制冷空调技术

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1、制冷空调技术第一章第一章 制冷热工基础制冷热工基础制冷空调技术第一节基本概念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。量得到的参数，称作基本状态参数。一、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；单位质量工质所占有的体积；比容和密度之间互为倒数。比容和密度之间互为倒数。2.压力压力(p，单位，单位Pa)单位面积上所承受的垂直作用力；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；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：工程上常

2、用的单位：兆帕兆帕(1MPa=106Pa)；巴；巴(1bar=105 Pa)；标准大气压标准大气压(1atm=101325Pa)制冷空调技术3.温度温度描述系统冷、热状况的状态参数描述系统冷、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温度的高低通常用温标来表示 常用的温标有：常用的温标有：(1)热力学热力学绝对温标绝对温标（热力学温度或绝对温度）：（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，一切经与测温物质性质无

3、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验温标均可以用此温标来校正(符号为符号为T，单位为，单位为K)。(2)摄氏温标摄氏温标：符号为符号为t、单位、单位。1960年国际计量会议把水的三相点年国际计量会议把水的三相点定为定为273.16K，0.01。(3)热力学温标的关系热力学温标的关系 t()=T(K)273.15 另外常用的温标还有另外常用的温标还有华氏华氏温标温标和和朗肯朗肯温标。温标。制冷空调技术一个不受外界影响的系统，无论初始状态如何，经过充分长时间后，必一个不受外界影响的系统，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将达到这样一种状态:系统的宏观性

4、质不随时间变化，即达到平衡状态。系统的宏观性质不随时间变化，即达到平衡状态。二、平衡状态参数二、平衡状态参数1.定义定义没有外界作用的条件下，系统的没有外界作用的条件下，系统的宏观性质宏观性质不随时间而变不随时间而变化的状态。化的状态。2.实现条件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系统与外界的一切不平衡势差不平衡势差均不存在，则热力系一切均不存在，则热力系一切可见的可见的宏观变化停止宏观变化停止，这时热力系处于平衡状态。，这时热力系处于平衡状态。3.特点特点具有确定的状态参数具有确定的状态参数。平衡状态平衡状

5、态制冷空调技术1.定义定义系统经历一个过程之后，如果沿原来路径系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向逆向进行，能使系统与外界进行，能使系统与外界同时同时恢复到初始状态恢复到初始状态而而不留下任何痕迹。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过程逆行行,“,“没有遗留下任何变化没有遗留下任何变化”，例如功、热、状态等变化。，例如功、热、状态等变化。2.实现条件实现条件推动过程的势差无限小，而且不存在任何推动过程的势差无限小，而且不存在任何耗散耗散现象。无耗散效应的准现象。无耗散效应的准平衡过程就是可逆过程。平衡过程就

6、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，使能量耗散了，变为热。效应，使能量耗散了，变为热。3.特点特点可逆过程是热力学的抽象，实际过程可逆过程是热力学的抽象，实际过程无法实现无法实现，但可以，但可以无限接近无限接近它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实际过程中能量转化效果的比较标准能量转化效果的比较标准;在实际热力学计算中，通常是把某一在实际热力学计算中，通常是把某一实际过程理想化实际过程理想化为可逆

7、过程计算，为可逆过程计算，然后引入必要的然后引入必要的经验修正。经验修正。可逆过程可逆过程制冷空调技术第二节第二节 制冷的热力学基础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如果两个物体分别与第三个系统处于热平衡(相互之间相互之间没有热量传递没有热量传递)，则彼此也必定处于热平衡。处于热平，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。衡状态的系统温度必然具有相同的温度。一、热力学定律一、热力学定律1.1.热力学第零定律热力学第零定律 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(温度温度)描述这一平衡特

8、性。描述这一平衡特性。如果要测量如果要测量A的温度，可以用已知物性与温度关系的物体的温度，可以用已知物性与温度关系的物体B与与A接触，使之达到热平衡，可由接触，使之达到热平衡，可由B读得读得A的温度。的温度。B：气体、液体、热电偶、热电阻温度计：气体、液体、热电偶、热电阻温度计制冷空调技术自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。保持不变。能量守恒与转换定律是自然界

9、基本规律之一能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一2.2.热力学第一定律热力学第一定律制冷空调技术用符号用符号U表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳（J）热力学能热力学能1kg1kg物质的热力学能称比热力学能物质的热力学能称比热力学能用符号用符号u表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳/千克千克（J/kg）比热力学能比热力学能热力学能热力学能(1)热力学能和总能热力学能和总能热力状态的单值函数。热力状态的单值函数。两个独立状态参数的函数。两个独立状态参数的函数。状态参数，与路径无关。状态参数，与路径无关。制冷空调技术工质的总储存能工质的总储存能内部储存能内部储存能外部储存能外部储存能热力学能热力学能总能

10、总能动动 能能位位 能能制冷空调技术工质的总储存能工质的总储存能 E总能，总能，Ek 动能动能 Ep 位能位能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及位能的总和若工质质量若工质质量m，速度，速度cf，重力场中高度，重力场中高度z宏观动能宏观动能:221fkmcE重力位能重力位能:mgzEp工质的总能工质的总能:mgzmcUEf221gzcuef221比总能比总能:力学参数力学参数cf和和z只取决于工质在参考系中的速度和高度只取决于工质在参考系中的速度和高度制冷空调技术能量从一个物体传递到另一个物体

11、有能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式两种方式l作功作功借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。l传热传热借传热来传递能量无需物体的宏观移动。借传热来传递能量无需物体的宏观移动。(2)能量的传递和转化能量的传递和转化 制冷空调技术焓焓用符号用符号H表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳（J）H=U+pV比焓比焓 pvuh用符号用符号h表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳/千克千克（J/kg）焓是一个状态参数。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。焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数。如：如：h=f(T,v)或或 h=f(p,T);h=f(

12、p,v)12212121hhdhhhba(3)焓焓 制冷空调技术进入系统的能量进入系统的能量-离开系统的能量离开系统的能量=系统中储存能量的增加系统中储存能量的增加 闭口系统的能量平衡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热力学第一定律的基本能量方程式 工质从外界吸热工质从外界吸热Q后从状态后从状态1变化到变化到2，对外作功，对外作功W。若工。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储存能的增加工质储存能的增加即为热力学能的增加即为热力学能的增加U 12UUUWQWUQ热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式 制冷空调技术加给工质的热量一

13、部分用于增加工质的热力学能储存于工质内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。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微元过程，第一定律解析式的微分形式 WdUQ对于对于1 kg工质工质wuqwduq制冷空调技术热量热量Q热力学能变量热力学能变量U功功W代数值代数值系统吸热系统吸热Q+系统对外作功系统对外作功W+系统热力学能增大系统热力学能增大U+可逆过程可逆过程 pdVW 21,pdVUQpdVdUQ21,pdvuqpdvduq完成一循环后，工质恢复原来状态完成一循环后，工质恢复原来状态 0dUWQ闭口系完成

14、一循环后，循环中与外界交换的热量等于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与外界交换的净功量 netnetnetnetwqWQ制冷空调技术工质流经压缩机时，机器对工质做工质流经压缩机时，机器对工质做功功wc,使工质升压，工质对外放热使工质升压，工质对外放热q 每每kgkg工质需作功工质需作功 )()(12qhhwc膨胀过程均采用绝热过程膨胀过程均采用绝热过程压缩机能量平衡压缩机能量平衡 膨胀机能量平衡膨胀机能量平衡 (5)能量方程式的应用能量方程式的应用21hhwi稳定流动能量平衡方程稳定流动能量平衡方程制冷空调技术三、热力过程、准平衡过程与可逆过程三、热力过程、准平

15、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。接近于平衡状态的热力过程。2.实现条件实现条件推动过程进行的势差无限小。推动过程进行的势差无限小。3.特点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，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

16、情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程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。在工程实际设备中进行的过程常可作为准平衡过程。热力过程热力过程准平衡过程准平衡过程制冷空调技术喷管能量转换喷管能量转换 换热器能量平衡换热器能量平衡 工质流经换热器时和外界有工质流经换热器时和外界有热量交换而无功的交换，动热量交换而无功的交换，动能差和位能差也可忽略不计能差和位能差也可忽略不计 1kg1kg的工质吸热量的工质吸热量 12hhq1kg1kg工质动能的增加工质动能的增加 212122)(21hhccff工质流经喷管和扩压管工质流经喷管和扩压管时不对设备作功时不对设备作

17、功 ，热量，热量交换可忽略不计交换可忽略不计 制冷空调技术工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动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。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，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，故因过程无对外做功，故节流前后的焓相等节流前后的焓相等 21hh该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节流过程段。该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节流过程段。节流节流制冷空调技术制冷空调技术热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体研究与热现象相关的各种过程进

18、行的方向、条件及限度的研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律定律 (1)(1)制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析 热力学循环热力学循环 正向循环正向循环 热能转化为机械功热能转化为机械功 逆向循环逆向循环 消耗功消耗功 循环除了一二个不可避免的不可逆过程外，其余均循环除了一二个不可避免的不可逆过程外，其余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。为可逆过程。可逆循环是理想循环。理想循环理想循环3.3.热力学第二定律热力学第二定律制冷空调技术机械能机械能电能电能热能热能制冷空调技术熵熵热力学状态参数，是判别实际过程的方向，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

19、可逆的判据。提供过程能否实现、是否可逆的判据。定义式定义式 Tqdsrevqrev是可逆过程的换热量，是可逆过程的换热量，T为热源温度为热源温度可逆过程可逆过程1-2的熵增的熵增 212112Tqdssssrev克劳修斯积分克劳修斯积分 Tqrev=0 =0 可逆循环可逆循环 0 0 不可逆循环不可逆循环 0 0 不可能实行的循环不可能实行的循环 制冷空调技术p p、T T 状态下的比熵状态下的比熵定义为定义为:TpTpTpTpTqss、0000(2)热源温度不变时的逆向可逆循环热源温度不变时的逆向可逆循环 逆卡诺循环逆卡诺循环 当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，当高温热源和低温热

20、源随着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。向循环。在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。损失。制冷空调技术卡诺制冷卡诺制冷机机是热力是热力理想的等理想的等温制冷机温制冷机制冷空调技术过程过程1 12 2 压缩工质，同时放热至热压缩工质，同时放热至热源，维持制冷剂温度恒定源，维持制冷剂温度恒定 过程过程2 23 3 工质从热源温度工质从热源温度T Th h可逆绝热可逆绝热膨

21、胀到冷源温度膨胀到冷源温度T Tc c 过程过程3 34 4 热量从冷源转移到工质中热量从冷源转移到工质中同时工质做功以使制冷剂同时工质做功以使制冷剂维持一定的温度维持一定的温度 过程过程4 41 1 制冷剂从冷源温度可逆绝热制冷剂从冷源温度可逆绝热压缩到热源温度压缩到热源温度制冷空调技术制冷工质向高温热源放热量制冷工质向高温热源放热量120sTqi制冷工质从低温热源吸热量制冷工质从低温热源吸热量 120sTqR系统所消耗的功系统所消耗的功 1200)(sTTqqwRinet卡诺制冷系数卡诺制冷系数 RRinetcTTTqqqwq0000卡诺热泵循环效率卡诺热泵循环效率 RiinetihTTT

22、qqqwq000 1h热力完善度热力完善度 c 1制冷空调技术温温 度度 T熵熵 S洛伦兹循环的洛伦兹循环的T-s图图(3)热源温度可变时的逆向可逆循环热源温度可变时的逆向可逆循环洛伦兹循环洛伦兹循环 洛伦兹循环洛伦兹循环工作在工作在二个变温热源间。二个变温热源间。与卡诺循环不同之与卡诺循环不同之处主要是处主要是蒸发吸热蒸发吸热和冷却放热均为变和冷却放热均为变温过程温过程 制冷空调技术(假设制冷过程和冷却过程传热温差均为假设制冷过程和冷却过程传热温差均为T)T)制冷量制冷量 0023(/2)()qTTss 排热量排热量 1423(/2)()(/2)()iRRqTTssTTss耗功耗功 0net

23、Rwqq洛伦兹循环制冷系数洛伦兹循环制冷系数 TTTTTwqRRnetiL0)2/(制冷空调技术以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是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卡诺循环制冷机，第二，第二类循环则是理想的类循环则是理想的热源驱动逆向可逆循环热源驱动逆向可逆循环三热源循环。三热源循环。两类制冷循环能量转换关系图两类制冷循环能量转换关系图(a)(a)以电能或机械能驱动以电能或机械能驱动 (b)(b)以热能驱动以热能驱动 (4)热源驱动的逆向可逆循环热源驱动的逆向可逆循环三热源循环三热源循环 制冷空调技术对可逆制冷机对可逆制冷机热力系数热力系数hhchhRRhTTTTTTTT

24、Tqq00000)(4.4.制冷的获得方法制冷的获得方法 焦耳汤姆逊效应焦耳汤姆逊效应 (1)(1)节流过程的热力学特征节流过程的热力学特征 通过膨胀阀时焓不变，通过膨胀阀时焓不变，因阀中存在摩擦阻力损耗，因阀中存在摩擦阻力损耗，所以它是个所以它是个不可逆过程，节流后熵必定增加不可逆过程，节流后熵必定增加制冷空调技术节流阀、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等多种形式。节流阀、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等多种形式。理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温度保持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，节流后不变，而实际气体的焓值是温度和压力的函

25、数，节流后温度一般会发生变化温度一般会发生变化。焦耳汤姆逊系数焦耳汤姆逊系数hJT)PT(结构简单，价格低廉，在小型制冷空调装置中应用广泛结构简单，价格低廉，在小型制冷空调装置中应用广泛制冷空调技术(2)热力理想等压源系统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，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，因为系统与卡诺系统比较是不公平的，因为实际系统的冷源实际系统的冷源温度不恒定。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

26、下工作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，否则就可以制造的卡诺制冷机，否则就可以制造第二类永动机第二类永动机。要达到。要达到相同的制冷效应，所有相同的制冷效应，所有实际的制冷机都要比卡诺制冷机实际的制冷机都要比卡诺制冷机花费更多的功花费更多的功。制冷空调技术制冷剂在制冷剂在T1和和T2 之间可逆等压吸之间可逆等压吸热，放热过程是热，放热过程是可逆等温过程。可逆等温过程。制冷空调技术)()(12120120hhssThhWQCOPneti 上式对任何工质都适用。对许多气体制冷机而言，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。压力

27、足够低时，工质气体可近似为理想气体。COPTTTTTTTTi(/)(/)ln(/)(/)2101212111 COP与用作制冷剂的理想气体无关。与用作制冷剂的理想气体无关。COPi 仅与最高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。度之比有关。制冷空调技术5.5.制冷与低温温区的划分制冷与低温温区的划分 (1)制冷与低温温区的划分制冷与低温温区的划分 通过一定的方式将物体冷却到环境温度以下。通过一定的方式将物体冷却到环境温度以下。“冷冷”相对于环境温度而言，一般是指环境温度至绝相对于环境温度而言，一般是指环境温度至绝对零度。对零度。通过通过123来分界温区来分界温区制冷温区制冷温区 123K以上以上低温温区低温温区 123K以下以下制冷制冷制冷空调技术制冷的温度范制冷的温度范围是从环境温围是从环境温度开始，一直度开始，一直可达接近绝可达接近绝对零度，即对零度，即0图图1-171-17低温温度范围低温温度范围