
节流过程的热力学特征
通过膨胀阀时焓不变，因阀中存在摩擦阻力损耗， 所以它是个不可逆过程，节流后熵必定增加。 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。
该式只对节流前后稳定段成立，而不适合 节流过程段。
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
部分气化的热量变化： 物质在气液两相区内的干度：x 热量变化的公式：
q0 r (1 x) (1 3)
制冷剂的干度
q 0 单位制冷量 x
特性：干度大，气化热小
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
（二）固体的融化与升华 1、固体的融化
洛伦兹循环的分析及热力学评价： 微元的制冷系数：
i
T0i Ti Toi
(1 24)
图1-4 变温热源时的逆向可逆循环
洛伦兹循环的制冷系数：
L i
T0 m Tm Tom
(1 25)
洛伦兹循环过程的制冷量： 洛伦兹循环过程的排热量： 洛伦兹循环过程的消耗功：
图1-5 用微元循环来分析洛伦兹循环
图1-2 逆卡诺循环在T-S图上 的表示
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
一、逆卡诺循环
2、无内部不可逆和有外部不可逆
定义及热力学评价：
循环过程及循环分析
2-3过程的放热量：
1-4过程的吸热量： 循环过程的消耗功：
图1-3 有温差传热的不可逆制冷 循环
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
第一章 制冷的热力学基础 第一节
二、压-焓图 2、压-焓图的使用（结果）
相变制冷
要求（1）表示过程（吸热或放热） （2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）： 过程：从点1（温度20C，压力2 bar）等熵变化到点2（压力10 bar）再等 压变化到点3（温度30C），再次等焓变化到点4（压力2 bar），最后等压 回到点1。
ห้องสมุดไป่ตู้
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
一、逆卡诺循环 定义及热力学评价：
循环过程及循环分析
1、无内部和外部不可逆
2-3过程放热量：
q T (s1 s4 )
1-4过程吸热量：
(1 14)
图1-2 逆卡诺循环在T-S图上 的表示
q0 T0' (s1 s 4 )
循环过程的消耗功：
图1-1 R134a的压-焓图
第一章 制冷的热力学基础 第一节
二、压-焓图 2、压-焓图的使用（结果）
相变制冷
要求（1）表示过程（吸热或放热） （2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）： 过程：从点1（温度20C，压力2 bar）等熵变化到点2（压力10 bar）再等 压变化到点3（温度30C），再次等焓变化到点4（压力2 bar），最后等压 回到点1。 Point T P v [C] [bar] [m^3/kg] 1 19.997 2.000 0.113940 2 73.598 10.000 0.024651 3 30.004 10.000 N/A 4 N/A 2.000 N/A Te [C]= -10.09 Tc [C] = 39.39 DT subcooling [K] = 9.39 DT superheat [K] = 30.09 h s [kJ/kg] [kJ/(kg K)] 417.746 1.8236 456.224 1.8236 241.469 N/A 241.469 N/A
一、逆卡诺循环
制冷系数：
T0 Tk T0 (1 21)
热力完善度：
0
(1 22)
热力完善度的特性： 1、其数值恒小于1 2、温差越大，其值越小
图1-3 有温差传热的不可逆制冷循环
第一章 制冷的热力学基础 第三节 制冷热力学特性分析
二、洛伦兹循环
洛伦兹循环与逆卡诺循环对比：
对于理想气体：
R v p T p
故
s ,id
1 T p
(1 5)
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程
对于理想气体经验算后：
1 p 2 T T1 T2 T1 1 p1
（2）等焓膨胀 令气体经节流膨胀阀膨胀（也称节流）
（3）绝热放气 绝热放气制冷，主要用于低温制冷机。
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程
最理想的情况是可逆的绝热膨胀，即等熵膨胀。
表示等熵膨胀的参数有微分等熵效应 s 和积分等熵效应 T 微分等熵效应表示某点的特性；其物理意义为气体等熵膨 胀过程下单位压降下的温降。 公式为：
第一节 相变制冷
表1-2 冰盐混合时的温度
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
表1-3 一些共晶溶液的物理温度
第一章 制冷的热力学基础
第一节 二、压-焓图
气液相变制冷是主要的制冷方法。 表示其制冷过程和查阅其物性依靠图表。
图表也有很多形式，其中压-焓图使用最多。
相变制冷
过程线： 等压线、 等温线、 等焓线、 等熵线、 等容线,. 过冷度 过热度
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
基本知识： 1、物质的相、 相变（固、气、液） 2、成分 3、相图 4、自由度 5、相律
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
基本知识： 纯质：水，三相（冰、水、汽），相图
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
一、物质的相变特性
第一章 制冷的热力学基础
第一节 第二节
相变制冷 绝热膨胀制冷
第三节
制冷热力学特性分析
第一章 制冷的热力学基础
制冷过程：实现从低温热源吸热，消耗一个能量（电、热、
势）补偿，向高温热源放热。 这个过程必须遵从热力学第一定律和热力学第二定律。
制冷的基本方法： 1、相变制冷 2、气体绝热膨胀制冷 3、气体涡流制冷 4、热电制冷
T T v s P s c P T p
(1 4)
积分等熵效应表示某过程的特性； 其物理意义为气体等熵膨胀过程全部压降下的温降。 公式为： p2
T
p1
s
dp
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程
1、压-焓图的结构：
第一章 制冷的热力学基础 第一节
二、压-焓图
相变制冷
2、压-焓图的使用
要求（1）表示过程（吸热或放热） （2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过 热度）： 过程：从点1（温度20C，压力2 bar）等熵变化到点2（压力10 bar）再等 压变化到点3（温度30C），再次等焓变化到点4（压力2 bar），最后等压 回到点1。
状态：固液，吸热 热量为熔解热（融化热）：水335KJ/KG
2、固体的升华
状态：固气，吸热 热量：升华热
3、冰盐混合物（类似前述的盐水）
第一章 制冷的热力学基础
第一节 相变制冷
表1-1 冰的升华压力和对应的升华温度
水的三相点：0.61kPa,0.0C
干冰的三相点：518kPa,-56.6C
第一章 制冷的热力学基础
理想气体的 h = 0 积分节流效应表示某过程的特性； 其物理意义为气体等焓膨胀过程全部压降下的温降。 公式为： p p2 T T T2 T1 (1 10) dp h dp
2
p1
P h
p1
理想气体的 u 0, h 0, T 0
第一章 制冷的热力学基础 第二节 绝热膨胀制冷
引言 气体制冷机的定义：
利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，并利用膨胀 后的气体在低压下的复热过来制冷。
气体绝热膨胀的三种方式： （1）等熵膨胀 令高压气体经膨胀机膨胀。
特点： 有外功输出，温降大，制冷量大； 系统结构较复杂。 特点： 无外功输出，温降小，制冷量小。
T T " T ' v v P s p h r
(1 13)
第一章 制冷的热力学基础 第二节
二、节流膨胀过程
绝热膨胀制冷
焦耳－汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率
气 体 He4 H2 Ne 最高转化温度(K) 气体 最高转化温度(K)
第一章 制冷的热力学基础 第二节
二、节流膨胀过程
实际气体的微分节流效应公式：
v T v T p cp
绝热膨胀制冷
h
(1 11)
纯物质在饱和区域内，在相同的起始压力下，有 相同的压降就有相同的温降，因此 dT s h (1 12) dp
则有关系式：
第一章 制冷的热力学基础 第二节 二、节流膨胀过程
绝热膨胀制冷
表示节流膨胀的参数为微分节流效应和积分节流效应。
微分节流效应也称焦耳-汤姆逊效应，或简称焦-汤效应。 它表示某点的特性； 其物理意义为气体等焓膨胀过程下单位压降下温降。 公式为： T h (1 9)
P h