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1、北京制冷学会 2013年 初级继续教育培训 专业基础知识 郭航 教授 北京工业大学 环境与能源工程学院 制冷与低温工程系 http:/ E-mail: Tel.: 67391612-8311 主要内容 热工学 基本概念；热力学第一定律；热力学第二定律；水蒸气和湿空气；气体和蒸气的流动；制冷空调基础；等。 工程流体力学及泵与风机 流体动力学；流动阻力和能量损失；管道计算；特定流动分析；泵和风机与网络系统的匹配；等。 热工测试技术 测量技术基本知识；温度测量；压力测量；流速测量；流量测量；热流测量；等。 热工学 基本概念 热力学系统 ：在热力学中，把某种边界所包围的特定物质或空间称为热力学系统，
2、简称热力系或系统。 与外界没有任何物质交换的热力系称为 闭口系 。 与外界有物质交换的热力系称为 开口系 。 与外界没有热量交换的热力系称为 绝热系 。 与外界没有任何能量和物质交换的热力系称为孤立系 。 系统内各处性质均匀一致的热力系称为 均匀系 。 热工学 基本概念 热力状态 ：热力系某一瞬间的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。 热力状态反映着工质大量分子热运动的平均特性。 在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不随时间改变的状态称为 平衡状态 。 系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平衡势是实现 热力学平衡 的充分必要条件。 热工学 基本概念 状态参数 ：描写系统宏观状态的物理量
3、称为状态参数。 内参数 ：与外界参考系无关，完全取决于系统本身的物理状况。如：压力、温度、内能等。 外参数 ：由外部参考系决定的状态参数。如：系统的高度、运动速度等。 强度量 ：与物质质量无关，如压力、温度等。 尺度量 ：与物质质量成比例，如内能、体积等。 热力学第零定律 ：若两个热力系分别与第三个热力系热平衡时，那么，这两个热力系彼此也处于热平衡。 热工学 基本概念 功 ：在力的推动下，通过有序运动的方式传递的能量。 热量 ：在温差的推动下，通过微观无序运动的方式传递的能量。 功和热量都是能量传递的量度，只在传递过程中才有意义。是迁移能。 热力过程 ：热力系的宏观状态随时间发生变化，就是系统
4、经历了热力学过程，简称热力过程或过程。 准静态过程 ：系统状态变化的每一步，系统都处于平衡状态的过程。 热工学 基本概念 可逆过程 ：一个系统从某一状态出发，经过任意过程 A到达另一状态，若存在着另一过程，他能使系统和外界均复原，则过程 A被称为可逆过程。 如果能量转换过程中存在着耗散效应，使有序能转变成了无序能，则过程必是不可逆过程。 有限势差推动的过程也是不可逆过程。 可逆循环 ：全部由可逆过程组成的循环。 不可逆循环 ：含有不可逆过程的循环。 正循环。逆循环。 热工学 热力学第一定律 表述 ：自然界的能量有各种各样的表现形式。能量既不会被创生，也不会被消灭。能量只能从一个系统传递到另一个
5、系统，或从一种形式转变为另一种形式。而能量的总量是保持不变的。对于热力系统而言，加给系统的热量等于系统总能量的增加与对外作功之和。 Q=DE+W 总能量 ：是内能、宏观动能和宏观势能的总和。 实质 ：热力学第一定律是能量守恒和转换定律在具有热现象的能量转换中的应用。 热工学 热力学第一定律 内能 ：是下列各能量的总和。 分子热运动形成的内动能； 分子间的相互作用力形成的内势能； 维持一定的分子结构的化学能、原子核内部的原子能以及在电磁场作用下的电磁能量。 焓 ：状态参数之一，可理解为流动工质所携带的能量。 H=U+pV 比焓 ： h=u+pv 热工学 理想气体 理想气体 ：分子都是弹性的不占体
6、积的质点，分子相互之间没有作用力。 理想气体状态方程 ： pV=nRmT 其中：通用气体常数 Rm 8.3143 J/(molK) 比热 ：在准静态过程中单位物量的物体温度升高 1K所需的热量。 c=dq/dT 定压比热大于定容比热。 气体比热与温度、压力有关。理想气体的比热仅是温度的函数。 热工学 理想气体 在理想气体的状态变化过程中，内能和焓的变化只取决于初、终态的温度，而与其他的状态参数和过程本身都无关。 当取定比热时，理想气体的任意过程的内能和焓的变化分别为： Du=cvDT Dh=cpDT 理想气体的熵也是状态参数。 热工学 理想气体混合物 温度 ：处于平衡态的理想气体均匀混合物的温
7、度与混合物中各组元的温度相等。 压力 ：道尔顿分压定律：彼此不起化学作用的不同气体，若共置于同一容器中，混合物的总压力等于各组元的分压力之和。该定律只适用于理想气体。 组元的分压力也就是组元在混合物的温度下单独占据混合物容积时所呈现出的压力。 容积 ：组元的分容积是指组元气体处于混合物温度与压力下所占据的容积。 理想气体混合物的总容积等于各组元气体的分容积之和。该定律只适用于理想气体。 热工学 热力学第二定律 表述 ：克劳修斯表述和开尔文表述最为常见。 克劳修斯表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。 开尔文表述：不可能从单一热源吸热使之完全转换为功而不引起其他变化。 实质 ：
8、有无序能参与的热力过程是有方向性的。 热力学第二定律的各种表述间是相互等效的 热工学 卡诺循环 单热源热机已经被热力学第二定律的开尔文表述所否定，最简单的热机至少要两个热源。 卡诺循环 ：由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的循环。 采用理想气体为工质的卡诺循环的热效率： hc=1-TL/TH 热工学 卡诺定理 根据热力学第二定律的开尔文表述，自然会提出以下问题：热源放出的热量究竟有多少能够转化为功？卡诺定理从理论上解决了这一问题。 卡诺定理 ：在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的可逆热机有相同的热效率，该热效率与工质无关，且恒高于不可逆热机的热效率。 由于 TL 0K以及 TH 都不
9、可能，因此热机热效率小于 1。卡诺定理指出了热机效率的极限。 提高热机效率的根本途径在于提高高温热源温度、降低低温热源温度、以及尽可能减少不可逆损失。 热工学 逆卡诺循环和性能系数 逆卡诺循环 ：由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。 卡诺制冷循环的性能系数（即其制冷系数）： COPc ec=TL/(TH-TL) 卡诺热泵循环的性能系数（即其热泵系数）： COPc ec=TH/(TH-TL)=1+TL/(TH-TL)=1+ec 热工学 熵 定义 ： dS=dQre/T ; ds=dqre/T 熵也是状态参数。熵变化就是系统非作功能变化的量度。 熵增原理 ：在孤立系统中，熵只能增加，不会减少
10、，极限情况（可逆过程）时保持不变。 任何不可逆因素都将引起有效能退化为非作功能，由此引起的熵增称为 熵产 。 纯粹由于非作功能迁移而引起的熵变化称为 熵流 。 热工学 传热 热量传递的三种主要形式：传导、对流、辐射。 傅立叶定律是导热的基本定律，它表明热流的大小与温度梯度大小成正比，热流方向与温度梯度相反。 管内对流换热的流态及其判据 。 热工学 传热 Q KFDT 讨论 ： 换热器传热 。 换热器内冷、热两种流体的流向配置。 换热器的强化传热。 热工学 水和水蒸气 临界点 ： Tc=647.14K, pc=22.1MPa 三相点 ： TTP=273.16K, pTP=0.6112kPa 冰点
11、 ： TI=273.15K, pI=0.1013MPa 干度 ：湿蒸气中饱和蒸气的质量分数。 0x1 热工学 湿空气 湿空气的组成 ： 自然界的空气是由多种气体和水蒸气组成的混合物，通常称为湿空气。从湿空气中除去水蒸气，剩下的混合气体称为干空气。干空气由氮（ N2， 78.09%）、氧（ O2， 20.95%）、二氧化碳（ CO2， 0.03%） ,以及氖（ Ne）、氦（ He）、氩（ Ar）等其它一些稀有气体（ 0.93%）所组成。 热工学 湿空气 标准大气压 ： p0=0.101325MPa 当地大气压：天津约 0.100MPa，拉萨约 0.065MPa。 绝对压力 ：当地大气压 +表压力
12、 水蒸气分压力 ：湿空气中，水蒸气单独占有湿空气的容积，并具有与湿空气相同的温度时所产生的压力。 饱和空气 ：在一定温度下，湿空气中的水蒸气含量达到最大限度时，则称湿空气处于饱和状态。此时相应的水蒸气分压力称为饱和水蒸气分压力。 温标 ： T(K)=t(oC)-273.15 t(oC)=5(t(oF)-32)/9 热工学 湿空气 绝对湿度 ：单位容积湿空气中含有水蒸气的质量。 含湿量 ：湿空气中，与 1kg干空气同时并存的水蒸气量（在湿空气中，每千克干空气所含有的水蒸气量）。 饱和含湿量 ：在一定温度下，饱和空气的含湿量。 相对湿度 ：湿空气中水蒸气分压力和同温度下饱和水蒸气分压力之比 热湿比
13、 ：湿空气状态变化前后的比焓差与含湿量差之比。 焓湿图 ：我国普遍采用的以比焓为纵坐标，以含湿量为横坐标的湿空气线算图。主要用于确定湿空气状态参数以及湿空气状态的变化过程，是求解多股湿空气的混合状态以及确定空调系统的送风状态的重要工具。 热工学 焓湿图 热工学 制冷基础 基本概念 制冷 ：用人工的方法在一定的时间和空间内将物体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。 普冷 ：制取的温度在 120K以上的制冷 低温 （深冷）：制取的温度在 120K以下的制冷 性能系数 ：收益能于补偿能数值之比。 COP(coefficient of performance) 氟利昂 ：饱和碳氢化合物的氟
14、、氯、溴的衍生物。 (Freon) 氯氟烃 ： chlorofluorocarbon (CFC) 氢氯氟烃 ： hydrochlorofluorocarbon (HCFC) 氢氟烃 / 含氢氟代烃 ： hydrofluorocarbon (HFC) 热工学 制冷基础 制冷方法 液体气化制冷 蒸气压缩式制冷；蒸气吸收式制冷 蒸气喷射式制冷；吸附式制冷 气体涡流制冷 涡流管制冷 热电制冷 气体膨胀制冷 绝热节流制冷；斯特林制冷机 绝热放气制冷 脉管制冷； G-M制冷； SV制冷 磁制冷、声制冷、化学制冷 热工学 制冷基础 制冷方法 热工学 制冷基础 制冷方法 热工学 制冷基础 制冷方法 热工学 制
15、冷基础 制冷方法 热工学 制冷基础 制冷方法 热工学 制冷基础 制冷方法 热工学 制冷基础 制冷方法 热工学 制冷基础 单级蒸气压缩制冷循环 h p 1 2 3 4 5 Pk P0 冷凝器 蒸发器 1 2 4 5 节流装置 压缩机 冷凝压力 Pk由冷凝温度决定 为了制取更低的温度必然要求降低蒸发温度 冷凝温度受冷却介质（环境）温度的限制，变化范围有限 蒸发温度的降低导致蒸发压力 P0下降 热工学 制冷基础 制冷循环 蒸发温度过低将导致压力比 Pk/ P0过高 压缩机容积系数降低，甚至为零。此时压缩机虽然连续运转但不吸气，必然导致制冷机停止制冷。 压力比增加导致单位制冷量 下降，消耗的单位比功增加，制冷系数变小，经济性能下降。 压缩机排气温度过高，将影响制冷剂的化学稳定性及润滑油的粘度
