制冷技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ)

1、制冷技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ)制冷技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ)在制冷循環(huán)中，工質(zhì)不斷地進(jìn)行著熱力狀態(tài)變化。描述工質(zhì)所處熱力狀態(tài)的物理量稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)參 數(shù)，簡稱狀態(tài)參數(shù)。一定的狀態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)有確定的數(shù)值。工質(zhì)狀態(tài)變化時，初、終狀態(tài)參數(shù)之間的差 值，僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的過程無關(guān)。制冷技術(shù)中常見的狀態(tài)參數(shù)有：溫度、壓力、比容、內(nèi)能、焓與熵等。這些參數(shù)對于進(jìn)行制冷循環(huán)的分析和熱力計(jì)算，都是非常重要的。一、溫度 溫度是描述熱力系統(tǒng)冷熱狀態(tài)的物理量，是標(biāo)志物體冷熱程度的參數(shù)。物體的溫度可采用測溫儀表來測定。為了使 溫度的測量準(zhǔn)確一致，就要有一個衡量 溫度的標(biāo)尺，簡稱溫標(biāo), 工程上常用的溫標(biāo)有：二、攝氏溫標(biāo)

2、 又叫國際百度溫標(biāo)，常用符號 t表示，單位為C。2. 絕對溫標(biāo) 常用符號T表示，單位為開爾文（代號為 K）。絕對溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)僅是起點(diǎn)不同而已（t=0 C時，T=273.16K）,它們每度的溫度間隔確是一致的。在工程上其關(guān)系可表示為：T=273+t （ K）二、 壓力 壓力是單位面積上所承受的垂直作用力，常用符號P表示。壓力可用壓力表來測定。在國際單位制中，壓力單位為帕斯卡（Pa），實(shí)際應(yīng)用時也可用兆帕斯卡（MPa或巴（bar）表示，1MPa=106Pa而1bar=105 Pa。壓力的標(biāo)記有絕對壓力、表壓力和真空度三種情 況。絕對壓力是指容器中氣體的實(shí)際壓力，用符號P表示；表壓力（PB是指壓力

3、表（或真空表）所指示的壓力；而當(dāng)氣體的絕對壓力比大氣壓力（B）還低時，容器內(nèi)的絕對壓力比大氣壓力低的數(shù)值，稱為真空度（PK。三者之間的關(guān)系是：P=PB表壓力+B大氣壓力或P=B大氣壓力-PK真空度，作為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)應(yīng)該是絕對壓力，而不是表壓 力或真空度。三、比容比容是指單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的容積，用符號 u表示。比容是說明工質(zhì)分子之間密集程度的一個物理量。比容的倒數(shù)為工質(zhì)的密度，即單位容積工質(zhì)所具有的質(zhì) 量，用符號p表示。比容和密度之間互為倒數(shù)關(guān)系。四、內(nèi)能 內(nèi)能是工質(zhì)內(nèi)部所具有的分子動能和分子位能的總和，用符號u表示。分子動能包括分子的直線運(yùn)動動能、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動動能和分子內(nèi)部振動能三項(xiàng)，其大小與

4、氣體的溫度有關(guān)。而分子位能的大小與分子間的距離有關(guān)，亦即與工質(zhì)的比容有關(guān)。既然氣體的內(nèi)動能決定于氣體的溫度、內(nèi)位能決定于氣體的比容，所以氣體的內(nèi)能是其溫度和比容的函數(shù)也就是說內(nèi)能是一個狀態(tài)參數(shù)。五、 焓 焓是一個復(fù)合的熱力狀態(tài)參數(shù)，表征系統(tǒng)中所有的總能量，它是內(nèi)能與壓力之和。對1kg工質(zhì)而 言，可表示為：h = u+ P u （kJ/kg ）或（kcal/kg ）式中 h 焓或稱比焓（kJ/kg或kcal/kg ） u 比容（m3/kg）u內(nèi)能（kJ/kg 或 kcal/kg ） p絕對壓力（N/m2或wqp1 wqp2 Pa）在工程單位制中，壓力單位常用工程氣壓、物理大氣壓和毫米水柱等單位。

5、由于內(nèi)能和壓力位能都是 溫度的參數(shù)，所以焓也是狀態(tài)參數(shù)。確切地說，焓是一定質(zhì)量的流體，從某一初始狀態(tài)變?yōu)槿我粺崃顟B(tài)所 加入的總熱量。六、 熵熵是一個導(dǎo)岀的熱力狀態(tài)參數(shù)，熵的中文意義是熱量被溫度除所得的商，熵的外文原名意義是“轉(zhuǎn)變”，指熱量可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ某潭?，它表征工質(zhì)狀態(tài)變化時，與外界熱交換的程度。熵是通過其他可 以直接測量的數(shù)量間接計(jì)算岀來的。、熱力學(xué)第二定律在熱量傳遞和熱、功轉(zhuǎn)換時，熱力學(xué)第一定律只能說明它們之間的數(shù)量關(guān)系，確不能揭示熱功轉(zhuǎn)換的條件和方向性。對于能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行的方向、條件和限度則是由熱力學(xué)第二定 律來揭示的，它指出：“熱量能自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體，而不能自發(fā)

6、的從低溫物體傳向高溫物體” 。這正象石頭或水不可能自發(fā)的從低處向高處運(yùn)動一樣。但這并不是說石頭和水在任何條件下都不可能由 低處移向高處，只要外界給它們足夠大的作用力，在這個力的作用下石頭或水就能由低處移向高處，這個 外界作用力稱為補(bǔ)償。同樣，不能把熱力學(xué)第二定律的說法理解為：“不可能把熱量從低溫物體傳到高溫 物體”。而是只要有一個補(bǔ)償過程，熱量就能自低溫物體傳到高溫物體。制冷裝置就是以消耗一定的外間 功作為補(bǔ)償過程而實(shí)現(xiàn)人工制冷的。二、循環(huán)與理想制冷循環(huán)1、正循環(huán)及熱效率膨脹-壓縮循環(huán)按瞬時針方向進(jìn)行的，稱為正循環(huán)。在PU圖上，正循環(huán)的膨脹線1 23位于壓縮線341 之上。正循環(huán)的單位質(zhì)量凈功

7、 w0 為正值，若設(shè)高溫?zé)嵩醇咏o工質(zhì)的熱量為 q1 ，工質(zhì)放給低溫?zé)?源的熱量為q2,則：（一）循環(huán) 熱變功的根本途徑是依靠工質(zhì)的膨脹。為了持續(xù)不斷地將熱轉(zhuǎn)換為功 , 工程上是通過熱機(jī)來實(shí)現(xiàn) 的。但工質(zhì)在熱機(jī)汽缸中僅僅完成一個膨脹過程是不可能滿足要求的。為了能重復(fù)地進(jìn)行膨脹，工質(zhì)在每 次膨脹之后必須進(jìn)行壓縮，以便使其回到初態(tài)。我們把工質(zhì)從初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列狀態(tài)變化又回到初態(tài) 的封閉過程，稱為“循環(huán)”。循環(huán)按其進(jìn)行方向不同又可分為正循環(huán)和逆循環(huán)。如下圖所示：評價正循環(huán)的好壞，通常用循環(huán)熱效率nt來衡量，循環(huán)熱效率是指工質(zhì)在整個熱力循環(huán)中，對外界所作的凈功 w0 與循環(huán)中外界所加給工質(zhì)的熱量 q

8、1 的比值。即：2. 逆循環(huán)及性能系數(shù)膨脹- 壓縮循環(huán)按逆時針方向進(jìn)行的，稱為逆循環(huán)。如圖 2-1 所示。逆循環(huán)的壓縮線 321 位于膨脹線 1 4 3之上。其循環(huán)的凈功為負(fù)值。若用 q1表示工質(zhì)向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?，?q2表示工質(zhì)從低溫?zé)?源吸收的熱量，則有：w0=q1-q2 或 q1=q2+w0 上式說明，外界對工質(zhì)作功，且熱量的傳遞方向也全部改變。也就是說，逆循環(huán)的效果是消耗外界的功， 將熱量從低溫物體傳遞給高溫物體。如逆循環(huán)的目的是從低溫物體中吸收熱量，則稱為制冷循環(huán)。如逆循 環(huán)的目的是給高溫物體供熱，則稱為熱泵循環(huán)。逆循環(huán)的好壞通常用性能系數(shù)來衡量。對于制冷機(jī)來說，是指從冷源吸收的

9、熱量q2與消耗的循環(huán)凈功 w0的比值 1稱為制冷系數(shù)。對于熱泵來說，是指供給熱源的熱量q1與消耗的循環(huán)凈功w0的比值 2稱為供熱系數(shù)。從上述分析可見，伴隨著低溫?zé)嵩窗岩徊糠譄崃縬2傳送到高溫?zé)嵩粗腥サ耐瑫r，循環(huán)的凈功wO也將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃坎⒘飨蚋邷責(zé)嵩?，這就是使熱量從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩此?必需的補(bǔ)償條件。沒有這個補(bǔ)償條件，熱量是不可能從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩吹?。（二）理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)可通過逆卡諾循環(huán)來說明。逆卡諾循環(huán)如圖 2-2 所示，它由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組 成。假設(shè)低溫?zé)嵩矗幢焕鋮s物體）的 溫度為TO,高溫?zé)嵩矗喘h(huán)境介質(zhì)）的 溫度為Tk,則工質(zhì)的溫度 在吸熱過程中為TO,在

10、放熱過程中為Tk,就是說在吸熱和放熱過程中工質(zhì)與冷源及高溫?zé)嵩粗g沒有溫 差，即傳熱是在等溫下進(jìn)行的，壓縮和膨脹過程是在沒有任何損失情況下進(jìn)行的。其循環(huán)過程為：首先工質(zhì)在TO下從冷源（即被冷卻物體）吸取熱量 qO，并進(jìn)行等溫膨脹4-1，然后通過絕熱壓縮1-2， 使其溫度由TO升高至環(huán)境介質(zhì)的 溫度Tk,再在Tk下進(jìn)行等溫壓縮2-3，并向環(huán)境介質(zhì)（即高溫?zé)嵩矗┓?出熱量qk,最后再進(jìn)行絕熱膨脹3-4，使其溫度由Tk降至TO即使工質(zhì)回到初始狀態(tài) 4,從而完成一個循 環(huán)。由上式可見，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只取決于冷源（即被冷卻物體）的溫度TO和熱源（即環(huán)境介質(zhì)）的 溫度Tk;降低Tk

11、，提高TO,均可提高制冷系數(shù)。此外，由熱力學(xué)第二定律還可以證 明：“在給定的冷源和熱源 溫度范圍內(nèi)工作的逆循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最高”。任何實(shí)際制冷 循環(huán)的制冷系數(shù)都小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)?？偵纤?，理想制冷循環(huán)應(yīng)為逆卡諾循環(huán)。而實(shí)際上逆卡諾循環(huán)是無法實(shí)現(xiàn)的，但它可以用作評價實(shí)際制 冷循環(huán)完善程度的指標(biāo)。通常將工作于相同 溫度間的實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù) 與逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù) k 之比，稱為該制冷機(jī)循環(huán)的熱力完善度，用符號 n 表示。即：n = / k 熱力完善度是用來表示制冷機(jī)循環(huán)接近逆卡諾循環(huán)循環(huán)的程度。它也是制冷循環(huán)的一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但 它與制冷系數(shù)的意義不同，對于工作 溫度不

12、同的制冷機(jī)循環(huán)無法按其制冷系數(shù)的大小來比較循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性好壞，而只能根據(jù)循環(huán)的熱力完善度的大小來判斷。一、制冷劑的相態(tài)變化 眾所周知，物質(zhì)有三種狀態(tài)，就是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。通常我們把固態(tài)的物體叫固體，液態(tài)的物體叫液體， 氣態(tài)的物體叫氣體。物質(zhì)的三種狀態(tài)，在一定的壓力和溫度 條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。其轉(zhuǎn)化過程分別稱為：1. 汽化 物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程稱為汽化。 汽化有蒸發(fā)和沸騰兩種形式。其中，在液體表面進(jìn)行的汽化過程叫蒸發(fā)，在液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的劇烈汽化 過程叫沸騰。在一定壓力下，蒸發(fā)在任何 溫度 下都可進(jìn)行，而沸騰只有液體被加熱到一定 溫度 才開始進(jìn)行。 當(dāng)汽液兩相共存并且保持平衡狀態(tài)時稱為

13、飽和狀態(tài)。此時的蒸汽和液體分別叫做飽和蒸汽和飽和液體，處 于飽和狀態(tài)的壓力與 溫度稱為飽和壓力與飽和 溫度。飽和壓力與飽和 溫度 總是相互對應(yīng)的，即一定的飽和 壓力對應(yīng)著一定的飽和 溫度 ，反之亦然。二者之間的對應(yīng)關(guān)系是：飽和 溫度 愈高，飽和壓力也愈高。反之， 飽和壓力愈高，飽和 溫度 也愈高。這是飽和狀態(tài)的一個重要特點(diǎn)。2. 冷凝 物質(zhì)從汽態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為冷凝或叫做液化。汽體的液化 溫度 與壓力有關(guān)，增大壓力，可使汽體在較高的 溫度下液化。液化的基本方法是降低 溫度 和增 加壓力。3. 升華 物質(zhì)由固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程稱為升華。4. 凝華 物質(zhì)由氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝華。

14、例如空氣中的水蒸汽在膨脹閥上結(jié)霜時發(fā)生的過程。二、制冷劑的壓焓圖及熱力性質(zhì)表 制冷劑的熱力狀態(tài)可以用其熱力性質(zhì)表來說明（常用制冷劑的飽和熱力性質(zhì)表見附表 ） ，也可以用壓焓圖來表示。壓焓圖 （lgP h 圖 ）是一種以絕對壓力的對數(shù)值 lgP 為縱坐標(biāo)，焓值為橫坐標(biāo)的熱工圖表。采 用對數(shù)值IgP （而不采用P）為縱坐標(biāo)的目的是為了縮小圖的尺寸，提高低壓區(qū)域的精確度，但在使用時 仍然直接從圖上讀出 P 的數(shù)值即可。1. 壓一焓圖（IgP h圖）的結(jié)構(gòu)壓一焓圖中有兩條比較粗的曲線，左邊一條為飽和液體線（干度x =0），右邊一條為干飽和蒸汽線（干度x =1），兩線交于一點(diǎn)K,且將圖分成了三個區(qū)域。其

15、中K稱為臨界 等壓線P:水平細(xì)直線。 等焓線 h ：豎直細(xì)直線。 等溫線 t :點(diǎn)劃線，其在過冷液體區(qū)為豎直線，在濕蒸汽區(qū)為水平線，在過熱蒸汽區(qū)為稍微向右下方彎 曲的曲線。 等熵線S:為從左到右稍向上彎曲的實(shí)線。點(diǎn)，飽和液體線左側(cè)為過冷液體區(qū)，干飽和蒸汽線右側(cè)為過 熱蒸汽區(qū)，兩線之間為濕蒸汽區(qū)。 等比容線u:在濕蒸汽區(qū)和過熱蒸汽 圖23壓一焓圖區(qū)中，為從左到右稍向上彎曲的虛線，但比等 熵線平坦，液體區(qū)無等比容線，因?yàn)椴煌瑝毫ο碌囊后w容積變化不大。 等干度線 x :只存在于濕蒸汽區(qū)和過熱蒸汽區(qū)域內(nèi)，走向與飽含液體線或干飽和蒸汽線基本一致。壓 焓圖上每一點(diǎn)都代表制冷劑的某一狀態(tài)，在 溫度、壓力、比

16、容、焓、熵、干度六個狀態(tài)參數(shù)中，只要知 道其中任意兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，就可以在圖中確定其狀態(tài)點(diǎn)，從而查出其它幾個狀態(tài)參數(shù)。制冷工程中， 高壓區(qū)和濕蒸汽區(qū)的中間部分很少用到，所以有些壓一焓圖中往往將這兩部分刪去不畫。不同的制冷劑，其壓一焓圖（IgP h圖）的形狀也有所不同，常用制冷劑 R717、R12及R22的飽和熱力性質(zhì)表見附表。 在工程計(jì)算中，根據(jù)需要可以查取制冷劑的飽和熱力性質(zhì)表，根據(jù)一個狀態(tài)參數(shù)，再查取制冷劑的飽和液 體或干飽和蒸汽的其它狀態(tài)參數(shù)。2. 壓焓圖 （IgP h 圖 ）的應(yīng)用壓焓圖 （IgP h 圖）是進(jìn)行制冷循環(huán)分析和計(jì)算的重要工具，在進(jìn)行制冷循環(huán)的熱力分析和計(jì)算之前， 必

17、須首先確定循環(huán)的工作參數(shù)，以便利用壓焓圖再來確定循環(huán)的各有關(guān)狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值，如圖24所示。點(diǎn) 1 :為制冷劑蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)。如不考慮管路的冷量損失，則壓縮機(jī)的吸汽溫度 t1 即為制冷劑出蒸發(fā)器時的溫度t0，即t1 = t0，在理想情況下，進(jìn)壓縮機(jī)的制冷劑蒸汽為飽和狀態(tài)。如已知蒸發(fā)溫度to，便能知道制冷劑蒸發(fā)壓力 P0,這樣便能根據(jù)P0= C的等壓線和干飽和蒸汽線的交點(diǎn)得出點(diǎn)1。點(diǎn)2 :為制冷劑出壓縮機(jī)的狀態(tài)，也是進(jìn)冷凝器的狀態(tài)。過程I2為制冷劑在壓縮機(jī)中絕熱壓縮過程。絕熱過程中熵不變，即 S1 = S2,該過程沿點(diǎn)1的等墑線進(jìn)行，它與 Pk=C的等壓線的交點(diǎn)即為點(diǎn) 2。點(diǎn)5:為制冷劑在冷

18、凝器中凝結(jié)成飽和液體的狀態(tài)。它可由Pk=C的等壓線與飽和液體線相交得到。點(diǎn)3:為制冷劑液體過冷后的狀態(tài)。因?yàn)橹评鋭┮后w在過冷過程中的等于冷凝壓力Pk，它的溫度低于冷凝溫度，所以Pk=C的等壓線和tg=C的等溫線交點(diǎn)即為點(diǎn)3。點(diǎn) 4:為制冷劑出節(jié)流閥 （膨脹閥 ）的狀態(tài)，也是進(jìn)蒸發(fā)器的初態(tài)。因?yàn)楣?jié)流前后的焓值不變，而壓力降低 至蒸發(fā)壓力P0,溫度為蒸發(fā)溫度tO,所以由點(diǎn)3作垂線（即等焓線）與t0=C的等溫線相交即得點(diǎn)4。 41:為制冷劑在蒸發(fā)器中的汽化吸熱過程。這樣根據(jù)圖上所得的狀態(tài)點(diǎn)，即可查得各狀態(tài)點(diǎn)的熱力參數(shù) 值。例2 1絕對壓力為2bar，比容為0.7m3/ kg的氨呈何種狀態(tài)？解：所求的狀態(tài)是1gP一 h圖上P= 2bar的水平線