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《冷热源工程》（冷源部份）§0绪论一、能源与冷热源工程⒈能源的形式按能源的形态可分为太阳能、电能、化学能、热能、核能、水力能、海洋能、生物能等。通常把以原始状态存在于自然界中的能源叫做一次能源(或初级能源)，如煤炭、石油、天然气、水力等；把一次能源经过各种方式加工转换后得到的能源叫二次能源，如电能、蒸汽、热水等。地球上能源的来源有两种：太阳能和核能。太阳能也是太阳热核反应产生的辐射能。地球上的一次能源（如煤炭、石油、天然气、水力等）归根到底是太阳能在地球上的一种存在形式。⒉能源的重要性人类社会的存在依赖于对能源的消耗。人类具有较强适应能力，也是由于掌握了能源应用方法。因此，能源短缺必然会严重影响社会发展。⒊现有能源的有限性工业革命以来，过份依赖对化石能源的消耗，目前约占能源消耗总量的85％。据估计，现在全世界一年所消耗的矿物燃料相当于地球史前200万年的储存量，如此下去，估计30～40年内矿物燃料即将枯竭，这就是所谓的“现有能源的有限性”。⒋重视能源的可持续性其实，能源是无限的，只不过是我们应用能源的形式有问题，如果我们减少对化石能源的依赖，增加对太阳能和核能的应用，我们就能解决“现有能源的有限性”问题。这就是所谓的“能源的可持续性”。目前世界各国都在大力研究开发利用太阳能、核聚变能、生物质能、水力能、风能、地热能等。但由于技术、经济及自然资源条件等的限制，在短期内还不能取代化石能源的主导地位，因此“能源的可持续性”理论又提出，要大力提倡节约能源，以此延缓化石能源的消耗，为新能源的开发利用提供充足的时间和条件。⒌冷热源设备的能耗为采暖空调提供冷热介质的冷热源设备能耗十分巨大，欧美发达国家约占总能耗的30％～50％，我国约占20％～35％。因此，冷热源设备的节能具有十分重大的意义。二、冷热源与生态环境⒈臭氧(O3)层破坏80％臭氧集中在离地面25-30km的平流层内，俗称“臭氧层”。它对波长为280-315nm的太阳辐射B种紫外线(UV-B)有很强的吸收能力。从而保护了地球生物圈。UV-B会严重损伤和干扰地球生物圈。据美国环保局的调研结果显示，O3层的O3浓度每减少1％，地面UV-B增加1.3％～1.8％，皮肤癌患者上升2％；死于皮肤癌人数增加0.2％～0.3％。另外，UV-B还会导致白内障患者增加；海洋鱼类减少；粮食作物减产；空气污染加剧等。导致O3浓度减少的主要原因人类的工业活动。其中，含氯的制冷剂气体在高空强紫外线照射下，释放出O3分解催化剂—氯原子，产生如下化学反应：CCl2F2(R12)→CClF2＋ClCl+O3→ClO+O2ClO+O3→Cl+2O2一个氯原子的催化活性可分解十万个O3分子，有强烈破坏作用。2.气候变暖和酸雨蔓延人类大量使用矿石燃料，水蒸气、CO2、SO2、NO2大量聚积于空气中，会吸收地球向外辐射的某些长波辐射热，使气候变暖；同时，CO2、SO2、NO2等酸性物质，溶解于雨水，成为酸雨，大片森林死亡，生态环境破坏，CO2吸收能力减弱，气候进一步变暖。气候变暖使两极冰雪消融，海平面上升，淡水资源减少，将给人类社会带来灾难性的影响。因此，改变能源结构，用太阳能、核能代替化石能，并提高能源的利用率，是解决能源与环境问题的根本途径，也是人类社会发展必须解决的根本问题。三、能源的品位与利用所谓“品位”是指能源的质量，转变为功的转换率高的能量为高品位的能源，如：电能、机械能、高温热能；转变为功的转换率低的能量为低品位的能源，如：低温热能、物质内能。一般，高品位能源能做低品位能源所作的功，反之，低品位能源则不能。如：电能可直接开动电脑工作，但热能则不能直接用于电脑，而电能则能做热能可作的工作。所以，所谓“提高能源利用率”就是不要用高品位能源去做可用低品位能源的工作，即用适当品位的能源作适当的工作。这样，就能有效地利用能源。第一篇冷源及冷源设备§1制冷的基本知识§1.1概述一、制冷的概念：制冷—使某物体或空间达到并维持低于周围环境温度的过程。根据热力学第二定律（克劳修斯说法）：“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。”制冷过程必然要消耗能量。二、制冷的方法及分类：三、蒸气压缩式制冷装置的基本形式液体气化制冷产生的蒸气，经压缩、冷凝后，再次成为液体，经节流降压，回到蒸发器中再次气化制冷，形成一种制冷的循环，这就是工程中最常用的蒸气压缩式制冷循环。右图是完成上述循环所用的蒸气压缩式制冷装置的基本形式。另外，还有很多利用物理现象的制冷方法，这里就不讲了。工程中，按制冷达到的温度把制冷的技术分为四类：（1）普通制冷：环境温度～-100℃；（2）深冷：-100℃～-200℃；（3）低温：-200℃～-268.95℃；（4）极低温：＜-268.95℃（4.2K）。制冷技术的应用十分广泛。本专业主要用于空调工程、冷库的冷源，最常用的是蒸气压缩式制冷循环。从图中可以看出，蒸气压缩式装置能够制冷的基本条件：1、必须由四个基本部件组成，依次完成四个热力过程；即：蒸发器—蒸发过程—作用：让低压液体气化吸热制冷；压缩机—压缩过程—作用：给蒸气加压升温，并使其流动；冷凝器—冷凝过程—作用：让高温高压的蒸气放热冷凝液化；膨胀阀—节流过程—作用：使高压液体节流降压。2、在装置中必须有能发生相变的制冷剂；3、必须给制冷装置的压缩机输入能量。所以，满足上述条件，不断向制冷装置输入能量，推动其中的制冷剂依次进行蒸发、压缩、冷凝、节流制冷循环过程，就能够把某物体或空间的热量源源不断地送到高温环境中去，使某物体或空间的温度低于周围环境。为了进一步研究蒸气压缩式制冷循环的规律和性能，我们首先应该了解一下理想制冷循环—逆卡诺循环。§1.2理想制冷循环—逆卡诺循环一、逆卡诺循环的前提条件及定义卡诺循环分为正卡诺循环和逆卡诺循环，均由两个定温过程和两个绝热过程组成。它们都是理想的循环，组成循环的各热力过程，与外界既无传热温差，其内部又无摩擦阻力。我们定义：由等温吸热、绝热压缩、等温放热、绝热膨胀四过程依次进行而组成的循环，称为逆卡诺循环。由上述可以得出，逆卡诺循环运行所需的条件：（1）传热过程无温差，制冷剂与热源温度相等；（2）绝热过程无漏热；（3）循环系统无任何摩擦阻力和能量损失；（4）制冷剂能在等温条件下发生相变。现在，我们来看一看制冷剂的T-S图（温熵图），是否有适合逆卡诺循环运行条件的地方？首先，我们来复习一下在《工程热力学》中学习过的T-S图。二、制冷剂T-S图的构成制冷剂T-S图中有“一个点、三个区、七条线”（见下图），它们分别是：x=0线—饱和液相线；x=1线—饱和气相线；上述两线相交于K点，把T-S图分为三个区域：过冷液区、湿蒸气区（两相区）、过热蒸气区；dx=0线—等干线，在饱和液、气相线之间；dT=0线—等温线，垂直于T轴的线；ds=0线—等熵线，垂直于S轴的线；dp=0线—等压线，折线，在湿蒸气区与等温线重合；dh=0线—等焓线，下斜曲线；由于在湿蒸气区，制冷剂气体与液体能在等温条件下相互转变，其它两区不具备此条件，逆卡诺循环只能在该湿蒸气区进行。三、逆卡诺循环现在，我们把逆卡诺循环表示在T-S图上，如下图所示。我们来分析一下逆卡诺循环1-2-3-4。设：高温热源温度为TK，低温热源温度为T0，冷凝器中制冷剂温度为TK’，蒸发器中制冷剂温度为T0’，∵传热过程为等温传热过程，⊿T=0；∴TK=TK’；T0=T0’；从《工程热力学》可知：在T-S图上，过程线下的面积表示了过程的能量大小。对于在湿蒸气区进行的逆卡诺循环1-2-3-4，每循环1kg制冷剂，有：（1）制冷量q0=面积1-4-S4-S1=T0（S1-S4）kJ/kg（2）放热量qk=面积2-3-S4-S1=TK（S1-S4）kJ/kg（3）循环的耗功量w0=面积1-2-3-4=qk-q0=(TK-T0)(S1-S4)=S1(TK-T0)-S4(TK-T0)=wc-wekJ/kg其中：wc=S1(TK-T0)--压缩机压缩制冷剂所消耗的压缩功，kJ/kg；we=S4(TK-T0)--制冷剂绝热膨胀得到的膨胀功，kJ/kg；（4）制冷系数εc=q0/w0=T0/(TK-T0)；（5）供热系数μ=qk/w0=Tk/(TK-T0)=1+εc；从上述分析，我们可以看出：a)由q0/w0=T0/(TK-T0)，得w0=q0(TK-T0)/T0∴循环的耗功量w0与q0(TK-T0)成正比；与T0成反比。b)∵等温传热TK=T’K，T0=T’0，∴εc=T0/(TK-T0)=T0’/(TK’-T0’)∴逆卡诺循环的制冷系数εc与制冷剂无关，只与TK、T0有关；一般，T0对εc的影响比TK对εc的影响大。四、有温差的逆卡诺循环根据传热公式：Q=K·A·⊿T，若传热过程无温差，即⊿T→0。若Q、K为定值，则⊿T→0，A→∞，即传热所需的换热面积无限大。这是不可能的。那么，我们来分析一下温差对逆卡诺循环有什么影响？对于逆卡诺循环1-2-3-4，我们假设传热温差为⊿T。则制冷剂蒸发温度T0’=T0－⊿T；制冷剂冷凝温度TK’=TK+⊿T；为了便于比较，令逆卡诺循环1-2-3-4与有温差的逆卡诺循环1’-2’-3’-4’制冷量相等，即面积1-4-S4-S1=面积1’-4’-S4-S1’，从T-S图中可以看出，有温差的逆卡诺循环1’-2’-3’-4’增加了耗功量⊿w，其制冷系数εc’为：εc’=(T0﹣⊿T)/[(TK+⊿T)﹣(T0﹣⊿T)]＜T0/(TK﹣T0)=εc由于传热温差而使制冷系数降低的程度，称为温差损失。由于实际的制冷循环存在各种损失，所以其制冷系数都小于逆卡诺循环。因此，逆卡诺循环的制冷系数εc是相同T0、TK条件下的各种制冷循环中最大的。为了衡量各种实际制冷循环的不可逆损失程度，我们定义热力完善度η来衡量其大小：η=ε/εc其中：ε--实际制冷循环的制冷系数；εc--逆卡诺循环的制冷系数，εc=T0/(TK-T0)。η→0，说明制冷循环的不可逆损失很大，应改善循环；η→1，说明制冷循环的不可逆损失很小，经济性好。§1.3蒸气压缩式制冷理论循环虽然逆卡诺循环的制冷系数最大，经济性好，但在技术上存在三个无法解决的问题，使得这种循环不能在工程上实现：（1）无温差的传热过程无法实现；（2）膨胀功很小，无法使用膨胀机；膨胀机是一种保持工质物态，依靠工质体积膨胀，压力降低，对外作功的机械。从T-S图可看出，膨胀功由液体膨胀功和气体膨胀功两部分组成。液体几乎不可压缩或膨胀，因而液体膨胀功为零；而气体膨胀功很小，不能推动膨胀机；另外，体积很小的膨胀机制造技术又十分困难，因此，无法使用膨胀机。（3）压缩机不能吸入湿蒸气；压缩机吸入了湿蒸气后，会产生：①液滴从压缩机气缸壁吸热，迅速膨胀，使压缩机吸气量、制冷量下降；②液滴不能吸热气化时，会发生压缩液体的“液击”现象，损坏压缩机。总之，理论上逆卡诺循环可行，但现有技术却无法实现它。因此，必须根据技术现实对其进行必要的改进，这样就产生了蒸气压缩式制冷理论循环。一、蒸气压缩式制冷理论循环的定义及特点由定压吸热、绝热干压缩、定压放热、绝热节流四过程依次组成的制冷循环，称为蒸气压缩式制冷理论循环。蒸气压缩式制冷理论循环与逆卡诺循环相比，有三个特点：（1）用定压换热过程代替定温换热过程；（有温差的传热）（2）用节流阀代替膨胀机；（3）用绝热干压缩代替湿压缩。上述“三代替”使蒸气压缩式制冷理论循环能在现有技术条件下得到工程应用，成为目前冷源工程的主流。但是与逆卡诺循环相比，每一“代替”，都必然伴随相应的不可逆损失。现在我们就来分析一下，这样的“代替”有些什么样的损失。（一）定压换热过程代替定温换热过程定温换热过程是无温差的换热过程，定压换热过程是有温差的换热过程，由于存在传热温差，就会产生不可逆的温差损失，这在前节已作分析，就不再重述。（二）采用节流阀代替膨胀机节流阀内进行的绝热节流过程是十分复杂的。由于这一过程是绝热的，故节流阀进、出口的焓值相等；又因为存在摩擦损失、涡流损失等，绝热节流过程必然产生不可逆损失。在这一过程中，膨胀功因克服摩阻