熱 機(jī) 制 冷 機(jī) 以 及 卡 諾 循 環(huán)主 講 ： 王 冬 （ 50%）成 員 ： 陳 亮 糖 （ 50%） 2 循 環(huán) 過 程 應(yīng) 用 非 常 常 見 ， 如汽 車 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 、 蒸 汽 機(jī) 等 ， 還 有 冰箱 、 空 調(diào) 等 ， 它 們 分 別 以 不 同 的方 式 利 用 了 不 同 種 類 的 循 環(huán) 過 程 ，最 終 具 有 了 各 自 不 同 的 功 能 。 那 么 ， 這 些 機(jī) 器 和 設(shè) 備 是 怎樣 利 用 循 環(huán) 過 程 來 達(dá) 到 各 自 的 目的 ？ 對(duì) 于 它 們 什 么 是 最 關(guān) 鍵 的 指標(biāo) ？ 工 程 師 設(shè) 計(jì) 高 性 能 的 機(jī) 器 和設(shè) 備 以 及 提 高 其 性 能 的 依 據(jù) 是 什么 呢 ？ 循 環(huán) 過 程 及 其 在 工 程 中 的 應(yīng) 用 循 環(huán) 過 程 系 統(tǒng) 由 某 一 狀 態(tài) 出 發(fā) ， 經(jīng) 過 任 意 一 系 列 的狀 態(tài) ， 最 后 又 回 到 原 來 狀 態(tài) 的 過 程 。 E = 0。 只 有 準(zhǔn) 靜 態(tài) 過 程 在 P-V圖 上 有 對(duì) 應(yīng) 的 過 程 曲 線 。準(zhǔn) 靜 態(tài) 循 環(huán) 過 程 對(duì) 應(yīng) 于 P-V圖 上 一 封 閉 的 曲 線 。 oP V21 2V1V對(duì) 如 圖 示 的 正 循 環(huán) ， 由12的 膨 脹 過 程 中 系 統(tǒng) 對(duì)外 作 正 功由 2 1的 壓 縮 過 程 中 系 統(tǒng)對(duì) 外 作 負(fù) 功正 循 環(huán) 過 程 中 ， 系 統(tǒng) 對(duì) 外 作 的 總 功 （ 凈 功 ） 為 ：正 循 環(huán)吸Q放Q W下 的 面 積膨 脹 曲 線 121 W 下 的 面 積壓 縮 曲 線 212 W 021 閉 循 環(huán) 曲 線 所 圍 面 積WWW可 見 ， 正 循 環(huán) 過 程 中 系 統(tǒng) 對(duì) 外 作 正 功 。 oP V21 2V1V 逆 循 環(huán)吸Q 放Q 系 統(tǒng) 對(duì) 外 作 的 凈 功 W= - W1+W20即 外 界 對(duì) 系 統(tǒng) 作 功 。系 統(tǒng) 從 外 界 吸 收 的 凈 熱 Q=- Q1+Q20即 系 統(tǒng) 向 外 （ 高 溫 熱 源 ）放 熱 。 W由 此 可 見 ， 在 逆 循 環(huán) 過 程 中 ， 外 界 對(duì) 系 統(tǒng) 作 功 ， 把 熱量 由 低 溫 熱 源 傳 遞 到 高 溫 熱 源 。那 么 ， 外 界 對(duì) 系 統(tǒng) 作 的 功 可 使 多 少 熱 量 由 低 溫 熱 源 傳 到高 溫 熱 源 呢 ？ 這 就 是 致 冷 機(jī) 的 效 率 問 題 。 1. 熱 機(jī) 把 熱 能 轉(zhuǎn) 換 成 機(jī) 械 能 的 裝 置 稱 為 熱 機(jī) ， 如 蒸 汽 機(jī) 、汽 車 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 等 。2. 熱 機(jī) 工 作 特 點(diǎn)需 要 一 定 工 作 物 質(zhì) 。至 少 需 要 兩 個(gè) 熱 源 。工 作 物 質(zhì) 作 正 循 環(huán) 。 oP V正 循 環(huán)吸Q放Q W 3.工 作 示 意 圖 高 溫 熱 源 T1低 溫 熱 源 T 2熱 機(jī) W2Q 1Q1QW 熱 機(jī) 從 高 溫 熱 源 吸 取 熱量 ， 一 部 分 轉(zhuǎn) 變 成 功 ，另 一 部 分 放 到 低 溫 熱 源 。4.熱 機(jī) 效 率 , 21 QQW 熱 機(jī) 效 率 如 果 從 高 溫 源 吸 取 的熱 量 轉(zhuǎn) 變 成 的 功 越 多 ， 則熱 機(jī) 效 率 就 越 大 。1 21Q QQ 121 QQ 1 熱 機(jī) ： 持 續(xù) 地 將 熱 量 轉(zhuǎn) 變 為 功 的 機(jī) 器 . 工 作 物 質(zhì) （ 工 質(zhì) ） ： 熱 機(jī) 中 被 利 用 來 吸 收 熱 量并 對(duì) 外 做 功 的 物 質(zhì) . 致 冷 機(jī) 的 工 作 物質(zhì) 作 逆 循 環(huán) 。 通 過 外界 對(duì) 系 統(tǒng) 作 功 將 系 統(tǒng)由 低 溫 源 吸 收 的 熱 量傳 遞 到 高 溫 源 ， 從 而使 低 溫 源 溫 度 降 低 。 oP V逆 循 環(huán)吸Q 放Q W例 如 ： 電 冰 箱 、 空 調(diào) 都 屬 于 致 冷 機(jī) 。 高 溫 熱 源 T1低 溫 熱 源 T 2致 冷 機(jī) W1Q2Q 1.工 作 示 意 圖致 冷 機(jī) 是 通 過 外 界 作 功將 低 溫 源 的 熱 量 傳 遞 到高 溫 源 中 ， 使 低 溫 源 溫度 降 低 。2.致 冷 系 數(shù)如 果 外 界 做 一 定 的 功 ， 從 低溫 源 吸 取 的 熱 量 越 多 ， 致 冷效 率 越 大 。 室 外 室 內(nèi)WQe 2致 冷 系 數(shù) 由 能 量 守 恒 21 QQW WQe 2 電 冰 箱 的 工 作 物 質(zhì) 為 氟 里 昂 12 (CCL2F2)， 氟 里 昂對(duì) 大 氣 的 臭 氧 層 有 破 壞 的 作 用 ， 2005 年 我 國 將 停 止 使用 氟 里 昂 作 致 冷 劑 。 以 保 護(hù) 臭 氧 層 。 溴 化 鋰 致 冷 和 半導(dǎo) 體 致 冷 已 進(jìn) 入 市 場 。 21 2QQ QWQe 2 節(jié) 流 閥 冷 凝 器 壓 縮 機(jī)冰 室3.電 冰 箱 工 作 原 理 冰 箱 循 環(huán) 示 意 圖 空 調(diào) 機(jī) 不 僅 可 以 制冷 ， 而 且 也 可 制 熱 。 將其 稱 為 熱 泵 。 高 溫 熱 源 T1低 溫 熱 源 T 2熱 泵 W放Q吸Q室 外 室 內(nèi) 熱 泵 是 通 過 外 界 作 功 ，將 低 溫 源 （ 室 外 ） 的 熱量 泵 到 高 溫 源 （ 室 內(nèi) ） ，與 制 冷 機(jī) 順 序 相 反 。 1.供 暖 系 數(shù)如 果 外 界 做 一 定 的 功 ， 泵 到高 溫 源 的 熱 量 越 多 ， 供 暖 系數(shù) 就 越 大 。 W1Q由 能 量 守 恒 21 QWQ eQWWQ 1W 21 高 溫 熱 源 T1低 溫 熱 源 T 2熱 泵 W放Q吸Q室 外 室 內(nèi) 1.卡 諾 正 循 環(huán) 與 卡 諾 熱 機(jī)卡 諾 循 環(huán) 工 作 物 質(zhì) 只 與 兩個(gè) 恒 溫 熱 源 交 換 熱 量 的 循 環(huán) 。正 、 逆 循 環(huán) 分 別 對(duì) 應(yīng) 于 卡 諾熱 機(jī) 和 制 冷 機(jī) 。準(zhǔn) 靜 態(tài) 卡 諾 循 環(huán) 由 兩個(gè) 等 溫 過 程 和 兩 個(gè) 絕 熱過 程 構(gòu) 成 的 循 環(huán) 。2. 理 想 氣 體 準(zhǔn) 靜 態(tài) 卡 諾 循 環(huán) 及 其 效 率 oP V等 溫 線4 321 2T 絕 熱 線1T在 此 僅 限 于 討 論 準(zhǔn) 靜 態(tài) 卡 諾循 環(huán) 。 oP V等 溫 線4 321 2T 絕 熱 線1T正 循 環(huán) 與 功 能 轉(zhuǎn) 換 0ln 1211 VVRTMmQ 吸 熱3 4 等 溫 收 縮 過 程 4323422 lnln VVRTMmVVRTMmQ 022 QW 放 熱1 2 的 等 溫 膨 脹 過 程012 E 011 QW 2 3的 絕 熱 膨 脹 過 程023 Q 041 Q oP V等 溫 線4 321 2T 絕 熱 線1T023 W4 1的 絕 熱 壓 縮 過 程 041 W 整 個(gè) 循 環(huán) 過 程 中 系 統(tǒng)吸 收 的 凈 熱 等 于 系 統(tǒng) 對(duì) 外的 功 43212121 lnln VVTVVTRMmQQQW 效 率 121 4321211 ln lnln VVT VVTVVTQW 124312 lnln1 VVVVTT 由 2 -3和 4-1的 絕 熱 膨 脹 和 壓 縮 過 程 方 程213112 TVTV 214111 TVTV 上 兩 式 相 比 143112 VVVV即 4312 VVVV oP V等 溫 線4 321 2T 絕 熱 線1T )/ln( )/ln(1 121 432 VVT VVT可 見 ， 理 想 氣 體 準(zhǔn) 靜 態(tài) 卡 諾 循 環(huán) 的 效 率 只 由 高 低 溫 熱源 的 熱 力 學(xué) 溫 度 決 定 ， 與 具 體 的 工 作 物 質(zhì) 無 關(guān) 。121 TT 121 TT卡 諾 熱 機(jī) 的 效 率 3.提 高 熱 機(jī) 效 率 的 方 法 。 121 TT T2/T1越 小 越 好 ， 但 低 溫 熱 源 的 溫 度 通 常 為 外 界 大氣 的 溫 度 ， 難 以 人 為 地 改 變 。 因 此 通 常 以 提 高 高 溫 熱源 的 溫 度 來 提 高 熱 機(jī) 的 效 率 。 23 解 ： 根 據(jù) 卡 諾 熱 機(jī) 的 循 環(huán) 效 率 可 得 ， 地 熱 發(fā) 電 機(jī) 的 熱機(jī) 效 率 為 48.015.573 15.29811 12 TT則 發(fā) 電 機(jī) 每 小 時(shí) 對(duì) 外 做 的 功 為 11 101 0.48 2 10 J 9.6 10 JW Q 發(fā) 電 機(jī) 的 輸 出 功 率 為 10 49.6 10 2.7 10 kW3600WP t 24 汽 車 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 熱 機(jī)汽 油 機(jī) 的 循 環(huán) 過 程一 般 汽 車 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 的 循 環(huán) 過 程 由 兩 個(gè) 等 容 過 程 和 兩個(gè) 絕 熱 組 成 ， 其 中 AB和 CD為 絕 熱 過 程 ， 該 循 環(huán) 過程 決 定 了 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 的 關(guān) 鍵 性 技 術(shù) 指 標(biāo) 熱 機(jī) 效 率 。 V2POP1P2 C DB AV1吸 放 25 汽 車 發(fā) 動(dòng) 的 熱 機(jī) 效 率 為1 D AC BT TT T 12 11 1ABT VT V 其 中 ， TA為 燃 料 燃 燒 前 的 溫 度 ， TA為 燃 料 燃 燒后 的 溫 度 ； V1為 氣 體 壓 縮 前 的 體 積 ， V2為 氣 體 壓 縮 后的 體 積 。 26 提 高 汽 車 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 效 率 的 途 徑（ 1） 提 高 高 溫 熱 源 的 溫 度 （ 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 本 身 的 溫 度 ） ，陶 瓷 外 殼 的 發(fā) 動(dòng) 機(jī)（ 2） 提 高 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 的 壓 縮 比 （ 用 壓 縮 前 的 氣 缸 總 容 積與 壓 縮 后 的 氣 缸 容 積 ） 4.卡 諾 逆 循 環(huán) 與 卡 諾 制 冷 機(jī) 完 全 類 似 于 卡 諾 正 循 環(huán) 的 分 析 ， 可 以 證 明 ， 理 想氣 體 準(zhǔn) 靜 態(tài) 卡 諾 逆 循 環(huán) （ 制 冷 機(jī) ） 的 制 冷 系 數(shù) 為21 221 22 TT TQQ QWQe oP V等 溫 線4 321 2T 絕 熱 線1T 1211 lnVVRTMmQ 4322 lnVVRTMmQ 43212121 lnln VVTVVTRMmQQQW2-1等 溫 壓 縮 放 出 的 熱 量4-3等 溫 膨 脹 吸 收 的 熱 量外 界 對(duì) 系 統(tǒng) 的 功 等 于 系統(tǒng) 放 出 的 凈 熱