第一章制冷原理

1、第一章制冷原理 自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量的總量保持不變。過(guò)程中能量的總量保持不變。 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。1.11.1制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)1.1.熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律工質(zhì)的總儲(chǔ)存能工質(zhì)的總儲(chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能熱力學(xué)能總能總能動(dòng)動(dòng) 能能位位 能能 E

2、E總能，總能， E Ek k 動(dòng)能動(dòng)能 E Ep p 位能位能 E=U+E E=U+Ek k+E+Ep p (1-2) 內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀 運(yùn)動(dòng)動(dòng)能及位能的總和運(yùn)動(dòng)動(dòng)能及位能的總和 。工質(zhì)的總能工質(zhì)的總能mgzmcUEf221(1-3) 宏觀動(dòng)能宏觀動(dòng)能 221fkmcE 重力位能重力位能mgzEp若工質(zhì)質(zhì)量若工質(zhì)質(zhì)量m m，速度，速度c cf f，重力場(chǎng)中高度，重力場(chǎng)中高度z z力學(xué)參數(shù)力學(xué)參數(shù)c cf f和和z z只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度gzcuef221(1-4) 比總能比總

3、能因工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功。因工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功。對(duì)開(kāi)口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時(shí)需要考慮這種功。對(duì)開(kāi)口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時(shí)需要考慮這種功。推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用。推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用。推動(dòng)功推動(dòng)功傳熱傳熱借傳熱來(lái)傳遞能量無(wú)需物體的宏觀移動(dòng)。借傳熱來(lái)傳遞能量無(wú)需物體的宏觀移動(dòng)。 作功作功借作功來(lái)傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。借作功來(lái)傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。 能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式2.2.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化能量的傳遞和轉(zhuǎn)化 進(jìn)入系統(tǒng)的能量進(jìn)入系統(tǒng)的能量- -離開(kāi)系統(tǒng)的能量離開(kāi)系統(tǒng)的能量= =系統(tǒng)中儲(chǔ)

4、存能量的增加系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加 (1-10) 4.1 4.1 閉口系統(tǒng)的能量平衡閉口系統(tǒng)的能量平衡4 4熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式 工質(zhì)從外界吸熱工質(zhì)從外界吸熱Q Q后從狀態(tài)后從狀態(tài)1 1變化到變化到2 2，對(duì)外作功，對(duì)外作功W W。若。若工質(zhì)宏觀動(dòng)能和位能的變化忽略不計(jì)，則工質(zhì)儲(chǔ)存能工質(zhì)宏觀動(dòng)能和位能的變化忽略不計(jì)，則工質(zhì)儲(chǔ)存能的增加即為熱力學(xué)能的增加的增加即為熱力學(xué)能的增加U U 12UUUWQWUQ(1-11) 熱力學(xué)第一定律的解析式熱力學(xué)第一定律的解析式 圖圖1-6 1-6 噴管能量轉(zhuǎn)換噴管能量轉(zhuǎn)換 圖圖1-5 1-5 換熱器能量平衡換熱器能量平衡

5、工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)和外界工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)和外界有熱量交換而無(wú)功的交換，有熱量交換而無(wú)功的交換，動(dòng)能差和位能差也可忽略動(dòng)能差和位能差也可忽略不計(jì)不計(jì) 1kg1kg的工質(zhì)吸熱量的工質(zhì)吸熱量 12hhq1kg1kg工質(zhì)動(dòng)能的增加工質(zhì)動(dòng)能的增加 212122)(21hhccff工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴(kuò)壓管工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴(kuò)壓管時(shí)不對(duì)設(shè)備作功時(shí)不對(duì)設(shè)備作功 ，熱，熱量交換可忽略不計(jì)量交換可忽略不計(jì) 研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過(guò)程進(jìn)行的方向、條研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過(guò)程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律件及限度的定律 熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體溫物體 1.1.制冷循環(huán)

6、的熱力學(xué)分析制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析 熱力學(xué)循環(huán)熱力學(xué)循環(huán) 正向循環(huán)正向循環(huán) 熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功 逆向循環(huán)逆向循環(huán) 消耗功消耗功 循環(huán)除了一二個(gè)不可避免的不可逆過(guò)程外其循環(huán)除了一二個(gè)不可避免的不可逆過(guò)程外其余均為可逆過(guò)程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。余均為可逆過(guò)程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。 理想循環(huán)理想循環(huán)2.2.熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律p p、T T狀態(tài)下的比熵定義為狀態(tài)下的比熵定義為 TpTpTpTpTqss、0000(1-33) 2.2.熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán)熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán) 逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán) “冷源冷源”指需冷卻的空間指需冷卻的空間“熱源熱源”則指制冷機(jī)放熱的對(duì)

7、象則指制冷機(jī)放熱的對(duì)象當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過(guò)程的進(jìn)行溫度不變當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過(guò)程的進(jìn)行溫度不變時(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過(guò)程和兩個(gè)等熵過(guò)程組成時(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過(guò)程和兩個(gè)等熵過(guò)程組成的逆向循環(huán)。的逆向循環(huán)。 在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因?yàn)樗鼪](méi)有任何即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因?yàn)樗鼪](méi)有任何不可逆損失。不可逆損失。 沒(méi)有一個(gè)制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)可大于相同沒(méi)有一個(gè)制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)可大于相同溫限下工作的卡諾制冷機(jī)，否則就可以制造第溫限下工作的卡諾制冷機(jī)，否則就可以制造第二類永動(dòng)機(jī)。要達(dá)到相同的制冷效應(yīng)，所有

8、實(shí)二類永動(dòng)機(jī)。要達(dá)到相同的制冷效應(yīng)，所有實(shí)際的制冷機(jī)都要比卡諾制冷機(jī)花費(fèi)更多的功。際的制冷機(jī)都要比卡諾制冷機(jī)花費(fèi)更多的功。 熱力學(xué)第二定律的推論之一熱力學(xué)第二定律的推論之一1.2 1.2 制冷與低溫溫區(qū)的劃分制冷與低溫溫區(qū)的劃分 1.1.制冷與低溫溫區(qū)的劃分制冷與低溫溫區(qū)的劃分 “冷冷”相對(duì)于環(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境相對(duì)于環(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境溫度至絕對(duì)零度。溫度至絕對(duì)零度。 通過(guò)通過(guò)123123來(lái)分界溫區(qū)來(lái)分界溫區(qū)制冷溫區(qū)制冷溫區(qū) 123K123K以上以上低溫溫區(qū)低溫溫區(qū) 123K123K以下以下制冷制冷通過(guò)一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下。通過(guò)一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下。制

9、冷的溫度范制冷的溫度范圍是從環(huán)境溫圍是從環(huán)境溫度開(kāi)始，一直度開(kāi)始，一直可達(dá)接近絕可達(dá)接近絕對(duì)零度即對(duì)零度即0 0圖圖1-171-17低溫溫度范圍低溫溫度范圍 2.2.制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史 ( (一一) )制冷技術(shù)的發(fā)展歷史制冷技術(shù)的發(fā)展歷史 人工制冷的方法是隨著工業(yè)革命而開(kāi)始的。人工制冷的方法是隨著工業(yè)革命而開(kāi)始的?？諝庵评錂C(jī)的發(fā)明比蒸氣壓縮式制冷機(jī)稍晚?？諝庵评錂C(jī)的發(fā)明比蒸氣壓縮式制冷機(jī)稍晚?？照{(diào)技術(shù)的應(yīng)用起始于空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用起始于19191919年。年。 制冷在空調(diào)中的作用制冷在空調(diào)中的作用 (1)(1)干式冷卻干式冷卻 (2)(2)減濕冷卻減濕冷卻 (3)(3

10、)減濕與干式冷卻混合方式減濕與干式冷卻混合方式 1 1）. . 空氣調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)圖圖1-26 制冷與空調(diào)的關(guān)系制冷與空調(diào)的關(guān)系 制冷和空調(diào)制冷和空調(diào)的關(guān)系相互的關(guān)系相互聯(lián)系又獨(dú)立聯(lián)系又獨(dú)立3 3、制冷的基本應(yīng)用、制冷的基本應(yīng)用根據(jù)對(duì)食品處理方式不同，食品低溫處理工藝根據(jù)對(duì)食品處理方式不同，食品低溫處理工藝可分三類：可分三類： (1) (1) 食品的冷藏與冷卻食品的冷藏與冷卻 (2) (2) 食品的凍結(jié)與凍藏食品的凍結(jié)與凍藏 (3) (3) 冷凍干燥冷凍干燥 2 2） 食品冷凍與冷藏食品冷凍與冷藏研究低溫對(duì)生物體產(chǎn)生的影響及應(yīng)用的學(xué)科。研究低溫對(duì)生物體產(chǎn)生的影響及應(yīng)用的學(xué)科。 低溫生物學(xué)低溫生物

11、學(xué)研究溫度降低對(duì)人類生命過(guò)程的影響，以及研究溫度降低對(duì)人類生命過(guò)程的影響，以及低溫技術(shù)在人類同疾病作斗爭(zhēng)中的應(yīng)用的學(xué)科。低溫技術(shù)在人類同疾病作斗爭(zhēng)中的應(yīng)用的學(xué)科。 低溫醫(yī)學(xué)低溫醫(yī)學(xué)低溫生物醫(yī)學(xué)低溫生物醫(yī)學(xué) 低溫生物學(xué)和低溫醫(yī)學(xué)的統(tǒng)稱。低溫生物學(xué)和低溫醫(yī)學(xué)的統(tǒng)稱。 3 3）. . 低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)典型應(yīng)用例子典型應(yīng)用例子 (1)(1)細(xì)胞組織程序冷卻的低溫保存細(xì)胞組織程序冷卻的低溫保存 (2)(2)超快速的玻璃化低溫保存方法超快速的玻璃化低溫保存方法(3)(3)利用低溫器械使病灶細(xì)胞和組織低溫?fù)p傷利用低溫器械使病灶細(xì)胞和組織低溫?fù)p傷 而壞死的低溫外科。而壞死的低溫外科。 微波激射

12、器必須冷到液氮或液氦溫度微波激射器必須冷到液氮或液氦溫度, ,以使放大以使放大器元素原子的熱振蕩不至于嚴(yán)重干擾微波的吸器元素原子的熱振蕩不至于嚴(yán)重干擾微波的吸收與發(fā)射。收與發(fā)射。 超導(dǎo)量子干涉器即超導(dǎo)量子干涉器即SQUIDs,SQUIDs,被用在相當(dāng)靈敏的被用在相當(dāng)靈敏的數(shù)字式磁力計(jì)和伏安表上。數(shù)字式磁力計(jì)和伏安表上。在在MHDMHD系統(tǒng)、線性加速器和托克馬克裝置中，超系統(tǒng)、線性加速器和托克馬克裝置中，超導(dǎo)磁體被用來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。導(dǎo)磁體被用來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。4 4）. . 低溫電子技術(shù)低溫電子技術(shù) 運(yùn)用與超導(dǎo)電性有關(guān)的運(yùn)用與超導(dǎo)電性有關(guān)的MeissnerMeissner效應(yīng)效應(yīng), ,用磁場(chǎng)代用磁場(chǎng)代

13、替油或空氣作潤(rùn)滑劑替油或空氣作潤(rùn)滑劑, ,可以制成無(wú)磨擦軸承?？梢灾瞥蔁o(wú)磨擦軸承。 在船用推進(jìn)系統(tǒng)中在船用推進(jìn)系統(tǒng)中, ,無(wú)電力損失的超導(dǎo)電機(jī)已獲無(wú)電力損失的超導(dǎo)電機(jī)已獲得應(yīng)用。得應(yīng)用。 偏差極小的超導(dǎo)陀螺也已經(jīng)被研制出來(lái)。偏差極小的超導(dǎo)陀螺也已經(jīng)被研制出來(lái)。 時(shí)速時(shí)速500km/h500km/h的低溫超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)在日本的低溫超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)在日本投入試驗(yàn)運(yùn)行。投入試驗(yàn)運(yùn)行。 5 5）. . 機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì) 采用紅外光學(xué)鏡頭可以拍攝熱采用紅外光學(xué)鏡頭可以拍攝熱源外形，并可以對(duì)熱源進(jìn)行跟蹤。源外形，并可以對(duì)熱源進(jìn)行跟蹤。一些紅外材料往往工作在一些紅外材料往往工作在120K120K以下以

14、下的低溫下，使得熱源遙感信號(hào)更為的低溫下，使得熱源遙感信號(hào)更為清晰，為了拍攝高靈敏度的信號(hào)往清晰，為了拍攝高靈敏度的信號(hào)往往需要更低的溫度。往需要更低的溫度。 一般紅外衛(wèi)星需要一般紅外衛(wèi)星需要70-120K70-120K的低的低溫，往往通過(guò)斯特林制冷機(jī)、脈沖管溫，往往通過(guò)斯特林制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)、輻射制冷器來(lái)實(shí)現(xiàn)。制冷機(jī)、輻射制冷器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 空間遠(yuǎn)紅外觀測(cè)則需要空間遠(yuǎn)紅外觀測(cè)則需要2K2K以下的以下的溫度，往往通過(guò)超流氦的冷卻技術(shù)來(lái)溫度，往往通過(guò)超流氦的冷卻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 6 6）. . 紅外遙感技術(shù)紅外遙感技術(shù)煉鋼時(shí)氧起到某些重要的作用。煉鋼時(shí)氧起到某些重要的作用。制取氨時(shí)也用到低溫系

15、統(tǒng)。制取氨時(shí)也用到低溫系統(tǒng)。壓力容器加工時(shí)壓力容器加工時(shí), ,將預(yù)成形的圓柱體放在冷卻到液氮將預(yù)成形的圓柱體放在冷卻到液氮溫度的模具中溫度的模具中, ,在容器中充入高壓氮?dú)庠谌萜髦谐淙敫邏旱獨(dú)? ,讓其擴(kuò)脹讓其擴(kuò)脹15%,15%,然后容器被從模具中移開(kāi)并恢復(fù)到室溫。使用這個(gè)然后容器被從模具中移開(kāi)并恢復(fù)到室溫。使用這個(gè)方法方法, ,材料的屈服強(qiáng)度能增加材料的屈服強(qiáng)度能增加4 4至至5 5倍。倍。 7 7）. . 加工過(guò)程加工過(guò)程 目前低溫技術(shù)是回收鋼結(jié)構(gòu)輪胎中橡膠的唯一有效目前低溫技術(shù)是回收鋼結(jié)構(gòu)輪胎中橡膠的唯一有效的方法，這種方法采用了低溫粉碎技術(shù)。的方法，這種方法采用了低溫粉碎技術(shù)。 利用材料在低溫狀態(tài)下的冷脆性能，對(duì)物料進(jìn)行利用材料在低溫狀態(tài)下的冷脆性能，對(duì)物料進(jìn)行粉粹。粉粹。 低溫粉碎技術(shù)低溫粉碎技術(shù)材料溫度降低到一定程度，材料內(nèi)部原子間距顯著減材料溫度降低到一定程度，材料內(nèi)部原子間距顯著減小，結(jié)合緊密的原子無(wú)退讓余地，吸收外力使其變形小，結(jié)合緊密的原子無(wú)