制冷与空调技术基础知识

1、 第第1 1章章 制冷与空调技术基础知识制冷与空调技术基础知识 1.1 热力学基础知热力学基础知 1.1.1 物质的三种状态物质的三种状态 自然界中的物质一般是由分子组成的。组成物质的分子间有一定的距离。分子 间始终存在着相互作用力，这种作用力有时表现为斥力，有时表现为引力。而且 分子作永不停息的无规则运动，分子的这种无规则运动称为热运动。由于物质分 子间的距离不同，因而分子间相互作用力的大小不同，热运动的方式也不同，使 物质呈现出三种不同的状态。 （1）固态 （2）液态 （3）气态 1.1.2 物质相变与热量转移物质相变与热量转移 自然界中，物质的三种状态之间在一定的条件下可以相互转化，这个

2、转化过 程叫相变。物态变化与热量转移如图11所示。 图11 物态变化与热量转移 1.1.3 温度和温标温度和温标 1.温度温度 温度是表示物体冷热程度的物理量，是物体内部分子热运动的平均动能的标志。 2. 温标温标 测量温度的标尺称为温标。常用的温标有摄氏温标及热力学温标两种，其中热 力学温标为国际单位制温标。 （1）摄氏温标 以标准大气压下水的冰点为0度，水的沸点为100度，在0度与100度之间平均分 成100等份，每等份为1摄氏度，记做1。用摄氏温标表示的温度称为摄氏温度， 用符号t表示。 （2）热力学温标 热力学温标常称为开氏温标或绝对温标，这种温标是以物质内部分子热运动速度 为零时所对

3、应的温度为起点，称为热力学零度。用热力学温标表示的温度叫热力学 温度或绝对温度，用符号T表示，单位为K ，读做“开尔文”。 K 273 C K 15.273 C oo tt T （3）两种温标间温度的换算 由于摄氏温标、热力学温标将水的冰点与沸点间均分为100等份，因此每等份是 相同的，即11 K ，所不同的是起点值不同。所以二者的换算为： 式（11） 或 C273 K C15.273 K oo TT t 式（12） 1.1.4 干、湿球温度干、湿球温度 （1）干球温度 将一般的温度计，例如水银温度计，置于室外，测得的环境温度就是干球温 度。 （2）湿球温度 将水银温度计的感温球包扎上湿润的纱

4、布，并将纱布下端浸于充水容器中， 就构成湿球温度计，如图12所示。将湿球温度计置于通风处，其读数就成为湿 球温度。 1.1.5 湿度与露点湿度与露点 空气中含有水蒸气。在一定温度下， 空气中所含水蒸气的量达到最大值时， 这种空气就叫做饱和空气。当空气未达 到饱和时，空气中所含水蒸气的多少用 湿度来表示，湿度常用绝对湿度、相对 湿度、含湿量、露点来表示。 1. 绝对湿度、相对湿度绝对湿度、相对湿度 单位体积空气中含水蒸气的质量，叫 做空气的绝对湿度，单位为kgm3 。 而相对湿度是指在某一温度时，空气中 所含水蒸气质量与同一温度下空气中的 饱和水蒸气质量的百分比。 图12 干、湿球温度 空气中的

5、绝对湿度与相对湿度的关系是： 相对湿度绝对湿度（以水蒸气分压表示）饱和水蒸气压力 2. 含湿量与露点含湿量与露点 在实际应用中，一般不使用绝对湿度，而使用“含湿量”这一概念。1kg干空 气所含水蒸气的质量，叫做空气的含湿量，其单位是gkg 。在含湿量不变的条 件下，空气中水蒸气刚好达到饱和时的温度或湿空气开始结露时的温度叫露点。 1.1.6 过热度与过冷度过热度与过冷度 先以水蒸气的形成过程为例解释几个概念。图13所示的开口容器中装有 25的水，水面上有一个能上下自由移动，却又起密封作用的活塞，活塞的重 量略去不计，即水面有一个大气压的作用。若将水加热到饱和温度100时，这 时称为饱和水。25

6、的水显然比100的饱和温度低，这种比饱和温度低的水称 为过冷水。饱和温度与过冷温度之差为过冷度。其中过冷水的过冷度为100 2575。若将饱和水继续加热，水温将保持100不变，而水不断汽化为 水蒸气。这时容器中是饱和水和饱和蒸汽的混合物，称为湿蒸汽。再继续加热 时，水全部汽化为蒸汽而温度保持100不变，此时的蒸汽称为干蒸汽。若再继 续加热，干蒸汽继续加热升温，温度超过饱和温度100，此时的蒸汽称为过热 蒸汽。过热蒸汽的温度与饱和温度之差称为过热度。 图13 过冷与过热过程 a）过冷水 b）饱和水 c）湿蒸汽 d）干蒸汽 e）过热蒸汽 1. 过热过热 在制冷技术中，过热是针对制冷剂蒸气而言的。当

7、蒸气的压力一定，而温度高 于该压力下相对应的饱和温度时就称为过热蒸气；同样当温度一定，而压力低于 该温度下相对应的饱和压力时，也称为过热蒸气。 2. 过冷过冷 在制冷技术中，过冷是针对制冷剂液体而言的。在压力一定时，温度低于该压 力下相对应的饱和温度就称为过冷。 1.1.7 压力和真空度压力和真空度 1. 压力压力 工程上常把单位面积上受到的垂直作用力叫做压力，压力的法定单位是Pa（帕）。 2. 绝对压力和表压力绝对压力和表压力 测量气体压力时，由于测量压力的基准不同，因此压力有绝对压力和表压力 两种表示方法。绝对压力是指作用在单位面积上的压力的绝对值，而表压力是指 压力表上的读数。 3. 真

8、空度真空度 真空是指某一空间单位体积中气体分子的数目减少到其压力低于标准大气压的 气体状态。真空中并不是没有物质，完全没有物质的空间称为“绝对真空”，但是绝 对真空是不存在的。 密闭容器中气体压力（绝对压力）低于大气压力时，大气压力与容器内气体压 力之差称为真空度。反映在压力表上为负表压。 绝对压力、表压力与真空度三者之间关系如图14所示。 图14 绝对压力、表压力和真空度的关系 测量真空度的仪器很多， 在制冷设备修理中常用U形管 真空计和真空压力表。用U形 管真空计测量系统真空度的方 法如图15所示：U形管的右 端与被测容器相连时，两液面 之差h即为真空度。 图15 低真空度的测量1.1.8

9、 饱和温度与饱和压力饱和温度与饱和压力 处在密闭容器内的液体，因吸收外界热量而部分变成气体，与此同时，也有 一部分气体因失去部分能量而回到液体表面。当从液体离开的分子数与返回液 体的分子数相等时，蒸气的密度不再改变，即达到饱和状态，温度和压力也稳 定不变。饱和状态下的蒸气称为饱和蒸气。此时的温度称为饱和温度，用ts表 示。相应的蒸气压力称为饱和蒸气压力，用ps 表示 1.1.9 热量、比热容、显热和潜热热量、比热容、显热和潜热 1. 热量热量 热量是表示物体吸热或放热多少的物理量。热量的法定计量单位为焦耳（J） 或千焦耳（kJ）。以往工程上通用的热量单位为千卡（kcal）又称大卡。1kcal是

10、 指1kg纯水在标准大气压下，温度从19.5加热到20.5所吸收的热量。 千卡与千焦耳之间的换算为： 1 kcal4.187 kJ或1 kJ0.2389 kcal 2. 比热容比热容 单位质量的某种物质，温度升高或降低1 K所吸收或放出的热量，称为这种物质 的比热容或质量热容（比热容通常简称为比热），用符号c表示，单位常用千焦耳 （千克开尔文）kJ(kgK)。 有了物质的比热容，就可以计算物质在温度改变时吸收或放出的热量。其计算公 式如下： )( 0 TTcmQ 式（14） 2. 显热和潜热显热和潜热 物质在加热或冷却过程中，仅仅使物质的温度升高或降低，而并没有改变物质的 状态时，它所吸收或放

11、出的热量称为显热。它可以用温度计来测量。它是人们可感 觉得到的热，所以又称为可感热。 物质在加热或冷却过程中，只改变状态而温度不发生变化，所吸收或放出的热 量称为该物质的潜热。潜热无法用温度计测量出来，也无法感觉到，但它可以计算 出来。 1.1.10 制冷量与制热量制冷量与制热量 制冷量、制热量用于表示制冷或制热的能力，用W或kW表示。单位重量制冷 量、制热量（kcalkg）表示制冷设备运行时，每千克（kg）重量制冷剂能从密闭 的空间或环境中吸收或释放多少大卡（kcal）热量。 1.1.11 热力系统、工质与介质热力系统、工质与介质 1. 热力系统热力系统 在热力学研究中，研究者所指定的具体研

12、究对象，称为热力系统，简称系统。 和系统发生相互作用（能量交换或质量交换）的周围环境称为外界或环境。 2. 工质工质 在热力工程中，把可以实现能量转换和物态改变的物质称为工质。在制冷技 术中工质又称为制冷剂或制冷工质，例如家用冰箱、空调器过去常用的制冷剂氟 利昂12、氟利昂22等。 3. 介质介质 在制冷技术中，凡可用来转移热量和冷量的物质，称为介质。一般常用的介质 是水和空气。 1.1.12 热传递与热平衡热传递与热平衡 把两个温度不同的物体放在一起，热量便从高温物体传向低温物体，这种现 象称为热传递。热传递是一个十分复杂的过程。为了分析研究方便，根据物理过 程的不同，将它分为三种基本形式：

13、热传导、热对流和热辐射。 1. 热传导热传导 热传导简称为导热，它是指热量从同一物体温度较高的部分传到温度较低的 部分；或者是指两个相互接触的物体，热量从温度较高的物体传到温度较低的物 体，而物体各部分物质之间并无相对的位移。 面积为1m2 ，厚度为1m ，两端平面间温差为1的某种物质，在1h内传导的热 量即为该物质的导热系数或称热导率，用符号表示。导热系数的单位名称为瓦 特每米开尔文，单位符号为W(mK)。 tA （W） 式（15） 式中： A 导热面积，单位为m2 ； 壁厚，单位为m ； t 导热温差，单位为K ； 导热系数，单位为W（mK）。 2. 热对流热对流 热对流只能在液体或气体中

14、进行，是流体特有的一种传热方式。当流体内部出现温 差时，高温处膨胀，密度降低，向上移动；低温处密度大，在重力作用下，向下移 动。这种靠流体密度差的自身流动进行热传递的方式，称为自然对流。如果是由外 力（如风扇的搅动或水泵的抽吸）强制性地进行热传递，则称为强迫对流。 对流传热是基本的传热方式。热对流的传热流量由对流速度、传热面积及对流的 物质决定。热对流的基本计算公式为： taA （W） 式（16） 式中： 传热系数，单位为W(m2K)； t 流体与壁面间的温度差，单位为K ； A 换热面积，单位为m2。 1 称为传热热阻，单位为m2KW ，与导热热阻相对应。 3. 热辐射热辐射 热辐射是以光的

15、速度把热量通过空间从一个物体传给另一个物体，并以电 磁辐射的形式进行能量传递的。热辐射的特点是在能量传递过程中，同时发生 能量的转换。 实际的传热过程中往往是三种方式同时进行的。在电冰箱后部的冷凝器中制 冷剂的高温高压蒸气的热量，既通过管壁以传导的方式传至空气中，又由空气 以对流的方式带到室内其他地方，还由高温管壁以辐射的方式直接向外散发。 1.1.13 内能、焓与熵内能、焓与熵 1. 内能内能 内能又称热力学能，是物质内部各种微观能量的总和。在热力学中，内能是 分子热运动动能（内动能）和分子间的位能（内位能）的总和。内动能与温度有 关，内位能与体积或压力有关。所以，内能是一个状态参数，常用符

16、号U表示，单 位为焦耳（J）。u表示单位质量的内能，称为比内能，单位为焦耳每千克（J kg）。 2. 焓焓 焓是一个复合的状态参数，表征系统中的总能量。对流动工质而言，焓是内 能U与压力位能pV之和，用H表示，即： pVUH（J或kJ） 式（17） 3. 熵熵 熵和焓一样，也是描述物质状态的参数，表征工质状态变化时，其热量传递 的程度和方向。 熵是1kg物质在状态变化过程中吸收或放出的热量Q和此时物质的热力学温度 T的比值，用S表示，其关系式为： T Q S SQ UWQ kJ/(kgK) 式（19） 则 式（110） 即物质吸收或放出的热量等于物质的热力学温度和熵的变化的乘积。 1.1.14

17、 热力学定律热力学定律 1. 热力学第一定律热力学第一定律 自然界的一切能量在一定的条件下可以相互转换，但总的能量是保持不变的。这是 自然界最普遍、最基本的规律，称为能量守恒与转换定律，又称热力学第一定律。 用数学式表示为： 式（111） 式中：Q 加给1kg工质的热量，单位为kJ ； U 1kg工质内能的变化，单位为kJ ； W 1kg工质膨胀时，对外界所做的功（称为膨胀功），单位为kJ 。 2. 热力学第二定律热力学第二定律 热力学第二定律说明了热能转变为功的条件和方向问题。在自然界中，热量总是 自发地从高温物体传向低温物体，而不能自发地从低温物体传向高温物体。欲使低 温物体的热量转移到高

18、温物体中去，必须消耗外界功。 1.2 制冷原理制冷原理 1.2.1 制冷技术制冷技术 制冷设备是使用制冷技术来达到降温目的的制冷设备。制冷技术是一种用人工 方法取得低温的技术，即用人工的方法，通过一定的设备在一定时间内使某一空 间内物体的温度低于周围环境的温度，并维持这个低温的技术。 制冷的另一种途径是天然制冷。天然制冷利用的是天然冰、深井水和地道风等天 然冷源。其耗能较少，但是受到地理条件的限制，使用范围较窄，因而在现代生 产中很少被采用，而人工制冷的应用则很广泛。 1.2.2 蒸气压缩式制冷的基本工作原理蒸气压缩式制冷的基本工作原理 蒸气压缩式制冷设备的制冷系统主要由压缩机、冷凝器、毛细管

19、、干燥过滤器和 蒸发器五大部分组成，由制冷管道将其连成密闭系统，如图16所示。 图16 蒸气压缩式制冷设备工作原理图 通过上述分析，我们可以看出制冷设备五大部件各有不同的功能。 1）压缩机用来提高制冷剂气体的压力和温度。 2）冷凝器用来放热，使制冷剂气体凝结成液体。 3）干燥过滤器用来滤除制冷剂液体中的污垢和水分。 4）毛细管使制冷剂液体在冷凝器和蒸发器之间形成一个压力差，达到节流、 降压的目的。 5）蒸发器能使制冷剂液体吸热汽化，从而降低其周围温度。 因此，要使制冷剂永远重复利用，在制冷系统中达到制冷效果，上述五大部件 缺一不可。由于使用条件的不同，有的制冷系统在上述五大部件的基础上，还增添

20、 了一些附属设备以满足系统的需要。 1.2.3 吸收式制冷的基本吸收式制冷的基本 工作原理工作原理 吸收式制冷设备制冷系统主要由 发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、 储液器和热源等组成。图17为吸收 式制冷设备工作原理图。 图17 吸收式制冷设备工作原理图 1热源 2发生器 3精馏管 4冷凝器 5斜管 6储液器与液封 7蒸发器 8吸收器 1.2.4 半导体式制冷的基本工作原理半导体式制冷的基本工作原理 半导体式制冷设备又称温差电制冷或电子制冷设备，由P型半导体、N型半导体、 散热片、可变电阻器等组成。 半导体制冷系统是利用半导体的帕尔贴效应，在其两端形成温差而实现制冷的。 换句话说，其是建立在帕

21、尔贴效应上依靠电子运动传递热量实现制冷的。其制冷原理 如图18所示。 图18 半导体式制冷设备工作原理图 1N型半导体 2P型半导体 3散热片 4可变电阻器 1.2.5 三种不同制冷原理的制冷设备比较三种不同制冷原理的制冷设备比较 目前市场上的小型制冷设备以蒸气压缩式为主，其优点是寿命长、使用方便。 吸收式制冷设备效率低、降温慢，现已逐渐被淘汰。 半导体式制冷设备的优点是制冷系统中无机械运动、无噪声、制造方便，缺点 是效率低，因此目前仅用于几十升的小容器及一些医药、生物工程上的专用设备、 专用仪器等特殊场合。 1.3 制冷剂与冷冻油制冷剂与冷冻油 1.3.1 制冷剂制冷剂 制冷剂也称冷媒，是制

22、冷装置 完成制冷循环的介质，又称为制 冷工质。 图19、图110所示分别为制 冷剂瓶和制冷剂罐。 图19 制冷剂瓶 图110 制冷剂罐 1制冷剂种类制冷剂种类 制冷剂有如下几种。 （1）无机化合物 如NH3（R717）、SO2（R764）、CO2（R744）、H2O （R718）等。 （2）氟利昂 如CFCl3（R11）、CF2Cl2 （R12）、CHF2 C1（R22）等。氟 利昂是饱和碳氢化合物的氟、氯和溴的衍生物的总称。 （3）混合工质 是由两种以上单一工质混合而成的混合工质。混合工质有共 沸混合工质和非共沸混合工质之分。 （4）R12的替代物 其中一种是HFC化合物R134a ，另一种是天然存在的HC 制冷剂，如国外的R600a 、HR12及我国国产的CN01等。 2制冷设备对制冷剂性能的要求制冷设备对制冷剂性能的要求 （1）热力学性质 （2）物理性质 （3）化学性质 3制冷设备常用的制冷剂及其替代物制冷设备常用的制冷剂及其替代物 （1）R12 即二氟二氯甲烷。原有的冰箱基本上都以R12为制冷剂。 （2）R22 即二氟一氯甲烷，房间空调和一些大中型制冷机采用R22为制冷剂。 （3）R134a R134a即四氟乙烷。R134a具有与R12相接近的热力学性质。 4新型制冷剂新型制冷剂 （1）HC制冷剂在制冷设备中的应用 （2）R600a在冰箱