制冷原理與技術(shù)課件

第一章

製冷與低溫的熱力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)製冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)第二節(jié)製冷與低溫工質(zhì)第三節(jié)製冷技術(shù)與學(xué)科交叉第一節(jié)製冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)

自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變。

能量守恆與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。1.1.1製冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)1.熱力學(xué)第一定律用符號U表示，單位是焦耳（J）熱力學(xué)能1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能稱比熱力學(xué)能用符號u表示，單位是焦耳/千克（J／kg）比熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關(guān)。工質(zhì)的總儲存能內(nèi)部儲存能外部儲存能熱力學(xué)能總能動能位能E－總能，Ek－動能Ep－位能E=U+Ek+Ep(1-2)

內(nèi)部儲存能和外部儲存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀

運(yùn)動動能及位能的總和。若工質(zhì)品質(zhì)m，速度cf，重力場中高度z宏觀動能

重力位能工質(zhì)的總能(1-3)能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式作功借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。傳熱借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動。推動功因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。對開口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時需要考慮這種功。推動功只有在工質(zhì)移動位置時才起作用。力學(xué)參數(shù)cf和z只取決於工質(zhì)在參考系中的速度和高度2.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化(1-4)比總能

圖1-1a所示為工質(zhì)經(jīng)管道進(jìn)入氣缸的過程。工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)p、v、T，用p-v圖中點(diǎn)C表示。工質(zhì)作用於面積A的活塞上的力為pA，工質(zhì)流入氣缸時推動活塞移動距離，作功pA=pV=mpv。m表示進(jìn)入氣缸的工質(zhì)品質(zhì)，這一份功叫做推動功。

1kg工質(zhì)的推動功等於pv如圖中矩形面積所示。

圖1-1b所示考察開口系統(tǒng)和外界之間功的交換。取一開口系統(tǒng)，1kg工質(zhì)從截面1-1流入該熱力系，工質(zhì)帶入系統(tǒng)的推動功p1v1，作膨脹功由狀態(tài)1到2，再從截面2-2流出，帶出系統(tǒng)的推動功為p2v2。

是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動所需的功，稱為流動功焓用符號H表示，單位是焦耳（J）H=U+pV

(1-5)比焓(1-6)用符號h表示，單位是焦耳/千克（J／kg）焓是一個狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h=f(T,v)或h=f(p,T);h=f(p,v)(1-9)3．焓進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲存能量的增加

(1-10)4.1閉口系統(tǒng)的能量平衡4．熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式工質(zhì)從外界吸熱Q後從狀態(tài)1變化到2，對外作功W。若工質(zhì)宏觀動能和位能的變化忽略不計(jì)，則工質(zhì)儲存能的增加即為熱力學(xué)能的增加ΔU

(1-11)熱力學(xué)第一定律的解析式加給工質(zhì)的熱量一部分用於增加工質(zhì)的熱力學(xué)能儲存於工質(zhì)內(nèi)部，餘下一部分以作功的方式傳遞至外界。對微元過程，第一定律解析式的微分形式(1-12a)對於1kg工質(zhì)，(1-12b)(1-12c)式(1-12)對閉口系普遍適用，適用於可逆過程也適用於不可逆過程，對工質(zhì)性質(zhì)也無限制。熱量Q熱力學(xué)能變數(shù)ΔU功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+

系統(tǒng)對外作功W+

系統(tǒng)熱力學(xué)能增大ΔU+可逆過程(1-13)(1-14)完成一迴圈後，工質(zhì)恢復(fù)原來狀態(tài)(1-15)閉口系完成一迴圈後，迴圈中與外界交換的熱量等於與外界交換的淨(jìng)功量(1-16)4.2開口系統(tǒng)的能量平衡由系統(tǒng)能量平衡的基本運(yùn)算式有

圖示開口系統(tǒng)，dτ時間內(nèi)，品質(zhì)的微元工質(zhì)流入截面1-1，品質(zhì)的微元工質(zhì)流出2-2，系統(tǒng)從外界得到熱量，對機(jī)器設(shè)備作功。過程完成後系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)品質(zhì)增加dm,系統(tǒng)總能增加dECV

(1-17)圖1-2開口系統(tǒng)流動過程中的能量平衡

由E=me,V=mv,h=u+pv,得

(1-19)穩(wěn)定流動

系統(tǒng)只有單股流體進(jìn)出，(1-21)微量形式

(1-22)當(dāng)流入品質(zhì)為m的流體時，穩(wěn)定流動能量方程工質(zhì)流經(jīng)壓縮機(jī)時，機(jī)器對工質(zhì)做功wc,使工質(zhì)升壓，工質(zhì)對外放熱q

每kg工質(zhì)需作功

(1-24)膨脹過程均採用絕熱過程圖1-3壓縮機(jī)能量平衡

圖1-4膨脹機(jī)能量平衡5.能量方程式的應(yīng)用(1-25)穩(wěn)定流動能量平衡方程圖1-6噴管能量轉(zhuǎn)換圖1-5換熱器能量平衡

工質(zhì)流經(jīng)換熱器時和外界有熱量交換而無功的交換，動能差和位能差也可忽略不計(jì)1kg的工質(zhì)吸熱量

1kg工質(zhì)動能的增加工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴(kuò)壓管時不對設(shè)備作功，熱量交換可忽略不計(jì)

工質(zhì)流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動稱為節(jié)流。

設(shè)流動絕熱，前後兩截面間的動能差和位能差忽略，因過程無對外做功，故節(jié)流前後的焓相等

該式只對節(jié)流前後穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過程段。

節(jié)流研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體1.製冷迴圈的熱力學(xué)分析熱力學(xué)迴圈正向迴圈

熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功逆向迴圈消耗功迴圈除了一二個不可避免的不可逆過程外其餘均為可逆過程?？赡孓捜κ抢硐朕捜?。理想迴圈2.熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K)

T=273.16+t(1-29)

熵是熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，是判別實(shí)際過程的方向，提供過程能否實(shí)現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)。定義式

(1-30)qrev是可逆過程的換熱量，T為熱源溫度可逆過程1-2的熵增克勞修斯積分

=0可逆迴圈＜0不可逆迴圈＞0不可能實(shí)行的迴圈p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時的逆向可逆迴圈

——逆卡諾迴圈當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過程的進(jìn)行溫度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆向迴圈。在相同溫度範(fàn)圍內(nèi)，它是消耗功最小的迴圈，即熱力學(xué)效率最高的製冷迴圈，因?yàn)樗鼪]有任何不可逆損失。卡諾製冷機(jī)是熱力理想的等溫製冷機(jī)過程1－2

壓縮工質(zhì)，同時放熱至熱源，維持製冷劑溫度恒定過程2－3

工質(zhì)從熱源溫度Th可逆絕熱膨脹到冷源溫度Tc

過程3－4熱量從冷源轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中同時工質(zhì)做功以使製冷劑維持一定的溫度過程4－1

製冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓縮到熱源溫度製冷工質(zhì)向高溫?zé)嵩捶艧崃?1-34)製冷工質(zhì)從低溫?zé)嵩次鼰崃?/p>

(1-35)系統(tǒng)所消耗的功

(1-36)卡諾製冷係數(shù)

(1-37)卡諾熱泵迴圈效率

(1-38)熱力完善度

(1-39)溫

度

T熵S圖1-10洛倫茲迴圈的T-s圖

3.熱源溫度可變時的逆向可逆迴圈—洛倫茲迴圈洛倫茲迴圈工作在二個變溫?zé)嵩撮g。與卡諾迴圈不同之處主要是蒸發(fā)吸熱和冷卻放熱均為變溫過程

(假設(shè)製冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為ΔT)製冷量

排熱量

耗功

(1-40)洛倫茲迴圈製冷係數(shù)

以卡諾迴圈作為比較依據(jù)，第一類迴圈就是卡諾迴圈製冷機(jī)，而第二類迴圈則是理想的熱源驅(qū)動逆向可逆迴圈——三熱源迴圈。

圖1-11兩類製冷迴圈能量轉(zhuǎn)換關(guān)係圖

(a)以電能或機(jī)械能驅(qū)動

(b)以熱能驅(qū)動

4.熱源驅(qū)動的逆向可逆迴圈——三熱源迴圈對可逆製冷機(jī)熱力係數(shù)(1-45)

1.1.2製冷與低溫的獲得方法1.焦耳湯姆遜效應(yīng)(1)節(jié)流過程的熱力學(xué)特徵通過膨脹閥時焓不變，因閥中存在摩擦阻力損耗，所以它是個不可逆過程，節(jié)流後熵必定增加節(jié)流閥、毛細(xì)管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥等多種形式。焦耳－湯姆遜效應(yīng)理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù)，氣體節(jié)流時溫度保持不變，而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流後溫度一般會發(fā)生變化。焦耳－湯姆遜係數(shù)

(1-46)製冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，在小型製冷空調(diào)裝置中應(yīng)用廣泛零效應(yīng)的連線稱為轉(zhuǎn)化曲線，如圖上虛線所示。若節(jié)流後氣體溫度保持不變，這樣的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度。焦耳－湯姆遜係數(shù)就是圖上等焓線的斜率轉(zhuǎn)化曲線上節(jié)流後升溫節(jié)流後降溫圖1-12實(shí)際氣體的等焓節(jié)流膨脹

進(jìn)一步推導(dǎo)得(1-50)對理想氣體(2)節(jié)流過程的物理特徵節(jié)流時溫度降低節(jié)流時溫度不變節(jié)流時溫度升高

實(shí)際氣體運(yùn)算式可通過實(shí)驗(yàn)來建立(1-51)對空氣和氧在P＜15×103kPa(3)轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線轉(zhuǎn)化溫度(1-55)(1-56)轉(zhuǎn)化溫度與壓力的關(guān)係

在T－P圖上為一連續(xù)曲線，稱為轉(zhuǎn)化曲線

針對範(fàn)德瓦爾氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度

(此時或)(1-53)範(fàn)德瓦爾狀態(tài)方程表1-1最大轉(zhuǎn)化溫度列出了一部分氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度。氣體最高轉(zhuǎn)化溫度(K)氣體最高轉(zhuǎn)化溫度(K)He445CO652H2205Ar794Ne250O2761N2621CH4939空氣603CO21500NH319942.絕熱膨脹氣體等熵膨脹時，壓力的微小變化所引起的溫度變化。微分等熵效應(yīng)(1-58)對理想氣體(

為絕熱指數(shù))(1-60)

等熵膨脹過程的溫差，隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而增大，還隨初溫T1的提高而增大。3.絕熱放氣(1)假定放氣過程進(jìn)行很慢，活塞左側(cè)氣體始終處於平衡狀態(tài)而等熵膨脹，所作功按其本身壓力計(jì)算，因而對外作功最大，溫降也最大。(2)設(shè)想閥門打開後活塞右側(cè)氣體立即從P1降到P2，因而當(dāng)活塞左側(cè)氣體膨脹時只針對一恒定不變壓力P2作功，對外作功最小，溫降也最小。(1-61)(1-62)

實(shí)際放氣過程總是介於上述兩種極限情況之間，過程進(jìn)行得越慢，愈接近等熵膨脹過程。圖1-14放氣過程中溫度與壓力的變化關(guān)係分析這兩種極限情況可得結(jié)論：

(1)氣體絕熱指數(shù)越大，則溫比T2/T1(P2/P1一定時)越小，溫降越大，用單原子氣體可獲較大溫降。(2)隨壓比P1/P2增大，溫比T2/T1減少越來越慢，單級壓比不宜過大，一般取3到5。4.1熱力理想等溫源系統(tǒng)

“冷源”指需冷卻的空間“熱源”則指製冷機(jī)放熱的對象4.低溫氣體製冷的熱力學(xué)基礎(chǔ)表1-2卡諾製冷機(jī)在300K和低溫Tc時的性能係數(shù)COP冷源溫度（K）COPi=-Q0/Wnet-Wnet/Q0111.70.59321.68677.40.34772.87620.30.0725813.7784.20.0142070.431.00.003344299.00.10.00033342,999.00.010.000033329,999.04.2熱力理想等壓源系統(tǒng)

在工質(zhì)未冷凝的氣體製冷機(jī)系統(tǒng)中，吸熱過程是變溫的，而不象在卡諾製冷機(jī)中那樣在等溫下吸熱。這樣，實(shí)際系統(tǒng)與卡諾系統(tǒng)比較是不公平的，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的冷源溫度不恒定。

沒有一個製冷系統(tǒng)的製冷係數(shù)可大於相同溫限下工作的卡諾製冷機(jī)，否則就可以製造第二類永動機(jī)。要達(dá)到相同的製冷效應(yīng)，所有實(shí)際的製冷機(jī)都要比卡諾製冷機(jī)花費(fèi)更多的功。熱力學(xué)第二定律的推論之一製冷劑在T1和T2

之間可逆等壓吸熱，放熱過程是可逆等溫過程。對理想等壓源製冷機(jī)(1-66)

上式對任何工質(zhì)都適用。對許多氣體製冷機(jī)而言，壓力足夠低時，工質(zhì)氣體可近似為理想氣體。對具有定壓比熱的理想氣體(1-70)COP與用作製冷劑的理想氣體無關(guān)。COPi

僅與最高冷源溫度與最低冷源溫度之比和熱源溫度與最低冷源溫度之比有關(guān)。圖1-16理想等壓源製冷機(jī)的性能係數(shù)

性能系數(shù)COPT0是高溫?zé)嵩礈囟萒1和T2分別是低溫?zé)嵩吹淖罡吆妥畹蜏囟取?.1.3製冷與低溫溫區(qū)的劃分1.製冷與低溫溫區(qū)的劃分通過一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下?！袄洹毕鄬董h(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境溫度至絕對零度。通過123Ｋ來分界溫區(qū)製冷溫區(qū)123K以上低溫溫區(qū)123K以下製冷製冷的溫度範(fàn)圍是從環(huán)境溫度開始，一直可達(dá)接近絕對零度即0Ｋ圖1-17低溫溫度範(fàn)圍

2.製冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史(一)製冷技術(shù)的發(fā)展歷史人工製冷的方法是隨著工業(yè)革命而開始的?？諝庋u冷機(jī)的發(fā)明比蒸氣壓縮式製冷機(jī)稍晚?？照{(diào)技術(shù)的應(yīng)用起始於1919年。第二節(jié)製冷與低溫工質(zhì)1.2.1製冷劑的發(fā)展、應(yīng)用與選用原則只有在工作溫度範(fàn)圍內(nèi)能夠汽化和凝結(jié)的物質(zhì)才有可能作為製冷劑使用。

乙醚是最早使用的製冷劑。1866年威德豪森(Windhausen)提出使用CO2作製冷劑。1870年卡爾·林德(CartLinde)用NH3作製冷劑。1874年拉烏爾·皮克特(RaulPictel)採用SO2作製冷劑。SO2和CO2在歷史上曾經(jīng)是比較重要的製冷劑。SO2毒性大，但作為重要製冷劑曾有60年曆史。CO2在使用溫度範(fàn)圍內(nèi)壓力特高，致使機(jī)器極為笨重，但它無毒使用安全。曾在船用冷藏裝置中作製冷劑達(dá)50年之久，1955年才被氟里昂所取代。1.熱力學(xué)性質(zhì)方面2.遷移性質(zhì)方面(1)工作溫度範(fàn)圍內(nèi)有合適的壓力和壓力比。(2)單位製冷量q0和單位容積製冷量qv較大。(3)比功w和單位容積壓縮功wv小，迴圈效率高。蒸發(fā)壓力≧大氣壓力冷凝壓力不要過高冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過大(4)等熵壓縮終了溫度t2不能太高，以免潤滑條件惡化或製冷劑自身在高溫下分解。(1)粘度、密度儘量小。(2)導(dǎo)熱係數(shù)大，可提高傳熱係數(shù)，減少傳熱面積。作為製冷劑應(yīng)符合的要求

3.物理化學(xué)性質(zhì)方面

4.其他

(1)無毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。(2)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。(3)對大氣環(huán)境無破壞作用。

原料來源充足，製造工藝簡單，價(jià)格便宜。1.2.2製冷劑命名製冷劑按其化學(xué)組成主要有三類

無機(jī)物氟里昂碳?xì)浠衔镒帜浮癛”和它後面的一組數(shù)字或字母表示製冷劑根據(jù)製冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫1.無機(jī)化合物2.氟里昂和烷烴類簡寫符號規(guī)定為R7()()括弧中填入的數(shù)字是該無機(jī)物分子量的整數(shù)部分。簡寫符號規(guī)定為R(m-1)(n+1)(x)B(z)數(shù)值為零時省去寫，同分異構(gòu)體則在其最後加小寫英文字母以示區(qū)別。正丁烷和異丁烷例外，用R600和R600a(或R601)表示編寫規(guī)則製冷劑的簡寫符號3.非共沸混合工質(zhì)簡寫符號為R4()()括弧中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先後順序號，從00開始若構(gòu)成非共沸混合工質(zhì)的純物質(zhì)種類相同，但成分含量不同，則分別在最後加上大寫英文字母以示區(qū)別4.共沸混合工質(zhì)簡寫符號為R5()()括弧中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先後順序號，從00開始5.環(huán)烷烴、鏈烯烴以及它們的鹵代物簡寫符號規(guī)定：環(huán)烷烴及環(huán)烷烴的鹵代物用字母“RC”開頭，鏈烯烴及鏈烯烴的鹵代物用字母“R1”開頭，其後的數(shù)字排寫規(guī)則與氟里昂及烷烴類符號表示中的數(shù)字排寫規(guī)則相同。表1-4製冷劑符號舉例

化合物名稱分子式m、n、x、z值簡寫符號一氟三氯甲烷CFCl3m=1,n=0,x=1R11二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1,n=0,x=2R12三氟一溴甲烷CF3Brm=1,n=0,x=3,z=1R13B1二氟一氯甲烷CHF2Clm=1,n=1,x=2R22二氟甲烷CH2F2m=1,n=2,x=2R32甲烷CH4m=1,n=4,x=0R50三氟二氯乙烷C2HF3Cl2m=2,n=1,x=3R123五氟乙烷C2HF5m=2,n=1,x=5R125四氟乙烷C2H2F4m=2,n=2,x=4R134a乙烷C2H6m=2,n=6,x=0R170丙烷C3H8m=3,n=8,x=0R290此外，有機(jī)氧化物、脂肪族胺用R6開頭，其後數(shù)字任選。詳細(xì)可從表1-5製冷劑標(biāo)準(zhǔn)符號表示中查出。為簡單定性判別製冷劑對臭氧層的破壞能力將氯氟烴類物質(zhì)代號中的R改用字母CFC氫氯氟烴類物質(zhì)代號中的R改用字母HCFC氫氟烴類物質(zhì)代號中的R改用字母HFC碳?xì)浠衔锎栔械腞改用字母HC，數(shù)字編號不變1.2.3製冷劑的物理化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用1.安全性(1)毒性

雖然一些氟里昂製冷劑其毒性都較低，但在高溫或火焰作用下會分解出極毒的光氣。表1–6製冷劑的毒性指標(biāo)給出常用製冷劑TLVs或AEL值製冷劑代號TLVs或AELppm·hr製冷劑代號TLVs或AELppm·hr製冷劑代號TLVs或AELppm·hr111000124500290100012100012510005001000221000134a10005021000231000142b1000600a1000321000143a1000717112310152a10007181000(2)燃燒性和爆炸性在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的體積百分比範(fàn)圍。這一範(fàn)圍的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，則範(fàn)圍越寬越易燃。(3)安全分類表1–8與表1–9分別給出了6個安全等級的劃分定義和一些製冷劑的安全分類。

2.熱穩(wěn)定性製冷劑在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不發(fā)生裂解。在溫度較高又有油、鋼鐵、銅存在長時間使用會發(fā)生變質(zhì)甚至熱解。爆炸極限表1–7一些製冷劑的易燃易爆特性製冷劑代號爆炸極限(容積%)製冷劑代號爆炸極限(容積%)製冷劑代號爆炸極限(容積%)11None124

None2902.3-7.312

None125

None500

None22

None134a

None502

None23

None142b6.7-14.9600a1.8-8.43214-31143a6.0-na71716.0-25.0123

None152a3.9-16.9718

None注：None表示不燃燒，na表示未知。

表1–8ASHRAE34-1992以毒性和可燃性為界限的安全分類

毒性可燃性TLVs值確定或一定的係數(shù)，製冷劑體積分?jǐn)?shù)≥4×10-4TLVs值確定或一定的係數(shù)，製冷劑體積分?jǐn)?shù)<4×10-4無火焰?zhèn)鞑ゲ蝗糀1B1製冷劑LFL>0.1kg/m3,燃燒熱<19000kJ/kg低度可燃性A2B2製冷劑LFL≤0.1kg/m3,燃燒熱≥19000kJ/kg高度可燃性A3B3低毒性高毒性LFL燃燒下限表1–9一些製冷劑的安全分類製冷劑代號安全分類製冷劑代號安全分類製冷劑代號安全分類11A1124A1290A312A1125A1500A122A1134aA1502A123A1142bA2600aA332A2143aA2717B2123B1152aA2718A1(二)低溫技術(shù)的發(fā)展歷史1908年，Onnes最先液化了氦氣1911年，超導(dǎo)電性首次被發(fā)現(xiàn)1942年，德國V-2武器試驗(yàn)成功，低溫技術(shù)軍事應(yīng)用開始1961年，土星V號是首個用液氫液氧混合推進(jìn)劑的飛行器我國的低溫研究工作從20世紀(jì)50年代開始。製冷與低溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用於工農(nóng)業(yè)各個部門及一切科學(xué)領(lǐng)域(表1-3製冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用)3.對材料的作用

正常情況下，鹵素化合物製冷劑與大多數(shù)常用金屬材料不起作用。只在某種情況例如水解作用、分解作用等下，一些材料才會和製冷劑發(fā)生作用?！板冦~”現(xiàn)象當(dāng)製冷劑在系統(tǒng)中與銅或銅合金部件接觸時，銅溶解到混合物中，當(dāng)和鋼或鑄鐵部件接觸時，被溶解的銅離子析出並沉浸在鋼鐵部件上形成一層銅膜。製冷系統(tǒng)中應(yīng)儘量避免水分存在和銅鐵共用。

氨製冷機(jī)中不能用黃銅、紫銅和其他銅合金（磷青銅除外），因?yàn)橛兴謺r要引起腐蝕。

氟里昂對塑膠等高分子化合物會起“膨潤”作用(變軟、膨脹和起泡)，故在製冷系統(tǒng)中要選用特殊橡膠或塑膠。4.與潤滑油的互溶性對每種氟利昂存在一個溶解臨界溫度，即溶解曲線最高點(diǎn)的溫度圖1-18製冷劑與潤滑油的溶解曲線)製冷劑與油溶解會使?jié)櫥妥兿?，影響潤滑作用，且油會被帶入蒸發(fā)器中影響到傳熱效果。若製冷劑與油不相溶解，可以從冷凝器或貯液器將油分離出來，避免油帶入蒸發(fā)器中降低傳熱效果。常溫下氟利昂與礦物潤滑油溶解關(guān)係可用經(jīng)驗(yàn)公式判別互溶(Z≤1/2)部分溶解(1/2≤Z≤2/3)微量溶解(Z>2/3)5.與水的溶解性“冰堵現(xiàn)象”

當(dāng)溫度降到0℃以下時，水結(jié)成冰而堵塞節(jié)流閥或毛細(xì)管的通道形成“冰堵”，致使製冷機(jī)不能正常工作。6.洩漏性氨有強(qiáng)烈臭氣，靠嗅覺易判是否洩漏。易溶於水故不用肥皂水檢漏，用酚酞試劑和試紙檢漏

氟利昂無色無臭，鹵素噴燈和電子檢漏儀檢漏表1–10水分在一些製冷劑中的溶解度（25℃）

製冷劑代號溶解度(品質(zhì)%)製冷劑代號溶解度(品質(zhì)%)製冷劑代號溶解度(品質(zhì)%)110.00981240.07290na120.011250.075000.05220.13134a0.115020.06230.15142b0.05600ana320.12143a0.081230.08152a0.17注：na表示沒有找到可用的數(shù)據(jù)。

沸點(diǎn)-33.3℃，凝固點(diǎn)-77.9℃

單位容積製冷量大粘性小，傳熱性好，流動阻力小毒性較大，有一定的可燃性，安全分類為B2

氨蒸氣無色，具有強(qiáng)烈的刺激性臭味氨液飛濺到皮膚上會引起腫脹甚至凍傷氨系統(tǒng)中有水分會加劇對金屬腐蝕同時減小製冷量以任意比與水互溶但在礦物潤滑油中的溶解度很小系統(tǒng)中氨分離的游離氫積累至一定程度遇空氣爆炸氨液比重比礦物潤滑油小，油沉積下部需定期放出在氨製冷機(jī)中不用銅和銅合金材料(磷青銅除外)1.2.4常用製冷劑1.無機(jī)物氨2.氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸點(diǎn)-29.8℃，凝固點(diǎn)-158℃。無色，有較弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系統(tǒng)裏應(yīng)嚴(yán)格限制含水量，一般規(guī)定不得超過0.001%常用溫度範(fàn)圍內(nèi)能與礦物性潤滑油以任意比互溶不腐蝕一般金屬但能腐蝕鎂及含鎂量超過2%鋁鎂合金。對天然橡膠和塑膠有膨潤作用。(2)R134a（四氟乙烷CH2FCF3）毒性非常低，不可燃，安全。與礦物潤滑油不相溶，但能完全溶解於多元醇酯類?；瘜W(xué)穩(wěn)定性很好，溶水性比R12強(qiáng)得多，對系統(tǒng)乾燥和清潔性要求更高，用與R12不同的乾燥劑。(3)R11（一氟三氯甲烷CFCl3）沸點(diǎn)23.8℃，凝固點(diǎn)-111℃。毒性比R12更小，安全。水在R11中的溶解能力與R12相接近。對金屬及礦物潤滑油的作用關(guān)係也與R12大致相似。與明火接觸時，較R12更易分解出光氣。(4)R22（二氟一氯甲烷CHF2Cl）沸點(diǎn)-40.8℃，凝固點(diǎn)-160℃。毒性比R12略大，無色無味，不燃不爆，安全。屬於HCFC類製冷劑，也要被限制和禁止使用。

對金屬與非金屬的作用以及洩漏特性都與R12相似?；瘜W(xué)性質(zhì)不如R12穩(wěn)定，對有機(jī)物的膨潤作用更強(qiáng)。部分與礦物潤滑油互溶。溶水性稍大於R12，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)裝設(shè)乾燥器。3.碳?xì)浠衔?1)R600a（異丁烷i-C4H10）(2)R290（丙烷C3H8）沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)比R600a低，蒸氣壓較高和容積製冷量比R600a大，其他製冷特性及安全特性均與R600a相似。沸點(diǎn)-11.73℃，凝固點(diǎn)-160℃。毒性非常低，在空氣中可燃，應(yīng)注意防火防爆。與礦物潤滑油能很好互溶，與其他物質(zhì)的化學(xué)相溶性很好，與水的溶解性很差。4.混合製冷劑(1)共沸製冷劑共沸製冷劑特點(diǎn)：一定蒸發(fā)壓力下蒸發(fā)時具有幾乎不變的蒸發(fā)溫度，而且蒸發(fā)溫度一般比組成它的單組分的蒸發(fā)溫度低。一定蒸發(fā)溫度下，共沸製冷劑單位容積製冷量比組成它的單一製冷劑的容積製冷量要大。共沸製冷劑化學(xué)穩(wěn)定性較組成它的單一製冷劑好。在全封閉和半封閉壓縮機(jī)中，採用共沸製冷劑可使電機(jī)得到更好的冷卻，電機(jī)繞組溫升減小。表1–11幾種共沸製冷劑的組成和沸點(diǎn)

代號組分品質(zhì)成分分子量沸點(diǎn)(℃)共沸溫度各組分的沸點(diǎn)(℃)R500R12/152a73.8/26.299.3-33.50-29.8/-25R501R22/1284.5/15.593.1-41.5-41-40.8/-29.8R502R22/11548.8/51.2111.6-45.419-40.8/-38R503R23/1340.1/59.987.6-88.088-82.2/-81.5R504R32/11548.2/51.879.2-59.217-51.2/-38R505R12/3178.0/22.0103.5-30115-29.8/-9.8R506R31/11455.1/44.993.7-12.518-9.8/3.5R507R125/143a50.0/50.098.9-46.7－-48.8/-47.7(2)非共沸製冷劑

一定壓力下溶液加熱時，首先到達(dá)飽和液體點(diǎn)A(泡點(diǎn))，再加熱到達(dá)點(diǎn)B，即進(jìn)入兩相區(qū)，繼續(xù)加熱到點(diǎn)C(露點(diǎn))時全部蒸發(fā)完成為飽和蒸氣。泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度的溫差稱之為溫度滑移

圖1–19非共沸製冷劑的T-ξ圖表1-12一些非共沸混合製冷劑顯示了目前應(yīng)用較多的非共沸製冷劑的種類及組成。(3)常用混合製冷劑的特性沸點(diǎn)-33.5℃，ODP值較高。1)共沸製冷劑R500可代替R12用於活塞式製冷機(jī)沸點(diǎn)-45.4℃，ODP值較高。溶水性比R12大1.5倍，在82℃以上有較好的溶油性。沸點(diǎn)-88℃，不燃燒，無毒無腐蝕性，ODP值較高。適用於複疊式製冷機(jī)的低溫級。沸點(diǎn)-46.7℃，ODP值為零。不溶於礦物油，但溶於聚酯類潤滑油。2)共沸製冷劑R502可代替R22用於獲得低溫3)共沸製冷劑R503可代替R13使用4)共沸製冷劑R507用R502的場合都可用R507替代

5)非共沸製冷劑R401A和R401B性能與R12較接近。能溶於聚醇類和聚酯類潤滑油?？勺鳛檫^度性替代物

泡露點(diǎn)溫差大，使用時最好將熱交換器作成逆流形式不能與礦物潤滑油互溶，但能溶於聚酯類合成潤滑油低溫工況下，容積製冷量比R22要低得多。不能與礦物潤滑油互溶，但能溶於聚酯類合成潤滑油。泡露點(diǎn)溫差僅0.2℃，可稱之為近共沸混合製冷劑。具有與共沸混合製冷劑類似的優(yōu)點(diǎn)。不能直接用來替換R22的製冷系統(tǒng)。7)非共沸製冷劑R410A兩元混合製冷劑6)非共沸製冷劑R407C三元非共沸混合製冷劑1.2.5低溫液體的性質(zhì)表1-13大氣壓下一些飽和低溫液體的性質(zhì)(1)常規(guī)氣體液氮純淨(jìng)無色具有兩種穩(wěn)定的同素異形體。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在77.36K沸騰,63.2K凝固。液氧藍(lán)色，有輕微磁性。在0.1MPa大氣壓下在90.18K時沸騰，54.4K時凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氬純淨(jìng)無色氬是無毒的惰性氣體。

在0.1MPa大氣壓下在87.3K沸騰,83.8K凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氖純淨(jìng)無色氖是惰性氣體。在0.1MPa大氣壓下在27.09K沸騰,24.54K凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氟淡黃色，密度最大的低溫液體之一。通常狀態(tài)下沸點(diǎn)為85.24K，在0.1MPa,53.5K時,液氟凝結(jié)成黃色固體,過冷到45.6K時轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨腆w。氟有劇毒，化學(xué)性質(zhì)非?；顫姟＜淄榧儨Q(jìng)無色，天然氣的主要成分。在0.1MPa大氣壓下在111.7K沸騰,88.7K凝固。液態(tài)甲烷能裝在容器中大量運(yùn)輸。(2)氫液氫無色無味，不自燃，低溫液體中最輕之一。氫與氧氣或空氣混合時,極易燃燒甚至爆炸。天然氫氣是兩種同素異形體的混合物：氫和氘。還存在第三種不穩(wěn)定的氫的同素異形體：氚。氫具有兩種不同的分子形態(tài):o-H2和p-H2表1-14e-H2中p-H2的含量列出了e-H2中p-H2的平衡含量隨溫度的關(guān)係。

溫度(K)20.2730405060708090摩爾含量0.99800.97020.88730.77960.66810.55880.49880.4403溫度(K)100120140160180200250300摩爾含量0.39470.32960.29800.27960.26760.25970.25260.2507這兩種不同形式的氫的區(qū)別在於組成氫分子的粒子的相對自旋轉(zhuǎn)方向不同。氘也有o-D2和p-D2存在，溫度降低時氘中的p-D2向o-D2轉(zhuǎn)變而氫在溫度降低時由o-H2向p-H2轉(zhuǎn)變(3)氦4氦有兩種同位素:He4和He3液氦4在其蒸氣壓下不會凝固。故不存在氦的固、液、氣三相點(diǎn),而其他物質(zhì)都存在三相點(diǎn)。LHe有兩種不同液相液氦Ⅰ(HeI)正常液體液氦Ⅱ(HeII)超流體λ線與蒸汽壓曲線相交的點(diǎn)叫λ點(diǎn)λ點(diǎn)溫度為2.172K壓力為5.073kPa區(qū)分兩種液相的相轉(zhuǎn)變曲線叫λ線壓力固態(tài)臨界點(diǎn)λ點(diǎn)液氦Ⅰ

液氦II

溫

度

(K)圖1-21

氦4的相圖熱導(dǎo)率隨溫度的下降而下降。氦Ⅰ液氦Ⅱ熱導(dǎo)率非常大,在氣泡生成之前熱量已迅速傳到液體表面,使液體中無法生成氣泡，這種特性在自然界是獨(dú)一無二。在特定條件下,它表現(xiàn)為粘度為零。由常流體和超流體組成的混合物,其常流體成分和超流體成分比隨溫度的變化而變化。表1-15兩流體模型中常流體在HeⅡ中的品質(zhì)比當(dāng)溫度降低通過λ點(diǎn)時，液體比熱有一個大幅度跳躍。圖1-22飽和液態(tài)氦4的比熱

溫

度

(K)

飽和液體的比熱KJ/Kg·K噴泉效應(yīng)(4)氦3圖1-25

氦3的相圖

溫

度

壓

力

氣態(tài)

液態(tài)

固態(tài)

臨界點(diǎn)0.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自發(fā)分離為兩相，一種是超流體(富含氦4相)，另一種是常流體(富含氦3相)。這種相的分離現(xiàn)象成為氦稀釋製冷機(jī)的基礎(chǔ)。無色無味液體,標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)3.19K液氦3在其蒸汽壓下即使降到絕對零度也保持為液態(tài)第三節(jié)製冷技術(shù)與學(xué)科交叉製冷與低溫技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域舉例10.

火箭推力系統(tǒng)與高能物理1.空氣調(diào)節(jié)2.人工環(huán)境3.食品冷凍與冷凍乾燥4.低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)5.低溫電子技術(shù)6.機(jī)械設(shè)計(jì)7.紅外遙感技術(shù)8.加工過程9.材料回收製冷在空調(diào)中的作用

(1)幹式冷卻(2)減濕冷卻(3)減濕與幹式冷卻混合方式1.空氣調(diào)節(jié)圖1-26製冷與空調(diào)的關(guān)係

製冷和空調(diào)的關(guān)係相互聯(lián)繫又獨(dú)立用人工方法構(gòu)成各種人們所希望達(dá)到的環(huán)境條件，包括地面的各種氣候變化和高空宇宙及其它特殊的要求。2.人工環(huán)境與製冷有關(guān)的人工環(huán)境試驗(yàn)有以下幾種(1)低溫環(huán)境試驗(yàn)(2)濕熱試驗(yàn)(3)鹽霧試驗(yàn)(4)多種氣候試驗(yàn)(5)空間模擬試驗(yàn)根據(jù)對食品處理方式不同，食品低溫處理工藝可分三類：(1)食品的冷藏與冷卻(2)食品的凍結(jié)與凍藏(3)冷凍乾燥3.食品冷凍與冷凍乾燥研究低溫對生物體產(chǎn)生的影響及應(yīng)用的學(xué)科。低溫生物學(xué)研究溫度降低對人類生命過程的影響，以及低溫技術(shù)在人類同疾病作鬥爭中的應(yīng)用的學(xué)科。低溫醫(yī)學(xué)低溫生物醫(yī)學(xué)低溫生物學(xué)和低溫醫(yī)學(xué)的統(tǒng)稱。典型應(yīng)用例子

(1)細(xì)胞組織程式冷卻的低溫保存(2)超快速的玻璃化低溫保存方法(3)利用低溫器械使病灶細(xì)胞和組織低溫?fù)p傷而壞死的低溫外科。4.低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)微波激射器必須冷到液氮或液氦溫度,以使放大器元素原子的熱振盪不至於嚴(yán)重干擾微波的吸收與發(fā)射。超導(dǎo)量子干涉器即SQUIDs,被用在相當(dāng)靈敏的數(shù)字式磁力計(jì)和伏安表上。在MHD系統(tǒng)、線性加速器和托克馬克裝置中，超導(dǎo)磁體被用來產(chǎn)生強(qiáng)磁場。5.低溫電子技術(shù)

運(yùn)用與超導(dǎo)電性有關(guān)的Meissner效應(yīng),用磁場代替油或空氣作潤滑劑,可以製成無磨擦軸承。在船用推進(jìn)系統(tǒng)中,無電力損失的超導(dǎo)電機(jī)已獲得應(yīng)用。偏差極小的超導(dǎo)陀螺也已經(jīng)被研製出來。時速500km/h的低溫超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)在日本投入試驗(yàn)運(yùn)行。6.機(jī)械設(shè)計(jì)

採用紅外光學(xué)鏡頭可以拍攝熱源外形，並可以對熱源進(jìn)行跟蹤。一些紅外材料往往工作在120K以下的低溫下，使得熱源遙感信號更為清晰，為了拍攝高靈敏度的信號往往需要更低的溫度。

一般紅外衛(wèi)星需要70-120K的低溫，往往通過斯特林製冷機(jī)、脈衝管制冷機(jī)、輻射製冷器來實(shí)現(xiàn)。空間遠(yuǎn)紅外觀測則需要2K以下的溫度，往往通過超流氦的冷卻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。7.紅外遙感技術(shù)煉鋼時氧起到某些重要的作用。制取氨時也用到低溫系統(tǒng)。壓力容器加工時,將預(yù)成形的圓柱體放在冷卻到液氮溫度的模具中,在容器中充入高壓氮?dú)?讓其擴(kuò)脹15%,然後容器被從模具中移開並恢復(fù)到室溫。使用這個方法,材料的屈服強(qiáng)度能增加4至5倍。8.加工過程目前低溫技術(shù)是回收鋼結(jié)構(gòu)輪胎中橡膠的唯一有效的方法，這種方法採用了低溫粉碎技術(shù)。利用材料在低溫狀態(tài)下的冷脆性能，對物料進(jìn)行粉粹。低溫粉碎技術(shù)材料溫度降低到一定程度，材料內(nèi)部原子間距顯著減小，結(jié)合緊密的原子無退讓餘地，吸收外力使其變形的能力很差，失去彈性而顯示脆性。9.材料回收所有大型的發(fā)射的飛行器均使用液氧作氧化劑。太空船的推進(jìn)也使用液氧和液氫。觀察研究大型粒子加速器產(chǎn)生的粒子的氫泡室要用到液氫。10.火箭推力系統(tǒng)與高能物理LHC-CERN27km超導(dǎo)磁體過冷態(tài)超流氦冷卻第二章製冷原理與技術(shù)

在講述製冷空調(diào)技術(shù)時,開利的故事更為人著迷.開利博士於1903年發(fā)明了空調(diào),百年的歷史長河中空調(diào)使人類徹底改變了生活.

以下片段是開利發(fā)明離心機(jī)用於人工冰場的故事……Dr.Carrier的故事第二章製冷原理與技術(shù)第一節(jié)蒸汽壓縮式製冷第二節(jié)吸收和吸附式製冷第三節(jié)其他形式的製冷第三章低溫原理與技術(shù)第一節(jié)氣體液化與分離

第二節(jié)低溫製冷機(jī)第三節(jié)低溫絕熱製冷原理與技術(shù)

第一節(jié)集中式空調(diào)系統(tǒng)第二節(jié)半集中式空調(diào)系統(tǒng)第四章空氣調(diào)節(jié)的原理和技術(shù)第四章

空氣調(diào)節(jié)原理與技術(shù)

依據(jù)對空氣處理設(shè)備設(shè)置情況的分類方法，本章在將空調(diào)系統(tǒng)分成集中式、半集中式和分散式三種系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對空氣調(diào)節(jié)的原理與技術(shù)給予介紹。

第一節(jié)集中式空調(diào)系統(tǒng)

本節(jié)主要介紹空氣調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)知識、空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的確定、新風(fēng)量與總風(fēng)量的確定、空氣處理及其設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)房間氣流組織的主要內(nèi)容。

一、空氣調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)知識為什麼首先要全面瞭解空氣的性質(zhì)

空氣調(diào)節(jié)的主要任務(wù)，就是在所處自然環(huán)境下，使被調(diào)節(jié)空間的空氣保持一定的溫度、濕度、流動速度以及潔淨(jìng)度、新鮮度。濕空氣的概念濕空氣的基本狀態(tài)參數(shù)濕空氣的焓濕圖濕球溫度焓濕圖的應(yīng)用本節(jié)主要介紹以下內(nèi)容1.濕空氣的概念大氣由一定量的幹空氣和一定量的水蒸氣混合而成，我們稱其為濕空氣。注意

空氣環(huán)境內(nèi)的空氣成分和人們平時說的“空氣”，實(shí)際是幹空氣加水蒸氣，即濕空氣。2.濕空氣的基本狀態(tài)參數(shù)壓力密度含濕量相對濕度焓露點(diǎn)溫度

由於空氣和水蒸汽所組成的濕空氣也應(yīng)遵循理想氣體的變化規(guī)律，所以適用以下公式本小節(jié)將以以上公式為基本介紹或壓力由道爾頓定律分壓定律

濕空氣的總壓力為p

或水蒸汽分壓力大小直接反映了水蒸汽含量的多少

從氣體分子運(yùn)動論的觀點(diǎn)來看

密度濕空氣的密度＝幹空氣密度+水蒸氣密度單位容積的濕空氣所具有的品質(zhì)，稱為密度

含濕量在濕空氣中與lkg幹空氣同時並存的水蒸汽量稱為含濕量

由Vg=Vq=VTg=Tq=T

，以及Rg=287J／(kg·K)Rq＝46lJ／(kg·K)

當(dāng)大氣壓力B一定時，水汽分壓力只取決於含濕量d相對濕度濕空氣的水蒸汽壓力與同溫度下飽和濕空氣的水蒸氣壓力之比

濕空氣的相對濕度與含濕量之間的關(guān)係可導(dǎo)出

焓幹空氣的焓

+水蒸汽的焓

tCtCigpgpq..2500+==（1+d）千克濕空氣的焓為

或露點(diǎn)溫度

溫度下降到使得空氣的d值等於表中某一飽和含濕量值時，這個所對應(yīng)的溫度稱為該未飽和空氣的露點(diǎn)溫度。

換言之，露點(diǎn)溫度就是當(dāng)濕空氣下降到一定溫度，有凝結(jié)水出現(xiàn)時的溫度

出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象無結(jié)露現(xiàn)象3.濕空氣的焓濕圖

濕空氣的焓濕圖是在不同的大氣壓力B下，縱坐標(biāo)是其焓值，橫坐標(biāo)是含濕量值。焓濕圖組成等焓線等濕線1.d2.等溫線等相對濕度線3.5.4.水蒸汽分壓力線熱濕比線0102030500030002000100006000-2000dAdBABiAiB空氣狀態(tài)變化在i-d圖上的表示ABB`用線確定空氣終狀態(tài)4.濕球溫度濕球溫度的概念在空氣調(diào)節(jié)中至關(guān)重要

濕球溫度是在定壓絕熱條件下，空氣與水直線接觸達(dá)到穩(wěn)定熱濕平衡時的絕熱飽和溫度，也稱熱力學(xué)濕球溫度。理論上絕熱加濕小室

穩(wěn)定流動能量方程式

twPPt1,d1i1t2,d2i2等濕球溫度線

AdAdStBtSBSiSiS

已知幹濕球溫度確定空氣狀態(tài)

5.焓濕圖的應(yīng)用濕空氣的焓濕圖不僅能表示其狀態(tài)和各狀態(tài)參數(shù)，同時還能表示濕空氣狀態(tài)的變化過程，並能方便地求得兩種或多種濕空氣的混合狀態(tài)。濕空氣的加熱過程

濕空氣狀態(tài)變化過程等焓減濕過程等焓加濕過程濕空氣的冷卻過程變化過程的特徵表濕空氣的加熱過程濕空氣的冷卻過程等焓減濕過程等焓加濕過程ABA

BA

CCEA

EA

DD等溫加濕過程A

F冷卻乾燥過程AG多變過程

FGⅠⅡⅢ

Ⅳ

象限熱濕比狀態(tài)參數(shù)變化趨勢過程特徵idtⅠε>0＋＋±增焓增濕，噴蒸汽可近似實(shí)現(xiàn)等濕過程Ⅱε<0＋－＋增焓，減濕，升溫Ⅲε>0－－±減焓，減濕Ⅳε<0－＋－減焓，增濕，降溫i-d圖中不同象限內(nèi)濕空氣狀態(tài)變化過程的特徵過程圖不同狀態(tài)空氣的混合態(tài)在i-d圖上的確定兩種狀態(tài)的空氣混合規(guī)律

dAiAdBiBiCdCBCAACB過飽和區(qū)空氣狀態(tài)變化過程圖

ADCBictDid100%二、空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的確定

室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)負(fù)荷計(jì)算1.室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)1）室外空氣計(jì)算參數(shù)2）室外空氣綜合溫度3）室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)室外空氣計(jì)算參數(shù)①夏季空調(diào)室外計(jì)算幹、濕球溫度

②

夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均溫度和逐時溫度室外空氣綜合溫度外表面單位面積上得到的熱量綜合溫度

為完善，作以下修改室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)①舒適性空調(diào)室內(nèi)溫、濕度標(biāo)準(zhǔn)②工藝性空調(diào)室內(nèi)溫、濕度標(biāo)準(zhǔn)夏季冬季溫度應(yīng)採用24—28℃相對濕度應(yīng)採用40—65%風(fēng)速不應(yīng)大於0.3m／s

溫度應(yīng)採用18—22℃

相對濕度應(yīng)採用40—60%

風(fēng)速不應(yīng)大於0.2m／s

工藝性空調(diào)可分為一般降溫性空調(diào)、恒溫恒濕空調(diào)和淨(jìng)化空調(diào)等。2.負(fù)荷計(jì)算1）室外擾量形成的負(fù)荷2）室內(nèi)擾量形成的負(fù)荷3）室內(nèi)濕源散濕形成的濕負(fù)荷4）再熱負(fù)荷5）室內(nèi)負(fù)荷與製冷系統(tǒng)負(fù)荷6）空調(diào)負(fù)荷的概算指標(biāo)室外擾量形成的負(fù)荷①太陽輻射熱②室內(nèi)外溫差的傳導(dǎo)熱③補(bǔ)充新鮮空氣帶來的負(fù)荷室內(nèi)擾量形成的負(fù)荷①人體的散熱②照明燈具散熱③用電設(shè)備散熱QD＝n·N

Qs＝n·N④其他設(shè)備散熱⑤設(shè)備、照明和人體在室內(nèi)散熱形成的室內(nèi)冷負(fù)荷Q‘

室內(nèi)濕源散濕形成的濕負(fù)荷①敞開水槽表面散濕量

②地面積水蒸發(fā)量

計(jì)算方法與水槽蒸發(fā)量計(jì)算方法相同

再熱負(fù)荷室內(nèi)負(fù)荷與製冷系統(tǒng)負(fù)荷以上介紹的熱負(fù)荷的總和稱室內(nèi)負(fù)荷QN

製冷系統(tǒng)熱負(fù)荷

空調(diào)負(fù)荷的概算指標(biāo)①夏季空調(diào)製冷系統(tǒng)負(fù)荷概算指標(biāo)

②冬季採暖負(fù)荷的概算指標(biāo)

辦公樓95—115(W／m2)超高層辦公樓105—145(W／m2)旅館70—95(W／m2)餐廳290—350(W／m2)百貨商店210—240(W／m2)醫(yī)院105—130(W／m2)劇場230—350(W／m2)

辦公樓、學(xué)校60—80(W／m2)

醫(yī)院65—80(W／m2)

旅館60—70(W／m2)

餐廳115—140(W／m2)

劇場95—115(W／m2)三、空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量與總風(fēng)量的確定總風(fēng)量新風(fēng)量1.總風(fēng)量計(jì)算要求

在已知空調(diào)房間冷(熱)濕負(fù)荷的基礎(chǔ)上，需要確定消除室內(nèi)餘熱、餘濕以維持空調(diào)房間所要求的空氣參數(shù)所需的送風(fēng)狀態(tài)及送風(fēng)量。計(jì)算方法空調(diào)房間送風(fēng)狀態(tài)的變化過程夏季送風(fēng)量和送風(fēng)狀態(tài)的確定冬季送風(fēng)量與送風(fēng)狀態(tài)的確定空調(diào)房間送風(fēng)狀態(tài)的變化過程總熱平衡

濕平衡

或或由兩個平衡io

do排風(fēng)送風(fēng)iN

dN夏季送風(fēng)量和送風(fēng)狀態(tài)的確定dodnioinoN送風(fēng)量

或換氣次數(shù)

冬季送風(fēng)量與送風(fēng)狀態(tài)的確定L2.新風(fēng)量確定新風(fēng)量的依據(jù)有下列三個因素

①衛(wèi)生要求

③保持空調(diào)房間的“正壓”要求②補(bǔ)充局部排風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的空氣平衡關(guān)係正壓L0.9L滲透四、空氣處理及其設(shè)備

為滿足空調(diào)房間送風(fēng)參數(shù)的要求，在空調(diào)系統(tǒng)中必須有相應(yīng)的熱質(zhì)處理設(shè)備，以便能對空氣進(jìn)行各種熱質(zhì)處理，使之達(dá)到所要求的送風(fēng)狀態(tài)，本章將介紹對空氣進(jìn)行各種處理的方法和過程及其有關(guān)的設(shè)備知識

1．空氣處理過程

季節(jié)

空氣處理途徑

處理方案說明

夏季

(1)W→L→O(2)W→1→O(3)W→O噴淋室噴冷水(或用表面冷卻器)冷卻減濕→加熱器再熱固體吸濕劑減濕→表面冷卻器等濕冷卻液體吸濕劑減濕冷卻

冬季

(1)W'→2→L→O(2)W'→3→L→O(3)W'→4→O(4)W'→L→O(5)W'→5→L'→O→5

加熱器預(yù)熱→噴蒸汽加濕→加熱器再熱加熱器預(yù)熱→噴淋室絕熱加濕→加熱器再熱加熱器預(yù)熱→噴蒸汽加濕噴淋室噴熱水加熱加濕→加熱器再熱加熱器預(yù)熱→一部分噴淋室絕熱加濕→與另一部分未加濕的空氣混合表4-13空氣處理各種途徑的方案說明100%W1L

夏季空氣處理途徑O

冬季空氣處理途徑W`2345OLt02．空氣處理設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)不同的空氣處理過程就要採用不同的空氣處理設(shè)備加熱設(shè)備、冷卻設(shè)備、加濕設(shè)備及減濕設(shè)備等包括作為熱濕交換的介質(zhì)水、水蒸汽、液體吸濕劑和製冷劑

兩類熱濕交換設(shè)備

根據(jù)工作特點(diǎn)的不同可分為兩大類：直接接觸式熱濕交換設(shè)備表面式熱濕交換設(shè)備特點(diǎn)

與空氣進(jìn)行熱濕交換的介質(zhì)與被處理的空氣直接接觸，做法是讓空氣流經(jīng)熱濕交換介質(zhì)的表面或?qū)釢窠粨Q介質(zhì)噴淋到空氣中間去。特點(diǎn)

與空氣進(jìn)行熱濕交換的介質(zhì)不與空氣直接接觸?？諝馀c介質(zhì)間的熱濕交換是通過設(shè)備的金屬表面來進(jìn)行的。

五、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的分類普通集中式空調(diào)系統(tǒng)1.空調(diào)系統(tǒng)的分類

空調(diào)系統(tǒng)的分類方法有很多，下麵首先介紹空調(diào)系統(tǒng)的分類情況?？諝馓幚碓O(shè)備的集中程度①集中式空調(diào)系統(tǒng)②半集中式空調(diào)系統(tǒng)③分散式空調(diào)系統(tǒng)

負(fù)擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷的所用介質(zhì)不同①全空氣系統(tǒng)②全水系統(tǒng)③空氣—水系統(tǒng)

④冷劑系統(tǒng)

（d）冷劑系統(tǒng)（b）全水系統(tǒng)（a）全空氣系統(tǒng)（c）空氣-水系統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)簡介

中央空調(diào)系統(tǒng)是一種幾種處理和分配冷量的空調(diào)系統(tǒng)，通常有三種方式對室內(nèi)空氣進(jìn)行降溫和升溫處理：1.

水管路送至各個房間的末端（風(fēng)機(jī)盤管）2.

風(fēng)管道送至各個房間的風(fēng)口3.

製冷劑直接進(jìn)入每個房間的末端水管路送至各個房間的末端（風(fēng)機(jī)盤管）半集中式系統(tǒng)風(fēng)管道送至各個房間的風(fēng)口戶式中央空調(diào)大樓中央空調(diào)室內(nèi)走冷媒管製冷劑直接進(jìn)入每個房間的末端戶式中央空調(diào)或商用空調(diào)大樓中央空調(diào)常見形式其中室內(nèi)回風(fēng)和室外新風(fēng)混合後經(jīng)過處理再通過送風(fēng)管道送到每個空調(diào)房間是一種常見的方式?；仫L(fēng)和新風(fēng)再送入每個房間之前必須通過集中的空氣處理裝置（組合式空調(diào)箱）進(jìn)行降溫/升溫、加濕/去濕處理，再通過主風(fēng)道和各個支管風(fēng)道送入每個空調(diào)房間，以保證房間所要求的溫度和濕度要求

空調(diào)箱AHU回風(fēng)管新風(fēng)管送風(fēng)管新風(fēng)回風(fēng)集中空氣處理裝置功能示意圖

空調(diào)系統(tǒng)使用的空氣來源①封閉式系統(tǒng)

②直流式系統(tǒng)

③回風(fēng)式系統(tǒng)

NNOONONOOO冷卻器篩檢程式風(fēng)機(jī)NCC2.普通集中式空調(diào)系統(tǒng)

一次回風(fēng)

回風(fēng)與室外新風(fēng)在噴水室(或表面式空氣冷卻器，簡稱表冷器)前混合。二次回風(fēng)

回風(fēng)與新風(fēng)在噴水室（或表冷器）前混合並經(jīng)熱濕處理後，再次與回風(fēng)混合

。

根據(jù)新風(fēng)、回風(fēng)混合過程的不同，工程上常見的有兩種形式：一次回風(fēng)裝置圖式和夏季過程在i-d圖上的確定

CNOLWWNNOLC混合冷卻減濕加熱WNoNLCO一次回風(fēng)系統(tǒng)夏季設(shè)計(jì)工況所需的冷量

室內(nèi)冷負(fù)荷

新風(fēng)冷負(fù)荷

再熱量

系統(tǒng)所需要的冷量

一次回風(fēng)系統(tǒng)的冬季處理過程

WNNL絕熱加濕加熱再熱器冷卻器NNi`c=iLO`C`LEW`NiNd0dN夏、冬季室內(nèi)參數(shù)不同的一次回風(fēng)式系統(tǒng)W`Ct1N2L2N1CL1W二次回風(fēng)NC`OCWL`LNNNNG2G2WCLOWNCLNNO六、空調(diào)房間氣流組織按照送、回風(fēng)口佈置位置和型式的不同，可以有各種各樣的氣流組織形式。大致可以歸納為以下五種：

側(cè)送側(cè)回上送下回

中送上下回

下送上回

上送上回

1.側(cè)送側(cè)回

側(cè)送風(fēng)口佈置在房間的側(cè)牆上部，空氣橫向送出，氣流基本吹到對面牆上後轉(zhuǎn)折下落，以較低速度流過工作區(qū)，再由佈置在側(cè)牆下部的回風(fēng)口排出。根據(jù)房間跨度大小，可以佈置成單側(cè)送、單側(cè)回，和雙側(cè)送、雙側(cè)回。特點(diǎn)①速度場和溫度場都趨於均勻和穩(wěn)定，因此能保證工作區(qū)氣流速度和溫度的均勻性。

②工作區(qū)處於回流區(qū)，故而排風(fēng)溫度等於室內(nèi)工作區(qū)溫度。

③由於側(cè)送側(cè)回的射流射程比較長，射流來得及充分衰減，故可加大送風(fēng)溫差。

2.上送下回

孔板送風(fēng)和散流器送風(fēng)是常見的上送下回形式。

孔板送風(fēng)和密佈散流器送風(fēng)，可以形成平行流流型，渦流少，斷面速度場均勻的氣流

。對於溫濕度要求精度高的房間，特別是潔淨(jìng)度要求很高的房間，是理想的氣流組織型式。

特點(diǎn)

這種形式的排風(fēng)溫度也接近室內(nèi)工作區(qū)平均溫度。Ps3.中送下、上回

對了高大房間來說，送風(fēng)量往往很大，房間上部和下部的溫差也比較大，採用中部送風(fēng)，下部和上部同時排風(fēng)，形成兩個氣流區(qū)，保證下部工作區(qū)達(dá)到空調(diào)設(shè)計(jì)要求，而上部氣流區(qū)負(fù)擔(dān)排走非空調(diào)區(qū)的餘熱量。顯然下部氣流區(qū)的氣流組織就是側(cè)送側(cè)回。

4.下送上回

適用場合對於室內(nèi)餘熱量大，特別是熱源又靠近頂棚的場合，採用這種氣流組織形式是非常合適的。

特點(diǎn)由於下送上回時的排風(fēng)溫度大於工作區(qū)溫度，故而室內(nèi)平均溫度較高，經(jīng)濟(jì)性好。但是，下部送風(fēng)溫差不能太大?？蓲裼眯魉惋L(fēng)口。

為此5.上送上回

這種氣流組織形式是將送風(fēng)口和回風(fēng)口疊在一起，佈置在房間上部。

適用場合對於那些因各種原因不能在房間下部佈置風(fēng)口的場合是相當(dāng)合適的。注意防止氣流短路現(xiàn)象的發(fā)生。

地板送風(fēng)實(shí)例辦公室空調(diào)送風(fēng)采用地板送風(fēng)是一個比較有效的形式,香港已經(jīng)有了成功的先例.這種送風(fēng)形式不僅節(jié)能,而且作為辦公樓能滿足辦公用房按照需要調(diào)整變化的需求.第二節(jié)半集中式空調(diào)系統(tǒng)前面介紹的集中式空調(diào)系統(tǒng)，由於所有空氣都在在調(diào)機(jī)房的空調(diào)箱中處理，所以有風(fēng)道過粗、過長和機(jī)房面積大的缺點(diǎn)。為此常常佔(zhàn)用較多的建築面積和空間。為了解決這些矛盾產(chǎn)生了半集中式空調(diào)系統(tǒng)和分散式空調(diào)系統(tǒng)。本節(jié)介紹半集中式空調(diào)系統(tǒng)

包括風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)誘導(dǎo)器系統(tǒng)水環(huán)熱泵系統(tǒng)

一、風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組風(fēng)機(jī)盤管的構(gòu)造和特點(diǎn)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的新風(fēng)系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)盤管的冷媒水系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的選擇

1．風(fēng)機(jī)盤管的構(gòu)造和特點(diǎn)2．風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的新風(fēng)系統(tǒng)(a)靠室外滲入新風(fēng)，浴室或廁所機(jī)械排風(fēng)(b)裝設(shè)新風(fēng)引入風(fēng)口，新風(fēng)口可進(jìn)行調(diào)節(jié)

(c)設(shè)有獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)

分為以下幾種：送風(fēng)回風(fēng)新風(fēng)排風(fēng)（a）室外滲入新風(fēng)送風(fēng)回風(fēng)新風(fēng)排風(fēng)（b）設(shè)新風(fēng)引入風(fēng)口（c）獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)3．風(fēng)機(jī)盤管的冷媒水系統(tǒng)（a）基本供水系統(tǒng)；（b）水量調(diào)節(jié)；（c）水溫調(diào)節(jié)1-風(fēng)機(jī)盤管；2-溫度控制器；3-回水三通閥；4-回水總管；5-旁通閥；6-供水總管；7-二次熱水泵；8-淡水冷卻器；9-一次冷熱水泵；10-淡水加熱器4．風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的選擇風(fēng)機(jī)盤管在夏季提供的冷量

採用以下方法選擇1)利用風(fēng)機(jī)盤管的全熱冷量焓效率和顯熱冷量選用風(fēng)機(jī)盤管2)風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組變工況的冷量換算

二、誘導(dǎo)器系統(tǒng)

工作原理

空氣調(diào)節(jié)過程分析

1.工作原理誘導(dǎo)器系統(tǒng)中有一個關(guān)鍵設(shè)備叫誘導(dǎo)器。

誘導(dǎo)器

靜壓箱噴嘴冷熱盤管

它等於誘導(dǎo)器工作時吸入的二次風(fēng)與供給的一次風(fēng)量比值誘導(dǎo)比

n——誘導(dǎo)比

Gl

、G2——誘導(dǎo)器吸一次風(fēng)量和二次風(fēng)量

2．空氣調(diào)節(jié)過程分析“全空氣”誘導(dǎo)器系統(tǒng)“空氣—水”誘導(dǎo)器系統(tǒng)

“全空氣”誘導(dǎo)器系統(tǒng)

“全空氣”誘導(dǎo)器的誘導(dǎo)比為

為了求出誘導(dǎo)器需要的一次風(fēng)量G1，可以建立房間的熱平衡關(guān)係“全空氣”誘導(dǎo)器系統(tǒng)空氣調(diào)節(jié)過程在i-d圖上的表示1n