制冷基础理论

第三章工程热力学基础3.1 热力学第一定律与焓3.1.1 热力学第一定律自然界中存在各种各样的能量，如机械能、热能、电能、化学能、光能、声能、原子能等。

这些能量形式之间在一定条件下可以相互转化，任何一种形式的能量，在转化成其它形式的能量过程中，总的能量都是守恒的。

例如我们将一个高温物体和一个低温物体放在一起，高温物体将放出热量，低温物体将吸收热量，如果它们都没有从别的物体吸取热量和向别的物体传递热量，那么，高温物体放出多少热量，低温物体就吸收多少热量，放出的热量和吸收的热量总和是相等的。

大量的事实告诉我们，各种形式的能都可以在一定条件下相互转化，能量即不会消灭，也不会创生。

它只会从一种形式转化成另一种形式或从一种物体转移到另一种物体，而能的总量保持不变，这就是自然界最普遍、最重要的本质之———能量的转化和守恒定律，也就是热力学第一定律的内容。

热力学第一定律是制冷技术的基本定律之一。

在制冷工程中，最常见的能量形式是热能、机械能与电能之间的相互转换。

3.1.2 焓焓是在热力学中经常用到的一个重要的状态参数，它是指制冷剂的内能（热能）与压势能（因外界对它做功而具有的膨胀做功的能量）之和。

焓的单位与热量的单位一致，为J或kJ。

焓是一个状态参数，它只与物质变化的前后状态有关，与物质变化的过程无关。

在制冷系统计算中，由于制冷剂内能与外界做功往往同时发生，用焓计算比较方便，因此我们采用制冷剂两个状态的焓差来反映制冷剂能量的变化。

3.2 热力学第二定律与熵3.2.1 热力学第二定律热力学第二定律是说明热能与机械能之间相互转换的条件和方向。

高温物体能自发地向低温物体传热，但低温物体自发地向高温物体传热是不可能的。

要实现“逆向”传热，必须消耗机械功(如采用制冷压缩机)，从生活中我们知道，热量不能无条件地转换成机械功。

上述内容实际上就是热力学第二定律的基本内容，概括起来有两点：(1)热量由低温物体向高温物体自发传递是不可能的。

(2)热能全部转变为机械功是不可能的，但消耗一定能量，可以使热量从低温物体传向高温物体。

3.2.2 熵熵与焓一样，也是一个状态参数。

熵也叫热温熵，它是指从外界加入1千克物质内的热量Q与加热时该物质的绝对温度T（K）之比，用S表示，即S＝Q/T。

熵是一个导出的热力状态参数，它表征物质状态变化时其热量传递的程度，单位是KJ/（Kg·K）。

在一定状态下，制冷剂的熵值是确定的，是绝对值。

在孤立系统中，整个过程的熵只可能增加或保持不变，但不可能减少。

3.3 热力学第三定律我们已经谈到过绝对零度(K)。

在此温度下物质分子运动均已停止，而这是不可能的，即不可能使用有限的手段和步骤使一个物体冷到绝对零度，绝对零度只能无限接近而永远无法达到。

热力学第三定律明确指出，达到绝对零度是不可能的，这就是它的基本内容。

3.4 热力过程热力过程是指热力系统状态连续变化的过程。

实施热力过程的目的是实现预期的能量交换或达到预期的状态变化。

如制冷剂在蒸发器中的吸热过程、在冷凝器中的放热过程是为了实现预期的热量交换，制冷剂在压缩机中的压缩过程是为了达到预期的状态变化。

为了分析各种热力过程，常用压力-比容图（p-v图）来表示所要分析的热力过程。

p-v图是在直角坐标上，取纵坐标表示工质的压力p的变化，横坐标表示工质的比容v 的变化。

可用一点来表示某一状态的工质。

工质的状态变化过程可用一条过程线来表示，且过程变化所做的功可用过程线下面的面积来表示。

因此用p-v图来分析功量是极其方便的。

下面用p-v图来分析几种热力过程。

一、等温过程在状态变化中工质温度保持不变的过程称为等温过程。

等温过程中理想气体的压力与比容成反比，且内能和焓保持不变。

等温过程在p-v图上是一条等边双曲线，如下图（a）所示。

二、等压过程在状态变化过程中，工质压力保持不变的过程称为等压过程。

制冷剂在蒸发器中的吸热过程与冷凝器中的放热过程都是在接近等压过程下进行的。

等压过程中理想气体的比容与绝对温度成正比，且工质在等压变化过程中热交换量等于焓的变化。

等压过程在p-v图上表示为一条垂直于纵坐标的直线，如图(b)所示。

（a ）三、等容过程在状态变化过程中，工质容积保持不变的过程称为等容过程。

等容过程中理想气体的压力与绝对温度成正比，且吸收的热量全部变为内能。

等容过程在p-v 图上是一条垂直于横坐标的直线，如图（c ）所示。

四、绝热过程在状态变化过程中，工质与外界没有热交换的过程称为绝热过程。

制冷剂蒸气在压缩机气缸中压缩过程中，由于过程进行得很快，与外界热交换量极少，可视为制冷剂与外界无热量交换，可当作绝热过程。

绝热过程在p-v 图上是一条高次双曲线。

如图(d)所示。

五、多变过程 多变过程是一些有规律的过程的总称。

热力过程是非常复杂的过程，对于各种各样的热力过程状态变化规律，可以用多变过程加以描述。

3.5 压焓图为了对蒸气压缩式制冷循环有一个全面的认识，不仅要研究循环中的每一个过程，而且要了解各个过程之间的关系以及某一过程发生变化时对其他过程的影响。

用各种热力状态图来研究整个循环可以使问题简化，并可以看到循环中各状态的变化以及这些变p v p p化对循环的影响。

在制冷循环的分析和计算中，通常要借助于压-焓图。

由于循环的各个过程中功与热量的变化均可用焓值的变化加以计算，因此，压-焓图在制冷工程中得到了更为广泛的应用。

压-焓图的结构如下图所示。

该图是以焓值h作为横坐标，以绝对压力p未纵坐标绘制而成（为了缩小图的尺寸，提高低压区域的精度，纵坐标常采用绝对压力的对数值lgp），压-焓图也称lgp-h图或P-h图。

图中有两条比较粗的曲线，左边一条叫饱和液体线，线上任何一点代表一个饱和液体状态，干度x＝0；右边一条叫饱和蒸气线，线上任何一点代表一个饱和蒸气状态，干度x＝1，这两条曲线向上延伸交于一点K，称为临界点。

饱和液体线于饱和蒸气线将图分成三个区域，饱和液体线的左边使过冷液体区，保护液体线与饱和蒸气线之间是湿饱和蒸气区，饱和蒸气线的右边是过热蒸气区。

在湿饱和蒸气区中，制冷剂蒸气所占的质量比例称为干度。

图中共有六种等参数线族：等压线p——与横坐标平行的水平直线；等焓线h——与纵坐标平行的垂直直线；等温线t——在过冷液体区几乎与纵坐标平行的垂直直线，在湿饱和蒸气区为与横坐标平行的水平直线，在过热蒸气区为急剧下降的下弯线；等熵线s——从左到右为稍向上倾斜的线；等容线v——从左到右为稍向上倾斜的曲线，但比等熵线平坦；等干度线x——只存在于湿蒸气区（饱和区），其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。

x＝1为饱和液体线，x＝0为饱和蒸气线。

在温度、压力、比容、焓、熵、干度等参数中，只要知道其中任何两个状态参数，就可以在压-焓图中确定过热蒸气及过冷液体的状态点，其它参数便可以直接从图中读出。

对于饱和蒸气及饱和液体，只需知道一个参数就能确定其状态。

在饱和区内，除p 或t外还需要知道一个其它参数来确定状态。

3.6 单级蒸气压缩式制冷循环一、卡诺循环（理想热机循环）由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆的热机循环，叫做卡诺循环。

它是由法国科学家卡诺发现的，解决了热机循环中热能的最大利用程度是多少，即在一定条件下热能转换成机械能的极限是多少这个问题。

在给定的高低温热源条件下，按卡诺循环工作，热机将有最高的功率。

如图为卡诺循环的示意图，工质在绝热的气缸里，必要时可与热源或冷源进行换热。

工质在T1温度下从热源吸热q1，由状态1等温膨胀到状态2；接着工质与热源分开，以过程2-3进行绝热膨胀；然后在T2温度下由状态3等温压缩到状态4，并向冷源放热q2；最后以过程4-1进行绝热压缩，回到初始状态1。

由于上述过程是在理想条件下进行的，故卡诺循环是一个理想循环。

卡诺循环的效率为：ηk＝（q1－q2）/q1＝1－T2/T1由上式可得到以下结论：1、卡诺循环的热效率仅取决于热源和冷源的温度，而与所用工质的性质无关。

2、要提高卡诺循环热效率，可以用提高热源温度T1和降低冷源温度T2的办法来实现，其中以降低T2的效果尤为显著。

3、卡诺循环的热效率总是小于1，而且不可能等于1。

因为要等于1，就必须T1＝∞或T2＝0，这显然是不可能的。

4、当T2＝T1时，即没有温差时，ηk＝0，即单热源的热机不能使热量转化为功，所以循环中的温差是能量转换的必要条件。

二、逆卡诺循环（理想制冷循环）如果工质按卡诺循环的线路反方向进行循环，则叫做逆卡诺循环（制冷机理想循环）。

如图所示，工质从点1绝热膨胀到点2，然后等温膨胀到点3，并从冷源T2吸取热量q1；之后工质被绝热压缩到点4，再等温压缩到点1，同时向热源T1放出热量q2。

此时，压缩气体消耗的功L1大于气体膨胀所做的功L2，排出热量q2大于吸入热量q1。

完成逆卡诺循环的结果是，消耗了一定数量的机械功L＝L1-L2（转化为热量L＝q2-q1），并和从冷源取得的热量q1一起排给热源。

由于热量由低温向高温，类似于将水从低处抽到高处，所以可将按逆卡诺循环工作的热机称为热泵或制冷机。

制冷剂工作的必要条件是消耗外功，不消耗外功，自发的从低温物体把热量传给高温物体是不可能的。

这就是热力学第二定律的主要内容。

为了评价逆卡诺循环的经济性，可以用制冷系数表示：ε＝q1/L＝q1/(q2-q1)＝T1/(T2-T1)卡诺循环逆卡诺循环三、单级蒸气压缩式制冷循环单级压缩是指从蒸发器出来的低压蒸气，经压缩机一次压缩到冷凝器。

单级蒸气压缩式制冷机的理论循环是建立在以下一些假设的基础上：1、压缩过程是按等熵过程进行的，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失；2、不计制冷剂在流动时的摩擦阻力损失；3、制冷系统中除冷凝器、蒸发器外，其余部分和外界没有热交换。

单级蒸气压缩式制冷机的工作过程可表示在压－焓图上，如图所示，压缩机吸入的点1表示的饱和蒸气，1－2表示制冷剂蒸气在压缩机中的压缩过程，这一过程在理想情况下可看作是等熵过程，2－3表示制冷剂正在在冷凝器中的冷却和冷凝过程，在这一过程中制冷剂的压力保持不变，且等于冷凝温度tk下的饱和压力pk，冷凝过程中tk保持不变；3－4表示节流过程，制冷剂在节流过程中压力和温度降低，但焓值保持不变，节流后进入两相区。

由于节流过程为不可逆过程，所以压－焓图上用虚线表示；4－1表示制冷剂在蒸发器中的蒸发过程，制冷剂在温度to饱和压力po保持不变的情况下蒸发，而被冷却物体的温度得以降低。

为了说明单级蒸气压缩式制冷机理论循环的性能，常采用下述指标：1、单位质量制冷量qo是指1kg制冷剂在一次循环中所取得的冷量，即：qo＝h1－h4＝h1－h3＝ro（1－x4）KJ/Kg式中：h1、h3、h4——制冷剂在状态点1、3、4的焓值KJ/Kgro——制冷剂在蒸发温度to的汽化潜热KJ/Kgx4——制冷剂节流后湿蒸气的干度2、单位容积制冷量qv是指压缩机每吸入1m3（按吸入状态计算）制冷剂蒸气后能制得的冷量，即：qv＝qo/v1＝（h1－h3）/v1 KJ/m3式中v1——制冷剂在吸入状态1点的比容m3/kg为了取得一定的冷量，若选用qv大的制冷剂，则压缩机需要提供输入量就小，压缩机的尺寸可较小。