热12-《制冷与低温原理》作业参考答案-new

第一章1-1常用的制冷方法有哪些？他们是利用什么原理实现制冷的？除此之外，还有那些制冷方法，你能再举一些制冷方法的例子吗？答：一般来说，制冷的方法主要有三种：（1）利用物质相变制冷（如融化、蒸发、升华等）的吸热制冷效应；（2）利用气体膨胀产生的冷效应制冷；（3）利用珀尔贴效应的热点制冷。例如：利用半导体的珀尔贴效应的制冷方法叫做半导体制冷。除此之外，其他的制冷方法还有气体涡流制冷，热声制冷，绝热去磁制冷，氦稀释制冷。1-2请说出气体绝热膨胀制冷三种方法的名称，并说出它们各自的优缺点。名称优点缺点有外功输出的膨胀过程气体温降大，复热时制冷量大要采用膨胀机，系统结构复杂绝热放气过程小型制冷机中广泛使用无外出功输出节流膨胀过程系统结构简单，气体流量便于调节气体温降小，制冷量小1-3画出逆卡诺循环、洛仑兹循环、蒸气压缩制冷循环、气体液化循环、斯特林制冷循环、G—M制冷循环、基本型脉管制冷机循环等理想制冷循环的流程示意图。答：逆卡诺循环洛伦兹循环蒸气压缩制冷循环1-2等熵压缩过程2-3等温放热过程3-4等熵膨胀过程4-1等温吸热过程（制冷）a-b等熵压缩过程b-c与高温变温热源无温差的放热过程c-d等熵膨胀过程d-a与低温变温热源无温差的吸热过程（制冷）气体液化循环斯特林制冷循环G-M制冷循环基本型脉管制冷循环（1）高压气体进入管内，向封闭端移，压缩（2）封闭端水冷器带走热量，温度压力降低1-2将制冷剂压缩到冷凝温度2-3冷凝器中冷凝成液体3-4节流4-1蒸发器蒸发吸热（制冷）1-2等温压缩2-0等熵膨胀至液化气体的饱和温度0-3-1制冷剂与液化气体可逆换热，复热回升1-2等温压缩2-3定容放热过程3-4等温膨胀过程（制冷）4-1定容吸热过程1-2等容充气过程2-3等压充气过程3-4等容放气过程4-1等压放气过程（制冷）（3）排气阀打开，气体膨胀左移，降压获得低温（4）进气阀再次打开，重复操作1-5请说明理想循环与可逆循环的异同点，指出上述3题中的循环哪些是不可逆循环，为什么？答：有些循环除了一两个不可避免的不可逆循环过程外，其余均为可逆过程。这样的循环以及可逆循环都称为理想循环。即理想循环既包括可逆过程也可能包括不可逆过程，但可逆循环只是可逆过程组成的。蒸气压缩制冷循环是不可逆循环，因为该循环需要用到节流阀，而节流过程是由摩擦损失的，是一个不可逆过程。G-M制冷循环、基本型脉管制冷机循环中带有配气阀门的循环是不可逆循环，因为这些配气阀都将产生摩擦损失，是不可逆过程。1-6说出蒸气压缩制冷系统循环中的四个过程名称，以及发生这些过程相应的设备。名称设备将制冷剂压缩到冷凝压力压缩机将高压制冷剂冷却并冷凝成液体冷凝器节流膨胀过程节流机构液体气化吸热过程蒸发器1-7为什么当制冷剂经过节流阀膨胀，温度会降低？在节流过程中，那个状态参数维持不变？答：由微分节流效应pphhcvTvTpTa微分节流效应的符号取决于pTvT与v的差值，而此差值与气体的种类及所处的状态有关。如果这一差值大于零，则节流后温度降低。对应于节流效应转化曲线上的制冷区。在节流过程中，气体的比焓值保持不变。1-8说明为什么在制冷剂离开蒸发器后，要冷凝它是不可行的。答：蒸发器是一个换热器，它的作用是使经节流机构供入的制冷剂液体蒸发成蒸气，以吸收被冷却物体的热量。蒸发器是一个对外输出冷量的设备，既制冷机的制冷部分。当制冷剂离开蒸发器后，它已经完成了它的制冷作用，这时如果冷凝它，会让它部分液化，压力降低，影响之后的压缩机压缩过程，压缩机需要更多的功去压缩使其达到冷凝压力，从而恶性循环，制冷系数降低。所以说，在制冷剂离开蒸发器后，要再冷凝它是不可行的。1-9说出在蒸气压缩循环分析中，采用hplg图的主要目的。答：在蒸气压缩循环分析中，采用hplg图，可以用图上的面积表示制冷量，因为是绝热压缩，所以横坐标h的差值可以表示压缩机所做功，这样可以更直观的看出该循环的制冷系数，有利于循环分析。1-10R22从压缩机排出时的压力为2.0MPa，温度为C90，试确定该载冷剂此时的比体积、比焓、比熵和过热度。解：查表知：R22在饱和压力为2.0MPa时，对应的饱和温度为C52。CTCTs5290；所以此时R22处于过热蒸气状态，对热度1；查压焓图，KkgkJskgkJhkgmmkg/79.1;/455;/014286.0701;/70331-11含有15%液体和85%蒸气的混合物氨，其温度为C10，确定其比焓和压力。解：干度85.01%85fggmmm；温度为C10时，查表得饱和压力为0.28993MPa，kgkJhkgkJhfg/71.808,/76.487；比焓kgkJhhhfg/2895.29371.808176.48785.01。1-122N的压力为101MPa，比焓为129kJ/kg。求两相混合物的干度。答：查表得：kgkJhkgkJhMPaPgfs/76.520,/4.643101时，。又6635.04.64376.5204.6431291fgfgfhhhhhhh为所求。1-13在hplg图上标出制冷剂R143a的压力为0.15MPa，比焓为500kJ/kg的点，并说明其处于什么状态。解：从图中可以看出，其处于过热蒸气的状态。1-14用图来求R22在C30时的气化热，并与查表求得的结果相比较。解：查压焓图：kgkJhkgkJhCTgfs/413,/23930时，；气化热kgkJhhfg/174239413；查表：kgkJhkgkJhCTgfs/60.413,/38.23630时，；气化热kgkJhhfg/22.17738.23660.413。由上可以看出，查图与查表的结果相差不是很大，都比较准确。1-15试分析卡诺循环的制冷系数同温度的关系。答：卡诺循环的制冷系数00wq，在T-s图上表示如下图:2.其他条件不变，当热源温度降低时，可以看到1234的面积减小，s214s1的面积不变，即单位制冷量q0不变，循环所耗功w0减小，制冷系数升高。反之，当热源温度升高时，s214s1的面积不变，1234的面积增大，即循环所耗功w0增大，即单位制冷量q0不变，制冷系数减小。1-16试说明蒸气压缩制冷循环与蒸气压缩热泵循环的异同点，并在T-s图上把两循环表示出来。答：相同点：蒸气压缩制冷循环与蒸气压缩热泵循环在原理上是完全相同的。两个循环都是与环境相互作用，从低温热源吸热，然后放热至高温热源，与此同时，按照热力学第二定律，必须消耗机械功。原则上，凡是用来作制冷机的循环，都可以用作热泵；凡是用于制冷机的分析方法，都可以用于分析热泵。不同点：（1）两者的目的不同。蒸气压缩制冷循环的目的是为了获得低温（制冷），也就是着眼于从低温热源吸热。蒸气压缩热泵循环的目的是为了获得高温，也就是着眼于放热至高温热源。（2）两者的工作温区往往有所不同。上述所谓的高温热源和低温热源，只是彼此相对而言的。由于两者的目的不同，通常蒸气压缩热泵循环是将环境作为低温热源，而蒸气压缩制冷循环是将环境作为高温热源。对于同一环境温度来说，热泵循环的工作温区就明显高于制冷循环。如左图所示，图中s214s1的面积表示单位制冷量q0，图中1234的面积表示循环所消耗的功w0。1.其他条件不变，当冷源温度降低时，可以看到s214s1的面积减小，1234的面积增大，即单位制冷量q0减小，循环所耗功w0增大，制冷系数降低。反之，当冷源温度升高时，s214s1的面积增大，1234的面积减小，即单位制冷量q0增大，循环所耗功w0减小，制冷系数增大。S1S2两循环的T-s图一样，如下所示：对于蒸气压缩制冷循环，制冷量为图中的面积s215s1的面积，而对于蒸气压缩热泵循环，制热量为图中s224s1的面积。1-17一卡诺制冷循环，在C12下吸热，在C40下放热。（1）计算该制冷循环的制冷系数；（2）如果此循环在温度C12下吸热15kW，其功耗是多少？（3）如果卡诺循环在于上述制冷循环相同的温度界限下工作，其热泵系数为多少？（4）如果热泵在温度C12时吸热15kW，在温度C40是的放热速率是多少？解：（1）KCTKCT15.31340,15.25312'0制冷系数22.415.25315.31315.253'0'0TTT；（2）制冷系数00wqkWqw5545.322.41500其功耗为3.5545kW；（3）热泵系数22.522.411；（4）热泵系数kWqqqqqwqHHHH5545.1815122.522.5100所以在温度C40时的放热速率是18.5545kW。1-19用两个卡诺制冷机在0.1K温度位制取0.1W的制冷量。第一个卡诺制冷机工作在0.1K与2K温度之间，第二个卡诺机则工作在2K温度和300K高温位之间。试问用这两个制冷机，把0.1W的能量从低温位转移到高温位所需的功为多少？若仅用一个卡诺机，情况如何？解：对于第一个卡诺机，制冷系数；对于第二个卡诺机，制冷系数230020.11.9298所以，把0.1W的能量从低温位转移到高温位所需的功w1.9298299.9若仅用一个卡诺机，制冷系数1-20一个理想的制冷器，冷气体在72K和88K之间等压吸热，并在300K等温排放热量，假设工作流体为理想气体，工质从88K压缩到300K，以及从300K膨胀到72K均为等熵过程，等熵指数为1.4。试求制冷器的制冷系数，并分别同如下温度位的卡诺机相比较：（1）72K与300K，（2）88K与300K。解：由等熵过程，2111TTRgw压缩过程对系统作功为1w，膨胀过程系统对外作功为2w，则201wqw。制冷系数0755.08830014.11883007230014.1188300118830011723001111210RgRgRg如果是同温位下的卡诺机：（5）制冷系数3158.07230072'0'01TTT（6）制冷系数4151.08830088'0'02TTT1-21某理想热驱动制冷循环从温度为C70的太阳能集热器得到热能，在C15时制冷，在C35下将热量排入大气，求该系统的热力系数。解：KCTKCTKCTH15.34370;15.30835;15.288150；热力系数4695.115.34315.30815.34315.28815.30815.288000HHTTTTTT1-22初始压力为7.0MPa，温度为C40的干空气，经过节流膨胀阀后的压力为0.1MPa。试求空气离开节流阀时的温度。如果上述的高压气体被预冷到C70，再节流到同样的压力，则制冷效果有何变化？解：KCT31340，查压焓图知，在压力为7.0MPa，温度为313.15K时，焓值为298kJ/kg。而节流膨胀过程为等焓过程，在压焓图上，沿着等焓线，查到在压力为0.1MPa时，温度为285K，即C28。制冷温差为C12。如果上述高压气体被预冷到C70，即203K。在压焓图上查得此时焓值为165kJ/kg。同理查得压力为0.1MPa时的温度为165K，即C108。制冷温差为C38，制冷效果提高了。1-23压力为7.0MPa，温度为C40的空气经等熵膨胀至压力0.1MPa。试求膨胀机的出口温度，以及所作的功。解：