热能和动力机械基础.doc
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1、 制冷和空调是相互联系又相互独立的两个领域。制冷是一种冷却过程,除用于食品冷冻加工、化工和机械加工等工业制冷外,其最主要的应用是空调。空调中既有冷却,也包括括供暖、加湿、去湿以及流速、热辐射和空气质量的调节等。 本章将以制冷循环或逆向循为核心,重点阐述制冷与空调系统中的能量转换关系和性能评价等内容。 第一节 概 述 一、制冷的定义与分类 制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却,使其温度降低到环境温度以下,保持并利用这个温度。按照所获得的温度,通常将制冷的温度范围划分为以下几个领域:120K以上,普冷;120N03K,深冷(又称低温);03K以下,极低温。 由于温度范围不同,所采用
2、的降温方式,使用的工质、机器设备以及依据的具体原理有 很大差别。工程应用上有多种人工制冷方法,如适用于普通制冷的蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式制冷,适用于深度制冷(制冷温度为20160K)的气体膨胀制冷、半导体体制冷、磁制冷等。空气调节系统中所用的人工制冷方法主要是蒸气压缩式、吸收式制冷。二、制冷研究的内容 制冷研究的内容可以概括为以下四个方面: 1)研究获得低于环境温度的方法、机理以及与此对应的循环,并对循环进行热力学的分析和计算。2)研究循环中使用的工质的性质,从而为制冷机提供合适的工作介质。3)研究气体的液化和分离技术。例如液化氧、氮、氢、氦等气体,将空气或天然气液化、分离,均涉
3、及一系列的制冷技术。 4)研究所需的各种机械和设备,包括它们的工作原理、性能分析、结构设计。 三、制冷技术的应用 制冷技术的应用几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域,并在改善人类的生活质量方面发挥了巨大作用。 1商业及人民生活 食品冷冻冷藏和舒适性空气调节是制冷技术应用最为量大、面广的领域。 商业制冷主要用于各类食品冷加工、冷藏储存和冷藏运输,使之保质保鲜。现代的食品工业,从生产、储运到销售,有一条完整的“冷链”。所使用的制冷装置有:各种食品冷加工装置、大型冷库、冷藏汽车、冷藏船等,直至家庭用的电冰箱。 舒适性空气调节为人们创造适宜的生活和工作环境。如家庭、办公室用的局部空调装置;大型建筑、车
4、站、机场、宾馆、商厦等使用的集中式。空调系统;各种交通工具,如轿车、客车、飞机、火车、船舱等的空调设施;体育、游乐场所除采用制冷提供空气调节外,还用于建造人工冰场,如上海杰美体育中心的室内冰场,面积达1200m2。 2,工业生产及农牧业 许多生产场所需要生产用空气调节系统,例如:纺织厂、精密加工车间、精密计量室、计算机房等的空调系统,为各生产环境提供恒温恒湿条件,以保证产品质量或机床、仪表的精度。 机械制造中,对钢进行低温处理,可以改变其金相组织,使奥氏体变成马氏体,提高钢的硬度和强度。化学工业中,借助于制冷,使气体液化、混合气分离,带走化学反应中的反应热。在钢铁工业中,高炉鼓风需要用制冷的方
5、法先除湿,再送人高炉,以降低焦铁比,提高铁水质量。 在农牧业中,如利用低温对农作物种子进行低温处理。在交通运输业中,如采用液化天然气的汽车,使能量密度增大。在建筑工程中,如拌合混凝土时,用冰代替水,借冰的熔化热补偿水泥的固化反应热,可以有效地避免大型构件因散热不充分而产生内应力和裂缝等缺陷。 3科学研究 科学研究往往需要人工的低温环境。例如:为了研究高寒条件下使用的发动机、汽车、坦克、大炮的性能,需要先在相应的环境条件下作模拟试验;气象科学中,云雾室需要(-4530)的温度条件,用于人工气候实验。 4医疗卫生 现代医学已离不开制冷技术。冷冻医疗如:肿瘤、眼球移植、心脏大血管瓣膜冻存和移植等手术
6、时采用的低温麻醉。细胞组织、疫苗、药品的冷保存。用真空冷冻干燥法制作血干、皮干等等。 5空间技术 火箭推进器所需的液氧和液氢须在低温下制取,配合人造卫星发射和使用的红外技术也离不开低温环境,红外探测器只有在低温条件下,才能获得优良的探测结果,在航天器的地面模拟实验中,用液氮、液氦组成的低温泵使冷凝密闭容器内的气体达到高真空等。 6低温物理研究 低温技术提供的低温获得和低温保存的方法,为低温物理学的研究创造了条件,使低温声学、低温光学、低温电子学等一系列学科得到发展。超导现象的发现和超导技术的发展也与制冷技术的发展分不开。 第二节 蒸气压缩式制冷原理 制冷循环可以分为可逆循环和不可逆循环两种。研
7、究理想制冷循环或逆向可逆循环的目的有两个,其一是要寻找热力学上最完善的制冷循环,作为评价其他循环效率高低的标准;其二是根据理想制冷循环,可以从理论上指出提高制冷装置经济性的重要方向。 图6-1a、b分别为制冷循环(或制冷机)的热力学原理图和以气体为工质的逆卡诺循环的T-S图。 由热力学第一定律可知,从低温热源获取的热量(即制冷量Q0)和输入功W(或输入热量Q)之和应等于向高温热源的放热量(即冷凝放热量Qk),即Qk=Q0+W。为了分析比较在两个确定的热源温度下,不同的制冷机在消耗某种功W情况下获得的制冷量Q0的大小,通常以制冷系数或称性能系数作为制冷系统性能的评价。指标,用或COP表示。其定义
8、为消耗单位功所获得制冷量,即 (6-1)补上 2对温度的限制及热力完善度 制冷剂在循环过程中与高、低温热源之间的传热必须要有温差。例如,如果一个制冷系统要保持冷室温度-20,并向温度为30的大气放热,那就必须在这两个温度的界限内实现循环。在放热过程中,制冷剂温度必须高于30315K;在制冷过程中,为了使冷室热量能传给制冷剂,制冷剂的温度必须低于25315K。这就使得循环成为图6-2所示的那样。由于存在温差传热,这时的制冷循环(含图中的虚线)1234已不能再称为逆卡诺循环,只不过该循环在了-J图上仍是一个矩形循环而已,它的制冷系数必然小于原逆卡诺循环的制冷系数。 逆卡诺循环是在没有传热温差和没有
9、任何损失的可逆情况下进行的,实际上是无法实现的。但作为理想制冷循环,它可以作为评价实际制冷循环完善程度的标准。通常是将工作于相同热源温度间的实际制冷循环的制冷系数君与逆卡诺循环的制冷系数之比,称为这个制冷循环的热力完善度,用表示,即 (6-3) 实际制冷循环的制冷系数随着高温热源和低温热源的温度不同以及过程的不可逆程度而变化,其值可以大于1或小于l。热力完善度是表示制冷机实际循环接近逆卡诺循环的程度,热力完善度的数值恒小于1,故也称循环效率或卡诺效率。热力完善度的数值越大,就说明循环的不可逆损失越小。在循环中,减少传热温差、减少摩擦,均会减少循环的不可逆程度,并导致热力完善度的提高。制冷系数和
10、热力完善度都可以作为制冷循环的技术经济指标,但只是从热力学第一定律(能量转换)的数量角度反映循环的经济性,而是同时考虑了能量转换的数量关系和实际循环中不可渺的影响程度。 (二)变温热源的理想制冷循环劳伦兹循环 为了减少在制冷机的冷凝器和蒸发器中不可逆传热所引起的可用能损失,制冷剂和传热介质之间应保持尽可能小的传热温差。就制冷机的一般工作条件来说,冷却介质及被冷却物体的热容量都不是无穷大,在传热过程中要发生温度变化,不能看作为恒温热源。此时,制冷剂的冷凝温度应略高于(在极限情况下等于)冷却介质的出口温度(图6-3中的),但与冷却介质的进口温度()间存在较大的温差。同样,制冷剂的蒸发温度同被冷却介
11、质的进口温度()之间也存在较大的温差,如图63所示,对于变温热源来说,含有恒温热源的逆卡诺循环已不复存在,因此,需要找到一种变温热源(而不是恒温热源)的理想循环,以改善制冷系数。变温热源间的可逆循环,可依据冷源和热源的性质而以不同的方式来实现。只要满足工质与变温冷源、热源之间热交换时的温差各处均为无限小,以及工质与对其作用的物体之间保持机械平衡的条件,则工质进行的循环即为理想制冷循环,劳伦兹循环就是这种变温热源时可逆的逆循环的形式。 如图64所示,劳伦兹循环由两个等熵过程。ab、cd和两个变温的多变过程bc、da组成。b、c两点的温度分别为高温热源流体的进、出口温度,d、a两点的温度分别为低温
12、热源流体的进、出口温度。 在实际中,要实现劳伦兹循环,冷凝器和蒸发器都必须是完全逆流式的;而且应用非共沸混合制冷剂作为工质,利用其在等压下蒸发或冷凝时温度不断变化这个特点,使制冷剂的冷凝温度和蒸发温度的变化始终分别与冷却介质及被冷却介质的温度变化同步,使循环的不可逆损失减小,制冷系数和热力完善度增加。在传热温差无限小的极限情况下就可以实现完全可逆的劳伦兹循环,所以,劳伦兹循环是外部热源为变温热源时的理想制冷循环。 对于变温条件下的可逆循环,可采用建立在乎均当量温度概念上的逆卡诺循环来表示其 经济指标。 (6-4)式中,、分别为两个变温热源的平均温度(K);为制冷系数。 变温热源间工作的劳伦兹循
13、环abcde的制冷系数,相当于在平均吸热温度和平均放热温度间工作的逆卡诺循环的制冷系数,即与逆卡诺循环等效的制冷系数。 (三)理想热泵循环 逆向循环是以耗功作为补偿,通过制冷工质的循环,从低温热源中吸收热量(即制冷量)并向高温热源放出热量,因此,逆向循环可以用来制冷(对低温热源而言),也可用来供热(对高温热源而言),或者制冷、供热同时使用。用来制冷的逆向循环称为制冷循环,而用来供热的逆向循环称为热泵循环。 因此,理论上最理想的热泵循环仍是逆卡诺循环,仍可以用图61b来表示,只是其使用目的和工作温度的范围有所不同。图6-1b中,了:是环境温度或某热源的温度,r2是供热温度(用于对外供热)。热泵循
14、环的性能用供热系数或COPh表示,它表示单位耗功量所获得的供热量,即(6-5) 可以看出,热泵循环的供热系数永远大于1。在以环境介质为低温热源向建筑物采暖系统供热的情况下,从节约能源的角度考虑是有重要意义的。二、蒸气压缩式制冷系统 蒸气压缩式制冷系统,一般是指制冷剂用机械进行压缩的一种制冷系统。蒸气压缩式制冷系统有单级、多级和复叠式之分,设备比较紧凑,可以制成大、中、小型,以适应不同场合的需要,能达到的制冷温度范围比较宽广,且在普通制冷温度范围内具有较高的性能系数。因此,它广泛用于工农业生产及人民生活的各个领域。本节仅以单级制冷循环为例,对蒸气压缩式制冷进行讨论。 (一)蒸气压缩式制冷系统的理
15、论循环 1制冷系统的组成与制冷剂 (1)制冷系统的组成 蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成,沿逆时针方向构成一个逆循环制冷系统,如图6-5所示。在整个循环过程中,压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气的作用,是整个系统的心脏;膨胀阀或节流阀对制冷剂起节流降压作用,并调节进入蒸发器的制冷剂流量;蒸发器是输出冷量的设备,它的作用是使经节流阀流人的制冷剂液体蒸发成蒸气,以吸收被冷却物体的热量,从而达到制取冷量的目的;冷凝器是输出热量的设备,从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量,在冷凝器中被冷却介质带走。根据热力学第二定律,压缩机所消耗的功(电能)起了补偿作用,使制冷剂不断地
16、从低温物体中吸热,并向高温物体放热,从而完成整个制冷循环。 (2)制冷剂 制冷剂是在制冷装置中进行制冷循环的工作物质,也称为制冷工质。制冷剂的性质直接影响制冷循环的技术经济指标,同时也与制冷装置的特性及运行管理和环保控制有着密切的关系。目前使用的制冷剂可分为四类:无机化合物,如氨、二氧化碳、水等;碳氢化合物,如甲烷、丙烯等;卤代烃(氟利昂),如R12、R22、R134a等;混合工质,包括共沸混合工质(如R502)与非共沸混合工质。 制冷剂不仅应具有优良的热力学、物理化学性能,还应该经济、安全,对人体无害,对环境无污染。目前,在制冷与空调行业中使用最为广泛的氟利昂制冷剂,由于受到臭氧层、温室效应
17、等环境因素的影响,正面临重大变革。一般用ODP和GWP分别表示消耗臭氧潜能值及温室效应潜能值,两者数值越小,则制冷剂的环境特性越好。目前总的趋势是:HCFC(即含氢的氟利昂)类物质已被列人受控对象,限制并进而禁止使用CFCs(即不含氢的氟利昂)。受控物质的范围有所扩大,限制和禁止使用受控物质的实际步伐大大加快。即使对于HFC(即不含氯的氟利昂),如R134a虽然对大气臭氧层无破坏作用(其ODP=0),但其仍会造成温室效应(GWP=0.24-0.29),也不能作为永久的替代物。因此,寻求可以长期使用的理想制冷剂的任务十分艰巨。 (3)载冷剂 载冷剂和制冷剂一样,都是传递热量的物质,它吸收制冷物体
18、或空间的热量,传递给制冷剂。作为载冷剂的条件是:在使用温度范围内不凝固、不汽化;无毒,化学稳定性好,对金属不腐蚀、不燃烧、不爆炸;比热容大,输送一定冷量所需流量小,以减少输送载冷剂的循环泵功率;密度小、粘度小,可减少流动阻力;热导率大,以减少热交换设备的传热面积;价格低廉,易于购买。 常用的载冷剂有空气、水、盐水、有机化合物及其水溶液等。空气作为载冷剂有较多优点,特别是价格低廉和容易获得。但空气的比热容小约1kJ(kgK)、热导率小。空调、冷库的制冷系统常常采用空气直接冷却系统。水作为载冷剂除了具备载冷剂所必须的条件外,还能直接用来加湿空气,调节空气的温度和湿度,又由于水在常压下的凝固温度为0
19、,只能用作制取0以上的载冷剂,故广泛用于普通的制冷空调系统中。 如果要制取低于0的冷量,则可采用盐水溶液为载冷剂。由于盐水溶液对金属有强烈的腐蚀性,而且受使用条件的限制,有些场合采用腐蚀性小的有机化合物或其水溶液为载冷剂,但其成本较高。 2.蒸气压缩式制冷系统的理论循环逆卡诺循环的修改 逆卡诺循环图6-6是理想制冷循环,它的制冷系数被认为是理论的极限值。但是,按逆卡诺循环工作的蒸气制冷系统在实际运行中无法实现。图6-7为修改后的蒸气压缩式制冷的理论循环,它由两个等压过程、一个绝热压缩过程及一个绝热节流过程所组成。与在两相区内的理想制冷循环或逆卡诺循环相比,作了如下两条重要的修改。 (1)用干压
20、缩代替湿压缩 在图6-6所示的湿蒸气区域内的理想循环中,为了实现两个等温过程,压缩机吸人的是湿蒸气,压缩过程为湿压缩,这个过程理论上是完全可行的。但在实际上,液滴不是在压缩时逐渐吸热而蒸发,而是在吸人压缩机时就落在灼热的气缸壁及活塞上,湿蒸气中的液滴迅速汽化,占据气缸容积,使压缩机吸人的制冷剂量减少,制冷量降低,而且液滴进入气缸后很难全部汽化,容易发生压缩液体的“液击”现象,使气缸遭到破坏。因此,压缩机不得不放弃吸人湿蒸气而转为吸人干饱和蒸气或过热蒸气,即转为干压缩。干压缩是蒸气压缩制冷机正常工作的一个重要标志。 采用干压缩后,与逆向卡诺循环相比,制冷系数会有所减小;因为在这种具有干压缩的循环
21、中,蒸气无益地加热到T2(Tk),继而又在等压下冷却,要消耗过多的能量。制冷系数降低的程度称为过热损失。它与制冷剂性质有关,一般地,节流损失大的制冷剂,过热损失比较小。采用干压缩,经济性有所损失,但对于制冷机的安全运行却是必要的。 (2)用节流阀代替膨胀机 在蒸气压缩式制冷的理论循环中,用节流阀代替膨胀机,这样虽然会损失膨胀机的膨胀功,但装置简单。 在制冷剂液体通过节流阀的节流过程中,由于有摩擦损失和涡流损失,而这部分机械损失又转变为热量来加热制冷剂,使一部分制冷剂液体汽化。如图67所示,节流后制冷剂的状态4,比绝热膨胀后的状态4,的干度有所增加,比熵也有所增加。节流过程是一个典型的不可逆过程
22、,使有效制冷量减少。 显然,采用节流阀代替膨胀机,制冷循环的制冷系数有所降低,其降低的程度称为节流损失。节流损失的大小随冷凝温度与蒸发温度之差的增加而加大,其次也与制冷剂的物理性质有关。由温三熵图可见,饱和液体线越平缓,以及制冷剂的比潜热越小,或者冷凝压力越接近其临界压力,节流损失越大。 除上述两点之外,蒸气压缩式理论制冷循环与逆卡诺循环还有一点区别,是在图6-7冷凝器中发生的过程。由于干压缩,使得制冷剂在冷凝器中的放热过程由冷却,和冷凝两过程组成,在中制冷剂与环境介质之间有温差,在中制冷剂与环境介质之间无温差。 3理论循环的性能指标 为了说明蒸气压缩制冷机理论循环的性能,采用下列一些性能指标
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