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1、杭州电子科技大学精品课程,制冷空调自动化(AutomationofRefrigeration&Air-conditioning)杭州电子科技大学自动化学院人工环境实验室精品课制作小组2007年8月,第一章 制冷热工基础,第一节基本概念第二节 制冷的热力学基础第三节 制冷的传热学基础,第一节基本概念,状态参数中比容、压力、温度是可由仪表直接测量得到的参数，称作基本状态参数。,一、基本状态参数,1.比容(v，m3/kg)单位质量工质所占有的体积；比容和密度之间互为倒数。2.压力(p，单位Pa)单位面积上所承受的垂直作用力；分子运动撞击在单位面积上呈现的平均作用力；工程上常用的单位：兆帕(1MPa=
2、106Pa)；巴(1bar=105 Pa)；标准大气压(1atm=101325Pa),3.温度描述系统冷、热状况的状态参数标志物体内部分子无序运动的剧烈程度温度的高低通常用温标来表示,常用的温标有：(1)热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）：开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正(符号为T，单位为K)。(2)摄氏温标：符号为t、单位。1960年国际计量会议把水的三相点定为273.16K，0.01。(3)热力学温标的关系 t()=T(K)273.15 另外常用的温标还有华氏温标和朗肯温标。,一个不受外界影响的系统
3、，无论初始状态如何，经过充分长时间后，必将达到这样一种状态:系统的宏观性质不随时间变化，即达到平衡状态。,二、平衡状态参数,1.定义没有外界作用的条件下，系统的宏观性质不随时间而变化的状态。2.实现条件对于一个状态可以自由变化的热力系，如果系统内以及系统与外界的一切不平衡势差均不存在，则热力系一切可见的宏观变化停止，这时热力系处于平衡状态。3.特点具有确定的状态参数。,平衡状态,三、热力过程、准平衡过程与可逆过程,热力系由一状态向另一状态变化时所经历全部状态的总和,1.定义 在热力过程中，不平衡势差无限小，热力学所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态的热力过程。2.实现条件推动过程进行的势差无
4、限小。3.特点准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示；准平衡过程是一种理想过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程在工程实际设备中进行的过程常可作为准平衡过程。,热力过程,准平衡过程,1.定义系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。可逆过程与准平衡过程从定义上的一个重要区别就在于过程逆行,“没有遗留下任何变化”，例如功、热、状态等变化。2.实现条件推动过程的势差无限小，而且不存在任何耗散现象。无耗散效应的准平衡过程就是可逆过程。所谓耗散指固体或液体的磨擦、电阻、非弹性形变、磁滞等现象起的效应，使能量
5、耗散了，变为热。3.特点可逆过程是热力学的抽象，实际过程无法实现，但可以无限接近它研究可逆过程的目的，在于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程中能量转化效果的比较标准;在实际热力学计算中，通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后引入必要的经验修正。,可逆过程,第二节 制冷的热力学基础,如果两个物体分别与第三个系统处于热平衡(相互之间没有热量传递)，则彼此也必定处于热平衡。处于热平衡状态的系统温度必然具有相同的温度。,一、热力学定律,1.热力学第零定律,处于热平衡的系统必然有一个在数值上相等的热力学参数(温度)描述这一平衡特性。如果要测量A的温度，可以用已知物性与温度关系的物体B与
6、A接触，使之达到热平衡，可由B读得A的温度。B：气体、液体、热电偶、热电阻温度计,2.热力学第一定律,热力学能,(1)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,工质的总储存能,E总能，Ek 动能 Ep 位能,E=U+Ek+Ep,内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观运动动能及位能的总和,若工质质量m，速度cf，重力场中高度z,宏观动能:,重力位能:,力学参数cf和z只取决于工质在参考系中的速度和高度,能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式,作功,借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。,传热,借传热来传递能量无需物体的宏观移动。,(2)能量的传递和转化,比焓
7、,用符号h表示，单位是焦耳/千克（J/kg）,焓是一个状态参数。,焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数。如：h=f(T,v)或 h=f(p,T);h=f(p,v),(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,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,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,对于1 kg工质，,代数值,可逆
8、过程,完成一循环后，工质恢复原来状态,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,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,喷管能量转换,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,热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物
9、体研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律,(1)制冷循环的热力学分析,热力学循环,3.热力学第二定律,高温物体,低温物体,热量可以自动传递,热量不能自动传递,必须消耗能量,机械能,电能,热能,热力学第二定律,熵热力学状态参数，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,p、T 状态下的比熵定义为:,(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
10、类循环就是卡诺循环制冷机，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,4.制冷的获得方法,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,(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。,没有一个制冷系统的制冷系数可以大于相同温限下工作的卡诺制冷机，否则就可以制造第二类永动机。要达到相同的制冷效应，所有实际的制冷机都要比卡诺制冷机花费更多的功。,热力学第二定律的推论之一,对理想等压源制冷机,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,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。,5.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,图1-17低温温度范围,
