熱機(jī)制冷機(jī)以及卡諾循環(huán)

1、熱機(jī)制冷機(jī)以及卡諾循環(huán)主講： 王冬（50%）成員： 陳亮糖（50%）2 循環(huán)過(guò)程應(yīng)用非常常見(jiàn)，如循環(huán)過(guò)程應(yīng)用非常常見(jiàn)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)等，還有冰汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)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(guò)程，方式利用了不同種類的循環(huán)過(guò)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(jī)器和設(shè)備是怎那么，這些機(jī)器和設(shè)備是怎樣利用循環(huán)過(guò)程來(lái)達(dá)到各自的目樣利用循環(huán)過(guò)程來(lái)達(dá)到各自的目的？對(duì)于它們什么是最關(guān)鍵的指的？對(duì)于它們什么是最關(guān)鍵的指標(biāo)？工程師設(shè)計(jì)高性能的機(jī)器和標(biāo)？工程師設(shè)計(jì)高性能的機(jī)器和設(shè)備以及提高其性能的依據(jù)是什設(shè)備以及提

2、高其性能的依據(jù)是什么呢？么呢？ 循環(huán)過(guò)程及其在工程中的應(yīng)用循環(huán)過(guò)程及其在工程中的應(yīng)用循環(huán)過(guò)程循環(huán)過(guò)程系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)任意一系列的系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)任意一系列的狀態(tài)，最后又回到原來(lái)狀態(tài)的過(guò)程。狀態(tài)，最后又回到原來(lái)狀態(tài)的過(guò)程。E = 0。 只有準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在只有準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在P-V圖上有對(duì)應(yīng)的過(guò)程曲線。圖上有對(duì)應(yīng)的過(guò)程曲線。準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程對(duì)應(yīng)于P-V圖上一封閉的曲線。圖上一封閉的曲線。oPV212V1V對(duì)如圖示的正循環(huán)，由對(duì)如圖示的正循環(huán)，由12的膨脹過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)的膨脹過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外作正功外作正功由由2 1的壓縮過(guò)程中系統(tǒng)的壓縮過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功對(duì)外作負(fù)功正循環(huán)過(guò)程

3、中，系統(tǒng)對(duì)外作的總功（凈功）為：正循環(huán)過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)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(jiàn)，正循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外作正功?？梢?jiàn)，正循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外作正功。oPV212V1V逆循環(huán)逆循環(huán)吸Q放Q 系統(tǒng)對(duì)外作的凈功系統(tǒng)對(duì)外作的凈功 W= - W1+W20即外界對(duì)系統(tǒng)作功即外界對(duì)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?zé)嵩矗┘聪到y(tǒng)向外（高溫?zé)嵩矗┓艧?。放熱。W由此可見(jiàn)，在逆循環(huán)過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)作功，把熱由此可見(jiàn)，在逆循環(huán)過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)作功，把熱量由低溫?zé)嵩磦鬟f

4、到高溫?zé)嵩?。量由低溫?zé)嵩磦鬟f到高溫?zé)嵩?。那么，外界?duì)系統(tǒng)作的功可使多少熱量由低溫?zé)嵩磦鞯侥敲矗饨鐚?duì)系統(tǒng)作的功可使多少熱量由低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩茨?？這就是致冷機(jī)的效率問(wèn)題。高溫?zé)嵩茨兀窟@就是致冷機(jī)的效率問(wèn)題。1. 熱機(jī)熱機(jī) 把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置稱為熱機(jī)，如蒸汽機(jī)、把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置稱為熱機(jī)，如蒸汽機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等。2. 熱機(jī)工作特點(diǎn)熱機(jī)工作特點(diǎn)需要一定工作物質(zhì)。需要一定工作物質(zhì)。至少需要兩個(gè)熱源。至少需要兩個(gè)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?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碩1低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碩2熱機(jī)W2Q1Q1QW熱機(jī)從高溫

5、熱源吸取熱熱機(jī)從高溫?zé)嵩次崃?，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?zé)嵩?。另一部分放到低溫?zé)嵩础?.熱機(jī)效率熱機(jī)效率,21QQW熱機(jī)效率熱機(jī)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(jī)效率就越大。熱機(jī)效率就越大。121QQQ121QQ1熱機(jī)熱機(jī) ：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器 . 工作物質(zhì)工作物質(zhì)（工質(zhì)）：熱機(jī)中被利用來(lái)吸收熱量（工質(zhì)）：熱機(jī)中被利用來(lái)吸收熱量并對(duì)外做功的物質(zhì)并對(duì)外做功的物質(zhì) . 致冷機(jī)的工作物致冷機(jī)的工作物質(zhì)作逆循環(huán)。通過(guò)外質(zhì)作逆循環(huán)。通過(guò)外界對(duì)系統(tǒng)作功將系統(tǒng)界對(duì)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(jī)。電冰箱、空調(diào)都屬于致冷機(jī)。高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碩1低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碩2致冷機(jī)W1Q2Q1.工作示意圖工作示意圖致冷機(jī)是通過(guò)外界作功致冷機(jī)是通過(guò)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(duì)大氣的臭氧層有破壞的作用，對(duì)大氣的臭氧層有破壞的作用，2005 年我國(guó)將停止使年我國(guó)將停止使用氟里昂作致冷劑。以保護(hù)臭氧層。溴化鋰致冷和半用氟里昂作致冷劑。以保護(hù)臭氧層。溴化鋰致冷和半導(dǎo)體致冷已進(jìn)入市場(chǎng)。導(dǎo)體致冷已進(jìn)入市場(chǎng)。212QQQWQe2節(jié)流閥節(jié)流閥冷凝器冷凝器壓縮機(jī)壓縮機(jī)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(jī)不僅可以制空調(diào)機(jī)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?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碩1低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碩2熱

8、泵W放Q吸Q室外室外室內(nèi)室內(nèi) 熱泵是通過(guò)外界作功，熱泵是通過(guò)外界作功，將低溫源（室外）的熱將低溫源（室外）的熱量泵到高溫源（室內(nèi)），量泵到高溫源（室內(nèi)），與制冷機(jī)順序相反。與制冷機(jī)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?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碩1低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碩2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(jī)卡諾正循環(huán)與卡諾熱機(jī)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(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量的循環(huán)。個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量的循環(huán)。正、逆循環(huán)

9、分別對(duì)應(yīng)于正、逆循環(huán)分別對(duì)應(yīng)于卡諾卡諾熱機(jī)和制冷機(jī)。熱機(jī)和制冷機(jī)。準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)由兩由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程構(gòu)成的循環(huán)。過(guò)程構(gòu)成的循環(huán)。2. 理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)理想氣體準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)卡諾在此僅限于討論準(zhǔn)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(guò)程等溫收縮過(guò)程4323422lnlnVVRTMmVVRTMmQ022 QW放熱放熱1 2 的等溫膨脹過(guò)程的等溫膨脹過(guò)程012E011QW2 3的

10、絕熱膨脹過(guò)程絕熱膨脹過(guò)程023Q041QoPV等溫線43212T絕熱線1T023W4 1的絕熱壓縮過(guò)程的絕熱壓縮過(guò)程041W 整個(gè)循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)整個(gè)循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)吸收的凈熱等于系統(tǒng)對(duì)外吸收的凈熱等于系統(tǒng)對(duì)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(guò)程方程絕熱膨脹和壓縮過(guò)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(112143

11、2VVTVVT可見(jiàn)，理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)的效率只由高低溫?zé)峥梢?jiàn)，理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)的效率只由高低溫?zé)嵩吹臒崃W(xué)溫度決定，與具體的工作物質(zhì)無(wú)關(guān)。源的熱力學(xué)溫度決定，與具體的工作物質(zhì)無(wú)關(guān)。121TT121TT卡諾熱機(jī)的效率卡諾熱機(jī)的效率3.提高熱機(jī)效率的方法。提高熱機(jī)效率的方法。121TT T2/T1越小越好，但低溫?zé)嵩吹臏囟韧ǔ橥饨绱笤叫≡胶?，但低溫?zé)嵩吹臏囟韧ǔ橥饨绱髿獾臏囟?，難以人為地改變。因此通常以提高高溫?zé)釟獾臏囟龋y以人為地改變。因此通常以提高高溫?zé)嵩吹臏囟葋?lái)提高熱機(jī)的效率。源的溫度來(lái)提高熱機(jī)的效率。23解：解：根據(jù)卡諾熱機(jī)的循環(huán)效率可得，地?zé)岚l(fā)電機(jī)的熱根據(jù)卡諾熱機(jī)的循環(huán)效率

12、可得，地?zé)岚l(fā)電機(jī)的熱機(jī)效率為機(jī)效率為48. 015.57315.2981112TT則發(fā)電機(jī)每小時(shí)對(duì)外做的功為則發(fā)電機(jī)每小時(shí)對(duì)外做的功為111010.48 2 10 J9.6 10 JWQ 發(fā)電機(jī)的輸出功率為發(fā)電機(jī)的輸出功率為1049.6 102.7 10 kW3600WPt24汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)熱機(jī)汽油機(jī)的循環(huán)過(guò)程汽油機(jī)的循環(huán)過(guò)程一般汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)過(guò)程由兩個(gè)等容過(guò)程和兩一般汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)過(guò)程由兩個(gè)等容過(guò)程和兩個(gè)絕熱組成，其中個(gè)絕熱組成，其中AB和和CD為絕熱過(guò)程，該循環(huán)過(guò)為絕熱過(guò)程，該循環(huán)過(guò)程決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)程決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)熱機(jī)效率。熱機(jī)效率。V2POP1P

13、2CDBAV1吸放25汽車發(fā)動(dòng)的熱機(jī)效率為汽車發(fā)動(dòng)的熱機(jī)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為氣體壓縮后為氣體壓縮后的體積。的體積。26提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)效率的途徑提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)效率的途徑（1）提高高溫?zé)嵩吹臏囟龋òl(fā)動(dòng)機(jī)本身的溫度），）提高高溫?zé)嵩吹臏囟龋òl(fā)動(dòng)機(jī)本身的溫度），陶瓷外殼的發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷外殼的發(fā)動(dòng)機(jī)（2）提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比（用壓縮前的氣缸總?cè)莘e）提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)卡諾逆循環(huán)與卡諾制冷機(jī) 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