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1、第一章 绪论1-1 制冷慨述一、何谓制冷冷和热是同一范畴的两个物理概念，都是物质分子运动平均动能的标志。日常生活中常说的“热”或“冷”是指温度高低的相对概念，是人体对温度高低感觉的反应。在制冷技术中所说的冷，是指某空间内物体的温度低于周围环境介质（如水或空气）温度而言。因此“制冷”就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并连续维持这样一个温度的过程。二、何谓人工制冷 我们都知道，热量传递终是从高温物体传向低温物体，直至二者温度相等。热量决不可能自发地从低温物体传向高温物体，这是自然界的客观规律。然而，现代人类的生活与生产经常需要某个物体或空间的温度低于环境温度，甚至低得很多。例如，储
2、藏食品需要把食品冷却到左右或-15左右，甚至更低；合金钢在-70-90低温下处理后可以提高硬度和强度。而这种低温要求天然冷却是达不到的，要实现这一要求必须有另外的补偿过程（如消耗一定的功作为补偿过程）进行制冷。这种借助于一种专门装置，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体或空间转移到温度较高的周围环境中去，得到人们所需要的各种低温，称谓人工制冷。而这种装置就称谓制冷装置或制冷机。三、实现制冷的途径制冷的方法很多，可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目前人工制冷的方法主要有相变制冷、气体绝热膨胀制冷和半导体制冷三种。、相变制冷 即利用物质相变的吸热效应实现制冷。如冰融化时
3、要吸取80 kcal/kg的熔解热；氨在标准大气压下气化时要吸取327kcal/kg的气化潜热；干冰在标准大气压下升华要吸取137kcal/kg的热量，其升华温度为-78.9。目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗上。、气体绝热膨胀制冷 利用气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，对外输出膨胀功，同时温度降低，达到制冷的目的。、半导体制冷 珀尔帖效应告诉我们：两种不同金属组成的闭合电路中接上一个直流电源时，则一个接合点变冷，另一个接合点变热。但是纯金属的珀尔帖效应很弱，且热量通过导线对冷热端有相互干扰，而用两种半导体（型和型）组成的直流闭合电路，则有明显的珀尔帖效应且冷热端无相互干扰。因此，半导体制冷就
4、是利用半导体的温差电效应实现制冷地。目前温差电制冷只用在小型制冷器中，如电子计算机恒温冷却、精密测量仪器的冷源及精密机床的油箱冷却器等等，都是温差电制冷。利用物理现象制冷的方法还有很多，我们不一一介绍。目前生产实际中广泛应用的制冷方法是：利用液体的气化实现制冷，这种制冷常称为蒸气制冷。它的类型有：蒸汽压缩式制冷（消耗机械能）、吸收式制冷（消耗热能）和蒸汽喷射式制冷（消耗热能）三种。四、制冷体系的划分 制冷服务对象不同，要求的制冷温度也不同。在工业生产和科学研究上，人们通常根据制冷温度的不同把人工制冷分为“普冷”和“深冷”两个体系。一般把制取温度高于-120的称为“普冷”、低于-120的称为“深
5、冷”。其中深冷又可分为深度制冷、低温制冷与超低温制冷。由于低温范围的不同，制冷系统的组成也不同，因此，根据食品制冷要求，本课程我们只介绍普通制冷温度范围内的蒸气压缩制冷。1-2 制冷的发展简史及应用一、我国制冷的发展简史人类最早的制冷方法是利用自然界存在的冷物质-冰、深井水等。我国早在周朝就有了用冰的历史。到了秦汉，冰的使用就更进了一步，据艺文志记载：大秦国有五宫殿，以水晶为柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇夏开发。”这实质是我国最早的空调房间。到了唐朝已生产冰镇饮料并已有了冰商。冰酪、奶冰也发源于中国，是冰淇淋的雏形，在元朝时由意大利著名旅行家马可波罗带到了欧洲。人工制冷至今在世界上才有100多年
6、的历史。旧中国制冷工业基本上是空白，解放前上海只有几家很小的“冰箱厂”且只搞维修业务，全国冷库也仅有几座。解放后，制冷工业得到飞速发展，特别是八十年代通过引进国外先进技术，使我国的制冷、空调产品打入了国际市场。二、制冷技术的应用随着制冷工业的发展，制冷技术的应用也日益广泛，现已渗透到人们生活和生产活动的各个领域，从日常的衣、食、住、行，到尖端科学技术都离不开制冷技术。、空调工程空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。光学仪器仪表、精密计量量具、纺织等生产车间及计算机房等，都要求对环境的温度、湿度、洁净度进行不同程度的控制；体育馆、大会堂、宾馆等公共建筑和小汽车、飞机、大型客车等交通工具也都需有舒
7、适的空调系统。、食品工程易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输到销售的全部流通过程中，都必须保持稳定的低温环境，才能延长和提高食品的质量、经济寿命与价值。这就需有各种制冷设施，如冷加工设备、冷冻冷藏库、冷藏运输车或船、冷藏售货柜台等。、机械与电子工业精密机床油压系统利用制冷来控制油温，可稳定油膜刚度，使机床能正常工作。对钢进行低温处理可改善钢的性能，提高钢的硬度和强度，延长工件的使用寿命。多路通讯、雷达、卫星地面站等电子设备也都需要在低温下工作。、医疗卫生事业血浆、疫苗及某些特殊药品需要低温保存。低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温等也需制冷技术。、国防工业和现代科学在高寒地区使用的发动机、
8、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能需要作环境模拟试验，火箭、航天器也需要在模拟高空条件下进行试验，这些都需要人工制冷技术。人工降雨也需要制冷。、家用冰箱及空调等日常生活方面也是制冷技术的应用。7、水利工程水利工程中大坝浇注的混凝土降温，有一次风冷、二次风冷、片冰生产等。8、煤矿矿井施工及地铁施工煤矿矿井施工及地铁施工采用冻结法施工工艺。总之，制冷技术的应用是很广泛的，随着国民经济的发展，科学技术的进步，人民生活水平的不断提高，制冷技术的发展与应用将会走向新的领域。第二章 制冷技术的热力学基础2-1 制冷工质的热力状态参数在制冷循环中，工质不断地进行着热力状态变化。描述工质所处热力状态的物理量称为
9、工质的热力状态参数，简称状态参数。一定的状态，其状态参数有确定的数值。工质状态变化时，初、终状态参数之间的差值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的过程无关。制冷技术中常见的状态参数有：温度、压力、比容、内能、焓与熵等。这些参数对于进行制冷循环的分析和热力计算，都是非常重要的。一、温度 温度是描述热力系统冷热状态的物理量，是标志物体冷热程度的参数。物体的温度可采用测温仪表来测定。为了使温度的测量准确一致，就要有一个衡量温度的标尺，简称温标，工程上常用的温标有：1、摄氏温标 又叫国际百度温标，常用符号t表示，单位为。2、绝对温标 常用符号T表示，单位为开尔文（代号为K）。绝对温标与摄氏温标仅是起点
10、不同而已（t=0时，T=273.16K），它们每度的温度间隔确是一致的。在工程上其关系可表示为： T=273+t（K）二、压力 压力是单位面积上所承受的垂直作用力，常用符号P表示。压力可用压力表来测定。在国际单位制中，压力单位为帕斯卡（Pa），实际应用时也可用兆帕斯卡（MPa）或巴（bar）表示,1MPa=106Pa而1bar=105 Pa。压力的标记有绝对压力、表压力和真空度三种情况。绝对压力是指容器中气体的实际压力，用符号P表示；表压力（PB）是指压力表（或真空表）所指示的压力；而当气体的绝对压力比大气压力（B）还低时，容器内的绝对压力比大气压力低的数值，称为真空度（PK）。三者之间的关系
11、是： P=PB+B 或 P=B-PK 作为工质的状态参数应该是绝对压力，而不是表压力或真空度。 三、比容 比容是指单位质量工质所占有的容积，用符号表示。比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。比容的倒数为工质的密度，即单位容积工质所具有的质量，用符号表示。比容和密度之间互为倒数关系。 四、内能 内能是工质内部所具有的分子动能和分子位能的总和，用符号表示。分子动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动能和分子内部振动能三项，其大小与气体的温度有关。而分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与工质的比容有关。既然气体的内动能决定于气体的温度、内位能决定于气体的比容，所以气体的内能是其温度和比容的函数
12、。也就是说内能是一个状态参数。五、焓 焓是一个复合的热力状态参数，表征系统中所有的总能量，它是内能与压力之和。对kg工质而言，可表示为： P （kJ/kg）或（kcal/kg）式中 焓或称比焓（kJ/kg或kcal/kg） 比容（m3/kg） 内能（kJ/kg或kcal/kg） P 绝对压力（N/m2或wqp1wqp2Pa） 在工程单位制中，压力单位常用工程气压、物理大气压和毫米水柱等单位。 由于内能和压力位能都是温度的参数，所以焓也是状态参数。确切地说，焓是一定质量的流体，从某一初始状态变为任一热力状态所加入的总热量。六、熵 熵是一个导出的热力状态参数，熵的中文意义是热量被温度除所得的商，熵
13、的外文原名意义是“转变”，指热量可以转变为功的程度，它表征工质状态变化时，与外界热交换的程度。熵是通过其他可以直接测量的数量间接计算出来的。2-2 热力学第二定律与理想制冷循环一、热力学第二定律在热量传递和热、功转换时，热力学第一定律只能说明它们之间的数量关系，的确不能揭示热功转换的条件和方向性。对于能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度则是由热力学第二定律来揭示的，它指出：“热量能自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体”。这正像石头或水不可能自发的从低处向高处运动一样。但这并不是说石头和水在任何条件下都不可能由低处移向高处，只要外界给它们足够大的作用力，在这个力的
14、作用下石头或水就能由低处移向高处，这个外界作用力称为补偿。同样，不能把热力学第二定律的说法理解为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体”。而是只要有一个补偿过程，热量就能自低温物体传到高温物体。制冷装置就是以消耗一定的外间功作为补偿过程而实现人工制冷的。二、循环与理想制冷循环 1、正循环及热效率 膨胀-压缩循环按顺时针方向进行的，称为正循环。在P图上，正循环的膨胀线123位于压缩线341之上。正循环的单位质量净功w0 为正值，若设高温热源加给工质的热量为q1，工质放给低温热源的热量为q2，则： (一)循环 热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了持续不断地将热转换为功,工程上是通过热机来实现的。
15、但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。为了能重复地进行膨胀，工质在每次膨胀之后必须进行压缩，以便使其回到初态。我们把工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循环”。循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。如下图所示： 评价正循环的好坏，通常用循环热效率t来衡量，循环热效率是指工质在整个热力循环中，对外界所作的净功w0 与循环中外界所加给工质的热量q1的比值。即：q1q2q1=q1w0t=q1-q2=1- 2.逆循环及性能系数 膨胀-压缩循环按逆时针方向进行的，称为逆循环。如图2-1所示。逆循环的压缩线321位于膨胀线143 之上。其循环的净功为负值。若用q1表示工质向高温热源放出的热量，用q2表示工质从低温热源吸收的热量，则有：w0=q
