熱能與動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)

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1、制冷和空調(diào)是相互聯(lián)系又相互獨(dú)立的兩個(gè)領(lǐng)域。制冷是一種冷卻過(guò)程，除用于食品冷凍加工、化工和機(jī)械加工等工業(yè)制冷外，其最主要的應(yīng)用是空調(diào)。空調(diào)中既有冷卻，也包括括供暖、加濕、去濕以及流速、熱輻射和空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)等。本章將以制冷循環(huán)或逆向循為核心，重點(diǎn)闡述制冷與空調(diào)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系和性能評(píng)價(jià)等內(nèi)容。第一節(jié)概述一、制冷的定義與分類制冷是指用人工的方法在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)將物體冷卻，使其溫度降低到環(huán)境溫度以下，保持并利用這個(gè)溫度。按照所獲得的溫度，通常將制冷的溫度范圍劃分為以下幾個(gè)領(lǐng)域：120K以上，普冷；120N0

2、．3K，深冷(又稱低溫)；0．3K以下，極低溫。由于溫度范圍不同，所采用的降溫方式，使用的工質(zhì)、機(jī)器設(shè)備以及依據(jù)的具體原理有很大差別。工程應(yīng)用上有多種人工制冷方法，如適用于普通制冷的蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、蒸氣噴射式制冷，適用于深度制冷(制冷溫度為20~160K)的氣體膨脹制冷、半導(dǎo)體體制冷、磁制冷等?？諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)中所用的人工制冷方法主要是蒸氣壓縮式、吸收式制冷。二、制冷研究的內(nèi)容制冷研究的內(nèi)容可以概括為以下四個(gè)方面：1)研究獲得低于環(huán)境溫度的方法、機(jī)理以及與此對(duì)應(yīng)的循環(huán)，并對(duì)循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)的分析和計(jì)算。2

3、)研究循環(huán)中使用的工質(zhì)的性質(zhì)，從而為制冷機(jī)提供合適的工作介質(zhì)。3)研究氣體的液化和分離技術(shù)。例如液化氧、氮、氫、氦等氣體，將空氣或天然氣液化、分離，均涉及一系列的制冷技術(shù)。4)研究所需的各種機(jī)械和設(shè)備，包括它們的工作原理、性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。三、制冷技術(shù)的應(yīng)用制冷技術(shù)的應(yīng)用幾乎滲透到各個(gè)生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)研究領(lǐng)域，并在改善人類的生活質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大作用。1．商業(yè)及人民生活食品冷凍冷藏和舒適性空氣調(diào)節(jié)是制冷技術(shù)應(yīng)用最為量大、面廣的領(lǐng)域。商業(yè)制冷主要用于各類食品冷加工、冷藏儲(chǔ)存和冷藏運(yùn)輸，使之保質(zhì)保鮮?，F(xiàn)代的食品工業(yè)

4、，從生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)到銷售，有一條完整的“冷鏈”。所使用的制冷裝置有：各種食品冷加工裝置、大型冷庫(kù)、冷藏汽車、冷藏船等，直至家庭用的電冰箱。舒適性空氣調(diào)節(jié)為人們創(chuàng)造適宜的生活和工作環(huán)境。如家庭、辦公室用的局部空調(diào)裝置；大型建筑、車站、機(jī)場(chǎng)、賓館、商廈等使用的集中式。空調(diào)系統(tǒng)；各種交通工具，如轎車、客車、飛機(jī)、火車、船艙等的空調(diào)設(shè)施；體育、游樂(lè)場(chǎng)所除采用制冷提供空氣調(diào)節(jié)外，還用于建造人工冰場(chǎng)，如上海杰美體育中心的室內(nèi)冰場(chǎng)，面積達(dá)1200m2。2，工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)牧業(yè)許多生產(chǎn)場(chǎng)所需要生產(chǎn)用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，例如：紡織廠、精密加工

5、車間、精密計(jì)量室、計(jì)算機(jī)房等的空調(diào)系統(tǒng)，為各生產(chǎn)環(huán)境提供恒溫恒濕條件，以保證產(chǎn)品質(zhì)量或機(jī)床、儀表的精度。機(jī)械制造中，對(duì)鋼進(jìn)行低溫處理，可以改變其金相組織，使奧氏體變成馬氏體，提高鋼的硬度和強(qiáng)度。化學(xué)工業(yè)中，借助于制冷，使氣體液化、混合氣分離，帶走化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)熱。在鋼鐵工業(yè)中，高爐鼓風(fēng)需要用制冷的方法先除濕，再送人高爐，以降低焦鐵比，提高鐵水質(zhì)量。在農(nóng)牧業(yè)中，如利用低溫對(duì)農(nóng)作物種子進(jìn)行低溫處理。在交通運(yùn)輸業(yè)中，如采用液化天然氣的汽車，使能量密度增大。在建筑工程中，如拌合混凝土?xí)r，用冰代替水，借冰的熔化熱補(bǔ)償水

6、泥的固化反應(yīng)熱，可以有效地避免大型構(gòu)件因散熱不充分而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂縫等缺陷。3．科學(xué)研究科學(xué)研究往往需要人工的低溫環(huán)境。例如：為了研究高寒條件下使用的發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車、坦克、大炮的性能，需要先在相應(yīng)的環(huán)境條件下作模擬試驗(yàn)；氣象科學(xué)中，云霧室需要(-45~30)℃的溫度條件，用于人工氣候?qū)嶒?yàn)。4．醫(yī)療衛(wèi)生現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已離不開制冷技術(shù)。①冷凍醫(yī)療如：腫瘤、眼球移植、心臟大血管瓣膜凍存和移植等手術(shù)時(shí)采用的低溫麻醉。②細(xì)胞組織、疫苗、藥品的冷保存。③用真空冷凍干燥法制作血干、皮干等等。5．空間技術(shù)火箭推進(jìn)器所需的液氧和液氫須在

7、低溫下制取，配合人造衛(wèi)星發(fā)射和使用的紅外技術(shù)也離不開低溫環(huán)境，紅外探測(cè)器只有在低溫條件下，才能獲得優(yōu)良的探測(cè)結(jié)果，在航天器的地面模擬實(shí)驗(yàn)中，用液氮、液氦組成的低溫泵使冷凝密閉容器內(nèi)的氣體達(dá)到高真空等。6．低溫物理研究低溫技術(shù)提供的低溫獲得和低溫保存的方法，為低溫物理學(xué)的研究創(chuàng)造了條件，使低溫聲學(xué)、低溫光學(xué)、低溫電子學(xué)等一系列學(xué)科得到發(fā)展。超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展也與制冷技術(shù)的發(fā)展分不開。第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷原理制冷循環(huán)可以分為可逆循環(huán)和不可逆循環(huán)兩種。研究理想制冷循環(huán)或逆向可逆循環(huán)的目的有兩個(gè)，其一是要尋

8、找熱力學(xué)上最完善的制冷循環(huán)，作為評(píng)價(jià)其他循環(huán)效率高低的標(biāo)準(zhǔn)；其二是根據(jù)理想制冷循環(huán)，可以從理論上指出提高制冷裝置經(jīng)濟(jì)性的重要方向。圖6-1a、b分別為制冷循環(huán)(或制冷機(jī))的熱力學(xué)原理圖和以氣體為工質(zhì)的逆卡諾循環(huán)的T-S圖。由熱力學(xué)第一定律可知，從低溫?zé)嵩传@取的熱量(即制冷量Q0)和輸入功W(或輸入熱量Q)之和應(yīng)等于向高溫?zé)嵩吹姆艧崃?即冷凝放熱量Qk)，即Qk=Q0+W。為了分析比較在