制冷原理與技術(shù)課件

第一章制冷與低溫的熱力學基礎(chǔ)，第一節(jié)制冷與低溫原理的熱力學基礎(chǔ)，第二節(jié)制冷與低溫工質(zhì)，第三節(jié)制冷技術(shù)與跨學科，第一節(jié)制冷與低溫原理的熱力學基礎(chǔ)，1.1.1制冷與低溫原理的熱力學基礎(chǔ)，1.1熱力學第一定律，熱力學能，熱力學能與總能，工質(zhì)總儲能，內(nèi)儲能，外儲能，熱力學能，總能， 如果質(zhì)量m、速度cf、重力場中的高度z、宏觀動能和工作介質(zhì)的重力勢能，能量可以通過兩種方式從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，即推進力。 2.能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換。圖1-1a示出了工作介質(zhì)通過管道進入氣缸的過程。工作介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)p、v、t由p-v圖中的中點c表示。作用在面積為a的活塞上的工作介質(zhì)的力為pA，工作介質(zhì)流入氣缸時推動活塞移動一段距離，工作pA=pV=mpv。m代表進入氣缸的工作介質(zhì)的質(zhì)量，這種功稱為推力功。如圖中矩形區(qū)域所示，1kg工作介質(zhì)的推力等于pv。焓，進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=儲存在系統(tǒng)中的能量的增加(1-10)，4.1封閉系統(tǒng)的能量平衡，4 .熱力學第一定律的基本能量方程，工作介質(zhì)從外部吸收熱量q后從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2，并在外部做功。如果忽略工作介質(zhì)的宏觀動能和勢能的變化，工作介質(zhì)儲存能量的增加就是熱力學能量u(1-11)的增加，這是熱力學第一定律的解析表達式，一部分加到工作介質(zhì)上的熱量用來增加工作介質(zhì)在工作介質(zhì)中的熱力學能量的儲存，其余的以做功的方式傳遞到外界。對于微元過程，第一定律(1-12a)的解析表達式的微分形式，對于1kg的工作介質(zhì)，(1-12b)、(1-12c)和(1-12)一般適用于封閉系統(tǒng)，適用于可逆過程和不可逆過程，并且對工作介質(zhì)的性質(zhì)沒有限制。完成一個循環(huán)后，工作介質(zhì)將返回到其原始狀態(tài)(1-15)。完成一個循環(huán)后，封閉系統(tǒng)將與外界進行熱交換，熱交換量等于與外界交換的凈功(1-16)，4.2開放系統(tǒng)的能量平衡，穩(wěn)定流動，只有單一流體流入和流出系統(tǒng)，(1-21)，軌跡形式，(1-22)，當流入質(zhì)量為m的流體時，穩(wěn)定流動能量方程：當工作介質(zhì)流過壓縮機時，機器對工作介質(zhì)施加功wc以提高工作介質(zhì)的壓力。工質(zhì)向外界釋放熱量q，膨脹過程采用絕熱過程。能量方程的應(yīng)用，當工作介質(zhì)流經(jīng)換熱器時，與外界有熱交換，但有反應(yīng)交換，動能差和勢能差也可以忽略。1kg工質(zhì)吸熱，1kg工質(zhì)動能增加，工質(zhì)流經(jīng)噴嘴和擴散器時不對設(shè)備做功，熱交換可以忽略不計，當工質(zhì)流經(jīng)閥門時，流動截面突然收縮，壓力下降，稱為節(jié)流。設(shè)置流動絕熱，前部和后部之間的動能差和勢能差被忽略，節(jié)流前后的焓相等，因為在節(jié)流過程中沒有外部功，1。制冷循環(huán)的熱力學分析。熱力學第二定律，熵是熱力學狀態(tài)參數(shù)，是判斷實際過程的方向，并提供了過程是否可以實現(xiàn)和可逆的判據(jù)?？赡孢^程1-2的熵增，克勞修斯積分，P和T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)，2。反向可逆循環(huán)反向卡諾循環(huán)具有恒定的熱源溫度，卡諾制冷機是熱力學理想的等溫制冷機，3。具有可變熱源溫度的反向可逆循環(huán)洛倫茲循環(huán)，并且，假設(shè)制冷過程和冷卻過程的傳熱溫差為T，制冷量，熱盤焦耳-湯姆遜系數(shù)，制冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件，對于理想氣體，(2)節(jié)流過程的物理特性，(3)轉(zhuǎn)換溫度和轉(zhuǎn)換曲線，即T-P圖上的連續(xù)曲線，稱為轉(zhuǎn)換曲線。表1-1最高轉(zhuǎn)化溫度列出了一些氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度。2。絕熱膨脹、氣體等熵膨脹、壓力微小變化引起的溫度變化。微分等熵效應(yīng)，(1-58)，理想氣體的溫差(絕熱指數(shù))，(1-60)，等熵膨脹過程隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而增大，也隨著初始溫度T1的增大而增大。(1)假設(shè)放氣過程非常緩慢，活塞左側(cè)的氣體總是處于平衡和等熵膨脹狀態(tài)，做功是根據(jù)其自身壓力計算的，因此外部做功最大，溫降最大。(2)假設(shè)在閥門打開后，活塞右側(cè)的氣體將立即從P1下降到P2，因此當活塞左側(cè)的氣體膨脹時，它將僅在恒定壓力P2下做功，具有最小的外部功和最小的溫度下降。實際的放氣過程總是在上述兩種極限情況之間。這個過程越慢，就越接近等熵膨脹過程。(1)氣體的絕熱指數(shù)越大，溫度比T2/T1越小(P2/P1常數(shù))，溫度降越大，單原子氣體的溫度降越大。(2)隨著壓力比P1/P2的增加，溫度比T2/T1下降得越來越慢，單級壓力比不應(yīng)太大，通常為3-5。4.1熱理想等溫源系統(tǒng)，“冷源”是指待冷卻的空間，“熱源”是指制冷機放熱的對象，4 .低溫氣體制冷的熱力學基礎(chǔ)，表1-2卡諾制冷機在300K和低溫Tc下的COP，4.2熱理想等壓源系統(tǒng)，在工作介質(zhì)未冷凝的氣體制冷機系統(tǒng)中，吸熱過程改變溫度，而不是像卡諾制冷機那樣在等溫條件下吸熱。這樣，實際系統(tǒng)和卡諾系統(tǒng)之間的比較是不公平的，因為實際系統(tǒng)的冷源溫度不是恒定的。對于理想的等壓源制冷機，(1-66)，上述公式適用于任何工作介質(zhì)。對于許多氣體冰箱，當壓力足夠低時，工作介質(zhì)氣體可以近似為理想氣體。對于具有恒定壓力比熱(1-70)的理想氣體，COP與用作制冷劑的理想氣體無關(guān)。COPi僅與最高冷源溫度與最低冷源溫度之比以及熱源溫度與最低冷源溫度之比相關(guān)。1.1.3制冷和低溫區(qū)的劃分，1。制冷和低溫區(qū)的劃分，將溫度區(qū)除以123 k，制冷和制冷的溫度范圍是從環(huán)境溫度到接近絕對零度，即0 k，2。制冷和低溫技術(shù)的發(fā)展歷史，(1)制冷技術(shù)的發(fā)展歷史，(2)制冷劑的發(fā)展、應(yīng)用和選擇原則，1.2.1熱力學性質(zhì)，2。遷移性能，作為制冷劑應(yīng)符合要求，3。物理和化學性質(zhì)，4。其他，原材料來源充足，制造工藝簡單，價格低廉。1.2.2制冷劑名稱，制冷劑按其化學成分主要有三種，字母 R 和一組數(shù)字或字母，在它后面，表示制冷劑，按制冷劑分子組成按一定規(guī)則，1。無機化合物，2。氟利昂和烷烴，書寫規(guī)則，制冷劑縮寫，3。非共沸混合工作介質(zhì)。共沸混合工作介質(zhì)。環(huán)烷烴、烯烴及其鹵素，縮寫符號規(guī)定環(huán)烷烴和環(huán)烷烴的鹵代化合物應(yīng)以字母“RC”開頭，烯烴和烯烴的鹵代化合物應(yīng)以字母“R1”開頭，以下數(shù)字排列規(guī)則應(yīng)與氟利昂和烷烴的符號表示相同。例如，表1-4制冷劑符號，此外，有機氧化物、脂肪胺以R6開頭，數(shù)字后可選。詳見表1-5制冷劑標準符號表示。1.2.3制冷劑的物理和化學性質(zhì)及其應(yīng)用，1 .安全性，(1)毒性。雖然有些氟利昂制冷劑毒性低，但它們會分解到極限、爆炸極限，表1-7某些制冷劑的易燃易爆特性，注：無表示不燃燒，na表示未知。表1-8 ASHREAE 34-1992以毒性和可燃性為界限的安全分類，表1-9某些制冷劑的安全分類，(2)低溫技術(shù)的發(fā)展歷史，3。對材料的影響。在正常情況下，鹵素化合物制冷劑不適用于最常用的金屬材料。只有在某些條件下，如水解和分解，一些物質(zhì)才能與制冷劑反應(yīng)。制冷系統(tǒng)應(yīng)盡量避免水與銅和鐵共用。4.與潤滑油互溶。對于每一種氟利昂，都有一個溶解的臨界溫度，即溶解曲線最高點的溫度。氟利昂與礦物潤滑油在常溫下的溶解關(guān)系可用經(jīng)驗公式確定。5.水溶性，“冰阻塞現(xiàn)象”。當溫度降至0以下時，水形成冰，堵塞節(jié)流閥或毛細管的通道，形成“冰堵”，導致冰箱不能正常工作。6。泄漏，表110水在某些制冷劑中的溶解度(25)，注：na表示未發(fā)現(xiàn)可用數(shù)據(jù)。沸點-33.3，冰點-77.9，單位體積制冷量大，粘度小，傳熱好，流阻小，毒性大，具有一定的可燃性，安全分類為B2氨蒸氣無色，氨溶液飛濺，對皮膚有強烈刺激性氣味，會引起腫脹甚至凍傷。氨系統(tǒng)中的水會加劇對金屬的腐蝕，降低制冷量。系統(tǒng)中從氨中分離出來的游離氫與水以任意比例互溶，但在礦物潤滑油中溶解度很小?？諝獗〞r氨溶液的比例小于礦物潤滑油的比例。在油沉積的下部，氨制冷機中不定期使用銅和銅合金材料(磷青銅除外)。1.2.4常見制冷劑。1.無機物，2。氟利昂，(1)R12(二氟二氯甲烷二氯甲烷)，(2)R134a(四氟乙烷CH2FCF3)，(3)R11(三氟甲基氯三氯甲烷)，(4)R22(二氟二氯甲烷CHF2Cl)，3。碳氫化合物，(1)R600a(異丁烷i-C4H10)，(2)R290(丙烷C3H8)，比R600a沸點和冰點低，比R600a蒸汽壓高，體積制冷量大，其他制冷和安全特性與R600a相似。4。混合制冷劑，(1)共沸制冷劑，共沸制冷劑的特性：表1-11幾種共沸制冷劑的組成和沸點，(2)非共沸制冷劑，當溶液在一定壓力下加熱時，首先達到飽和液體點A(泡點)，然后加熱到點B，即進入兩相區(qū)，當加熱到點C(露點)時，完全蒸發(fā)成飽和蒸汽。泡點溫度和露點溫度之間的溫差稱為溫度差。表1-12顯示了目前廣泛使用的非共沸制冷劑的類型和組成。(3)常用混合制冷劑的特點，沸點-33.5，ODP值較高。5)非共沸制冷劑R401A和R401B，1.2.5低溫液體的性質(zhì)，表1-13大氣壓下一些飽和低溫液體的性質(zhì)，(1)常規(guī)氣體，(2)氫氣，表1-14e-p-H2的H2含量列出了H2東部p-H2的平衡含量與溫度之間的關(guān)系。這兩種不同形式的氫的區(qū)別在于組成氫分子的粒子的相對自旋轉(zhuǎn)方向不同。氘也有o-D2和p-D2。當溫度降低時，氘中的p-D2變成o-D2，而當溫度降低時，氫變成p-H2。(3)氦4和氦4有兩種不同的液相。表1-15顯示了雙流體模型中氦二中正常流體的質(zhì)量比。當溫度通過點下降時，液體的比熱有一個大的躍變。噴泉效應(yīng)液氦3和液氦4的混合物可以自發(fā)地分成兩個相，一個是超流體(富氦相4)，另一個是正常流體(富氦相3)。這種相分離現(xiàn)象成為氦稀釋制冷機的基礎(chǔ)。第三節(jié)制冷技術(shù)的交叉學科研究，制冷和低溫技術(shù)的交叉學科研究實例，以及制冷在空調(diào)中的作用。2.人工環(huán)境。有以下幾種與制冷相關(guān)的人工環(huán)境試驗。根據(jù)食品加工方式的不同，食品低溫加工技術(shù)可分為三類：3。食物冷凍和冷凍干燥。低溫生物醫(yī)學技術(shù)，5。低溫電子技術(shù)。利用超導和磁場相關(guān)的邁斯納效應(yīng)代替油或空氣作為潤滑劑，可以制造無摩擦軸承。無功率損耗的超導電機已經(jīng)應(yīng)用于船舶推進系統(tǒng)。具有極小偏差的超導陀螺儀也被開發(fā)出來。一列時速500公里的低溫超導磁懸浮列車已經(jīng)在日本試運行。機械設(shè)計，紅外光學鏡頭可以用來捕捉熱源的形狀和跟蹤熱源。一些紅外材料通常在120千度以下的低溫下工作，這使得熱源的遙感信號更加清晰。為了捕捉高度敏感的信號，通常需要較低的溫度。通常，紅外衛(wèi)星需要70-120K的低溫，這通常由斯特林制冷機、脈管制冷機和輻射制冷機實現(xiàn)。太空遠紅外觀測要求溫度低于2K，這通常是通過超流氦冷卻技術(shù)實現(xiàn)的。紅外遙感技術(shù)在煉鋼中起著重要的作用。低溫系統(tǒng)也用于氨生產(chǎn)。在壓力容器的加工過程中，將預(yù)成型的圓筒放入冷卻到液氮溫度的模具中，用高壓氮氣填充容器，使其膨脹15%，然后將容器從模具中取出并返回到室溫。使用這種方法，材料的屈服強度可提高4-5倍。目前，低溫技術(shù)是從鋼結(jié)構(gòu)輪胎中