熱機制冷機以及卡諾循環(huán)

1、熱機制冷機以及卡諾循環(huán)主講： 王冬（50%）成員： 陳亮糖（50%）2 循環(huán)過程應用非常常見，如循環(huán)過程應用非常常見，如汽車發(fā)動機、蒸汽機等，還有冰汽車發(fā)動機、蒸汽機等，還有冰箱、空調(diào)等，它們分別以不同的箱、空調(diào)等，它們分別以不同的方式利用了不同種類的循環(huán)過程，方式利用了不同種類的循環(huán)過程，最終具有了各自不同的功能。最終具有了各自不同的功能。 那么，這些機器和設備是怎那么，這些機器和設備是怎樣利用循環(huán)過程來達到各自的目樣利用循環(huán)過程來達到各自的目的？對于它們什么是最關(guān)鍵的指的？對于它們什么是最關(guān)鍵的指標？工程師設計高性能的機器和標？工程師設計高性能的機器和設備以及提高其性能的依據(jù)是什設備以及提

2、高其性能的依據(jù)是什么呢？么呢？ 循環(huán)過程及其在工程中的應用循環(huán)過程及其在工程中的應用循環(huán)過程循環(huán)過程系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過任意一系列的系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過任意一系列的狀態(tài)，最后又回到原來狀態(tài)的過程。狀態(tài)，最后又回到原來狀態(tài)的過程。e = 0。 只有準靜態(tài)過程在只有準靜態(tài)過程在p-v圖上有對應的過程曲線。圖上有對應的過程曲線。準靜態(tài)循環(huán)過程對應于準靜態(tài)循環(huán)過程對應于p-v圖上一封閉的曲線。圖上一封閉的曲線。opv212v1v對如圖示的正循環(huán)，由對如圖示的正循環(huán)，由12的膨脹過程中系統(tǒng)對外作的膨脹過程中系統(tǒng)對外作正功正功由由2 1的壓縮過程中系統(tǒng)的壓縮過程中系統(tǒng)對外作負功對外作負功正循環(huán)過程

3、中，系統(tǒng)對外作的總功（凈功）為：正循環(huán)過程中，系統(tǒng)對外作的總功（凈功）為：正循環(huán)正循環(huán)吸q放qw下的面積膨脹曲線121w下的面積壓縮曲線212w021閉循環(huán)曲線所圍面積www可見，正循環(huán)過程中系統(tǒng)對外作正功?？梢?，正循環(huán)過程中系統(tǒng)對外作正功。opv212v1v逆循環(huán)逆循環(huán)吸q放q 系統(tǒng)對外作的凈功系統(tǒng)對外作的凈功 w= - w1+w20即外界對系統(tǒng)作功即外界對系統(tǒng)作功。系統(tǒng)從外界吸收的凈熱系統(tǒng)從外界吸收的凈熱 q=- q1+q20即系統(tǒng)向外（高溫熱源）即系統(tǒng)向外（高溫熱源）放熱。放熱。w由此可見，在逆循環(huán)過程中，外界對系統(tǒng)作功，把熱由此可見，在逆循環(huán)過程中，外界對系統(tǒng)作功，把熱量由低溫熱源傳遞

4、到高溫熱源。量由低溫熱源傳遞到高溫熱源。那么，外界對系統(tǒng)作的功可使多少熱量由低溫熱源傳到那么，外界對系統(tǒng)作的功可使多少熱量由低溫熱源傳到高溫熱源呢？這就是致冷機的效率問題。高溫熱源呢？這就是致冷機的效率問題。1. 熱機熱機 把熱能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置稱為熱機，如蒸汽機、把熱能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置稱為熱機，如蒸汽機、汽車發(fā)動機等。汽車發(fā)動機等。2. 熱機工作特點熱機工作特點需要一定工作物質(zhì)。需要一定工作物質(zhì)。至少需要兩個熱源。至少需要兩個熱源。工作物質(zhì)作正循環(huán)。工作物質(zhì)作正循環(huán)。opv正循環(huán)正循環(huán)吸q放qw3.工作示意圖工作示意圖高溫熱源高溫熱源t1低溫熱源低溫熱源t2熱機w2q1q1qw熱機從高溫

5、熱源吸取熱熱機從高溫熱源吸取熱量，一部分轉(zhuǎn)變成功，量，一部分轉(zhuǎn)變成功，另一部分放到低溫熱源。另一部分放到低溫熱源。4.熱機效率熱機效率,21qqw熱機效率熱機效率 如果從高溫源吸取的如果從高溫源吸取的熱量轉(zhuǎn)變成的功越多，則熱量轉(zhuǎn)變成的功越多，則熱機效率就越大。熱機效率就越大。121qqq121qq1熱機熱機 ：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器 . 工作物質(zhì)工作物質(zhì)（工質(zhì)）：熱機中被利用來吸收熱量（工質(zhì)）：熱機中被利用來吸收熱量并對外做功的物質(zhì)并對外做功的物質(zhì) . 致冷機的工作物致冷機的工作物質(zhì)作逆循環(huán)。通過外質(zhì)作逆循環(huán)。通過外界對系統(tǒng)作功將系統(tǒng)界對系統(tǒng)作功將系統(tǒng)由低溫源吸

6、收的熱量由低溫源吸收的熱量傳遞到高溫源，從而傳遞到高溫源，從而使低溫源溫度降低。使低溫源溫度降低。opv逆循環(huán)逆循環(huán)吸q放qw例如：例如：電冰箱、空調(diào)都屬于致冷機。電冰箱、空調(diào)都屬于致冷機。高溫熱源高溫熱源t1低溫熱源低溫熱源t2致冷機w1q2q1.工作示意圖工作示意圖致冷機是通過外界作功致冷機是通過外界作功將低溫源的熱量傳遞到將低溫源的熱量傳遞到高溫源中，使低溫源溫高溫源中，使低溫源溫度降低。度降低。2.致冷系數(shù)致冷系數(shù)如果外界做一定的功，從低如果外界做一定的功，從低溫源吸取的熱量越多，致冷溫源吸取的熱量越多，致冷效率越大。效率越大。室外室外室內(nèi)室內(nèi)wqe2致冷系數(shù)致冷系數(shù)由能量守恒由能量守

7、恒21qqwwqe2 電冰箱的工作物質(zhì)為氟里昂電冰箱的工作物質(zhì)為氟里昂 12 (ccl2f2)，氟里昂，氟里昂對大氣的臭氧層有破壞的作用，對大氣的臭氧層有破壞的作用，2005 年我國將停止使年我國將停止使用氟里昂作致冷劑。以保護臭氧層。溴化鋰致冷和半用氟里昂作致冷劑。以保護臭氧層。溴化鋰致冷和半導體致冷已進入市場。導體致冷已進入市場。212qqqwqe2節(jié)流閥節(jié)流閥冷凝器冷凝器壓縮機壓縮機冰室冰室3.電冰箱工作原理電冰箱工作原理冰箱循環(huán)示意圖冰箱循環(huán)示意圖 空調(diào)機不僅可以制空調(diào)機不僅可以制冷，而且也可制熱。將冷，而且也可制熱。將其稱為熱泵。其稱為熱泵。高溫熱源高溫熱源t1低溫熱源低溫熱源t2熱

8、泵w放q吸q室外室外室內(nèi)室內(nèi) 熱泵是通過外界作功，熱泵是通過外界作功，將低溫源（室外）的熱量將低溫源（室外）的熱量泵到高溫源（室內(nèi)），與泵到高溫源（室內(nèi)），與制冷機順序相反。制冷機順序相反。1.供暖系數(shù)供暖系數(shù)如果外界做一定的功，泵到如果外界做一定的功，泵到高溫源的熱量越多，供暖系高溫源的熱量越多，供暖系數(shù)就越大。數(shù)就越大。w1q由能量守恒由能量守恒21qwqeqwwq1w21高溫熱源高溫熱源t1低溫熱源低溫熱源t2熱泵w放q吸q室外室外室內(nèi)室內(nèi)1.卡諾正循環(huán)與卡諾熱機卡諾正循環(huán)與卡諾熱機卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)工作物質(zhì)只與兩工作物質(zhì)只與兩個恒溫熱源交換熱量的循環(huán)。個恒溫熱源交換熱量的循環(huán)。正、逆循環(huán)

9、分別對應于正、逆循環(huán)分別對應于卡諾卡諾熱機和制冷機。熱機和制冷機。準靜態(tài)卡諾循環(huán)準靜態(tài)卡諾循環(huán)由兩由兩個等溫過程和兩個絕熱個等溫過程和兩個絕熱過程構(gòu)成的循環(huán)。過程構(gòu)成的循環(huán)。2. 理想氣體準靜態(tài)卡諾循環(huán)理想氣體準靜態(tài)卡諾循環(huán) 及其效率及其效率opv等溫線43212t絕熱線1t在此僅限于討論準靜態(tài)卡諾在此僅限于討論準靜態(tài)卡諾循環(huán)。循環(huán)。opv等溫線43212t絕熱線1t正循環(huán)與功能轉(zhuǎn)換正循環(huán)與功能轉(zhuǎn)換0ln1211vvrtmmq吸熱吸熱3 4 等溫收縮過程等溫收縮過程4323422lnlnvvrtmmvvrtmmq022 qw放熱放熱1 2 的等溫膨脹過程的等溫膨脹過程012e011qw2 3的

10、絕熱膨脹過程的絕熱膨脹過程023q041qopv等溫線43212t絕熱線1t023w4 1的絕熱壓縮過程的絕熱壓縮過程041w 整個循環(huán)過程中系統(tǒng)整個循環(huán)過程中系統(tǒng)吸收的凈熱等于系統(tǒng)對外吸收的凈熱等于系統(tǒng)對外的功的功43212121lnlnvvtvvtrmmqqqw 效率效率1214321211lnlnlnvvtvvtvvtqw124312lnln1vvvvtt由由2 -3和和4-1的的 絕熱膨脹和壓縮過程方程絕熱膨脹和壓縮過程方程213112tvtv214111tvtv上兩式相比上兩式相比143112vvvv即即4312vvvvopv等溫線43212t絕熱線1t)/ln()/ln(11214

11、32vvtvvt可見，理想氣體準靜態(tài)卡諾循環(huán)的效率只由高低溫熱可見，理想氣體準靜態(tài)卡諾循環(huán)的效率只由高低溫熱源的熱力學溫度決定，與具體的工作物質(zhì)無關(guān)。源的熱力學溫度決定，與具體的工作物質(zhì)無關(guān)。121tt121tt卡諾熱機的效率卡諾熱機的效率3.提高熱機效率的方法。提高熱機效率的方法。121tt t2/t1越小越好，但低溫熱源的溫度通常為外界大越小越好，但低溫熱源的溫度通常為外界大氣的溫度，難以人為地改變。因此通常以提高高溫熱氣的溫度，難以人為地改變。因此通常以提高高溫熱源的溫度來提高熱機的效率。源的溫度來提高熱機的效率。23解：解：根據(jù)卡諾熱機的循環(huán)效率可得，地熱發(fā)電機的熱根據(jù)卡諾熱機的循環(huán)效

12、率可得，地熱發(fā)電機的熱機效率為機效率為48. 015.57315.2981112tt則發(fā)電機每小時對外做的功為則發(fā)電機每小時對外做的功為111010.48 2 10 j9.6 10 jwq 發(fā)電機的輸出功率為發(fā)電機的輸出功率為1049.6 102.7 10 kw3600wpt24汽車發(fā)動機汽車發(fā)動機熱機熱機汽油機的循環(huán)過程汽油機的循環(huán)過程一般汽車發(fā)動機的循環(huán)過程由兩個等容過程和兩一般汽車發(fā)動機的循環(huán)過程由兩個等容過程和兩個絕熱組成，其中個絕熱組成，其中ab和和cd為絕熱過程，該循環(huán)過為絕熱過程，該循環(huán)過程決定了發(fā)動機的關(guān)鍵性技術(shù)指標程決定了發(fā)動機的關(guān)鍵性技術(shù)指標熱機效率。熱機效率。v2pop1

13、p2cdbav1吸吸放放25汽車發(fā)動的熱機效率為汽車發(fā)動的熱機效率為1dacbtttt 12111abtvtv 其中，其中，ta為燃料燃燒前的溫度，為燃料燃燒前的溫度， ta為燃料燃燒為燃料燃燒后的溫度；后的溫度；v1為氣體壓縮前的體積，為氣體壓縮前的體積，v2為氣體壓縮為氣體壓縮后的體積。后的體積。26提高汽車發(fā)動機效率的途徑提高汽車發(fā)動機效率的途徑（1）提高高溫熱源的溫度（發(fā)動機本身的溫度），）提高高溫熱源的溫度（發(fā)動機本身的溫度），陶瓷外殼的發(fā)動機陶瓷外殼的發(fā)動機（2）提高發(fā)動機的壓縮比（用壓縮前的氣缸總?cè)莘e）提高發(fā)動機的壓縮比（用壓縮前的氣缸總?cè)莘e與壓縮后的氣缸容積）與壓縮后的氣缸容積）4.卡諾逆循環(huán)與卡諾制冷機卡諾逆循環(huán)與卡諾制冷機 完全類似于完全類似于卡諾正循環(huán)的分析，可以證明，理想卡諾正循環(huán)的分析，可