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1、空气调节器的工作原理当今空调、冰箱等电器设备已经在日常生活中得到了广泛的应用，空调既能在炎热的夏天吸 取室内的热量，也能在严冬季节营造一个四季如春的环境。空调器的工作原理如下图所示，在不同的季节，转动制冷剂换向阀，使空调器工作在不同的工作状态。 在制冷状态下，室内为蒸发器，室外为冷凝器。空调器中的工作物质将从温度较低的室内吸取热量释放到 温度较高的室外空间，此时空调机相当于一台制冷机；在制暖状态下，室内为冷凝器，室外为蒸发器。空 调器中的工作物质将从温度较低的室外空间吸取的热量加上空调器产生的热量，释放到温度较高的室内， 此时空调机相当于一台热泵。一制冷空调1工作原理由第五章的讨论可以知道，如
2、果工作物质作逆循环，在一次循环中，外界对系统做功 W, 工质将从低温热库吸收热量Q2，向高温热库放热Q1，由热力学第一定律得W = Q - Q1 2工作物质从低温物体吸收热量，使低温物体的温度降低。制冷循环过程利用制冷剂（工质）经压缩后冷凝液化、节流降温、吸热汽化，达到从低温物 体吸收热量的目的。常用的制冷剂为氟里昂，它是氟和氯的有机化合物（氟里昂-12，分子式 CC12F2，沸点-29. 8 C；氟里昂-22，分子式CHC1F2,沸点-40. 8 C）。这类气体经压缩降温（接 近于室温）就可被冷凝为液体，因此又称为蒸汽压缩制冷机。制冷剂经压缩机压缩后成为温度较高、压强较大的蒸汽；压缩蒸汽进入
3、冷凝器中冷却，蒸汽温度降到环境温度附近，在此过程中液化温度较低的制冷剂放出汽化热直至全部被液化，在冷却 过程中共释放热量Q1 ;压强较高、温度接近环境温度的液体进入节流阀，节流闸由于阻滞作用在两侧维持一定的压强差（P1 - P2 0），液体流过节流阀可视作绝热过程，由焦耳-汤姆逊效应气体对外做功为P1V1 - P2V2，根据热力学第一定律，气体内能增量AE = P V -PV 02 2 11流过节流闸的液体温度进一步降低，低压低温液体流过蒸发器吸收热量Q2蒸发为气体，由 于压缩机的抽吸作用，工质气体又重新进入压缩机，准备进行下一次循环。整个过程如上左图所 示工质周而复始地循环，通过外界做功，实
4、现了热量不断地从室内低温热库传到室外高温热库。2制冷系数由于制冷空调器的工质在循环过程中不仅经历了一系列的热力学过程，还涉及到工质的相 变，因此要从理论上计算空调器的制冷系数是非常困难的。通过第五章的讨论我们知道工作在两 个热源之间的卡诺逆循环（卡诺制冷机）是极端理想化的制冷循环，一台实际制冷机的制冷系数 不可能大于卡诺制冷机的制冷系数。可逆卡诺制冷循环的制冷系数为1 2(1)我们可以从其得到一些启示。制冷空调器工作在室外温度为T1的高温热源和室内温度为T2的低温热源之间，由于人体感到舒适的温度是一定的，通常为22-24C，我们取室内温度T2为常量（295K）,则制冷系数为295w =r T
5、295以T为横坐标，制冷系数wr为纵坐标得到曲线如下图所示由图可知，当室外温度接近室内温度时制冷系数较大，而温差越大，制冷系数越小，吸收相 同的热量索要付出的功也越大。夏天阳光下的气温可高达50C (323K),空调器的制冷系数降为10 左右，当然，实际空调的制冷系数还要小得多。因而所要消耗的电能也就越大。二 热泵1 工作原理热泵是将热量从低温物体抽运倒高温物体。从工作原理来讲它同样是一台制冷机，空调器在 工作时只是通过调节换向阀，改变制冷机的流向，将室内的蛇行管改作冷凝器，将室外的蛇行管 改作蒸发器。制冷剂在逆循环过程中从外界吸收热量释放到室内。把制冷机用作热泵，首先是开 尔文在1852年提
6、出来的。他曾经为此设计了一台机器，但并没有制造。75年后哈尔丹(J. B. S. Haldane)在苏格兰用这样的原理制成了一台热泵，用冷却室外空气来给自己的房屋供暖。空调器依靠换向阀改变室内、外蛇型盘管扮演的角色，在炎热的夏天为人们降温、严寒的冬 天又可为人们供暖。热泵的工作原理如上左图。其工作原理与制冷空调器完全相同，所不同的只是室外是蒸发器， 室内是冷凝器，制冷剂(氟里昂)从室外吸取热量，连同压缩机所作的功一起转变为热能释放到 室内，因而热泵供暖的效率是较高的，一般输入功率为2000W的柜式空调机，供热量可达5000W。2 热泵的热效率 尽管热泵的工作过程并不是卡诺逆循环，但是在相同的功
7、率下，一台热泵从室外抽取的热能 不可能大于工作在两个相同温度热库间的卡诺机吸取的热量。热泵是把逆循环中工作物质向高温 热源放出的热量Q1作为提供热量的热源来使用，热泵的制热系数定义为w = Qr = 1 + Qp W W ( 2)比较式(1)和式(2)得w = w 一 1rpT 1w =1=p T 一 T 耳12上式中n为卡诺热机的效率。热泵空调器工作在室外温度为T2的低温热源和室内温度为T1 的高温热源之间，考虑到人体感到舒适的温度为22-24C，我们取室内温度T1 (295K)为常量，热泵的热效率同样可用热泵的制热系数表示为295以T2为横坐标，工作系数w为纵坐标得到曲线如图所示。由图可知
8、，当室外温度接近室内温度时热泵的制热系数较大，而温差越大，制热系数越小， 从室外吸收相同的热量空调机所要付出的功也越大。隆冬季节，当室外温度很低，室内外温差大 于一定值时，维持空调机正常工作所需的功如果大于额定功率，系统将会启动保护电路停止工作， 因此热泵型的空调机组只能在一定的温度范围内工作。实际空调机组的热泵制热系数要比卡诺逆循环的工作系数小得多，通常为26。假设热泵制 热系数为5,压缩机做功1焦耳，通过热泵可以向室内提供5焦耳的热量，因此它比直接加热要 经济得多。例 有一台耗电功率为2KW的热泵型空调机，在环境温度为5C时启动，假设室内温度控制 在20C，此时实际的制热系数为2.8,此空调的制热量为多少？若采用电加热器加热，不计损失, 电加热器的功率至少为多少？解空调的制热量为Q = Ww = 5.6 x 103J. s-ip若采用电加热器，如单位时间内要产生相同的热量，则其功率不能小于5.6KW。参考资料1 张三慧.大学物理学.北京：清华大学出版社.19992 马文蔚.物理学原理在工程技术中的应用.北京：高等教育出版社.2001
