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1、第一章 制冷技术热力学理论基础工程技术上所谓的制冷，就是使某一系统（即空间或物体）的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程，这里所说的环境介质是指自然界的空气和水。制冷与空调设备以流体（气体与液体的总称）作为载能物质，实现热能与其它形式能量（主要为机械能）之间的转换或热能的转移。本章介绍流体的性质、热能与机械能之间的转换规律和热量的传递规律，这些知识是空调技术必不可少的理论基础。第一节 热力学基本概念工质在制冷系统中，一会儿从气体变为液体，一会儿又从液体变为气体，制冷剂的这种物态变化以及温度的升降、压力的变化、吸热与放热等现象，是具有一定的热力学内在关系的。现在介绍一些参数、术语和基
2、本概念，为掌握热力学基础知识作准备。1 温度：是用来度量物体冷、热程度的参数。温度的指示单位有三种：摄氏温度（） 华氏温度（F） 绝对温度（K）它们之间的换算关系是：=5/9（F 32） F=9/5+32 K=+273.152 干球温度：用一般温度计所测得的空气温度，它是该空气的真正温度。3 湿球温度：湿球温度计感温球部位包着潮湿棉纱，用这种温度计测量空气的温度时，由于棉纱中的水在蒸发时要吸收空气的热量，当空气传递给水的热量恰好等于水表面蒸发所需热量时所测得的温度称为湿球温度。 干湿球温度差：用干湿球温度计测量未饱和空气时，干球温度计显示的温度较高，湿球温度计显示的温度较低，两个温度差称“干湿
3、球温度差”。该温差大，表示空气干燥；温差小，表示空气潮湿。4 湿度：湿度代表空气中水蒸汽含量的多少。在每千克空气中所含有的水蒸汽重量称为含湿量，单位为克/千克。 湿度又分为绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指每立方米的淡空气所含水蒸汽的重量，也是水蒸汽在其分压力及湿空气温度下的重度，单位为千克/米3。相对湿度是指湿空气的绝对湿度与饱和状态下的绝对湿度之比，数值为百分数。当相对湿度为0%时，则为干空气；而相对湿度为100%时，则为饱和蒸汽。人体感到舒适的相对湿度是60%70%。5 露点温度：湿空气在含湿量不变的情况下，冷却使温度降低到空气内部所含水蒸气开始冷凝液化时（即达到完全饱和）的温度。6 压力
4、（物理学中称压强）：工程上把单位面积上所受的垂直作用力称为压力。国际单位为帕（Pa）、千帕（kPa）、兆帕（Mpa），过去用的工程单位为千克力/厘米2（kgf/cm2）和bar。 1Mpa=10.2 kgf/cm2=7500.6mmHg（毫米汞柱）=100mH2O（米水汞）=10bar 绝对压力=表压力+大气压力 真空度=大气压力-绝对压力7 热量：是物质热能转移的度量。单位是焦尔（J）、千焦（kJ），过去用（Cal）、千卡（kCal）。它们的换算关系是：1Cal=4.18J。8 比热：1千克重的物质温度升高或降低1时所吸收或放出的热量。符号为C，单位千焦/千克度（kJ/kgK）。9 显热：物
5、体被加热或冷却时，只发生温度变化而没有状态变化，这时它所吸收或释放的热量。10 潜热：物质在加热或冷却过程中，发生状态变化而保持温度不变，这时它所吸收或释放的热量。10蒸发：液体表面的汽化现象。液体可以在各种温度下蒸发。11沸腾：液体表面和内部同时发生激烈的汽化现象。液体在一定压力下达到一定的沸点温度才能沸腾。12冷凝：气体液化为液体的现象。分冷却和凝结两个过程。13比容：单位重量的物质所占有的容积。单位：米3/千克（m3/kg）。14密度：单位容积的物质，所具有的重量。单位：千克/米3（kg/m3）。15内能：内能是气体分子的动能和内位能的总和。动能就是分子运动能量的总和，内位能就是因分子之
6、间吸引力所具有的能量。工程上常取1kg工质作为研究对象，所以通常说的内能是指1kg工质所具有的能量。16外能：分子保持它原有的比容，与外部相对抗所具有的能量。17功：功是能的一种。当用外力去移动物体时需要消耗能，这个能就是功。单位：牛顿米（Nm）,过去用千克力米(kgfm)。功=外力力方向所移动的距离。18功率：单位时间内所做的功。单位：瓦（W）、千瓦（KW）。19过热：饱和蒸气在饱和和压力条件下，继续受热到饱和温度以上，称为“过热”气体，过热气体的温度与饱和温度的差值叫过热度。20过冷：饱和液体在饱和压力条件下，继续冷却到饱和温度以下，称为“过冷”液体，过冷液体的温度与饱和温度的差值叫过冷度
7、。21焓：焓是一个复合状态参数，是表征系统中具有的总能量，它是内能和压力能之和。通常是对1千克工质而言，单位为千焦/千克（Kj/kg）,过去用千卡/千克（kcal/kg）。I=u+pv式中：i焓，kj/kg； u内能，Kj/kg； p压力，kpa； v比容，m3/kg 22熵：是一个导出状态参数，它表示工质状态变化时，其热传递的程度。单位为千焦/千克度（kj/kgk） 熵、热量和温度的关系如下：ds=dq/t式中：S熵，kj/kgK； q1千克物件所获得热量，KJ/Kg： T物质获得热量时的绝对温度，K。23节流：流体在管道中流动，通过阀门、孔板、毛细管等设备时，由于局部阻力，使流体压力降低的
8、现象。第二节 热力学第一定律及其应用热力学第一定律是能量守恒定律在热力过程中的具体表述，并应用于确定各种热力系统与外界交换能量的数量关系包括热能与机械能转换或热能转移在内的能量方程。一、 热力学第一定律的基本表达式热力学第一定律的内容是：无论何种热力过程，在机械能与热能的转换或热能的转移中，系统和外界的总能量守恒。即W总e1dm1E2dm2Q 图1-2-1输入系统的能量一输出系统的能量=系统贮存能量的变化 (1-2-1)如图1-2-1所示的任意一个开口系统，假定在一微元过程中，外界对它加热Q；它对外界所作总功为W总 ；同时因系统与外界有质量交换，流入和流出系统的工质还将给系统带入或带出能量。设
9、入口和出口处每kg工质的能量分别为e1和 e2，入口和出口处工质的流量分别为dm1 和dm2，则流入与流出工质带入与带出系统的能量分别为e1dm1和e2dm2。那么，在此微元过程中，输入系统的能量为（Q+ e1dm1），输出系统的能量为（W总 + e2dm2），若系统贮存能量的变化为dE，由（1-2-1）式并经移项整理可得Q= dE+（e2dm2- e1dm1）+W总 （1-2-2）式（1-2-2）对任何工质的各种热力过程都适用，它是热力学第一定律的普遍表达式。其物理意义是：外界加给系统的热量（Q），一部分用于增加系统贮存的能量（dE），一部分通过质量交二、 稳定流动能量方程制冷与空调设备中的
10、工质可以视作稳定流动。从热力学观点看，工质作稳定流动的特征是：(1)系统中任何位置上工质的热力状态参数（如p、v、T、u、h、s）和宏观运动参数（如流速c）及单位时间与外界交换的能量都保持一定，不随时间变化；(2)系统的总质量保持恒定，即入口和出口质量相等：dm1=dm2=dm；(3)系统的总能量保持恒定，即系统贮存的能量不变：dE=0；(4)系统与外界通过作功交换的能量，一是通过机器轴传递的功，称为轴功，用ws表示；二是由于工质流入或流出系统所作净流动功Wf，因此，W总 = Ws + Wf，对1kg流动工质W总 =ws+(p2v2- p1v1)。将稳定流动工质的上述特征代入式（1-2-2）并
11、代入各项有关参数整理后可得，1kg工质作稳定流动时的能量方程：q=(h2-h1)+1/2(c22-c12)+g(z2-z1)+ ws （1-2-3）注：这三部分机械能的和称为技术功,z代表高度，c代表工质流动速度。工质在入口和出口处具有的能量，应是工质在该处的内能、宏观动能1/2mc2和重力势能mgz三者之和。式1-2-3表明，稳定流动工质从外界吸收热量，一部分用于增加工质的焓，一部分用于增加工质的宏观动能及重力势能，一部分通过机轴传递对外作功。制冷与空调设备在多数情况工质进出系统时，宏观动能与重力势能的变化相对都很小，可以忽略不计，在这种条件下，技术功就近似地等于轴功。三、稳定流动能量方程在
12、制冷设备中的应用制冷压缩机、热交换器（蒸发器和冷凝器）、节流阀（毛细管）是制冷与空调系统中常见的设备。可将稳定流动能量方程应用于这些设备，从而确定这些设备中的能量转换关系。(一) 制冷压缩机工质流入和流出这类设备时，宏观动能与重力势能的变化相对于外界提供的轴功ws的量值来说很小，可以忽略不计；工质流经这类设备向外界的散热量也相对很小，可近似为绝热的，即q=0。于是由（1-2-3）式可得-ws=h2-h1 （1-2-4）式1-2-4表明，制冷压缩机消耗的外功大小等于工质在压缩机出口和入口的焓差，即等于工质焓的增加。(二) 热交换器工质流经热交换器时，只通过传热与外界交换能量，没有轴功，即ws=0
13、；其宏观动能与重力势能的变化相对于传递的热量也很小，可忽略不计。于是，由式（1-2-3）可得q=h2-h1 （1-2-5）对于制冷系统的蒸发器，液态制冷剂在其中吸收周围物体或介质的热量沸腾汽化，q0，焓增加，即在蒸发器中工质吸收的热量等于其焓的增加；对于制冷系统的冷凝器则与蒸发器恰好相反，气态制冷剂在其中向周围介质放热冷凝液化，q0，焓减少，即在冷凝器中工质放出的热量等于其焓的减少。(三) 节流装置在制冷系统中，工质流经节流装置时，由于流道截面突然缩小，需克服局部阻力而导致压力下降，温度也同时下降，工质流经节流装置所历时间很少，可近似为绝热的（故称绝热节流），即q=0；工质进出节流装置时宏观动
14、能与重力势能的变化都很小，可以忽略不计，节流过程工质与外界无功交换，ws=0。因此，由式（1-2-3）可得h1=h2可见，工质经历绝热节流，在节流装置入口与出口处的焓是相等的。综合上述可以看出，流动工质的焓在能量转换或转移关系中的重要作用，焓是随工质流动而转移、并由工质热力状态所决定的能量。例2-1 已知空气在压缩机中被压缩前后的压力和比容为p1=1bar、v1=0.845m3/kg；p2=8bar、v2=0.175m3/kg。设在压缩过程中每kg空气的内能增加150kJ，同时向外界放出热量50 kJ，压缩机每分钟生产压缩空气10kg，求：(1)压缩过程中对每kg气体所作容积功；(2)每生产1
15、kg压缩空气所需消耗的轴功；(3)带动此压缩机至少需用多大功率的电动机？解 (1) 对压缩机的压缩过程，压缩机内空气和外界无质量交换，可应用闭口系能量方程（1-2-3）求容积功，即w=q-u=-50-150=-200kJ/kg 因为是放热，所以取q=-50kJ；算得w为负值，表明容积功是压缩功，即外界压缩气体作功。(2)考虑吸气-压缩-排气的全过程，空气流经压缩机作稳定流动，可应用稳定流动能量方程式（1-2-5）求轴功。压缩时可忽略气体被压缩前后宏观动能与重力势能的变化。由式（1-2-5）有 ws=q-(h2-h1)=q-(u2+p2v2)-(u1+p1v1) = q-(u2-u1)-(p2v2-p1v1) =w-(p2v2-p1v1)
