暖通空调分区

制冷和制冷系统的工作原理概述

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为了理解空调器的工作原理,首先要懂得一些基本的物理概念。* G5 u: s" I$ : f- f" ] \* H5 w" b2.1 温度" O( U' C3 Y0 n2 {4 f X! ?3 e9 S8 V" m+ g9 k$ g. p' ?2 R4 k. r温度是物体冷热程度的度量。根据气体分子运动论,从微观来看温度是物体大量分子热运动的宏观表现,气体分子热运动的平均动能越大,气体的温度越高。 w* K( i6 f, x

为了理解空调器的工作原理,首先要懂得一些基本的物理概念。* G5 u: s" I$ : f- f" ] \* H5 w" b
2.1 温度" O( U' C3 Y0 n2 {4 f X! ?3 e9 S8 V
" m+ g9 k$ g. p' ?2 R4 k. r
温度是物体冷热程度的度量。根据气体分子运动论,从微观来看温度是物体大量分子热运动的宏观表现,气体分子热运动的平均动能越大,气体的温度越高。
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⑴ 摄氏温标,记作℃,把标准大气压下纯水结冰时的温度定为0℃时,水沸腾的温度为100℃。9 J" q+ ^% u9 j+ v! P
# m, y2 t$ Q) m+ k" S1 G: ]. K
⑵ 华氏温标,记作ºF,32ºF相当于0℃,212ºF相当于100℃。华氏温标与摄氏温标之间的换算关系为:4 s& S) y$ C. J% h
' x- V: g+ {# V( v7 V" g" w J
t (ºF)=9/5* (θ℃)+32% b0 Y9 M* S; j: a( y1 w

|/ {9 }* E3 l$ |+ _6 b, G( O' Mθ(℃)=9/5*[t(ºF)-32]
6 K! ~, t0 s0 P b7 F" A1 B3 _9 M! G. o4 ?+ V7 s
⑶ 开氏温标,记作K,又称热力学温标,热力学温标不能低于0K。0K约相当于-273℃,373K约相当于100℃。根据热力学理论,0K时物质内分子热运动的速度为零。开氏温标与摄氏温标之间的换算关系为4 }6 O( ]1 t/ X9 z Z. |% w

! R" i0 s% z# ]" k4 o8 h5 _T(K)= θ(℃)+273.15
" Z& R6 K+ Z. |: X0 l5 r& X3 u# P9 c: v2 ^
2.2 湿度' Z, h4 z4 ?/ q- h

0 m5 T1 y0 u# Y% U# W" S空气大约由3/4的氮气和1/4的氧气组成,此外还含有少量的其他气体,其中水蒸气的含量是经常变化的,其变动对人们生活的影响也比较大。空气中水蒸气的含量用湿度来表示,表示方式有三种:. t; ?# z* c! H0 o( l; I
; b. |0 Y( P! G% Q+ ]
⑴ 绝对湿度。以单位体积空气中所含水蒸气的质量来计算,其单位是kg/m3/ N# l% D- O* u S# O; B
" L) Q4 U, M3 F( O i$ t
⑵ 相对湿度。在一定温度下空气中所含水蒸气的最大量有一定的限度。所谓相对湿度,即为由下式所规定的百分数:! K( @4 K& t- W" d

& x+ O E0 @0 Y, k相对湿度(记作%H)=空气中水蒸气的含量 / 该温度下水的饱和蒸汽量! m" ]4 U+ o6 J) c
# L" W% H- p- w3 R& ^: R* o
⑶ 含湿量。在空调器运用中,需要对空气加湿或除湿,因此引起了这个参量。把1千克干燥空气所伴有的水蒸气质量称为含湿量。
" x j3 s' \/ Z" {
9 m6 W8 _& n% ` v" O7 `5 D# k' Y5 P2.3 露点
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当空气中的水蒸气超过饱和量时,就会析出水。也即,只要空气的相对湿度达到100%H,如果再降温,就会有水蒸气凝结成水。0 P* L. U- c& r0 b, F* ~
4 ^+ C6 _: e2 A# E( H8 @8 _
我们把冷却到使空气中的相对湿度达到100%时的温度,称为该空气的露点温度。在空调器的使用中,伴随着降温过程有水析出即是这个道理。
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" m7 [9 q2 |8 U& X+ Y8 ]; Y2.4 热量和传热
& X9 m6 b, e) N* D8 q
; \* z" _$ r' ]9 V5 `当两个温度不同的物体相接触时,能量将会从高温物体传向低温物体,最终两物体的温度达到平衡一致。这个能量的转移过程称为传热,转移的能量习惯上称为热量。热量的单位有:焦耳(J),千焦耳(KJ),卡(cal),千卡(kcal)。焦尔与卡之间的换算关系是:1卡=4.1868焦耳7 D# K7 @4 c7 D3 }& H
5 g% ^+ M7 a! O- W4 C- Q) J3 e* Q
物体传热的方式有三种:对流、热传导、热辐射。
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⑴ 液体或气体的对流运动而进行的热传递,称为热对流。热对流如果是由于液体或气体自重的比重变化所引起,称为自然对流;如果是由于外加力所引起的,则为强制对流。空调器内安装离心风机和轴流风机,强制空气流动,都是为了强迫换热。
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⑵ 热传导。当两个温度不同的物体相接触或同一物体个部分的温度不相等时,在温度梯度的驱动下形成的传热称为热传导。' Q, Z# N# l, H" M* s$ F; Y

2 r- u8 }3 t! [7 ?$ J' L; e" a⑶ 热辐射。物体的热量不用借助中间的传热介质,而是转化为辐射能,穿过空间向四周传播,称为热辐射。, O# z6 F, v, ^: P2 O+ [
6 s- x, H6 O& o/ M- N6 C7 p
2.5 比热、显热与潜热9 T- N- a( n% T1 y; `9 K
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⑴比热。 使1克的某种物质温度升高1℃所需的热量定义为该物质的比热。
! @ s% b9 X9 @* T. b+ l, {3 Q
) i. l& o# J9 K t$ \, Q0 r⑵显热。 当物体吸热(或放热)仅使物体分子的热动能增加(或减少),即仅是使物体温度升高(或降低),并没有改变物质的形态,那么它所吸收(或放出)的热称为显热。6 C0 c# O! _ g( ?

7 v3 d% i6 r8 s& Z+ i, ?7 _, ]9 u! e⑶潜热。 当物体吸热(或放热)仅使物体分子的热位能增加(或减少),即仅是使物体状态发生改变,而其温度不变,那它所吸收的(或放出)的热称为潜热。如制冷剂在吸热沸腾是吸收的热就是潜热。5 M+ Z7 w# n; |2 H' Z

9 }6 {9 Y, ]3 w! K2.6 焓和熵2 F' \! {! i3 p( T) X* @

+ `9 H1 C5 P' n1 Z物质分子无论在何种状态下,都在不停地运动着,所以物质总是含有一定的内能(分子的动能和分子位能之和)的。1kg物质在某一状态时所含的内能及推动功所转换的热量总和,称为此物质在该状态下的热焓,简称为焓,用H表示,单位为千焦耳/千克。
0 K& Q" _' k( W) j; j- i6 y- _) r' [, r" a$ n8 q+ J! v6 P* X. d
熵也是物质状态的参数,用S表示,其意义表示为:物质在状态变化过程中所吸收的极微小热量与加入热量前的绝对温度之比。其单位为kl/kg·K。其数学表达式:△s=△q/T
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; E8 y1 H* r3 x l' R6 i2.7 制冷剂和制冷循环 ?0 B/ s9 F, M8 F
( o& q& \9 u+ B9 I% O+ |1 Z3 j
2.7.1 制冷剂的选用条件:①不燃、不爆、无毒、无刺激。! A/ ]) x+ O6 S" ~3 X; x
6 V K1 S R" k( G
②蒸发潜热大,以便有较高的制冷效率。, a% X; o/ O ^" L% A
j6 r. k" P0 x& t8 c# Y& n! v
③临界温度高于室温
: ]# x) J/ f: [% f1 ?/ k5 S2 ~
: m9 k* d4 R' A* f④在室温下冷凝所需压力不要太大,以便密闭蒸发器容易制造/ m" H2 ^6 f5 k5 d' l

# g* `5 L* N% Z3 L, t$ c( I0 g' J. r# z⑤冷凝温度不宜太低,以便液化容易。
+ h( k- D5 V9 i; j4 D+ ?5 L9 B* [: k$ D( \) r+ i3 K
⑥蒸发压力稍高于大气压,这样容易避免空气渗入系统内
! P- r6 Z+ ^. Z
; H3 x0 o0 F0 |' j: P" n⑦传热系数大,便于热交换。
. Z, W$ y' q$ B4 s
/ H4 L6 E: Y, I1 S" X8 ~( _⑧粘度小,以减少流动阻力。
( K( p, e6 ^+ @# ?% T4 X
1 r4 N: ~) S0 n0 u! B. H⑨单位质量的体积小,以节省系统的空间。
% x; ?6 C" Y) `3 c
! [$ P. {! g, z/ Y7 ?9 `7 ~⑩没有腐蚀性,有一定溶解水的能力,以免降温时结出冰渣,堵塞管路。
$ Z- S! b/ x: F4 g- Z/ c& r1 ?9 |$ Z( d8 x4 ]
国际上规定可作制冷剂的物质都以R为缩写字头后缀以数码表示,如氨用R717表示,水用R718表示,氟里昂12用R12表示。目前能满足上述条件的制冷剂首推氟里昂系列,例如目前电冰箱用制冷剂主要为氟里昂12(代号R12),学名二氟二氯甲烷,化名分子式CHF2CL2。目前空调器用制冷剂主要为氟里昂22(代号R22),学名二氟一氯甲烷,化名分子式CHF2CL。
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2.7.2 制冷循环# E9 I7 u! ~3 o! C7 Z% a4 ~
" L5 Q! p$ A0 S9 F
在蒸汽压缩式制冷系统中,制冷剂从某一状态开始,经过各种状态变化,又回到初始状态,在这个周而复始的热力过程中,每一次都消耗一定机械能(电能)而从低温物体中吸出热量,并将此热量转移到高温物体。这个一面改变制冷剂状态,一面完成制冷剂作用的全过程被称为制冷循环。
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! L, P4 z2 I# |/ p8 k ⑴蒸发过程:节流降压后的制冷剂液体(混有饱和蒸汽)进入蒸发器,从周围介质吸热蒸发成气体,实现制冷。在蒸发过程中,制冷剂的温度和压力保持不变。从蒸发器出来的制冷剂已成为干饱和蒸汽或稍有过热度的过热蒸汽了。物质由液态变成气态时要吸热,这就是制冷系统中使用蒸发器吸热制冷的原因。1 U [' O% B8 P' s. C* t
h$ |9 m/ U3 O$ T
⑵压缩过程:压缩机是
制冷系统的心脏,在压缩机完成对蒸汽的吸入和压缩过程,把从蒸发器出来的低温低压制冷剂蒸汽压缩成高温高压的过热蒸汽。压缩蒸汽时,压缩机要消耗一定的外能即压缩功。) g/ t8 V4 ^; K" j% ]8 |9 B

% m$ v, d4 F) a' o! e$ A⑶冷凝过程:从压缩机排出来的高温高压蒸汽进入冷凝器后同冷却剂进行热交换,使过热蒸汽逐渐变成饱和蒸汽,进而变成饱和液体或过冷液体。冷凝过程中制冷剂的压力保持不变。物质由气态变为液态时要放出热量,这就是制冷系统要使用冷凝器散热的道理。冷凝器的散热常采用风冷或水冷的形式。4 V6 O( z8 k9 o, L
# D/ _( .gif'/>! F) L2 j7 U9 m6 K
⑷节流过程:从冷凝器出来的高压制冷剂液体通过减压元件(膨胀阀或毛细管)被节流降压,变为低压液体,然后再进入蒸发器重复上述的蒸发过程。0 G0 m; F( B1
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