制冷循环的热力学原理

第一节制冷循环的热力学原理

一、常用术语

1、物质

具有一定质量并占据空间的任何物体称为物质。

物质通常以固、液、气三态存在。

蒸气压缩式制冷机都依靠内部循环流动的工作物质来实现制冷过程。制冷机中的工作物质称为制冷剂。制冷装置中用来传递冷量的工作物质称为载冷剂。

2、温度

温度是物体冷热程度的量度。它是物质分子热运动剧烈程度的标志尺度。

常用的温度度量单位有摄氏温标t和开氏温标T(绝对温标)。

T(k)=t(℃)+273.15

图2-1 两种常用温标的比较

3、热量

物体在热过程中所放出或吸收的能量称为热量。

生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小。

制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量。

4、比热（specific heat）

比热是一个物性参数，意为单位度量的物质温度变化1k时所吸进或放出的热量。

体积比热Cv(J/m3.k) 摩尔比热Cp(J/mol.k)

5、显热和潜热

不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为显热。

不改变物质的温度而引起其形态变化的热量称为潜热。

制冷剂的汽化潜热有何要求？

表1-1 几种制冷物质的汽化潜热(kJ/kg)

物质水氨R12 R22 氯甲

烷

二氧

化硫

R114 R502

汽化热2256.8 1369 167.5 234.5 427.1 397.8 137.9

6

150.0

2

6、压力

垂直作用在单位面积上的力称为压力p(压强)。p是确定物质状态的基本参数之一。1bar=105Pa，饱和压力Ps与饱和温度ts 的对应

关系。

7、比容v和密度

比容：每千克物质所占有的容积。v是基本状态参数。v=1 8、导热系数

表示材料传导热量的能力，是一个物性参数。数值上等于：1m 厚的材料两边温差1k时在1小时内通过1m2表面积所传导的热量。单位：w/m.k

9、压-焓图(lgp-h)

物质的热力状态性质可以绘制成曲线图的形式。制冷剂性质曲线图有多种形式。行业中最常用的是lgp-h图。

lgp-h图的构成可以总结为一个临界点、二条饱和线、三个状态区、六组等值线。

等压线—水平线

等焓线—垂直线

等干度线x —湿蒸汽区域内

等熵线—向右上方倾斜

等容线—向右上方倾斜

等温线—垂直线（未）→水平线（湿）

→向右下方弯曲（过）

由于制冷装置中，制冷剂的实际压力并不太高，lgp-h图靠近临界点的高压部分和湿蒸汽区域的中间部分在热力计算中很少用到，为了使图面清晰简捷，往往将这两部分截去。

课后练习：lgp-h图中状态点参数的查取。

二、理想制冷循环 1、热力学基本定律

热力学第零定律: 如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。 热力学第一定律：在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后的能量总量维持恒定。

热力学第二定律：能量贬值原理。热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。

高温物体

外界补偿

热量低温物体

人工制冷：

热力学第三定律：绝对温度的零度是不可能达到。 2、制冷循环的热力学分析

正向循环是使高温热源的工质通过动力装置对外做功，然后再流向低温热源，称为动力循环，即把热量转化为机械功的循环。

所有的热力发动机都是按正向循环工作的，在温-熵或压-焓图上，循环的各个过程都是依次按顺时针方向变化的。

逆向循环，它是使工质(制冷剂)在吸收低温热源的热量后通过制冷装置，并以外功作补偿，然后流向高温热源。

逆向循环是一种消耗功的循环，制冷循环就是按逆向循环进行的，在温-熵或压-焓图上，循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。

逆向循环又可分为可逆和不可逆两种。可逆循环是一种理想循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的各种损失。如果在工质循环过程中考虑了上述各种损失，即为不可逆循环。

在制冷循环中，不可逆主要来自两个方面：即制冷剂在流动和状态变化时因内部摩擦、不平衡等引起的内部不可逆损失，以及冷凝器、蒸发器等换热器存在传热温差的外部不可逆损失。

3、理想制冷循环——逆卡诺

蒸发器

冷凝器

压缩机

膨胀机

1

2

3

4

T k

冷却介质q k

被冷却介质q 0

T 0

W e

W c

T S

T k T 0

b

a

1

2

3

4

W c W e

q 0

T S

T k T 0

b

a

1

2

3

4

W c W e

q 0

1-2 等熵压缩 → 耗功w1 2-3 等温冷凝 放热qk= (sa-sb) 3-4 等熵膨胀 → 做功w2 4-1 等温蒸发 吸热q0=T0(sa-sb) 3.1逆卡诺循环特点

T0与Tk 对制冷系数的影响是不等价的，To 的影响大于Tk 。同时，也意味着要实现温度降低的制冷具有更高的难度。

由于逆卡诺循环不考虑各种损失，而且压缩机利用了膨胀机对外输出的功。因此，在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数最大，在该温度区间进行的其它各种制冷循环的制冷系数均小于ε ，逆卡诺循环制冷系数可用来评价其它制冷循环的热力完善度。 湿蒸汽区域内进行 湿压缩 设备： 蒸发器 无传热温差 冷凝器 无传热温差