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1、第一章制冷与低温的热力学基础,第一节 制冷与低温原理的热工基础,第二节 制冷与低温工质,第三节 制冷技术与学科交叉,第一节 制冷与低温原理的热工基础,1.1.1 制冷与低温原理的热力学基础,1.热力学第一定律,热力学能,热力学能和总能,工质的总储存能,内部储存能,外部储存能,热力学能,总能,若工质质量m，速度cf，重力场中高度z,宏观动能,重力位能,能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式,推动功,2.能量的传递和转化,图1-1a所示为工质经管道进入气缸的过程。 工质状态参数p、v、T，用p-v图中点C表示。 工质作用于面积A的活塞上的力为pA，工质流入气缸时推动活塞移动距离 ，作功pA =p
2、V=mpv。m表示进入气缸的工质质量，这一份功叫做推动功。 1kg工质的推动功等于pv如图中矩形面积所示。,3焓,进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加 (1-10),4.1 闭口系统的能量平衡,4热力学第一定律的基本能量方程式,工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储存能的增加即为热力学能的增加U,(1-11),热力学第一定律的解析式,加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界。,对微元过程，第一定律解析式的微分形式,(1-12a),对于1 kg工质，,(1-12b),(1-12
3、c),式(1-12) 对闭口系普遍适用，适用于可逆过程也适用于不可逆过程，对工质性质也无限制。,代数值,可逆过程,完成一循环后，工质恢复原来状态,(1-15),闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的热量等于与外界交换的净功量,(1-16),4.2 开口系统的能量平衡,稳定流动,系统只有单股流体进出，,(1-21),微量形式,(1-22),当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程,工质流经压缩机时，机器对工质做功wc,使工质升压，工质对外放热q,膨胀过程均采用绝热过程,5.能量方程式的应用,工质流经换热器时和外界有热量交换而无功的交换，动能差和位能差也可忽略不计,1kg的工质吸热量,1kg工质动
4、能的增加,工质流经喷管和扩压管时不对设备作功 ，热量交换可忽略不计,工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流。,设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的焓相等,节流,1.制冷循环的热力学分析,热力学循环,2.热力学第二定律,熵是热力学状态参数，是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。,可逆过程1-2的熵增,克劳修斯积分,、T状态下的比熵定义为,(1-33),2.热源温度不变时的逆向可逆循环 逆卡诺循环,卡诺制冷机是热力理想的等温制冷机,3.热源温度可变时的逆向可逆循环洛伦兹循环,(假设制冷过程和冷却过程传热温差均为T ),制
5、冷量,排热量,洛伦兹循环制冷系数,以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是卡诺循环制冷机，而第二类循环则是理想的热源驱动逆向可逆循环三热源循环。,4.热源驱动的逆向可逆循环三热源循环,1.1.2 制冷与低温的获得方法,1.焦耳汤姆逊效应,节流阀、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等多种形式。,焦耳汤姆逊效应,理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化。,焦耳汤姆逊系数,制冷系统中的节流元件,对理想气体,(2) 节流过程的物理特征,(3) 转化温度与转化曲线,在TP图上为一连续曲线，称为转化曲线,表1-1 最大转化温度列出了一部分
6、气体的最高转化温度。,2.绝热膨胀,气体等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的温度变化。,微分等熵效应,(1-58),对理想气体(为绝热指数),(1-60),等熵膨胀过程的温差，随着膨胀压力比P1/P2的增大而增大，还随初温T1的提高而增大。,3.绝热放气,(1)假定放气过程进行很慢，活塞左侧气体始终处于平衡状态而等熵膨胀，所作功按其本身压力计算，因而对外作功最大，温降也最大。,(2)设想阀门打开后活塞右侧气体立即从P1降到P2，因而当活塞左侧气体膨胀时只针对一恒定不变压力P2作功，对外作功最小，温降也最小。,实际放气过程总是介于上述两种极限情况之间，过程进行得越慢，愈接近等熵膨胀过程。,分析这两
7、种极限情况可得结论：,(1)气体绝热指数越大，则温比T2/T1(P2/P1一定时)越小，温降越大，用单原子气体可获较大温降。,(2) 随压比P1/P2增大，温比T2/T1减少越来越慢，单级压比不宜过大，一般取3到5。,4.1 热力理想等温源系统,“冷源”指需冷却的空间“热源”则指制冷机放热的对象,4.低温气体制冷的热力学基础,表1-2 卡诺制冷机在300K和低温Tc时的性能系数COP,4.2 热力理想等压源系统,在工质未冷凝的气体制冷机系统中，吸热过程是变温的，而不象在卡诺制冷机中那样在等温下吸热。这样，实际系统与卡诺系统比较是不公平的，因为实际系统的冷源温度不恒定。,对理想等压源制冷机,(1
8、-66),上式对任何工质都适用。对许多气体制冷机而言，压力足够低时，工质气体可近似为理想气体。,对具有定压比热的理想气体,(1-70),COP与用作制冷剂的理想气体无关。COPi 仅与最高冷源温度与最低冷源温度之比和热源温度与最低冷源温度之比有关。,1.1.3 制冷与低温温区的划分,1.制冷与低温温区的划分,通过123来分界温区,制冷,制冷的温度范围是从环境温度开始，一直可达接近绝对零度即0,2.制冷与低温技术的发展历史,(一)制冷技术的发展历史,第二节 制冷与低温工质,1.2.1 制冷剂的发展、应用与选用原则,1.热力学性质方面,2.迁移性质方面,作为制冷剂应符合的要求,3.物理化学性质方面
9、,4.其它,原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。,1.2.2 制冷剂命名,制冷剂按其化学组成主要有三类,字母“R”和它后面的一组数字或字母,表示制冷剂,根据制冷剂分子组成按一定规则编写,1.无机化合物,2.氟里昂和烷烃类,编写规则,制冷剂的简写符号,3.非共沸混合工质,4.共沸混合工质,5.环烷烃、链烯烃以及它们的卤代物,简写符号规定：环烷烃及环烷烃的卤代物用字母“RC”开头，链烯烃及链烯烃的卤代物用字母“R1”开头，其后的数字排写规则与氟里昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同。,表1-4 制冷剂符号举例,此外，有机氧化物、脂肪族胺用R6开头，其后数字任选。详细可从表1-5 制冷剂标准符号
10、表示中查出。,1.2.3 制冷剂的物理化学性质及其应用,1.安全性,(1) 毒性,虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或火焰作用下会分解出极毒的光气。,表16 制冷剂的毒性指标给出常用制冷剂TLVs或AEL值,(2) 燃烧性和爆炸性,(3) 安全分类,表18与表19分别给出了6个安全等级的划分定义和一些制冷剂的安全分类。,2.热稳定性,制冷剂在正常运转条件下不发生裂解。在温度较高又有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解。,爆炸极限,表17 一些制冷剂的易燃易爆特性,注：None表示不燃烧，na表示未知。,表18 ASHRAE34-1992以毒性和可燃性为界限的安全分类,表19 一
11、些制冷剂的安全分类,(二)低温技术的发展历史,3.对材料的作用,正常情况下，卤素化合物制冷剂与大多数常用金属材料不起作用。只在某种情况例如水解作用、分解作用等下，一些材料才会和制冷剂发生作用。,制冷系统中应尽量避免水分存在和铜铁共用。,4.与润滑油的互溶性,对每种氟利昂存在一个溶解临界温度，即溶解曲线最高点的温度,常温下氟利昂与矿物润滑油溶解关系可用经验公式判别,5.与水的溶解性,“冰堵现象”,当温度降到0以下时，水结成冰而堵塞节流阀或毛细管的通道形成“冰堵”，致使制冷机不能正常工作。,6.泄漏性,表110 水分在一些制冷剂中的溶解度（25）,注：na表示没有找到可用的数据。,沸点-33.3，
12、凝固点-77.9 单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小 毒性较大，有一定的可燃性，安全分类为B2 氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味 氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤 氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀同时减小制冷量 以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小 系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气爆炸 氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出 在氨制冷机中不用铜和铜合金材料(磷青铜除外),1.2.4 常用制冷剂,1.无机物,2.氟利昂,(1) R12（二氟二氯甲烷 CF2Cl2）,(2) R134a（四氟乙烷 CH2FCF3）,(3) R11（一氟三氯甲烷 CFCl3）,(4)
13、R22（二氟一氯甲烷 CHF2Cl）,3.碳氢化合物,(1) R600a（异丁烷 i-C4H10）,(2) R290（丙烷 C3H8）,沸点和凝固点比R600a低，蒸气压较高和容积制冷量比R600a大，其他制冷特性及安全特性均与R600a相似。,4.混合制冷剂,(1) 共沸制冷剂,共沸制冷剂特点：,表111几种共沸制冷剂的组成和沸点,(2) 非共沸制冷剂,一定压力下溶液加热时，首先到达饱和液体点A(泡点)，再加热到达点B，即进入两相区，继续加热到点C(露点)时全部蒸发完成为饱和蒸气。,泡点温度和露点温度的温差称之为温度滑移,表1-12 一些非共沸混合制冷剂显示了目前应用较多的非共沸制冷剂的种类
14、及组成。,(3) 常用混合制冷剂的特性,沸点-33.5，ODP值较高。,5) 非共沸制冷剂R401A和R401B,1.2.5 低温液体的性质,表1-13 大气压下一些饱和低温液体的性质,(1) 常规气体,(2) 氢,表1-14 e-H2中p-H2的含量列出了e-H2中p-H2的平衡含量随温度的关系。,这两种不同形式的氢的区别在于组成氢分子的粒子的相对自旋转方向不同。,氘也有o-D2和p-D2存在，温度降低时氘中的p-D2向o-D2转变而氢在温度降低时由o-H2向p-H2转变,(3) 氦4,LHe有两种不同液相,表1-15两流体模型中常流体在He中的质量比,当温度降低通过点时，液体比热有一个大幅
15、度跳跃。,喷泉效应,(4) 氦3,0.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自发分离为两相，一种是超流体(富含氦4相)，另一种是常流体(富含氦3相)。这种相的分离现象成为氦稀释制冷机的基础。,第三节 制冷技术与学科交叉,制冷与低温技术的学科交叉领域举例,制冷在空调中的作用,1. 空气调节,制冷和空调的关系相互联系又独立,用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。,2.人工环境,与制冷有关的人工环境试验有以下几种,根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺可分三类：,3. 食品冷冻与冷冻干燥,4. 低温生物医学技术,5. 低温电子技术,运用与超导
16、电性有关的Meissner效应,用磁场代替油或空气作润滑剂,可以制成无磨擦轴承。 在船用推进系统中,无电力损失的超导电机已获得应用。 偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。 时速500km/h的低温超导磁悬浮列车已经在日本投入试验运行。,6. 机械设计,采用红外光学镜头可以拍摄热源外形，并可以对热源进行跟踪。一些红外材料往往工作在120K以下的低温下，使得热源遥感信号更为清晰，为了拍摄高灵敏度的信号往往需要更低的温度。,一般红外卫星需要70-120K的低温，往往通过斯特林制冷机、脉冲管制冷机、辐射制冷器来实现。 空间远红外观测则需要2K以下的温度，往往通过超流氦的冷却技术来实现。,7. 红外遥感
17、技术,炼钢时氧起到某些重要的作用。制取氨时也用到低温系统。压力容器加工时,将预成形的圆柱体放在冷却到液氮温度的模具中,在容器中充入高压氮气,让其扩胀15%,然后容器被从模具中移开并恢复到室温。使用这个方法,材料的屈服强度能增加4至5倍。,8. 加工过程,目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一有效的方法，这种方法采用了低温粉碎技术。,利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进行粉粹。,低温粉碎技术,材料温度降低到一定程度，材料内部原子间距显著减小，结合紧密的原子无退让余地，吸收外力使其变形的能力很差，失去弹性而显示脆性。,9. 材料回收,所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂。宇宙飞船的推进也使用液氧和液氢。观察研究大型粒子加速器产生的粒子的氢泡室要用到液氢。,10. 火箭推力系统与高能物理,LHC-CERN27km超导磁体过冷态超流氦冷却,
