Ｎｏ．４，２０１０，Ｄｅｃ． Ｖｏ１．２９（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１１３） 文章编号：ＩＳＳＮ１００５～９１８０（２０１０ｌ ０４—００７０—０４ 能量守恒定律在制冷循环过程中的解析 刘文利 （广东省机械高级技工学校，广州５１４５０）０ ［摘要】能量守恒定律是自然界普遍存在的定律之一，本文通过内能概念，利用能量守恒定律从微观 上解释蒸气压缩式制冷的各个过程，从而为我们理解蒸气压缩式制冷原理提供了一个新思路。 ［关键词］ 内能；热动能；热势能；能量守恒；制冷循环 ［中图分类号］ＴＢ６１；１３３６６ ［文献标识码］Ｂ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｃｙｃｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ⅡＵ Ｗｌｅｎｌｉ （Ｇｕｓｎｇｄｏｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｓｅｎｉｏｒ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ ５１０４５０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｌａｗ ｉｓ ＯＮｅ ｌａｗ ｏｆｔｈｅ ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ ｎａｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｅｘｉｓｔｅｄ．ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ，ｗｉｈ ｔｔｈｅ ＣｏＮｃｅｐｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｌｍｌ ｅｎｅｒｇｙ，Ｉ ｕｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖＭｉｏｎ ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｖａｒｉｏ ｕｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｖａｐｏｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｕｓ ａ Ｎｅｗ ｗａｙ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ Ｅａｐｏｒ ｃｏｍｐａｓｓｉｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ；Ｔｈｅｒｍａｌ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ；Ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ；Ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ；Ｒｅｆｒｉｇｅｒａ・ ｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ 统经历的热力学过程中，物质的分子、原子、原子 １内能的概念 内能是一种与热运动有关的能量，我们把物体 核的结构一般都不发生变化，即分子的内禀（ｂｔｎｇ） 能量（原子问相互作用能、原子内的能量、核能） 内所有分子作无规则运动的分子动能和分子势能的 保持不变，可作为常量扣除。因此，系统的内能通 总和叫做物体的内能（Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ）。一切物体都 常是指全部分子的动能以及分子问相互作用势能之 具有内能，一般来说，物体的内能代表了物体微观 和，前者包括分子平动、转动、振动的动能（以及 上的能量形式，比如说物体内部各个微观部分（原 分子内原子振动的势能），后者是所有可能的分子 子、分子或离子等等）进行热运动的动能和势能的 对之间相互作用势能的总和。 总和，符号为“ｕ”，国际单位是焦耳（Ｊ）。 简单来说，物体的内能可由以下等式表示： 内能＝分子的热动能＋分子的热势能 若用ｕ表示物质的内能， 能， 表示分子的热动 内能和热力学系统的热运动能量有关，广义地 说，内能是由系统内部状况决定的能量。任何物质 都是由大量分子、原子组成，热力学系统也由大量 分子、原子组成。储存在系统内部的能量是全部微 观粒子各种能量的总和，即微观粒子的动能、势 能、化学能、电离能、核能等等的总和。由于在系 收稿１３期：２０１０—９—５ 表示分子的热势能，则上式可表示为： Ｕ＝ ＋ （１） 从宏观上来看。分子的热动能的外在表现形式 作者简介：刘文利（１９７４一），男，工程硕士，高级讲师，高级技师。研究方向：制冷空调工程设计与教学、自动控制系统设计。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｚｌｗｌ＠１２６．ｃｏｒｎ 第２９卷第４期（总１１３期） ２０ｌ０年１２月 制 冷 ＫＥ＋ＰＥ＝Ｗ＋Ｑ ７１ （３） 为温度，即分子的热动能越大，其温度越高，反之 亦然；分子的热势能的外在表现形式为体积，即分 子的热势能越大，其体积越大，反之亦然。 通过做功、传热，系统与外界交换能量，内能 改变，其间的关系由能量守恒定律给出。 ３蒸气压缩式制冷循环过程解析 蒸气压缩式制冷的基础是逆向卡诺循环，逆向 卡诺循环是由两个可逆的绝热过程和两个可逆等温 ２能量守恒定律的内容 过程所组成的，制冷机从低热源吸取热量Ｑ０，从 压缩机中输入补偿的功 ，从高温热源放出Ｑｏ 能量守恒定律也称为能量守恒与转化定律，即 和补偿功所转换的热量，而制冷剂经过一个循环后 经典热力学中的第一定律，其内容是自然界的一切 回到初始状态点其本身的能量保持不变。 物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能量能 ３．１蒸气压缩式制冷循环过程 够从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体传 根据蒸气压缩式制冷原理构成的单级蒸气压缩 递给另一个物体，在转化和传递中能量的总量不 式制冷循环系统，是由不同直径的管道和会产生不 变。 如图１所示，设有一热力系统在某热力过程中 同热力变化的部件组成，其问串成一个封闭的循环 回路。在系统回路中装入制冷剂，制冷剂在这个循 统。 从外界吸收了热量ｐ，外界对它做了功 ，其自 环回路中能够不停地循环流动，即称为制冷循环系 身内能变化了△ 。则根据能量能量守恒与转化 定律有： 制冷剂在流经制冷循环系统的各相关部位，将 －Ｉ－Ｑ （２） △Ｕ＝ 发生由液态变为气态，再由气态变为液态的重复性 的不断变化。利用制冷剂汽化时吸收其他物质的热 量，冷凝时向其他介质放出热量的性质，当制冷剂 系统 内能改变 △Ｕ 做功Ｗ 汽化吸热时，某物质必然放出热量而使其温度下 降，这样就达到了制冷的目的。 依照上述要求，蒸气压缩式制冷循环系统如图 ２所示。 口 吸热Ｑ 在图２中，从压缩机出来的高压高温制冷剂气 体进入冷凝器被冷却去热，并进一步冷凝成液体 后，进人节流装置如膨胀阀减压，部分液体闪发成 图 １某热力系统的能量能量守恒示意图 由（１）可知，内能的变化量等于热动能与热 蒸气，这些气液两相的混合物进入蒸发器，在里面 势能的变化量之和，故（２）式也可写成下式： 过冷液体 低压液体 蒸发器 图２蒸气压缩式制冷循环系统 Ｎｏ．４，２０１０，Ｄｅｃ． Ｖｏ１．２９（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１１３） 吸热蒸发成蒸气后回到压缩机重新被压缩，从而完 成一个循环。 程、蒸发过程。 ３．２能量守恒定律解析制冷循环过程 由上述分析可知，蒸气压缩式制冷循环主要由 四个过程组成，即压缩过程、冷凝过程、节流过 整个制冷循环过程中的能量变化如图３所示。 图３制冷循环过程中的能量变化图 ３．２．１制冷剂的压缩过程 ３．２．２制冷剂的冷凝过程 制冷压缩机是制冷循环的动力，它由原动机如 过热蒸气进入冷凝器后，在压力不变的条件 电机拖动而工作，作用之一是及时抽出蒸发器内制 冷剂蒸气，维持蒸发器的低温低压，作用之二是通 过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度，创造一 个将制冷剂蒸气的热量向外界环境介质转移的条 下，先是散发出一部分热量，使制冷剂过热蒸气冷 却成饱和蒸气。然后饱和蒸气在等温条件下，继续 放出热量而冷凝产生了饱和液体。继续不断地冷 凝，饱和液体会越来越多，饱和蒸气越来越少，最 件。即将低温低压制冷剂蒸气压缩至高温高压状 终会把制冷剂蒸气全部冷凝为饱和液体。 根据逆向卡诺循环的条件可知冷凝过程是等温 过程，此过程中由于温度不变，故分子动能ＫＥ＝ 态，以便能用常温的空气或水作冷却介质来带走制 冷剂的热量，使制冷剂蒸气在冷凝器中冷凝成液 体。 由于制冷剂气体在气缸中的压缩过程非常快 ０；由于制冷剂从气体变成液体，分子体积减小， 故分子势能 减小，即Ｐｅ＜０；冷凝过程无功参 入，Ｗ＝０；由公式 ＋ ＝Ｗ＋Ｑ可知Ｑ必须 小于０，系统的热量减少，即此过程必须放出热 量。此过程如图３中Ｂ所示。 （每分钟可达千次以上），制冷剂气体来不及和外界 换热就被压缩机排出气缸，所以此过程可近似看成 是绝热过程，压缩机所输入的功可近似看成被全部 转化成制冷剂的内能，即Ｗ＞０，Ｑ＝０；又气体被 ３．２．３制冷剂在节流过程 压缩，气体体积减小，气体的分子势能 减小， 即ＰＥ＜０。由能量守恒公式 ＋ ＝Ｗ＋Ｑ可 知，分子动能 ＞０，即气体的温度必然会升高至 过热状态。此过程如图３中Ａ所示。 饱和液冷剂经过节流元件，由冷凝压力 ｐ 降至蒸发压力ｐｏ，温度由ｔ 降至ｔ０。由节流元 件出口流出的制冷剂变为液体约占８０％、气体约 占２０％的两相混合状态，这其中少量蒸气的产生， 第２９卷第４期（总１１３期） ２０１ ０年１２月 制 冷 是由于压力下降液体膨胀而出现的闪发气体，汽化 时吸收的热量来源于制冷剂本身，与外界几乎不存 在热量的交换，故称为绝热膨胀过程。 此过程中由于有部分液体汽化，故体积部分加 大，分子势能ＰＥ＞０；此过程制冷剂经过节流小孔 时，要消耗自身能量来克服小孔的阻力，故此过程 要对外做功，Ｗ＜０；和外界无热量交换，Ｑ＝ｏ， 由能量守恒公式（３）可知，／（Ｅ＜０，即分子动能在 减小，也即此过程温度必然会降低。此过程如图３ 中Ｃ所示。 ３．２．４制冷剂的蒸发过程 以液体为主的两相状态的制冷剂，流人蒸发器 内吸收被冷却介质的热量而不断汽化，制冷剂在等 压等温条件下的不断汽化，使得液体越来越少，蒸 气越来越多，直到制冷剂液体全部汽化变为饱和蒸 气。 根据逆向卡诺循环的条件可知此过程中温度保 持不变，所以制冷剂分子动能 ＝０；制冷剂蒸发 过程中由液体变成气体，其体积变大，故分子势加 大，即 ＞０；此过程无功参入，Ｗ：０，由能量 守恒公式（３）可知，０＞０，即此过程必有吸热现 象。此过程如图３中Ｄ所示。 上述各过程中能量守恒方程的参数变化如下表 １如示： 表１能量守恒方程参数的变化 能量守恒方程： ＋ ＝Ｗ＋０ 综上所述，我们可以利用能量守恒与转化定律 从微观上解析蒸气压缩式制冷循环各过程中的热力 状态变化问题，如压缩过程制冷剂温度会升高，冷 凝过程会释放热量，节流过程温度会降低，蒸发过 程会吸收热量，从而开辟一条新的途径帮助我们理 解蒸气压缩式制冷循环的各个过程，亦使我们更加 深层次的理解制冷原理。 ４参考文献 ［１］ 田明玉主编．制冷技术基础［Ｍ］．北京：中国劳动社 会保障出版社，２００８ ［２］沈维道等主编．工程热力学［Ｍ］．北京：高等教育出 版社，２０Ｏ７
