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1、热力学基本原理能源产品部:尤乃峰热力学基本定律、基本概念热力学分析问题的方法： 一般是从宏观和微观两个角度 比如： 宏观： 温度就是物体的冷热程度 微观： 从分子角度，温度是物质分子运动的剧烈程度 热力学： 就是用宏观和微观的方法 ，研究热能转达化为机械能的方法和规律，以及提高转化效率的途径。 我们研究空调重点研究是气态或液态物质。热力学的基本定律：热力学第一定律： 能量是可以转换的，可以传递的，能量的总量保持不变。(能量守衡定律) Q=W 物质吸收了热量膨胀，对外界作功把一部份能量传给了外界，热能转化为机械能。 是人们在长期的实践中总结出来的原理，没有任何前提假设和推导；具有广泛的意义。热力
2、学的基本定律：热力学第二定律： 物质从高温物体吸收热量只能部分作功转化为机械能，剩余部分热量传给低温物体。 分析：1、能量传递和转换有方向性:热量从高温物体传向低温物体 时是自发的。 2、能量传递要有温差:从高温物体吸收热量要有部分送到低 温物体,只从单一物体吸收热量全部做机械功是不可能的. 本定律与第一定律相互之间独立；也是人们在长期的实践中总结出来的原理，没有任何前提假设和推导；具有广泛的意义。 基本概念（一） 物质的热力状态： 热力状态有三个基本表达参数： 温度T：物质的冷热程度 物质的内能U和温度有关 体积V：一定质量的物体占有的空间大 小（比容：单位质量的物质占有 的体积） 压力P：
3、即单位接触面积上的承受的压力 基本概念（二） 能量 内能 、推动功 内能 ： 物质因大量分子剧烈运动而具有的内热能,和由于分子之间有吸力而具有的内位能之和。 推动功： 物质因流动性而具有的使本身质量迁移的能量，这部份能量我们称之为： 推动功=P（压力）V（体积） 气体受热膨胀做功有能量形式转化（热能转化为机械能），热力状态也变化（压力P变小、体积V增大）；而推动功只有传递，即推动流体前移做功，热力状态也不变。 基本概念（三）能量焓 焓：也是热力状态参数之一 H=U+P V 焓=内能+推动功 物体流动时，不仅携带有自身的内能，还有从后面得到的推动自身移动的推动功。焓更为全面地概括了物体具有的能量
4、总和。我们衡量某一空调的制冷能力就可以根据蒸发前后制冷剂的焓差来进行精确计算。 流体还具有一定的流动速度而具有的动能，和因具有一定的高度而具的势能。但在热力学中占的比例很小，一般可以忽略不计。热力参数之间内在关系：状态方程、压焓图 状态方程: A、理想气体的状态方程： P V/T=常数 从上式我们可以看出：在一个密闭容器中，温度越高，气体的压力就越大。 B、实际气体的状态方程： （P+a/V2）(V-b)=R T 本公式虽然为实验所得公式，但在实际应用中仍有很高的可靠性和准确性。显热1kg水从30加热到80，水吸热了209.38kJ(50kcal)物体吸热或放热后，只改变物体的温度，而不改变物
5、体的相态，这种热量称显热。是物质分子运动的是物质分子运动的能量能量 , 它可以通过温计进行测量它可以通过温计进行测量 。计算某一房间的热负荷时，空气温度高于设定温度而产生的热负荷称为显热负荷。显热的计算公式潜热1kg100水改变成100的水蒸气需吸热2257.2kJ1kg0水改变成0的水蒸气需吸热2501kJ物体吸热或放热时，只改变物体的状态，而物体的温度不变，这种热量称潜热。是物质分子是物质分子分离与重组放出分离与重组放出 ( 吸收吸收 ) 的热量的热量 , 它不能通过它不能通过温度计进行测量温度计进行测量 .计算某一房间的热负荷时，空气湿度高于设定湿度而产生的热负荷称为潜热负荷潜热的计算公
6、式显热比对于某一个房间来说，显热比即该房间的热负荷中显热负荷占总热负荷的百分比。 空调的性能参数中描述的显热比则表示该空调的制冷能力中，显冷量占总冷量的百分比。我们对某一特定房间进行空调设备设备选型时，应根据该房间的热负荷的显热比，选择对应显热比制冷能力的空调设备。1 1kgkg水的热值比较（一个标准大气压）水的热值比较（一个标准大气压）1、在小于一个标准大气压情况下，水的沸点低于100度。即水的蒸发温度是随着压力而改变的，压力越高，蒸发温度越高。2、一个标准大气压下，当水的温度低于100度时，它一定处于液态，我们称为过冷水。水的温度高于100度，一定处于气态，我们称为过热蒸汽3、蒸发及其逆向
7、的冷凝过程是一个饱和过程，在此过程中温度压力均不变。当水完全蒸发为蒸汽后，如果继续加热，水蒸气的温度将继续升高，这时对应于其饱和温度来说我们称为过热蒸汽。制冷剂的状态变化1、水也是制冷剂的一种，制冷循环吸热或放热利用的正是物质相态转变时需要吸收或放出的巨大的热量，因为水在正常压力下饱和温度较高，不能吸收通常温度下室内的热量，所以不常用。2、而R22在正常压力（70PSIG），其蒸发温度为（4.5 ），且单位容积制冷能力较强，对于人类理想的舒适温度21-27 来说，是非常理想的冷源。3、与水的性质类似，对于R22来说，在（ 70PSIG ）压力下，饱和温度为（ 4.5 ），故在此压力下蒸发过程制
8、冷剂温度恒定为（ 4.5 ），蒸发过程首先是饱和液体状态，然后是气液混合状态，液体比例逐渐减小，最终达到了饱和气体状态。在（ 70PSIG ）压力下，如果R22的温度低于（ 4.5 ），其一定处于液态，且温度低于饱和点，我们称其为过冷液体。如果R22的温度高于（ 4.5 ），其一定处于气态，且温度高于饱和点，我们称其为过热气体 。4、为实现制冷剂在温度相对较高的冷凝器一侧的冷凝散热，唯有通过升高制冷剂的压力来提高其饱和温度，使其高于室外环境温度从而实现散热冷凝过程。制冷剂的状态变化制冷循环制冷组件的特性制冷发展简史w1800 人们发现冰(雪)和盐混合时具有制 冷效应,能够大幅度降低水温,使水结
9、冰w1834 J.英国人波尔金斯制成第一台使用 乙醚作为制冷剂的压缩式制冷机w1873 德国人林杰发明了氨制冷机w1876 甲醚被用于制冷剂用来从阿根廷到 法国运输肉类w19世纪末 l随着机械制冷技术不断成熟,产生 大量可应用的制冷剂如氨水,二氧化碳,二氧化 硫,氯甲烷以及烃类 w20实际初 Start制冷技术开始进入工业 化应用 ,而当时已经开发的制冷剂 工作压力较高且大多数均具有毒性和 可燃性w1928 一种新型的制冷剂(二氯二氟甲 烷)在 美国合成成功.它不可燃,且具有 低的毒性,工 作压力低,属于人们期望 的理想的制冷剂 w1931 杜邦 公司开始大规模工业化生产 这种 新合成的制冷剂
10、.氟里昂家族从此 诞生了.w1930-1950 制冷剂家族以及大型商用 空调了获得飞速的发展.w1988 蒙特利尔协议.缔约国就限制使用 对大气臭氧层具有破坏作用的制冷剂 达成了协议并规定了具体的行动时间表.制冷发展简史w臭氧层是大气中具有微腥臭的浅蓝色气体,主要集中在 距地面20至25KM的平流层内,它是地球的保护伞,阻挡 了99%的紫外线辐射,使地球生物免受紫外线的伤害w臭氧层浓度每降低1%,紫外线的辐射量就增加2%,皮肤癌 患者就增加7%,白内障的患者增加0.6%.紫外线还会破坏 植物的光合作用和受粉能力,最终降低农业产量.w氟里昂在太阳紫外线的照射下会分解出氯原子,氯原子 会夺取臭氧分
11、子中的一个原子而使臭氧变成普通氧.w温室效应:温室气体主要指大气中的CO2,CH4,Ar,O3等也包括制冷剂中CFC. 它可以让短波太阳光几乎不受阻挡的通过,而把从地球表面反射出来的长波 辐射挡住,使地球表面保持了一定温度.但是过量的温室气体排入大气中,会 增强地球表面的温室效应,影响了气温和降雨量,导致气候变暖,海平面升高. 冷量无法制造: 本质是热量的迁移w制冷循环就是实现将热量从空调房间移到另外一个能够容纳并稀释此部分热量的空间的过程. w实现此部分循环的同时要消耗一定量的功. w这种热量传递过程是在一个闭式系统内周期性的重复进行.w吸热和放热过程是利用流体在不同的压力对应的不同的饱和温
12、度下相态变化过程对应的吸热和放热特性(流体的焓发生改变,相态改变过程热量传递量相对于仅仅温度改变来说是巨大的).制冷循环: (饱和蒸汽压缩式制冷循环) w它利用压缩机和卤族元素衍生物类型的制冷剂(饱和蒸汽状态)或有机/无机化合物.采用压缩机使气态制冷剂增压,故称为蒸汽压缩式制冷.w最大制冷能力能达到5000 kW,且价格低廉 .w目前市场上运用最为广泛的压缩技术就是通过此循环实现的.w饱和蒸汽压缩式制冷循环是建立逆卡诺循环基本原理之上.w能够运用此制冷循环的制冷剂的范围非常之宽. w根据组合的电气特性,可实现中高效制冷.w是目前世界范围内运用最为广泛的制冷循环,运用不同厂商的绝大多数机型.制冷
13、系统基本的组成部件压缩式制冷系统的基本组成蒸发器经节流后的液态制冷剂在蒸发器中吸热汽化，使被冷却物质降温，实现制冷的目的。蒸发器蒸发器吸收热量压缩式制冷系统的基本组成冷凝器在冷凝介质的作用下，使压缩机排出的过热饱和蒸汽冷凝为液态。冷凝器盘管 2200 1压缩式制冷系统的基本组成压缩机制冷循环的核心，是制冷剂在系统内循环的动力装置，使蒸发器中的制冷剂保持低压，冷凝器中制冷剂维持高压。压缩机压缩过程压缩式制冷系统的基本组成膨胀阀制冷剂循环流量的调节装置，它对高压液态制冷剂节流降压，使进入蒸发器的制冷剂在要求的低压下吸热蒸发。同时根据被冷却介质的热负荷变化自动调节进入蒸发器的制冷剂的流量膨胀阀作用热
14、力膨胀阀 (TXV)降低进入蒸发器制冷剂的压力.控制流入蒸发器的制冷剂流量. 循环过程在由管道将四部分连接成的密闭系统内，制冷剂在这个密闭的系统中不断循环流动，发生相态的变化，与周围环境进行热交换，从而达到制冷的目的。其工作过程是：液态制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物质的热量之后，汽化成低压、低温的蒸汽，被压缩机吸入压缩成高压、高温的蒸汽，然后进入冷凝器向冷却物质放热而冷凝为高压、常温的液体，在经节流装置节流以后变为低压、低温的液态制冷剂，再次进入蒸发器吸热汽化，从而起到循环制冷的目的。逆卡诺循环 (理想循环)wQ1 向高温热源的散热量. (1-10 -20-2) wQ2 从低温热源的吸热量. (
15、4- 10-20- 3)w压缩功 (1-4-3-2)TS3214Q2Q11020T1T2T = 绝对温度 KS = 熵 W/kg K冷凝器压缩机蒸发器R-22(饱和蒸汽)压焓图hw红线: 饱和液体线 x = 0w黑线: 饱和气体线 x = 1P气体+液体过热气体区临界点过冷液体区 R-22(饱和蒸汽)压焓图(等温线 等干度线 等熵线)Phv = const.s = const.t = const.x = const.压焓图表示的理想制冷循环Q2Q1=Q2+ ALALhQ1冷凝过程蒸发过程节流过程压缩过程Q2P压焓图表示的实际制冷循环过热吸气阀压力降排气阀压力降.desurriscaldamen
16、to蒸发器压力降PP1P2hQ1冷凝过程蒸发过程节流过程压缩过程Q2冷凝器内部压降过冷干度 X = 0-1制冷循环通常压力和温度(分体式空调) R2214 - 20 bar65 - 90 C14 - 20 bar35 - 50C5 - 6 bar6 - 10C4,5 - 5,5 bar10 - 15 C压缩原理压缩原理- -往复式压缩机往复式压缩机往复式压缩机 (开始压缩)Pc = 冷凝压力Pe= 蒸发压力VPPcPeA.B压缩完成PPcPePc = 冷凝压力Pe= 蒸发压力A.B.V排气过程VPc = 冷凝压力Pe= 蒸发压力PPcPeA.B.C.C-C1: 阀门压降膨胀过程A.B.VPPc
17、PePc = 冷凝压力Pe= 蒸发压力.C1D1.D-D1= 阀片压降吸气过程A.B.VPPcPePc = 冷凝压力Pe= 蒸发压力C.D1C1.D.D-D1= 阀片压降h压缩效率随着压缩比的减小而增大衡量压缩机性能技术参数E.E.R. Energy Efficiency Ratio能效能效比比: 单位电动机输入功率的制冷量单位电动机输入功率的制冷量. C.O.P. Coefficient Of Performance性能参数性能参数: 单位轴功率的制冷量单位轴功率的制冷量制冷组件储液罐从冷凝器流入流向节流阀w自动调整系统内循环的制冷剂容量w位于冷凝器与蒸发器之间的制冷剂液体存储装置,自动适应
18、负载的变化,调节冷凝压力使冷凝器工作于最佳工况. w在进行系统维护的过程中,可以容纳绝大部分制冷剂,避免向大气环境排放制冷剂.w降低了调试过程对制冷剂充注量的精度要求A型蒸发器蒸发器经节流后的液态制冷剂在蒸发器中吸热汽化，使被冷却物质降温，实现制冷的目的。由热交换盘管,框架结构,风机等构成干燥过滤器 陶瓷芯芯肋金属外壳分子筛止动弹簧螺纹接口 (SAE)w吸收制冷系统中可能存在的水蒸气 (内部充注有硅胶),水分存在的原因有两方面,一是干燥不严格,二是使用不合格的制冷剂.会产生冰堵以及与制冷剂反应产生盐酸等危害.w过滤掉制冷系统内部可能存在的金属杂质w当硅胶与分子筛组合使用时,可实现干燥与抗酸性能
19、的双重功效. 分子筛的吸附能力比硅胶更强.w一般两种类型:抛弃型,滤芯再充注型.节流装置节流装置是制冷循环中的降压装置,它能够提供可变的可修阻力,正对经过冷凝器冷凝后的高压的液体在进入蒸发器之前进行降压. 对高压液体制冷剂进行节流降压,保证冷凝器与蒸发器之间的压力差,以便使蒸发器中的液态制冷剂在要求的低压对应的饱和温度下蒸发吸热,从而达到制冷降温的目的,同时使冷凝器中气态制冷剂在给定的高压对应的饱和温度下放热冷凝. 它实现根据热负荷以最佳的方式给蒸发器供液(毛细管除外).毛细管制冷循环的流量控制和节流降压元件制冷循环的流量控制和节流降压元件,直径约为直径约为0.72.5mm ,长度约为长度约为
20、0.66m 细而长的紫铜管细而长的紫铜管 (降压原理为突然变径降压原理为突然变径), 产生必需的压降从而使制冷剂产生必需的压降从而使制冷剂能够在蒸发器中吸收热量能够在蒸发器中吸收热量.不可调节装置不可调节装置 (不能适应制冷负荷的变化不能适应制冷负荷的变化),设计过程必须进行仔细的选型从而避免设计过程必须进行仔细的选型从而避免运行过程中蒸发器过量供液或供液不足运行过程中蒸发器过量供液或供液不足.一般用于小容量系统一般用于小容量系统(家用空调家用空调), 有制冷剂充注量的限制有制冷剂充注量的限制, 系统中不能采用储液罐系统中不能采用储液罐.属于静态组件属于静态组件, 可靠性较高可靠性较高 .压缩
21、机停机后压缩机停机后,能够快速的平衡高低压能够快速的平衡高低压,所以即使采用低堵转转矩所以即使采用低堵转转矩(启动转矩启动转矩)的马达的马达,也能够保证压缩机停机后很快再次启动也能够保证压缩机停机后很快再次启动.热力膨胀阀以最佳的方式给蒸发器供液以最佳的方式给蒸发器供液,保证保证蒸发器出口制冷剂蒸汽的过热度蒸发器出口制冷剂蒸汽的过热度稳定稳定.感温包必须与压缩机的吸气管良好感温包必须与压缩机的吸气管良好的接触从而准确的感应压缩机的吸的接触从而准确的感应压缩机的吸气温度气温度,通常充注着与制冷系统内部通常充注着与制冷系统内部相同的制冷剂相同的制冷剂,从而实现通过感温包从而实现通过感温包反馈回来的
22、压力即是压缩机吸气温反馈回来的压力即是压缩机吸气温度对应的该种类型制冷剂的饱和压度对应的该种类型制冷剂的饱和压力力. 通过膨胀阀确保了在运行环境发生通过膨胀阀确保了在运行环境发生变化时变化时(比如热负荷变化比如热负荷变化),实现蒸发实现蒸发器最优及最佳的供液方式器最优及最佳的供液方式. 最佳液位最佳液位外平衡式热力膨胀阀 (1)从冷凝器流入从冷凝器流入被压缩机吸入被压缩机吸入6,4 bar/13C4,8 bar/4,5C (饱和状态饱和状态)13C 感温包测量的管壁温度感温包测量的管壁温度5,4 barP1 = 4,8 barP3 = 6,4 barP2 = 1,6 bar15 bar15 b
23、arP1 + P2 = P3(动态平衡动态平衡)热力膨胀阀 (2) (过热段)A AQ1Q1Q2Q2A AQ1Q1Q2Q2热力膨胀阀 (3) - the M.O.P.-(最大运行压力)w感温包的充注量只根据在某一特定的温度下完全感温包内液态制冷剂完全蒸发来进行修正的.这就等于给作用在膨胀阀膜片上方感温包反馈回来的压力规定了一个上限,因为如果管壁表面温度如果继续增高,只会增加感温包内部气态制冷制冷剂的温度(处于过热状态),而压力基本上不再改变.w此功能有效防止因吸气压力过高而导致压缩机马达过载.From the condenser.热力膨胀阀 (4)w1) 感温包w2) 变形膜片w3) 顶杆w4
24、) 阀芯w5) 压缩弹簧w6) 调节螺杆w7) 密封装置w8) 入口过滤网 板式换热器-水冷冷凝器出水口进水口制冷剂进口制冷剂进口(气态气态)制冷剂出口 (液态)水流量压力调节阀水流量压力调节阀管壳式冷凝器-水冷冷凝器400 psi 泄压泄压阀阀液体出液体出x三通水流量调三通水流量调节阀节阀热气进热气进进出水接口进出水接口管管式冷凝器-水冷冷凝器(外-钢管 内-铜管)风冷冷凝器w室内机组与室外风冷冷凝器之间通过铜管连接组成密闭的系统w冷凝器由热交换盘管,风机,框架结构构成.w通过附件的组件,能够实现维持冷凝压力一年四季基本稳定 (压力开关或电子调速装置连续调速).w冷凝器的型号(即容量)应该根
25、据安装地点所能够达到室外最高环境温度来确定.w冷凝器的冷凝压力控制附件应该根据根据安装地点所能够达到室外最低环境温度来选择.w风冷冷凝器是目前应用最为广泛的冷凝方式过热气体过冷液体电磁阀 (1) (solenoid valves)w电磁阀分为直接控制型和间接控制型w电磁阀的打开或关闭是通过电磁铁芯的上下移动来实现的.而电磁铁芯的上下移动取决于电磁线圈的电压是否存在.电磁阀 (2) 间接控制型导阀+主阀结构线圈未触发, 导阀阀芯关闭,主阀阀芯关闭.流体的压力通过平衡孔作用在主阀阀芯的上方.线圈触发,导阀阀芯开启,主阀阀芯正在开启.作用在主阀阀芯上方的流体压力通过导阀泻入主阀阀芯下方,主阀开始打开线圈触发,导阀阀芯打开,主阀阀芯打开,流体压力作用在主阀阀芯的下方.主阀保持开启状态.液管电磁阀w保证在压缩机停机过程中蒸发器中不会积存大量的制冷剂液体,从而导致压缩机启动过程的液击.w实现在维护过程中单独隔离蒸发器.w实现压缩机启停过程的Pump down 控制.涡旋式压缩机涡旋式压缩机制冷剂R-22制冷剂 R-407C
