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    冷库设计-热力学基础常识

     

    任何事物都有一定的规律性。热力学也有其一定的规律性,这就是热力学基本规律,它反映了能量转换的客观规律。热力学基本规律是制冷工程原理的依据。

    热力学基本定律有热力学定律和热力学第二定律。

    一、热力学定律  各种形式的能量可以互相转换,但不能增多,也不会减少,总量保持不变。当工质受热作功时,由于受热而从外界得到的能量,等于外界作功所付给的能量与贮存于工质内部的能量之和,这就是热力学定律的基本内容。热力学定律属于能量守恒和转换定律范畴。

    热力学定律可以用以下公式表示:

    q=u+AL

    式中:q—外界加给受热工质的热量(千卡/公斤)

    △ u—受热工质内能的增加(千卡/公斤)

    L—受热工质对外界所作的机械功(公斤米/公斤)

    A—功的热能当量  A=1/427(千卡/公斤米)

    上式称为简单能量方程式,其中每一项根据实际情况,可以是正值,也可以是负值。如果q是负值,表示物质对外界放热,如果L是负值,表示工质接受了外界的压缩功,如果△u是负值,表示工质的内能不是增加,而是减少。

    热力学定律告诉大家,热与功两者可以互相转换,而且转换时有一定的数量关系,即每千卡的热量全部转变为功时为427公斤米,称为热功当量。反之,每公斤米的功可以转化为1/427千卡的热量,以符号A表示,称为功的当量。

    二、热力学第二定律  大量实验证明,功可以全部转变为热,温度较高的物体中的热量能够自发地向温度较低的物体转移,而相反却不行。

    热力学第二定律包括以下两条内容:

    1. 热量不能自发地,不付代价地由低温物体传向高温物体。

    2. 使热量全部而且连续地转变为机械功是不可能的。

    热力学第二定律告诉了大家传热过程的方向,并指出了热量转变为功的条件。例如,

    有温度不同的甲、乙两个物体互相接触,并假设与外界隔绝,此时甲、乙两物体间将发生热量接触,热力学定律说明,一个物体失去的热量,等于另一个物体获得的热量,但并不能说明那个物体会失去热量,那个物体会得到热量。但是,根据热力学第二定律,就可以清楚地知道,温度较高的甲物体能够自动地把热量转移给乙物体,而温度较低的乙物体,不能自动地把热量传递给甲物体。

    另外,热力学定律说明,热可以按一定当量转化为功,功也可以按一定当量转化为热。而热力学第二定律进一步说明,要将功完全转化成热能是可能的。反之,要将热完全地连续地转化为机械功却办不到。正因为这样,所以各种热机的效率总是小于1

    热力学定律告诉大家,任何机器在作功时都必须消耗能量。要想不耗费能量而作功是违反客观规律,因而所谓“恒动机”的想法是完全不可能实现的。

    三、熵与焓

    1.熵  根据热力学定律,已经知道热量常常不可能完全转化为功,为了研究热量做功的价值,引用了熵的概念,以符号S表示。

    熵是表明物质系统热力学状态的物理量。在加热情况下,一个系统的温度是变化,如果把过程分为许多微段,每段加入热量为dq,那未每段内加热时的温度T(绝对温度)可以认为不变,这个系统熵的变化为

    dS=t(dq)

    式中:S—熵(千卡/公斤K

          q—传热量(千卡/公斤)

          T—绝对温度(K

    在可逆循环中,热源减少的熵等于冷源增加的熵,总的熵值保持不变。在不可逆循环中,热源减少的熵大于冷源增加的熵,总的熵值增大。熵不能用实测的方法求得,只能从数学计算中得到。熵在热力计算中常有使用,一般不需要求出它的绝对值,而只要求得它的相对值。在制冷工程中,通常把0℃的饱和制冷液体的熵值规定为1.

    2.焓  物质具有的内能和流动能之和称为焓,以符号i表示,其单位为千卡/公斤。

    焓可以用以下公式表示:

    i=u+APV

    焓是一个很重要的状态参数,它和温度、压力、比容一样,能说明气体所处状态的特征。在制冷工程热力计算中,焓具有极广泛的用途,它可以使热力计算大大简化。焓的绝对值很难直接确定,实际上也没有必要求出,因为通常只需要了解一种物质由某一状态变化到另一状态时焓值变化即可,在制冷工程中,通常吧0℃的饱和制冷剂液体的焓值规定为100.

    3.温—熵(TS)图  在热力学中,为了计算热转移的数量,常使用温—熵(TS)图。图11TS图的基本线形。图上,纵坐标为绝对温度T,横坐标为熵STS图由等温线(T=常数),绝热等熵线(S=常数),等压线(p=常数),等焓线(i=常数),等湿线(x=0x=1),等比容线(V=常数)等线条组成。与横坐标平行的是等温线,与纵坐标平行的是绝热等熵线,左边的一条主要曲线为饱和液线(x=0),右边的一条主要曲线为饱和气线(x=1)。处在饱和液线左边的是过冷却液体状态,处在饱和气线右边的是过热气体状态,在饱和液线和饱和气线之间的是液体和饱和气体共存状态。可以用TS图上的面积来计算系统吸取或放出的热量。

                                           11  TS图的基本线形

    例如,某一逆卡诺循环(图12)由两根等温线和两根绝热线组成,在41等温过程中,供热体把热量传递给工质,此时供热体温度T。不变,在12绝热压缩过程中,工质与周围介质不发生热交换,此时工质温度由T。升到Tk。在23等温过程中,工质将热量传递给受热体,但温度稳定不变。在34绝热膨胀过程中,工质温度由Tk降到T。。

    在上述循环中,41过程,供热体传给工质的热量可由图上a14b的面积求得,23过程,工质向受热体传递的热量可由图上a23b的面积求得,而压缩功即为面积a23b-面积a14b=1234

     

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