文档介绍：宿迁杰科(科思)化学有限公司
制冷设备应知应会培训教材
第1章
基础知识
工程热力学中经常要研究一定量的工质在封闭容器内流动或发生状态变化时的能量变化关系式。工质的运动一般都被当作稳定流动过程。应用所谓稳定流动能量方程式,可以对制冷系统进行分析和计算。制冷过程实质是个热、质传递过程。热力学第一定律确定了热能和机械能之间相互转换时的数量关系,从能量“量”的方面揭示了能量转换的基本规律。
热力学第一定律,即能量守恒定律在热力学中的应用。能量守恒定律是自然界的基本规律之一,它可以概述为:自然界中一切物质都具有能量,能量既不能被消灭,也不能被创造,但各种不同形式的能量都可以从一个物体传递到另一个物体,也可以从一种形式转换成另一种形式,且在传递和转换的过程中,它们的总量保持不变。将这一定律应用到涉及热现象的能量传递和转换过程中,即是热力学第一定律,它可以表述为:热能和机械能在传递和转换时,能量的总量必定守恒。它确定了热力过程中热量和功量的数量之间的相互关系,即热量和功可以相互转换,消耗一定量的功必定产生相应数量的热量;反之,为了要获取一定量的功,必须消耗相应数量的热量。
(1)开口热力系的稳定流动能量方程
有工质流进、流出的热力装置及制冷装置,称为开口热力系。实际的制冷装置都属开口热力系,而且均在稳定流动条件下正常运转。稳定流动过程是指在开口热力系的任一个截面上,工质的状态参数(P、V、T)不随时间而变化,但不同截面上工质的状态参数一般互不相同。这就要求在开口热力系的进、出口处,工质的状态参数和流量不随时问而变化,且进、出口流量相等,要求热力系在单位时问内,同外界交换的热量和功始终保持恒定。
图1-49是应用热力学第一定律对开口热力系统稳定流动过程的分析。设单位时间流进、流出热力系的质量流量为qm,在进口处的状态参数为P1、Vl、Tl,
流速为ω1,所处的高度为Zl,在出口处的状态参数为p2、V2、T2以及ω2和Z2,同时在单位时间内工质从外吸热Q,对外做功W。
因此,单位时间内工质带入热力系的能量有热力学能qmul、动能、位能qmgZl,以及工质对它做的推动功qmp1V1,带出系统的能量相应地有以及对下游工质需做的推动功qmp2V2。根据热力学第一定律,单位时间内进、出热力系的能量应该相等,故:
(1-14)
或
(1-15)
这是开口热力系稳定流动过程的能量方程式。它说明在稳定流动过程中,单位时间内加给热力系工质的热量Q,一部分转化为外功,一部分用于增加工质的热力学能、动能、位能,并填补推动功之差。
在一般热力或制冷装置中,工质的动能和位能的变化量较小,可以忽略不计。因此:
或
其中,
对于lkg工质,则:
式中,h是一个物理量,称为比焓,其定义是工质的热力学能u和pV的乘积之和。
热力学能和比焓是工质的状态参数,是推导出来的,不能直接测定,称导出参数,以区别于基本参数p、V、T。
(2)能量方程在制冷中的应用
①压缩机如果忽略压缩机与外界环境所交换的热量,则这个过程消耗的全部机械功均转变为工质焓值的增加,即
对工质而言,在压缩过程中外界做功为负值。
②蒸发器和冷凝器工质在蒸发器和冷凝器中所进行的过程只是热量交换而无机械功的增减。这样,稳定流动能量方程可写作
在蒸发器中工质得热时Q为正值,在冷凝器中工质失热时Q为负值。
③节流阀制冷剂液体通过节流孔口时绝热膨胀,对外不做功,则方程变为
物体的传热过程,实际是由导热、对流、辐射三种基本传热方式组成的。而热交换器的传热过程和传热温差以及热力学第一定律在制冷工程中的应用,正是上述三种基本传热方式的真实体现。
(1)导热
导热又称热传导,是指物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递现象。导热是物质的属性,导热过程可以在固体、液体和气体中进行。但单纯的导热一般只发生在密实的固体中,因为气体与液体具有流动特性,在产生导热的同时往往伴随宏观相对位移(即对流)而使热量转移。
①导热的基本概念两物体相接触只要有温差存在,热量就会从高温物体传导给低温物体,两接触物体问温差越大,传导的热量就越多,各处的温度均相等的物体中不会有导热现象。要研究物体的导热,必须首先了解物体中的温度分布。
导热过程的进行与物体内部温度的分布密切联系在一起。在一般情况下,温度t是空间坐标x、y、z和时间τ的函数。由温度差引起的热量传导不随时间变化,这种稳定的导热称为稳定导热。反之,不稳定的导热过程称为不稳定导热。
温度分布可以是三个坐标、两个坐标或一个坐标方向上变化,