第一章制冷的热力学基础讲述.ppt

第一章　制冷的热力学基础 学习要点： 1、了解几种常用的制冷方法； 2、掌握相变制冷和绝热膨胀制冷的基本原理； 3、掌握逆卡诺循环的热力过程及基本参数的计算； 4、掌握洛伦兹循环的热力过程； 5、了解热能驱动的制冷循环与热泵循环的基本原理。 一、 制冷的基本方法 1. 相变制冷：利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低温下的熔化或升华过程(液体气化、水冰或溶液冰的熔化、干冰升华)向被冷却物体吸取热量的过程。 2. 气体膨胀制冷：利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制取冷量的过程。 (1) 膨胀机膨胀：气体温降大，制冷量大，效率高 (2) 节流阀膨胀：温降小，制冷量小 ，效率低。 3. 气体涡流制冷：高压气体经涡流管膨胀后即可分离为热、冷两股气流，利用冷气流的复热过程即可制冷。 4. 热电制冷：令直流电通过半导体热电堆， 即可在一端产生冷效应，在另一端产生热效应。 第一节 相变制冷 一、物质的相变特性 （一）液体气化 物质从液态变为气态的过程称为气化。任何液体气化时都要吸收热量。在定压下，单位质量液体气化时所吸收的热量称为气化热 r（单位为j/kg）。 式中，h为比焓，单位为j/kg; S为比熵，单位为j/(kg.K)； 上角 ’ 表示液态；上角 ” 表示气态。 气化热随着压力的升高而降低，气化温度随着压力的升高而升高, 在临界压力时，气化热为零；而在相同压力下，不同液体的气化热和气化温度是不相同的。 较高压力的饱和液体节流降压后即进入两相区，并闪发出一定的饱和蒸气。对于1kg制冷剂，若用 x 表示闪发后的干度，则当其余液体全部转变为饱和蒸气时吸收的热量为 称为单位质量制冷量，简称单位制冷量。单位制冷量不仅与制冷剂的气化热有关，还随节流后的干度而变。制冷剂液体在节流膨胀前后压力变化范围越大，则节流过程中闪发的气体量越多，因而单位制冷量就越小。 （二）固体的融化与升华 1、 基本慨念： （1）升华：指固态物质不经液态直接转变成气态的现象称为升华。 升华分为：常压升华、真空升华、低温升华。 （2）升华点: 与固体物质的饱和蒸气压相对应的温度，称为该物质的升华点。 在升华点时，不但在晶体表面，而且在其内部也发生了升华，作用很剧烈，易将杂质带入升华产物中。为了使升华只发生在固体表面，通常总是在低于升华点的温度下进行，此时固体的蒸气压低于外压。（3）真空升华 :由于升华与固体蒸气压和外压的相对大小有关，降低外压可以降低升华温度，在常压下不能升华或升华很慢的物质可以采用真空升华。真空升华还可防止被升华的物质因温度过高而分解或在升华时被氧化。 （4）低温升华: 1976年J．W．米切尔提出低温升华技术，即将温度和压力维持在升华物质的三相点以下，使它在很低的压力（几毫米汞柱）下升华，经冷凝后捕集在冷阱中而与杂质分离。此法操作简单，产品纯度很高， 2.、冰的升华： 在常压下（p=98.067kpa), 饱和水蒸气的温度为 所以，在常压下冰不会发生升华。 冰的低温升华：在水的三相点温度（ ）以下，冰可以直接升华为水蒸气，冰升华时的温度与相应的压力有关。 表1－1列出了升华压力和升华温度之间的关系。 在零度时，水的饱和蒸气压为 3、 应用冰和盐混合物的融化过程可以达到 0℃以下的低温。 3. 溶液冰：由共晶溶液冻结成的冰，也称共晶冰。 特点：在共晶固体未完全融化成液体之前，它的温度是不变的，称为共晶温度。 4. 干冰(固体二氧化碳) 干冰的三相点参数为：温度 压力 在大气压下，干冰的升华热为573.6kj/kg 升华温度为 常压下干冰受热时直接升华为二氧化碳，它对食品无害，因此可用来冷却和保存食物，并且可直接与食物接触。 二、压焓图 图中的拱状曲线代表制冷剂所有的饱和液体和饱和蒸 气的状态，曲线上的最高点为临界点，它是饱和蒸气和饱 和液体的分界点，在它左面的曲线为饱和液体线，在它右 面的曲线为饱和蒸气线。拱状线内的区域为两相区，饱和液体线左边的区域为过冷液体区，饱和蒸气线右边为过热蒸气区，临界点以上为超临界区。 第二节 绝热膨胀制冷 一、有外功输出的膨胀过程 等熵膨胀(可逆的绝热膨胀)中温度与压力的关系可用下式表示： 称为微分等熵效应。对于