制冷与空调技术基础知识

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1、制冷与空调技术基础知识1 制冷与空调技术概述 1.1制冷的基本概念 1.“制冷”的定义 制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低 温。这里所说的“冷”是相对于环境而言的，灼热的铁放在空气中，通过辐射和对流向环境传热，逐渐冷却到环境温度。它是自发的传 热降温，属于自然冷却，不是制冷。制冷就是从物体或流体中取出 热量，并将热量排放到环境介质中去，以产生低于环境温度的过程 。 2.制冷机 机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。 3.工质 制冷机中使用的工作介质称为制冷工质，即制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能

2、量交换，即不断地从被冷却对象 中吸取热量，向环境排放热量。制冷剂一系列状态变化过程的综合为 制冷循环。为了实现制冷循环，必须消耗能量。所消耗能量的形式可 以是机械能、电能、 热能、太阳能或其它可能的形式。1.2 人工制冷及其基本方法 .相变制冷 即利用物质相变的吸热效应实现制冷。如冰融化时要吸取80 kcal/kg的熔解热；氨在标准大气压下汽化时要吸取327kcal/kg的 汽化潜热；干冰在标准大气压下升华要吸取137kcal/kg的热量， 其升华温度为78.9。目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗上。 2. 液体汽化制冷 液体汽化制冷是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。在一定压力下液体汽化

3、时，需要吸收热量，该热量称为液体的汽化潜热。 液体所吸收的热量来自被冷却对象，使被冷却对象温度降低，或者使 它维持低于环境温度的某一温度。 液体汽化制冷是目前生产实际中广泛应用的制冷方法，这种制冷常称为蒸汽制冷。 3.气体绝热膨胀制冷 利用气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，对外输出膨胀功，同时温度降低，达到制冷的目的。与液体汽化式制冷相比，气体膨胀制 冷是一种没有相变的制冷方式，所采用的工质主要是空气。此外，根 据不同的使用目的，工质也可以是CO2，O2，N2，He或其它理想气体。 4.半导体制冷 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷。半导体制冷的依据是珀尔帖效应，即：两种不同金属组成的闭合电路

4、中接上一个直流电源时 ，则一个接合点变冷，另一个接合点变热。但是纯金属的珀尔帖效应 很弱，且热量通过导线对冷热端有相互干扰，而用两种半导体（型 和型）组成的直流闭合电路，则有明显的珀尔帖效应，且冷热端无 相互干扰。半导体制冷就是利用半导体的温差电效应实现制冷。半导体制冷原理 5.涡流管制冷 法国人兰克在1933年发明一种装置（涡流管），可以使压缩气体产生涡流，并将气流分成冷、热两部分。涡流管装置由喷嘴、涡流室 、孔板、管子和控制阀组成。涡流室将管子分为冷端、热端两部分。 喷嘴沿涡流室切向布置，孔板在涡流室与冷端管子之间，热端管子出 口处装控制阀，管外为大气。经过压缩并冷却到常温的气体进入喷嘴

5、，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射入涡流室，形成自由涡 流。自由涡流的旋转角速度离中心越近就越大。由于角速度不同，在 环形气流的层与层之间产生摩擦，内层气体失去能量，从孔板流出时 具有较低的温度；外层气体吸收能量，动能增加，又因为与管壁摩擦 ，将部分动能变成热能，使得从控制阀流出的气体具有较高的温度。 由此可见，涡流管可以同时获得冷、热两种效应。用控制阀控制热端 管子中气体的压力，从而控制冷、热两股气流的流量及温度。2热力学基础知识 2.1热力状态参数 在电冰箱、空调器中多采用物理方法制冷。物理方法制冷是应用物质的物理变化来实现的，人们把这些物质叫做制冷剂或制冷工质。 制冷剂在制冷系统中

6、不断的进行各种状态变化，即处于各种不同的热 力状态。用来描述制冷剂热力状态的各种物理量称为热力工作状态参 数，简称状态参数。状态参数有：温度（T）、压力（P）、质量（m ）、密度（）、焓（H）、熵（S）、内能（U）、质量体积（v）、 比热容(C)等。 1.温度 温度是表征物体冷、热程度的物理量，是物体冷热程度的量度。所有的气体、液体、固体都具有热。热度的数量表示叫做温度。为了 使温度的测量一致，需要有衡量温度的标尺（称作温标）规定测量温 度的基点和单位。目前，在日常生活和制冷技术中常用的是热力学温 标T( K )、和摄氏温标（）两种。 1)热力学温标T。热力学温标又称开尔文温标或绝对温标，单位

7、 是K。它规定将纯净的水在一个标准大气压下的冰点定为273.16K， 沸点为373.16K，其间分100等份，每一等份为开氏1度，记做1K。在 热力学中规定，当物体内部分子的运动终止，其热力学温度为0度， 即T=0K。 2)摄氏温标t 。摄氏温标又称国际温标，单位是。它是以纯净 水在一个标准大气压下的冰点为0度，沸点为100度，其间分100等份 ，每一等份为摄氏1度，记做1。摄氏温标制为十进制，简单易算。相应的温度计为摄氏温度计。按照国际规定，当温度在零上时，温度 数值前面加“+”号（可省略）；当温度在零下时，温度数值前面加“ ”（不可省略）。两种温标制之间的换算关系如下：T=（273+t ）

8、（K） t =(T-273) () 测量温度的温度计的种类很多，制冷工程中常用的温度计有玻璃温度计、热电偶式温度计、电接点式温度计、电阻式温度计和半导体 式温度计等。 2 .压力 压力是指单位面积上所受到的垂直作用力，物理学中称为压强（P ），在热力工程上称为压力。压力单位是帕斯卡（Pa），在工程 应用时，帕的值太小，而是以它的106倍作常用单位，称为 “兆帕”，用 “MPa”表示。1 Mpa=106Pa。 1)真空度。真空是指某一空间单位体积中气体分子数目减少到其压 力低于标准大气压的气体状态。完全没有物质的“绝对真空”是不存在的。 真空度是表示真空程度的物理量。如果在一个封闭的容器上接一只

9、 压力表，当表针指0Pa，说明容器内的压力恰好等于当时当地的大气压 力。如果压力表指在-0.1Mpa时，说明该容器内已处于真空状态。 容积内压力比外界大气压低的程度称为真空度。 2)绝对压力。以绝对零压力线（绝对真空）为测量基点测得的压 力即为绝对压力。用符号Pa表示。 3)表压力(相对压力)。以一个大气压为测量基点测得的压力即为 表压力。也就是压力表所指示的压力值，用符号Pq表示。 如果以B表示当地大气压力，则Pa 、 Pq与B有下列关系： Pa = Pq+B 绝对压力、表压力与真空度三者之间的关系如图1-2所示。绝对压力、表压力与真空度三者之间的关系 3.热量和比热容 1)热。热是物质热能

10、的表达形式，可以表示物质吸热或放热的多少，用Q表 示，单位为焦耳，用J表示。在工程应用中常以103倍的焦作单位，即千焦， 符号为kJ。制冷系统的制冷量也是热的形式，因此符号及单位与热一样，常用 Q0表示,专用于制冷量。 2)比热容。1千克（kg）的物质温度升高或降低1摄氏度（）时所吸收或放 出的热，常用C表示，单位为千焦耳每千克开尔文(kJkgK)。 3)热方程。热方程是用来计算一定质量的物资，在温度变化过程中所吸收或放出热量的数学表达式，其形式为：QC mt式中： Q 吸收或放出的热量（kJ）； C 物质比热容（kJkgK）； m 物质质量（kg）； t 温度升高或降低的幅度值（K）。 4.

11、内能U 内能是制冷系统内部能量的总称。制冷系统内动能取决于物质分子的质量和它的平均速度。物质分子运动增加，动能增加；运动减弱 ，动能减少。因摩擦、冲击、压力、日光辐射、通电、化学作用或燃 烧等原因都能引起动能的增加。内势能则取决于分子之间的平均距离 和吸引力。当物质接受外来能量膨胀或改变形态时，如液态变为气态 ，所接受的外来能量使分子间距离变大，即转变为物质的内势能。在 热力学中, 内能是分子热运动动能和分子势能的总和。 5.焓与熵 焓是热力学中表示物质系统能量的一个状态函数，表示工质所含 的全部热能，常用符号H表示。数值上等于系统的内能U加上压强p和 体积V的乘积，即H=U+pV。焓的变化是

12、系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量。 熵是表示物质系统状态的一个物理量，它表示该状态可能出现的 程度。用符号S表示。在热力学中，是用以说明热力学过程不可逆性的一个比较抽象的物理量。熵是热力系统内微观粒子无序度的一个量 度，熵的变化可以判断热力过程是否为可逆过程。2.2 热力学基本定律与常用术语 1.热力学第一定律 热力学第一定律是能量守恒定律,即一定量的热消失时必然产生一定量的功；消耗一定量的功必然出现与之相对应的一定量的热。热和 功之间的转换用下式表示：Q =A L式中Q消耗的热量(J或kJ)； L得到的功(kgm)； A功热当量(Kg kgm)。 因为热量和功的计量单位不同，所以式中引

13、入一个功热当量A ， 其值约为14274.1868kJ kgm。 2.热力学第二定律 如果两个温度不同的物体相接触，热量总是从高温物体传向低温物体而不能逆向进行。机械能可以通过摩擦变为热能，而热能却不能 通过摩擦转变为机械能。前一过程是自发进行的不需要任何条件，而 后一过程却不能自发进行，要使它成为可能，必须具备一定的补充条 件，即消耗一定的外界功。 热力学第二定律说明，热量能自动地从高温物体向低温物体传递，不能自动地从低温物体向高温物体传递。要使热量从低温物体向高 温物体传递，必须借助外功，即消耗一定的机械能。 3.显热、潜热 1）物质三态及状态变化。物质具有质量和占有空间。它以固态、液态和

14、气态三种状态中的任何一态存在于自然界中，随着外部条件 的不同，三态之间可以相互转化，如图1-3所示。如果把固体冰加热便变成水，水再加热就变成蒸汽；相反，将水蒸汽冷却可变成水，继 续冷却可结成冰。这样的状态变化对制冷技术有着特殊意义。 人们可利用制冷剂在蒸发器中汽化吸热，而在冷凝器中放热冷凝,即应用热力学第二定律的原理，通过制冷机对制冷剂气体的压缩，以 及在冷凝器中的冷凝和蒸发器中的汽化，实现热量从低温空间向外部 高温环境的转移，达到制冷的目的。 2)显热。物体在加热(或冷却)过程中，温度升高(或降低)所需吸收(或放出)的热量，称为显热，它能使人们有明显的冷热变化感觉。通常可以用温度计测量物体的温度变化。 如果把一杯开水(100)放在空气中冷却，不断地放出热量，温度也不断地下降，但其形态仍然是水，这种放热称为显热放热。同样， 把一杯水放入电冰箱中，它的温度会逐渐下降，在冷却到0之前放出的热量也是显热。 3)潜热。当单位质量的物体在吸收或放出热量的过程中，其形态发生变化，但温度不发生变化，这种热量无法用温度计测量出来，人体也无法感觉到，但可通过试验计算出来，这种热量就称为潜热。 4.汽化和液化 1)汽化。在日常生活中可以看到，把水泼在地面上，不久地面又慢慢恢复干燥。这是