制冷技術(shù)及設(shè)備第二周

1、制冷技術(shù)及設(shè)備理論課教案(代號A-4)科目制冷技術(shù)及設(shè)備章 節(jié) 課題：第二章 制冷技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ)2-1 制冷工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)2-2 熱力學(xué)第二定律與理想制冷循環(huán)授課日期第周課 時學(xué)時班級1007班授課方式講授作 業(yè)題 數(shù)2擬 用時 間教學(xué)目的1、 使學(xué)生弄清何謂溫度、壓力、比容、內(nèi)能、焓與熵等2、 使學(xué)生掌握熱力學(xué)第二定律，理想制冷循環(huán)選用教學(xué)媒體多媒體重點(diǎn)溫度、壓力、比容、內(nèi)能、焓與熵等難點(diǎn)熱力學(xué)第二定律，理想制冷循環(huán)使用教具多媒體教學(xué)回顧、 何謂制冷及人工制冷？、實(shí)現(xiàn)制冷的途徑 教 學(xué) 過 程 (代號A-4) 第 頁第二章 制冷技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ)2-1 制冷工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)在制冷循環(huán)中

2、，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：1、攝氏溫標(biāo) 又叫國際百度溫標(biāo)，常用符號t表示，單位為。2、絕對溫標(biāo) 常用

3、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)

4、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+B 或 P=B-PK 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

5、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kg工質(zhì)而言，可表示為： P （kJ/kg）或（kcal/kg）式中 焓或稱比焓（kJ/kg或kcal/kg） 比容（m3/kg） 內(nèi)能（kJ/kg或kcal/kg） P 絕對壓力（N/m2或wqp1wqp2Pa） 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。 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

6、是一個導(dǎo)出的熱力狀態(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)量間接計算出來的。2-2 熱力學(xué)第二定律與理想制冷循環(huán)一、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，的確不能揭示熱功轉(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)的從低溫物體傳向高溫物體”。這正像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

7、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)按順時針方向進(jìn)行的，稱為正循環(huán)。在P圖上，正循環(huán)的膨脹線123位于壓縮線341之上。正循環(huán)的單位質(zhì)量凈功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)嵩吹臒崃繛閝2，則： (一)循環(huán) 熱變功的根本途徑是依靠工

8、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t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q1的比值。即：q1q2q1=q1w0t=q1-q2=1- 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

9、。逆循環(huán)的壓縮線321位于膨脹線143 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?，用q2表示工質(zhì)從低溫?zé)嵩次盏臒崃?，則有：w0=q1-q2 或q1=q2+w0 上式說明，外界對工質(zhì)做功，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

10、系數(shù)。則有：1=q2/ w0w02= q1/ w0=q2+ w0=1+1 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w0也將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃坎⒘飨蚋邷責(zé)嵩矗@就是使熱量從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩此匦璧难a(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)嵩吹摹?（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T0，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T0，在放熱過程中為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

11、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T0下從冷源（即被冷卻物體）吸取熱量q0，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T0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┓懦鰺崃縬k, 最后再進(jìn)行絕熱膨脹3-4，使其溫度由Tk 降至T0即使工質(zhì)回到初始狀態(tài)4，從而完成一個循環(huán)。 對于逆卡諾循環(huán)來說，由圖2-2可知： q0=T0(S1-S4） qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4） w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）則逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)k 為：T0 (S1S4）(TkT0) (S1S4）k=q0w0=TkT0T0 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T0和熱源（即環(huán)境介質(zhì)）的溫度Tk；降低Tk，提高T0，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)