城轨交通车辆空调系统-热力学基础

项目六城轨交通车辆空调系统城轨交通车辆空调系统是调节车厢内空气的温度、湿度、洁净度和气流速度的装置，是满足乘客乘坐安全性和舒适性的重要设备，本项目着重学习城轨交通车辆空气调节、制冷、制热的基本原理和基本设备的基础知识，熟悉城轨交通车辆空调系统的构成，了解空调机组装置及内部部件，车辆通风、加热装置，以及典型城轨交通空调机组的技术参数和日常维护等。项目导入学习目标（1）掌握湿空气的基本概念、湿空气的四个基本物理参数和热量的基本概念、特点。（2）掌握空调制冷、制热原理和空调系统的构成。（3）掌握蒸汽压缩式制冷的四个过程。（4）了解城市车辆空调系统的主要分类和作用。（5）掌握城轨交通车辆空调系统的主要装置，能够说明和分析城轨交通车辆空调系统的构成和主要装置的作用。任务一热力学基础任务一热力学基础城轨交通车辆车体车体是城轨交通车辆的基础框架和主体，车体的主要作用是运载乘客、承受车辆垂直载荷，并安装传动机构、电气设备和服务设施，车体材料还要具有防火、隔音、隔热等性能。任务一热力学基础知识是学习城轨交通车辆空调系统原理与维修技术的基础，因此必须熟悉城轨交通车辆相关的制冷与空调的热力学知识。热力学中将含有水蒸气的空气称为湿空气，自然界供我们呼吸的空气就是湿空气，城轨交通系统车辆的空调系统调节的主要对象也是湿空气，因此我们必须以湿空气作为研究对象进行学习。自然界的大气中永远包含一定量的水蒸气，绝对干的空气在自然界中是不存在的，另外空气也是由很多气体组成的一种混合气体，但在一般空调系统中我们将空气看作一个整体，对它的组成成分不做详细讨论。因此可以这样理解，湿空气就是自然界的空气，组成可理解为湿空气=干空气+水蒸气。湿空气的相关物理参数主要有压力、温度、温度、含湿量与露点、热量、焓。任务一湿空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体，湿空气的压力等于干空气分压力Pg与水蒸气的分压力Pzq之和。在城轨交通车辆等舒适性空调工程中湿空气就是自然界的大气，湿空气的总压力就是当地的大气压b。为了能更清楚地学习和掌握湿空气的压力等概念，尤其是对水蒸气的分压力有进一步的认识，必须了解饱和空气及未饱和空气的概念。一、压力任务一1.饱和空气在一定的温度条件下，空气中所含水蒸气分子越多，水蒸气的分压力就越大。如果空气中水蒸气的含量超过某一含量时，空气中就有水析出，说明在一定温度条件下，湿空气中容纳的水蒸气的数量是有一个最大限量的。也就是说，湿空气中水蒸气分压力有一个最大值，这个最大值就称为该温度下的饱和水蒸气分压力Pbh。在大气中，如果水蒸发为汽的数量与空气中水蒸气凝结为水的数量相等，此时大气中所含的水蒸气数量达到最大限度，即水蒸气处于饱和状态。这种湿空气就是干空气与饱和水蒸气的混合物，称为饱和空气。一、压力任务一2.未饱和空气如果湿空气中水蒸气的分压力低于其相同温度下的饱和空气水蒸气的分压力，这时的水蒸气处于过热状态，这种湿空气就是干空气和过热水蒸气的混合物，称为未饱和空气。由此可见，在一定的温度条件下，湿空气中水蒸气分压力的大小，是衡量水蒸气含量即空气干燥或潮湿的指示。温度越高，水蒸气的分压力就越大。一、压力任务一温度可以理解为空气分子热运动的结果，而湿空气是干空气和水蒸气的混合物。湿空气的温度就是干空气的温度，也就是水蒸气的温度，即T=Tg=Tzq测量温度的仪器为温度计。当温度计与物体之间不再有热量传递，或者说达到热平衡时，温度计的指示值不再变化，此时温度计的指示值就是被测物体的温度。温度计的种类很多，常见的有液体温度计（如水银温度计、酒精温度计等）、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、比色高温度计等。测量温度的标尺称为温标，工程上常用的温标又可以分为三种：热力学温标、摄氏温标和华氏温标。二、温度任务一（1）热力学温标。热力学温标又称开尔文温标或绝对温标，符号为T，单位为K；热力学温标是在一个标准大气压下定义纯水的冰点温度为273.16K，沸点温度为373.16K，其间分为100等份，每等份称为热力学温度1度(1K)。二、温度任务一（2）摄氏温标。摄氏温标又称国际温标，符号为t，单位为℃；在一个标准大气压下，把纯水的冰点温度定为0℃，沸点温度定为100℃，其间分成100等份，每一等份为1℃。若温度低于0℃时，应在温度数字前面加“－”号。二、温度任务一（3）华氏温标。华氏温标符号用θ表示，单位为℉。华氏温标是在一个标准大气压下把纯水的冰点温度设定为32℉，沸点温度设定为212℉，其间分成180等份，每一等份就称为1℉。三种温标的换算关系如下：t=T－273.16(℃)或简化为t=T－273(℃)θ=95t+32()T=t+273.16(K)或简化T=t+273(K)温度通常用摄氏温度t或者热力学温度T表示。二、温度任务一1.绝对湿度每立方米湿空气中所含水蒸气的质量称为空气的绝对湿度，即γzq=Gzq/V（61）式中，γzq为绝对湿度；Gzq为水蒸气的质量；V为湿空气的体积。绝对湿度只能说明湿空气在某一温度下，实际所含的水蒸气的质量。但还不能由它直接说明湿空气的干、湿程度。因为水蒸气的饱和程度与温度有关，温度低，水蒸气容易达到饱和点；温度高，则饱和点也高。因此，同一绝对湿度的空气在不同的温度下其吸收水分的能力是不同的。在空调系统中常采用相对湿度来表示湿空气的干湿程度。三、湿度任务一2.相对湿度1m3湿空气中所含水蒸气的质量与同一温度下1m3饱和空气中所含水蒸气质量的比值，称为相对湿度，即φ=γzqγbh×100%（6-2）式中，φ为相对湿度；γzq为绝对湿度；γbh为同一湿度下饱和空气中所含水蒸气的质量。从式（6-2）可看出相对湿度反映了湿空气中所含水蒸气的分量接近饱和的程度，故亦可称为饱和度。三、湿度任务一2.相对湿度相对湿度可用由两支完全相同的温度计组成的干、湿球温度计来测量。其中一支温度计叫干球温度计，用来测量空气的温度；另一支叫湿球温度计，其下端包着棉纱且浸在水中。由于水分的蒸发，湿球温度总是低于干球温度，如图6-1所示。空气相对湿度越小，水越容易蒸发，干、湿球温差越大；反之，空气相对湿度越大，干湿、球温差越小。三、湿度任务一三、湿度如图

6-1任务一在空调工程中，调节湿空气中水蒸气的含量是经常遇到的问题。但用什么样的数值来表示水蒸气的含量最为方便呢？若以单位体积即绝对湿度来表示，由于空气温度的变化，其体积也随之而变化，虽然其中水蒸气的绝对含量不变，但单位体积即1m3湿空气内含有的水蒸气量相应地发生了变化，绝对湿度的数值也就不同了；四、含湿量与露点任务一若用单位质量即1kg湿空气中所带有的水蒸气质量来表示，虽然没有随着空气温度变化的问题，但湿空气在其状态变化过程中，由于水分的蒸发或水蒸气的凝结，不仅水蒸气的含量发生了变化，而且因为G=Gg+Gzq，湿空气的质量也发生了变化，因此以湿空气的体积或质量作为标准，都会给计算带来麻烦。但可以看到无论湿空气的状态如何变化，其中干空气的质量总是不变的。为了计算方便，就采用1kg干空气作为计算的标准。四、含湿量与露点任务一随1kg干空气同时存在的水蒸气质量（g），称为湿空气的含湿量，用符号d来表示，单位为g/kg。d=(Gzq/Gg)×1000值得注意的是，这里是以1kg干空气作为标准，而非1kg湿空气，湿空气应是（1+d/1000）kg。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凝结时的温度叫露点。在空调技术中，常利用冷却方式使空气温度降到露点温度以下，以便水蒸气从空气中析出凝结成水，从而达到干燥空气的目的。空气的含湿量大，它的露点温度就高，物体表面也就容易结霜。四、含湿量与露点任务一热量是能量变化的一种量度，表示物体在吸热或放热过程中所转移的热能。热量有显热和潜热两种形式。显热是指物体在只改变温度而不改变其状态的过程中所转移的热量，如水的温度从20℃升至80℃，这时水吸收的热量为显热。显热=干空气的比热容×温差+水蒸气的比热容×温差潜热是指物质在只改变状态（如熔化、液化等）而不改变温度的过程中所转移的热量，如将100℃的水变为100℃的水蒸气时需要吸收的热量。依据物态变化，潜热可分为汽化热、液化热、熔化热和凝固热等。五、热量任务一在实际应用中，水的潜热与显热的关系如图6-2所示。图6-2水的潜热与显热的关系热量的法定单位是J（焦），非法定单位是cal（卡）。英国等国家常用Btu和MBH作为热量单位，它们之间的换算关系是：1J=0.2