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时间:2020-10-05
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1、蒸气压缩式制冷循环1本章介绍单、双级蒸气制冷循环的特性及热力计算方法。着重分析理论循环,并讨论理论循环和实际循环的差别,此外还介绍了复叠式制冷循环的组成及其应用。2第一节逆向卡诺循环——制冷机的理想循环正向循环、逆向循环动力循环,即将热量转化成机械功的循环是正循环。在温—熵图或压—焓图上,循环的各个过程都是依此按顺时针方向变化的。逆向循环是一种消耗功的循环。在温—熵图或压—焓图上,循环的各个过程都是依此按逆时针方向变化的。可逆循环、不可逆循环内部不可逆:制冷剂在流动或状态变化的过程中因摩擦、扰动及内部不平衡而引起的损
2、失;外部不可逆:在蒸发器、冷凝器等热交换器中有温差的传热损失3一、逆向卡诺循环由热力学第二定律得:①单热源的热机是不存在的,即利用一个热源是无法完成循环过程的;②热量不可能自发地、不付代价地、从一个低温物体传到另一个高温物体,如果要实现这样一个反向的过程,就必须要有一个消耗能量的补偿过程。4制冷机——实现制冷所必需的机器和设备低温热源——被冷却物体制冷剂——制冷机使用的工作介质制冷循环——制冷剂在制冷系统中所经历的一系列热力过程5在一定的热源温度下,需要怎样来组织制冷机的工作循环,使获得单位冷量所消耗的能量为最小,这
3、是制冷技术中一个很重要的问题。6研究逆向可逆循环的目的是为了寻找热力学上最完善的制冷循环,作为评价实际循环效率高低的标准。设被冷却物体的温度为T’0,周围介质的温度为T’,在这个温度范围内,制冷机从被冷却物体中取出热量q0,并将它传递给周围介质,为了完成这一循环所消耗的机械功为w,这部分功转变成热量后和取出的热量q0一起传递给周围介质。因此,根据力学第一定律,可写出制冷机的热平衡式:式中q、q0和——传递、取出的单位热量和消耗的单位机械功(kJ/kg)。(1—1)7逆向卡诺循环是理想的制冷循环,现将逆向卡诺循环表示在
4、T—S图上,如图1—1所示。它由二个可逆的等温过程和二个绝热等熵过程所组成的。图1—1逆向卡诺循环8式中为逆向卡诺循环所消耗的机械功,它等于压缩时所消耗的功减去膨胀时所作的功,即=k—p。因为按逆向卡诺循环工作的制冷机,它所消耗的功为最小功,由式(1—2)可得:(1—3)(1—2)根据热力系统,可逆变化过程中熵的变量等于零这一热力学原理,可以写出逆向卡诺循环的熵变公式:9二、有温差的制冷循环在上面所讨论的逆向卡诺循环,是假定制冷剂与热源之间的热交换在无限小的温差下进行的,因此就需要热交换器的传热面积无限大,这在实际情
5、况下是不现实的。而制冷剂与周围介质,制冷剂与被冷却物体之间总是存在着一定的温差,即有温差的制冷循环如图1—2所示。10很明显,由于温差ΔT与ΔT0的存在,制冷循环的温度范围将比图1—1中的温度范围扩大,即(T—T0)>(T’—T’0)。从式1—3中可看出,在获得相同的冷量q0时,有温差的制冷循环将要多消耗功。在图1—2中,l-2-3-4为没有温差的逆向卡诺循环。a-b-c-d为有温差的制冷循环,二者具有相同的制冷量q0(即面积4-1-f-e-4=面积d-a-g-e-d)。图1—2有温差的制冷循环T——循环中制冷剂的上
6、限温度,K;T’——周围介质的温度,K;T’0——被冷却物体的温度,K;T0——循环中制冷剂的下限温度,K。ΔT=T-T’ΔT0=T’0-T011(1—4)在可逆情况下,制冷系统熵的变化为:(1—5)在不可逆情况下,制冷系统熵的变化为:(1—6)由式(1—5)可得:,代入式(2—6)可得:(1—7)比较式(1—4)和式(1—7)可得:(1—8)在逆向循环中,由于不可逆过程而多消耗的功,等于周围介质的绝对温度和系统中熵的增量的乘积12三、制冷系数在制冷循环中,制冷剂从被冷却物体中所制取的冷量q0与所消耗的机械功之比值称
7、为制冷系数,用代号ε表示:制冷系数是衡量制冷循环经济性的一个重要技术指标。国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP(CoefficientofPerformance)。在给定的温度条件下,制冷系数越大,则循环的经济性越高。(1—9)13如果在制冷机内实现的是可逆的循环,则制冷系数又可写成:(1—10)从式(1—10)中可以看出:按照逆向卡诺循环工作的制冷机,其制冷系数与制冷剂的性质无关,而只是工作温度T’和T’0的函数,即周围介质的温度T’越高。被冷却物体的温度T’0越低,则循环的制冷系数越小。这里还应说明,T
8、’0变化1度对ε的影响比T’变化1度的影响要大。14在理论上分析比较制冷循环经济性好坏时,仅将逆向卡诺循环作为比较的最高标准。通常是将工作于相同温度范围的制冷循环的制冷系数ε与逆向卡诺循环的制冷系数ε’c之比,称为这个制冷循环的热力完善度,亦称制冷效率,用代号η表示:(1—11)式中——表示相同热源温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数。热力完善度
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