第一章制冷与低温的热力学基础讲解

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制冷与低温的热力学基础

冷焦耳－汤姆逊效应
原理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温理度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的与函数，节流后温度一般会发生变化。
技焦耳－汤姆逊系数
术
JT
( T P
)h
(1-46)
焦耳－汤姆
逊系数就是
图上等焓线
的斜率
制
冷原
转化曲线上
JT 0
理
节流后升温
JT <0
与
术
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 l，作功pA l=pV=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。
制
冷
原
理
与
技
图1-1b所示考察开口系统和外界之间功的交换。取一开口系统，1kg工质从截面1-1流入该热力实际气体的等焓节流膨胀
JT >0
术
零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。
若节流后气体温度保持不变，这样的温度称为
转化温度。
进一步推导得
JT
1 [T ( )P ] Cp T
(1-50)
对理想气体 JT =0
制
实际气体表达式可通过实验来建立
冷原理
对空气和氧
在P＜15×103kPa
TR (T / 2) T0 TR T
4.热源驱动的逆向可逆循环——三热源循环
图1-11 两类制冷循环能量转换关系图
高温热源 T0
(环境)
制
冷
qa
原
w 制冷机
理
q0

A第一章制冷与低温的热力学基础 2 (1.1.2)_2016_09_21

Tb（K）
SO2
263.2
CO2
194.8
O2
90.3
tb（℃） -10 -78.4
-182.9
Critical Point
Tc（K） 430.7
tc（℃） 157.5
304.3
31.1
154.8
-118.4
2/22/2021
SO2 4
Z. F. Wroblewski, K. S. Olszewski (1883, Poland )
Real gas 2/22/2021
△uK＝ p1v1－p2v2 －△uP h1 = h2
18
Refrigeration by Joule-Thomson expansion
节流膨胀制冷
Cooling
Heating
Inversion curse
2/22/2021
19
Inversion points
标准沸点和临界点
C2H6O Ether SO2
NH3
CO2 C2H4 CH4
O2 N2 H2 He
Normal Boiling Point
Tb（K）
tb（℃）
351.5
78.3
307.8
34.6
263.2
-10
239.9
-33.3
194.8 169.5 111.7 90.3 74.4 20.4
4.3
194.8 169.5 111.7 90.3 74.4 20.4
4.3
-78.4 -103.7 -161.5 -182.9 -198.8 -252.8 -268.9
Critical Point
Tc（K）
tc（℃）

第一章制冷的热力学基础

T T v s P s c P T p
(1 4)
积分等熵效应表示某过程的特性；其物理意义为气体等熵膨胀过程全部压降下的温降。公式为： p2
T
p1

s
dp
第一章制冷的热力学基础第二节绝热膨胀制冷一、有外功输出的膨胀过程
图1-2 逆卡诺循环在T-S图上的表示
第一章制冷的热力学基础第三节制冷热力学特性分析
一、逆卡诺循环
2、无内部不可逆和有外部不可逆
定义及热力学评价：
循环过程及循环分析
2-3过程的放热量：
1-4过程的吸热量：循环过程的消耗功：
图-3 有温差传热的不可逆制冷循环
第一章制冷的热力学基础第三节制冷热力学特性分析
T T " T ' v v P s p h r

(1 13)
第一章制冷的热力学基础第二节
二、节流膨胀过程
绝热膨胀制冷
焦耳－汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率
气体 He4 H2 Ne 最高转化温度(K) 气体最高转化温度(K)
第一章制冷的热力学基础第一节
二、压-焓图 2、压-焓图的使用（结果）
相变制冷
要求（1）表示过程（吸热或放热）（2）查各点参数（温度、压力、焓、熵、比容、状态，过冷度和过热度）：过程：从点1（温度20C，压力2 bar）等熵变化到点2（压力10 bar）再等压变化到点3（温度30C），再次等焓变化到点4（压力2 bar），最后等压回到点1。
洛伦兹循环的分析及热力学评价：微元的制冷系数：
i
T0i Ti Toi

第一章-制冷的热力学基础

制冷原理与装置
第二节气体膨胀制冷第一气体等熵膨胀制冷章
制冷的热力学基础
布雷顿制冷循环：以气体为工质，由两个等压和等熵过程组成，
工质不发生相变，又称为气体制冷循环。由于是利用气体吸收显热实现制冷，而气体比热容很小，因此单位容积制冷很小、制冷效率低。目前主要用于飞机座舱的空调和获取-70度以下的温度
绝热放气制冷的热力学特性：如果放气过程进行得很慢，活塞左侧和右侧的气体始终处于平衡状态，将按等熵过程膨胀，做外功最大，温降也最大；如果放气过程很迅速，则做功最小，温降也最小。
制冷原理与装置
第二节第一绝热放气制冷章吉福特－麦克马
制冷的热力学基础
洪 (G-M) 制冷循环：由升压、等压进气、绝热放气、等压排气４个热力过程组成
制冷原理与装置
第二节气体膨胀制冷第一等焓节流膨胀制冷章
节流液化循环：气体液化循环是一开式循环，所用制的气体在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被部冷分或全部地液化并作为液态产品输出
的热力学基础
制冷原理与装置
第二节气体膨胀制冷第一气体等熵膨胀制冷章
等熵膨胀的热力学特性：理想情况下，气体在膨胀制机中的膨胀过程对外有功输出，膨胀后气体内位能增冷大，消耗的这些能量需要内动能来补偿，因此气体温的度必然降低，产生冷效应：
p2
T

h
dp
p1
制冷原理与装置
第二节气体膨胀制冷第一等焓节流膨胀制冷章
实际气体的节流效应：
制冷的热力学基础
物理解释：
由于节流前后焓值不变，所以节流前后的内能变化等于进出推动功的差值：u2-u1=p1v1-p2v2 气体的内能包括内动能和内位能两部分，而气体温度是降低升高还是不变，仅取决于气体内动能是减小、增大还是不变当p1v1<p2v2时，u2<u1，即节流后内能减小。由于内位能总是增大，所以内动能必定减小，那么节流后气体温度降低当p1v1=p2v2 时，u2 ＝u1 ，即节流后内能不变，此时内位能的增加等于内动能的减少，节流后气体温度仍然降低

低温原理复习

压缩机的耗功可由在稳定流动条件下压缩机的热平衡来确定
QR P qm h1 h2
在等熵压缩的条件下
QR P qm h1 h2
W qm
T1 s1 s2 h1 h2
Q0 qmT4 sg s4 qm hg h4
8
第五章流体混合物分离原理与方法第二节流体混合物的分离方法一、冷凝和闪蒸如果混合物各个组分的挥发性相差较大，可利用冷凝和蒸发过程使混合物分离二、精馏（一）精馏的分离原理精馏原理：连续多次的部分蒸发或部分冷凝经过每一次部分蒸发或冷凝，气相中低沸点（易发挥）组分的摩尔分数就增加。完成这一过程的装置称为精馏塔分类：板式塔和填料塔精馏段与提馏段构成一个完整的精馏塔三、吸附吸附是依靠固体吸附剂对各组分吸附能力的差异而进行的。吸附法在气体分离中常用来去除气体中的微量杂质。（一）吸附分离的基本原理当气体与固体接触时，在固体表面或内部将发生容纳气体的现象。吸附现象可以在固体和液体之间发生。被吸附的物质称为吸附质起吸附作用的物质称为吸附剂吸附分为物理吸附和化学吸附物理吸附：气体间靠分之间作用力（范德华力）吸附在固体吸附剂上。化学吸附：吸附后气体与固体表面原子之间形成吸附化学键。吸附是一个传质过程。外部传递过程（外扩散）：吸附质从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜到达颗粒表面
1）等温压缩过程(1-2）2）定容放热过程(2-3）3）等温膨胀过程(3-4） 4）定容吸热过程(4-1）
第四节其他制冷方法一、空气蒸发制冷和溶液除湿蒸发制冷空气蒸发制冷的原理：是指水与未饱和空气接触时，其饱和蒸汽压力大于空气中水蒸汽的分压力，因而蒸发汽化。分类：直接蒸发冷却和间接蒸发冷却制冷
9

第一章低温热力学基础

第1章低温热力学基础1.1 实际气体的性质1.1.1 理想气体状态方程气态工质处于平衡状态时，其基本状态压力P、比容υ与温度T之间有一定的关系，这一关系若用数学式表示一般可写成：f（p, υ, T）=0 (1-1) 称为气体的状态方程或特性方程。

克拉贝隆方程是最简单的状态方程，其形式如下：pυ=RT (1-2) 式中，R为气体常数，其值随气体种类而变。

在国际单位制中，当压力及比容的单位分别用kPa及m3/kg时，R的单位为kJ/(kg.K)。

式(1-2)是根据早期的由实验建立的波义尔定律（1662年）及查理定律（1787年）导出的。

它与气体动力论提出的理想气体的物理模型所得的结论完全一致，所以也称为理想气体状态方程。

理想气体状态方程由于没有考虑气体分子间的相互作用力和气体分子本身德体积，因而不能准确地表示实际气体的状态特性，实验证明，当压力较低时（例如在大气压力附近及以下），实际气体的性质同按式（1-2）的计算结果还比较接近，而当压力升高时，却表现出了明显的偏高，这种偏离可用比例pυ/RT来说明。

对于理想气体，由式（1-2）可知，比值pυ/RT=1。

但对于实际气体，比值pυ/RT式一个变量，它随气体的种类及压力和温度而变。

随着温度的降低，实际气体的pυ/RT同理想气体的偏离越来越大，在低温技术领域内，温度比较低，压力又比较高（同常压比），因而所研究的工质一般都不能当作理想气体来进行计算。

因此，必须对实际气体的性质进行分析和讨论。

1.1.2 范德瓦尔方程为了较准确地描述实际气体的特性，自上世纪以来，很多学者根据不同的观点和论据，提出了很多形式的状态方程，其中最有理论价值的是范德瓦尔方程。

范德瓦尔方程是在1873年提出的，它具有如下的形式：（p+a/υ2）(υ-b)=RT （1-3）式中，a及b是范德瓦尔常数，对于一些常见气体，其值列于表1-1中。

表1-1中的数值是对1kmol而言，在检用时应予注意。

A第一章制冷与低温的热力学基础 4 (1.2)_2016_10_10-12

TH qk w0
TL q0
7
1.2.1.2 Cycle analysis based on the heat source
（二）循环外部分析法
0
q0 w0
TL TH TL
High temperature heat source 高温热源
TH qk
w0
Refrigerator
q0
TL
Low temperature heat source 低温热源
wW W
Q0 W 1
W
High temperature
TH qk
Ambient temperature 环境温度
TH qk
w0
Heat pump
w0
Refrigerator
q0
TL
Ambient temperature 环境温度
2/22/2021
q0
TL
Low temperature
18
1.2.4 Heat pump cycle
ΔTH
qk TH
w0
ΔTL
TL
q0
9
Reversed Carnot cycle with temperature differences 具有传热温差的卡诺型制冷循环
q0 T0
w0 Tk T0
High temperature heat source 高温热源
TH TqH k
qk
w0
Refrigerawto0 r
第二节制冷循环热力学特性分析（热一律）
一、逆卡诺循环
四、热泵循环
二、瑞特林循环
五、热能驱动制冷循环
三、洛仑兹循环
六、气体液化循环

07制冷与低温原理【复习课】

六、斯特林制冷循环
● 1816年斯特林提出一种由两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，称为斯特林循环，也称定容回热循环。
●斯特林循环最初是作为热机循环提出的，到19 世纪60年代，柯克把斯特林循环的逆循环用于制冷。
理想斯特林制冷循环
1)等温压缩过程(1-2)
●压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动，气体被等温压缩，压缩产生的热量由冷却器带走，温度保持恒值T1，压力升高到p2，容积减小到V2
五、气体循环
【气体液化循环不同于以制取冷量为目的的普通制冷循环。】
【1气、在体气液体化液理化想循环循中环，在所T用-s的图气上体的在表循环示过】程中既起制冷
剂的作用，本身又被液化，部分或全部地作为液态产品从低温装置中输出。 2、气体液化循环的理想循环是指由可逆过程组成的循环，在循环的各个过程中，不存在任何不可逆损失。
1)高压气体通过切换阀1流经回热器2、换热器3、导流器6以层流形式进入脉管4，迅速推挤管内气体向封闭端移动，同时使之压缩，温度升高，在脉管封闭端气体的温度达到最高值。
2)布设在封闭端的水冷却器5将热量带走，管内气体因放热，其温度和压力稍有降低。
3)切换阀转动使系统内气体接通低压气源，脉管中的气体又以层流形式渐次向气源扩张，气体膨胀降压而获得低温。
2)定容放热过程(2-3)
●两个活塞同时向左移动，气体的容积保持不变，即V2=V3，直至压缩活塞到因而温度由T1降为T3，同时压力由p2降到p3。
3)等温膨胀过程(3-4)
●压缩活塞停止在左止点，膨胀活塞继续向左移动，直至左止点，温度为T3的气体进行等温膨胀，T4=T3，通过冷量换热器C从低温热源吸收热量(制冷量)Q0，容积增大到V4，压力降低到p4。

第一章__制冷与低温的热力学基础_3_(1.1.3_-_1.1.8)_2011_09_16

11M th d f f i ti1.1 Methods of refrigeration1.1.1 Refrigeration by phase change1.1.2 Refrigeration by gas expansion113Refrigeration by Ranque Hilsch effect 1.1.3 Refrigeration by Ranque-Hilsch effect 1.1.4 Refrigeration by Peltier effect第一节制冷的方法相变制冷一、相变制冷二、气体膨胀制冷五、去磁制冷六、稀释制冷三、气体涡流制冷四、热电制冷七、热声制冷冷八、激光制冷1.1.3 Refrigeration by Ranque-Hilsch effect(1931, French) 兰克管(1931F h)9/16/201121.1.3 Refrigeration by Ranque-Hilsch effect(1931F h)(1931, French)兰克管Flow inletsHot outlet(130℃)Cold outlet (-50℃)OrificeValve9/16/2011311M th d f f i ti1.1 Methods of refrigeration1.1.1 Refrigeration by phase change1.1.2 Refrigeration by gas expansion113Refrigeration by Ranque Hilsch effect 1.1.3 Refrigeration by Ranque-Hilsch effect 1.1.4 Refrigeration by Peltier effect第一节制冷的方法相变制冷一、相变制冷二、气体膨胀制冷五、去磁制冷六、稀释制冷三、气体涡流制冷四、热电制冷七、热声制冷冷八、激光制冷1.1.4 Refrigeration by Peltier effect(1934, French) 热电制冷(1934F h)Seebeck effect(塞贝克1821):发现在两种不同金属组成的闭合线路中，如果两接触点的温度不同，有一个电动势存在。

制冷与低温技术原理PPT演示文稿

机的完善度；
（2）COP，EER，的定义在实际上是不同的，具体应
用应该根据标准；
（3）性能还可用SEER来评价。
19
3.1 可逆制冷循环
• 逆卡诺制冷循环
C O P c Q 0 / W T L S / ( ( T H T L ) S ) 1 / ( T H / T L 1 )
逆卡诺循环的性能系数仅与TH和TL有关，与工质无关。
给定 T H , T L条件下具有的最好热力性能；（3）循环的热力性能仅与 T H , T L 和制冷剂有关。 • 作用：
27
3.3 单级压缩式制冷的实际循环
• 实际循环与理论循环的比较（热力过程）
28
3.3 单级压缩式制冷的实际循环
• 各种实际因素对循环的影响（1）过冷度（作用、获得方法）
吸收剂溶液的浓度越高，制冷剂的分压力越低。
• 常用的吸收剂和制冷剂对：溴化锂 – 水；水–氨
• 使用的是热能；左边相当于压缩机。
14
热电制冷
• 工作原理物理定律
• 系统简图 • 通过并联或串联方式，
可以改变制冷温度和制冷量。 • 没有制冷工质和循环。 • 能量转换效率低，常用于特殊场合。
目的：环保、提高热力性能，增加运行安全性。选择原则：在环保、热力性能大致相当情况下，优先共沸、近共沸、共沸。原因：泄露会造成成分改变。一般非共沸制冷剂传热比较差。
41
3.4 制冷剂-----实用制冷剂
• 天然制冷剂环保最好，但是通常有些热力性能和工作安全性的问题。氟利昂通常热力性能好，价格贵，并注意环保问题。
比热容可查表或者用程序计算。
38
3.4 制冷剂-----性质

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热力学能变量Δ U
系统热力学能增大Δ U+
制
可逆过程 W pdV
冷原
2
Q dU pdV ,Q U 1 pdV
2
(1-13)
理
q du pdv, q u 1 pdv
(1-14)
与
完成一循环后，工质恢复原来状态 dU 0
技
Q W
(1-15)

1 2
mc
2 f
重力位能 E p mgz
工质的总能
E
U

1 2
mc
2 f

mgz
(1-3)
比总能
e

u

1 2
c
2 f

gz
(1-4)
力学参数cf和z只取决于工质在参考系中的速度和高度
制
2.能量的传递和转化
冷
能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式
原
作功
理
借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。
原
wc (h2 h1 ) (q)
(1-24)
理
图1-4 膨胀机能量平衡
与技
膨胀过程均采用绝热过程
术
稳定流动能量平衡方程
wi h1 h2
(1-25)
图1-5 换热器能量平衡
图1-6 喷管能量转换
两个独立状态参数的函数。
总能
内部储存能外部储存能
热力学能动能位能
制
工质的总储存能
冷内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观
原
运动动能及位能的总和。
理与
E－总能， Ek －动能 Ep －位能 E=U+Ek+Ep
(1-2)
技
若工质质量m，速度cf，重力场中高度z
术
宏观动能
Ek

1 2
c
2 f1
gz1 )m1
Wi
(1-19)
制
稳定流动
dECV 0, min mout
d
d
d
冷原
系统只有单股流体进出，qm1

m1 d
qm2
m2 d
qm
理
q

h
1 2
c
2 f

gz

wi
(1-21)
与
技术
微量形式
q

dh
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保持不变。
术
能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。
热力学能和总能
热力学能
制
用符号U表示，单位是焦耳（J）
冷
比热力学能
原
1kg物质的热力学能称比热力学能
理
用符号u表示，单位是焦耳/千克（J／kg）
与
技
热力状态的单值函数。
术
热力学能状态参数，与路径无关。
原工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功理 W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则与工质储存能的增加即为热力学能的增加Δ U
技热力学第一定律的解析式术
Q W U U2 U1 Q U W
(1-11)
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。
与
传热
技
借传热来传递能量无需物体的宏观移动。
术
推动功
因工质在开口系统中流动而传递的功。对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。
推动功只有在工质移动位置时才起作用。
制
冷
原
理
与
技
图1-1a所示为工质经管道进入气缸的过程。
术
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
过程完成后系统内工质质量增加dm, 系统总能增加dECV
由系统能量平衡的基本表达式有
dE1 p1dV1 Q (dE2 p2dV2 Wi ) dECV (1-17)
由E=me,V=mv,h=u+pv,得
Q

dECV
(h2

1 2
c
2 f
2
gz2 )m2
(h1
制
对微元过程，第一定律解析式的微分形式
冷
Q dU W
(1-12a)
原
理
对于1 kg工质， q u w
(1-12b)
与
技
q du w (1-12c)
术
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。
热量Q
系统吸热Q+
功W
代数值系统对外作功W+
术
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)
2
h1a2 h1b2 1 dh h2 h1
(1-9)
4．热力学第一定律的基本能量方程式
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)
制
冷 4.1 闭口系统的能量平衡
术
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 Qnet Wnet
qnet wnet (1-16)
4.2 开口系统的能量平衡
图1-2 开口系统流动过程中的能量平衡
制
冷
原
理
与
技术
图示开口系统，dτ 时间内，质量m1(体积为dV1)的微元工质流入截面1-1，质量m2 (体积为dV2 ) 的微元工质流出 2-2，系统从外界得到热量Q，对机器设备作功Wi 。
1 2
dc
2 f

gdz wi
(1-22)
当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程

H

1 2
mc2f

mgz
Wi
Q

dH

1 2
mdc2f

mgdz
Wi
5.能量方程式的应用
图1-3 压缩机能量平衡
工质流经压缩机时，机器对工
质做功wc,使工质升压，工质对
制外放热q 冷每kg工质需作功
从截面2-2流出，带出系统的推动功为p2v2。
( pv) p2v2 p1v1是系统为维持工质流动所需的功，称为流动功
3．焓
焓
用符号H表示，单位是焦耳（J）
制
H= U+pV
(1-5)
冷
比焓
原
用符号h表示，单位是焦耳/千克（J／kg）
理
h u pv
(1-6)
与技
焓是一个状态参数。
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
制
冷
1.热力学第一定律
原
理自然界中的一切物质都具有能量，能量不
与可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从
技
缸时推动活塞移动距离 l，作功pA l=pV=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。
制
冷
原
理
与
技
图1-1b所示考察开口系统和外界之间功的交换。取一开口系统，1kg工质从截面1-1流入该热力系，
术工质带入系统的推动功p1v1，作膨胀功由状态1到2，再