制冷与空调技术基础知识资料

第1章制冷与空调技术基础知识1.1热力学基础知1.1.1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，这个转化过程叫相变。物态变化与热量转移如图1–1所示。图1–1物态变化与热量转移1.1.3温度和温标1.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]”。K273CK15.273CoottT（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1℃＝1K，所不同的是起点值不同。所以二者的换算为：式（1–1）或C273KC15.273KooTTt式（1–2）1.1.4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布，并将纱布下端浸于充水容器中，就构成湿球温度计，如图1–2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kg／m3。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1–2干、湿球温度空气中的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g／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结露时的温度叫露点。1.1.6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1–3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℃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℃﹣25℃＝75℃。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1–3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.过热在制冷技术中，过热是针对制冷剂蒸气而言的。当蒸气的压力一定，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1.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1–4所示。图1–4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1–5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1–5低真空度的测量1.1.8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1.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：1kcal＝4.187kJ或1kJ＝0.2389kcal2.比热容单位质量的某种物质，温度升高或降低1K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／(kg·K)]。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：)(0TTcmQ式（1–4）2.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、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（kcal／kg）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1.热力系统在热力学研究中，研究者所指定的具体研究对象，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：热传导、热对流和热辐射。1.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λ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／(m·K)。tAΦ（W）式（1–5）式中：A——导热面积，单位为m2；δ——壁厚，单位为m；Δt——导热温差，单位为K；λ——导热系数，单位为W／（m·K）。2.热对流热对流只能在液体或气体中进行，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：taAΦ（W）式（1–6）式中：α——传热系数，单位为W／(m2·K)；Δt——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m2·K／W，与导热热阻相对应。3.热辐射热辐射是以光的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1.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（1–7）3.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：TQSSQUWQ[kJ/(kg·K)]式（1–9）则式（1–10）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热力学定律1.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（1–11）式中：Q——加给1kg工质的热量，单位为kJ；ΔU——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温物体中去，必须消耗外界功。1.2制冷原理1.2.1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设备的制冷系统主要由压缩机、冷凝器、毛细管