制冷工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)

年4月19日制冷工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正。制冷技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)制冷基礎(chǔ)知識(shí)一、冷及制冷日常生活中，冷和熱是兩種不同的感覺(jué)，兩個(gè)完全對(duì)立的概念?？墒怯梦锢韺W(xué)概念來(lái)解釋?zhuān)镔|(zhì)的冷和熱，只是熱的程度不同，沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。各種物質(zhì)都由分子組成，每個(gè)分子都在不斷運(yùn)動(dòng)，分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了熱。不同的物質(zhì)，分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不同的，有些物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)比較劇烈，有些物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)比較緩慢；即使相同的物質(zhì)，由于受外界條件的影響，分子運(yùn)動(dòng)的程度也不一樣。凡是分子運(yùn)動(dòng)速度快，物質(zhì)的溫度比較高，就稱(chēng)為熱；分子運(yùn)動(dòng)比較緩慢，物質(zhì)的溫度比較低，就稱(chēng)為冷。冷和熱是相正確，它們是以溫度的高低來(lái)衡量的。隨著外界條件的變化，冷的物質(zhì)能夠變熱，熱的物質(zhì)也能夠變冷。例如，將水加熱，冷水會(huì)變成熱水，甚至成為水蒸氣；反之，冬季氣溫下降，地面上水的溫度隨之下降，成為冷水，甚至凍結(jié)成冰。自然界每年有季節(jié)變化，夏、秋季氣溫高，地面各種物質(zhì)的溫度隨著升高，冬季氣溫低，地面各種物體的溫度隨著升高，冬季氣溫低，地面各種物體的溫度也隨著降低。這種由于氣候的變化，使物質(zhì)變冷的過(guò)程稱(chēng)為天然制冷。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)冷的需要越來(lái)越多，自然制冷不但受氣候限制，不能隨便利用，而且冷的程度有限，不能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因而，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，采用了機(jī)器來(lái)制冷，稱(chēng)為機(jī)器制冷或人工制冷，簡(jiǎn)稱(chēng)制冷。制冷，就是以人為的方法來(lái)減少某物質(zhì)的熱量，降低該物質(zhì)的溫度，制造出一定的低溫。制冷的任務(wù)是將冷卻的物體中的熱量轉(zhuǎn)移給周?chē)慕橘|(zhì)（水或空氣），或設(shè)法把該物體的溫度，降低到低于周?chē)橘|(zhì)的溫度，和在所需的一定時(shí)間內(nèi)保持一定的低溫。二、常見(jiàn)名詞及概念1．溫度溫度用來(lái)表示物質(zhì)冷和熱的程度。衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn)有攝氏溫度、華氏溫度和絕對(duì)溫度三種。中國(guó)日常生活和工程技術(shù)上大都采用攝氏溫度或絕對(duì)溫度。（1）攝氏溫度在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的結(jié)冰溫度作為0度，沸騰溫度作為100度，在0度與100度之間，平均等分成100份，每一份作為1度，這個(gè)溫度標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為攝氏溫度，以符號(hào)℃表示。（2）華氏溫度在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的結(jié)冰溫度作為32度，沸騰溫度作為212度，在32度與212度之間，平均等分為180份，每一份作為1度，這個(gè)溫度標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為華氏溫度，以符號(hào)°F表示。（3）絕對(duì)溫度把水的結(jié)冰點(diǎn)作為273度，水的沸點(diǎn)作為373度，把物質(zhì)中的分子全部停止運(yùn)動(dòng)之點(diǎn)作為0度的溫度標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為絕對(duì)溫度，以符號(hào)K表示。攝氏溫度、華氏溫度和絕對(duì)溫度能夠相互換算。攝氏溫度換算成華氏溫度時(shí)可按下式計(jì)算：F=1.8C+32華氏溫度換算成攝氏溫度時(shí)，可按下式計(jì)算：C=F-eq\f(32,1.8)絕對(duì)溫度與攝氏溫度有如下關(guān)系：K=-273.16℃或0℃=273.16KT=t+273.16式中：T—絕對(duì)溫度（K）t—攝氏溫度（℃）2.熱量分子運(yùn)動(dòng)所具有的熱能量稱(chēng)為熱量。計(jì)算熱量的單位，公制用卡或千卡（也稱(chēng)大卡），英制用英熱單位。（1）卡在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，一公斤的水，溫度升高或降低1℃，所吸收或放出的熱量稱(chēng)為一卡，用符號(hào)cal表示。（2）千卡在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，一公斤的水，溫度升高或降低1℃，所吸收或放出的熱量稱(chēng)為一千卡或一大卡，用符號(hào)kcal表示。（3）英熱單位將一磅的水加熱或冷卻，溫度升高或降低1°F，所吸收或放出的熱量稱(chēng)為一英熱單位，用符號(hào)BTU表示?？?、千卡和英熱單位的換算：1千卡=1000卡=3.969英熱單位1英熱單位=252卡=0.252千卡(4)比熱單位重量的物質(zhì)，溫度升高或降低1℃所吸收或放出的熱量稱(chēng)為比熱，以符號(hào)C表示。其常見(jiàn)單位為千卡/公斤℃或卡/克℃。水的比熱等于1，各種食品的比熱隨食品中水分含量的多少和溫度不同而不同。當(dāng)食品的溫度變化范圍不大，比熱可做常數(shù)。但如果食品的溫度變化引起食品中水分凍結(jié)或冰的融化時(shí)，由于冰的比熱僅為水的一半，此時(shí)，雖然溫度變化不大，食品的比熱也會(huì)有較大變化，故凍結(jié)食品的比熱比常溫下食品的比熱要小的多。幾種食品的比熱如表1—1所示。表1—1幾種食品的比熱名稱(chēng)比熱（千卡/公斤℃）名稱(chēng)比熱（千卡/公斤℃）凍結(jié)點(diǎn)以上凍結(jié)點(diǎn)以下凍結(jié)點(diǎn)以上凍結(jié)點(diǎn)以下少脂魚(yú)0.800.32水果0.8—0.90.5多脂魚(yú)0.680.44蔬菜0.8—0.90.4—0.5精肉0.760.42水1—肥肉0.520.36冰—0.5雞蛋0.760.40冰激凌0.780.45（5）制冷量用人工的方法來(lái)減少某物質(zhì)的熱量時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)所能攝取的熱量稱(chēng)為制冷量，常見(jiàn)單位為千卡/時(shí)。在國(guó)外，也有采用冷凍噸作為制冷量單位，冷凍噸是24小時(shí)內(nèi)將一頓0℃的水變成0℃的冰需要攝取的熱量。由于冰的溶解潛熱為78.68千卡/公斤，故：1冷凍噸*=78.68×1000/24=3320（千卡/時(shí)）3.壓力無(wú)論是氣體或液體，由于分子的運(yùn)動(dòng)，氣體或液體分子對(duì)容器或管道壁會(huì)造成碰撞，對(duì)容器或管道壁產(chǎn)生力的作用，稱(chēng)為壓力。流體作用在容器壁或管壁單位面積上的壓力稱(chēng)為壓強(qiáng)，以符號(hào)P表示。在工程中，習(xí)慣上把壓強(qiáng)稱(chēng)為壓力。我們四周的空氣也有壓力，由地面上幾百公里高的空氣層的重量所形成，稱(chēng)為大氣壓力，大氣的壓力隨地理區(qū)域、高度以及氣候條件等不同而有所變化。壓力的常見(jiàn)單位公斤/厘米2、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米水銀柱、米水柱、磅/英寸2等。（1）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓又稱(chēng)物理大氣壓，是指在維度45°的海面上，大氣的常年平均壓力。其值為1.033公斤/厘米2。（2）工程大氣壓為計(jì)算方便，把大氣壓力作為1公斤/厘米2來(lái)計(jì)算，稱(chēng)為一個(gè)工程大氣壓。（3）絕對(duì)壓力和表壓力氣體的壓力有絕對(duì)壓力和表壓力兩種。絕對(duì)壓力是氣體的真實(shí)。表壓力是指壓力表上的讀數(shù)，是絕對(duì)壓力與大氣壓力之差。當(dāng)壓力表上的讀數(shù)為正值時(shí)，其絕對(duì)壓力為表壓力加上大氣壓力，當(dāng)壓力表上的讀數(shù)為負(fù)值（即真空）時(shí)，其絕對(duì)壓力為大氣壓力減去壓力表上的讀數(shù)。在工程上一般常采用表壓力，但在計(jì)算中，需采用絕對(duì)壓力。各種壓力單位的相互換算如表1—2所示。表1—2壓力單位換算表公斤/厘米2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓毫米水銀柱米水柱磅/英寸210.9678735.561014.2231.033176010.333314.6960.001360.0013110.01360.01930.10.096873.55611.42230.07030.068051.7150.7031（4）功和功率物體受力的作用而運(yùn)動(dòng)，其作用的力和物體在力方向上移動(dòng)的距離的乘積稱(chēng)為功，常見(jiàn)單位為公斤米。1公斤米是1公斤的力，在力的作用線上，使物體移動(dòng)1米距離時(shí)所做的功。單位時(shí)間內(nèi)所作的功稱(chēng)為功率，常見(jiàn)單位為公斤米/秒、千瓦和馬力。1千瓦=1.36馬力=102公斤米/秒1馬力=0.736千瓦=75公斤米/秒4.容積物質(zhì)所占的體積大小稱(chēng)為容積，常見(jiàn)單位為立方米、升等。比容單位重量的物質(zhì)所占據(jù)的容積稱(chēng)為比容，也稱(chēng)容重，以符號(hào)V表示。常見(jiàn)單位為米3/公斤。5.重量各種物體所具有的物質(zhì)數(shù)量稱(chēng)為質(zhì)量，由于地心吸力，一定質(zhì)量物質(zhì)都有一定的重量，常見(jiàn)的重量單位為公斤（千克）、克和磅等。1公斤=1000克=2.2046磅1磅=453.6克=0.4536公斤比重單位容積的物質(zhì)所具有的重量稱(chēng)為比重，也稱(chēng)重度，以符號(hào)г表示。常見(jiàn)的比重單位為公斤/米3。比重和比容互為倒數(shù)。6.物態(tài)變化物質(zhì)有三種形態(tài)：固體、液體和氣體。（1）固體一定體積和形狀的物質(zhì)。在不太大的外力作用下其體積和形狀的改變很小。（2）液體有一定的體積而形狀隨容器改變的物質(zhì)。（3）氣體由大量分子組成的、能自發(fā)充滿(mǎn)任何容器的物質(zhì)。氣體分子之間的距離較大，作用力很小，都在作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因此氣體容易壓縮，沒(méi)有一定的形狀。在外界條件的影響下，物質(zhì)的三種形態(tài)能夠相互轉(zhuǎn)換。例如，在常壓常溫下，水是一種液體，當(dāng)溫度降低到0℃以下，就會(huì)凍結(jié)成冰，成為固體。反之，水加熱到100℃以上，就會(huì)變成水蒸氣，成為氣體。溫度和壓力是影響物體變化的主要因素。（4）壓縮使氣體物質(zhì)比容減小，比重增大，壓力升高的過(guò)程稱(chēng)為壓縮。氣體壓縮時(shí)，需要對(duì)氣體做功。（5）絕熱壓縮氣體壓縮過(guò)程中，與外界不發(fā)生熱交換，稱(chēng)為絕熱壓縮。（6）膨脹使氣體物質(zhì)比容增大，比重減小，壓力降低的過(guò)程稱(chēng)為膨脹。（7）節(jié)流膨脹流體流動(dòng)中，斷面突然縮小，使流量受限制，而后斷面增大，造成流體壓力下降，比容增大的過(guò)程稱(chēng)為節(jié)流膨脹。（8）冷凝氣體冷卻轉(zhuǎn)化為液體的過(guò)程稱(chēng)為冷凝。（9）凝固物質(zhì)從液體冷卻轉(zhuǎn)化為固體的過(guò)程稱(chēng)為凝固。（10）溶解固體加熱轉(zhuǎn)換為液體的過(guò)程稱(chēng)為溶解。（11）氣化液體加熱轉(zhuǎn)化為氣體的過(guò)程稱(chēng)為氣化。氣化有兩種方式：蒸發(fā)和沸騰。（12）沸騰在沸點(diǎn)溫度下，液體的氣化過(guò)程稱(chēng)為沸騰。（13）蒸發(fā)液體表面的氣化現(xiàn)象稱(chēng)為蒸發(fā)。在制冷工程中，由于制冷劑的沸騰溫度較低，一般吧沸騰稱(chēng)為蒸發(fā)。（14）升華固體加熱直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的過(guò)程稱(chēng)為升華。（15）潛熱物質(zhì)發(fā)生物態(tài)變化而溫度維持不變，所需要吸收或放出的熱量稱(chēng)為潛熱，此時(shí)，液體的氣化溫度即為沸點(diǎn)，固體的溶解溫度即為熔點(diǎn)。(16)氣化潛熱液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時(shí)的潛熱稱(chēng)為氣化潛熱。（17）溶解潛熱固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w時(shí)的潛熱稱(chēng)為溶解潛熱。在不同的壓力條件下，各種物質(zhì)沸點(diǎn)和氣化潛熱，熔點(diǎn)和溶解潛熱并不相同，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)為100℃，氣化潛熱為539千卡/公斤。氨液的沸點(diǎn)為-33.4℃，氣化潛熱為327千卡/公斤。冰的熔點(diǎn)為0℃，溶解潛熱為79.7千卡/公斤。7.蒸汽的飽和、過(guò)熱和過(guò)冷狀態(tài)裝在密閉容器里的液體，被加熱時(shí)，蒸發(fā)和擴(kuò)散作用，空間會(huì)充滿(mǎn)氣體分子，這些氣體分子在液體上面空間作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。由于分子之間以及分子與容器壁的碰撞，其中一部分又回到液體中去。開(kāi)始時(shí)，離開(kāi)液體的分子多于回到液體中的分子，這樣液體表面上方蒸汽的密度就逐漸增大，回到液體中的分子數(shù)量也增多，最后，在同一時(shí)間內(nèi)從液體里出來(lái)的分子數(shù)等于回到液體中去的分子數(shù)。這就是說(shuō)液體的氣化速度與蒸汽的液化速度相等，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，蒸汽的密度不能再增加，達(dá)到了飽和狀態(tài)。這時(shí)容器中的蒸汽叫做飽和蒸汽，相應(yīng)的壓力叫做飽和壓力，而相應(yīng)的溫度叫做飽和溫度。在相同的溫度下，各種液體有不同的飽和蒸汽壓力。例如，在20℃時(shí)水的飽和蒸汽壓力為17.53毫米水銀柱，氨的飽和蒸汽壓力為8.741公斤/厘米2（絕對(duì)）。液體的飽和蒸汽壓力隨著溫度升高而增加。在溫度不變的情況下，只要密封的容器里還有液體存在，其飽和蒸汽壓力不隨容積的改變而變化。如果在定壓下對(duì)液體進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到飽和溫度時(shí)，液體沸騰，變成蒸汽，繼續(xù)加熱，則比容增加，溫度不變，仍為飽和溫度，容器內(nèi)存在著飽和液體和飽和蒸汽的混合物，此時(shí)稱(chēng)為濕飽和蒸汽狀態(tài)。繼續(xù)加熱，液體全部氣化為飽和蒸汽，此時(shí)稱(chēng)為干飽和蒸汽狀態(tài)。如再繼續(xù)加熱則干蒸汽的溫度將升高，超過(guò)飽和溫度，比容也將增加，這種狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)熱蒸汽。如果在定壓下，將蒸汽進(jìn)行冷卻，在飽和溫度下，飽和蒸汽被冷凝成飽和液體。在飽和蒸汽全部冷凝成為飽和液體后，如果繼續(xù)冷卻，液體的溫度將降低，低于飽和溫度，這種狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)冷液體。8.臨界溫度、臨界壓力和臨界比容根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，要想把氣體由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，必須符合一定的條件，超出這一條件，物態(tài)的變化就不能實(shí)現(xiàn)。能夠?qū)崿F(xiàn)物態(tài)變化的極限狀態(tài)稱(chēng)為臨界狀態(tài)。每種氣體都有一個(gè)一定的溫度值，高于這個(gè)溫度，不論壓力如何變化，氣態(tài)都無(wú)法轉(zhuǎn)化為液態(tài)的，這個(gè)極限溫度稱(chēng)為臨界溫度。在臨界溫度下，氣體液化所需要的壓力稱(chēng)為臨界壓力。在臨界壓力下，單位質(zhì)量的物質(zhì)所占據(jù)的容積稱(chēng)為臨界壓力。在臨界壓力下，單位重量的物質(zhì)所占據(jù)的容積稱(chēng)為臨界比容。例如水的臨界溫度為374℃，臨界壓力為217.72大氣壓，臨界比容為2.50厘米3/克，空氣的臨界溫度為-140.7℃，臨界壓力為37.2大氣壓，臨界比容為2.86厘米3/克。9.空氣的濕度和露點(diǎn)空氣是一種混合氣體，在空氣中，一般都含有一定量的水蒸氣?？諝庵泻兴魵獾亩嗌俜Q(chēng)為空氣的濕度?？諝獾臐穸饶軌蛴媒^對(duì)濕度、水蒸氣密度和相對(duì)濕度表示。（1）絕對(duì)濕度單位容積的空氣中含有水蒸氣的重量稱(chēng)為絕對(duì)濕度，以符號(hào)a表示，常見(jiàn)單位為克/米3。（2）水蒸氣密度含在空氣中的水蒸氣所具有的分壓力稱(chēng)為水蒸氣密度，以符號(hào)e表示，其常見(jiàn)單位為毫米水銀柱或毫巴（1毫巴=0.75毫米水銀柱）。絕對(duì)濕度與水蒸氣密度可按下式換算：a=eq\f(1.06e,1)+αt或a=eq\f(0.8e,1)+αt式中：a—絕對(duì)濕度（克/米3）e—水蒸氣密度（毫米水銀柱）e—水蒸氣密度（毫巴）t—溫度（℃）α—常數(shù)（α=0.00366）（3）相對(duì)濕度空氣中所含水蒸氣的密度與同一溫度下飽和空氣中所含水蒸氣密度百分比值，稱(chēng)為相對(duì)濕度。以符號(hào)ф表示，其值用百分?jǐn)?shù)表示。相對(duì)濕度表示著空氣干燥或潮濕的程度。例如，相對(duì)濕度為0%時(shí)，表示空氣完全干燥，相對(duì)濕度為100%時(shí)，表示空氣濕度最大，達(dá)到飽和狀態(tài)?？諝獾南鄬?duì)濕度能夠從單位容積內(nèi)含有的水蒸氣克數(shù)來(lái)計(jì)算，也能夠用相同溫度下，空氣含有的水蒸氣密度與飽和水蒸氣密度之比來(lái)計(jì)算。相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度，水蒸氣密度可按下式換算：φ=eq\f(a,A)或φ=eq\f(100e,E)式中：φ—相對(duì)濕度（%）絕對(duì)濕度（克/米3）A—飽和蒸汽絕對(duì)濕度（克/米3）e—水蒸氣密度（毫米水銀柱或毫巴）E—飽和蒸汽密度（毫米水銀柱或毫巴）空氣在不同溫度下的飽和蒸汽絕對(duì)濕度和蒸汽密度值如表1—3所示。利用上式和表1—3能夠換算出空氣的相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度和水蒸氣密度。表1—3不同溫度下空氣的飽和蒸汽絕對(duì)濕度和飽和蒸汽密度溫度（℃）+30+20+10+50-5-10-15-20飽和蒸汽絕對(duì)濕度（克/米3）30.3817.329.415.324.863.412.351.601.08飽和蒸汽密度（毫米水銀柱）31.8217.549.216.424.583.162.141.430.95飽和蒸汽密度（毫巴）42.4223.3812.268.646.104.222.851.911.27（4）露點(diǎn)含有一定量水蒸氣的空氣，當(dāng)溫度降低時(shí)，其水蒸氣密度逐漸增大，當(dāng)水蒸氣達(dá)到完全飽和時(shí)的溫度稱(chēng)為該空氣的露點(diǎn)空氣的露點(diǎn)溫度即為相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)的溫度。在露點(diǎn)溫度下，空氣中的水蒸氣成為飽和水蒸氣，部分水蒸氣會(huì)凝結(jié)成露，呈露水狀粘附在物體表面，如果露點(diǎn)溫度低于0℃，則水蒸氣凝結(jié)成霜狀。不同絕對(duì)濕度的空氣有一個(gè)相應(yīng)的露點(diǎn)溫度?？墒?，含有一定水蒸氣的空氣，其相對(duì)濕度則隨溫度而變化。溫度升高時(shí)，相對(duì)濕度下降，溫度降低時(shí)，相對(duì)濕度增大，當(dāng)溫度降低到露點(diǎn)溫度時(shí)，相對(duì)濕度達(dá)到最大為100%。不同溫度和相對(duì)濕度空氣的露點(diǎn)溫度如表1—4所示?？諝獾穆饵c(diǎn)溫度也可利用溫濕（i—d）圖查得。表1—4不同溫度和相對(duì)濕度空氣的露點(diǎn)溫度相對(duì)濕度（%）溫度（℃）6065707580859095100+30+20.9+22.3+23.6+24.8+25.9+27.0+28.1+29.1+30.02819.020.421.722.924.025.026.127.128.02617.218.519.821.022.123.124.125.126.02415.316.617.819.020.121.122.123.124.02213.414.715.917.018.119.120.121.122.0+2011.512.814.015.116.217.218.219.120.0189.910.912.113.214.215.216.217.118.0167.79.010.211.312.313.314.315.216.0145.87.08.29.310.311.312.313.214.0123.95.16.37.48.49.410.311.212.0+102.13.34.45.46.47.48.39.210.08+0.3+1.42.53.54.55.46.37.28.06-1.5-0.4+0.7+1.72.73.64.45.26.043.22.1-1.1-0.2+0.7+1.62.53.34.024.93.93.02.1-1.2-0.3+0.5+1.32.0±06.55.54.63.72.92.1-1.3-0.6±0.028.47.46.45.44.84.03.32.6-2.0410.39.38.37.56.76.05.34.64.0612.111.210.39.58.78.07.36.66.0813.913.912.211.410.710.09.38.68.0-1015.414.814.113.312.611.911.210.610.01217.716.715.915.114.413.813.212.612.01419.818.817.917.116.415.815.214.614.01621.920.920.019.218.517.817.116.516.01824.123.022.221.420.919.819.118.518.0-20-26.2-25.2-24.2-23.4-22.6-21.8-21.1-20.5-20.0熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)任何事物都有一定的規(guī)律性。熱力學(xué)也有其一定的規(guī)律性，這就是熱力學(xué)基本規(guī)律，它反映了能量轉(zhuǎn)換的客觀規(guī)律。熱力學(xué)基本規(guī)律是制冷工程原理的依據(jù)。熱力學(xué)基本定律有熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。一、熱力學(xué)第一定律各種形式的能量能夠互相轉(zhuǎn)換，但不能增多，也不會(huì)減少，總量保持不變。當(dāng)工質(zhì)受熱作功時(shí)，由于受熱而從外界得到的能量，等于外界作功所付給的能量與貯存于工質(zhì)內(nèi)部的能量之和，這就是熱力學(xué)第一定律的基本內(nèi)容。熱力學(xué)第一定律屬于能量守恒和轉(zhuǎn)換定律范疇。熱力學(xué)第一定律能夠用以下公式表示：q=△u+AL式中：q—外界加給受熱工質(zhì)的熱量（千卡/公斤）u—受熱工質(zhì)內(nèi)能的增加（千卡/公斤）L—受熱工質(zhì)對(duì)外界所作的機(jī)械功（公斤米/公斤）A—功的熱能當(dāng)量A=1/427（千卡/公斤米）上式稱(chēng)為簡(jiǎn)單能量方程式，其中每一項(xiàng)根據(jù)實(shí)際情況，能夠是正值，也能夠是負(fù)值。如果q是負(fù)值，表示物質(zhì)對(duì)外界放熱，如果L是負(fù)值，表示工質(zhì)接受了外界的壓縮功，如果△u是負(fù)值，表示工質(zhì)的內(nèi)能不是增加，而是減少。熱力學(xué)第一定律告訴我們，熱與功兩者能夠互相轉(zhuǎn)換，而且轉(zhuǎn)換時(shí)有一定的數(shù)量關(guān)系，即每千卡的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣r(shí)為427公斤米，稱(chēng)為熱功當(dāng)量。反之，每公斤米的功能夠轉(zhuǎn)化為1/427千卡的熱量，以符號(hào)A表示，稱(chēng)為功的當(dāng)量。二、熱力學(xué)第二定律大量實(shí)驗(yàn)證明，功能夠全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔瑴囟容^高的物體中的熱量能夠自發(fā)地向溫度較低的物體轉(zhuǎn)移，而相反卻不行。熱力學(xué)第二定律包括以下兩條內(nèi)容：熱量不能自發(fā)地，不付代價(jià)地由低溫物體傳向高溫物體。使熱量全部而且連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功是不可能的。熱力學(xué)第二定律告訴了我們傳熱過(guò)程的方向，并指出了熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臈l件。例如，有溫度不同的甲、乙兩個(gè)物體互相接觸，并假設(shè)與外界隔絕，此時(shí)甲、乙兩物體間將發(fā)生熱量接觸，熱力學(xué)第一定律說(shuō)明，一個(gè)物體失去的熱量，等于另一個(gè)物體獲得的熱量，但并不能說(shuō)明那個(gè)物體會(huì)失去熱量，那個(gè)物體會(huì)得到熱量?？墒?，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，就能夠清楚地知道，溫度較高的甲物體能夠自動(dòng)地把熱量轉(zhuǎn)移給乙物體，而溫度較低的乙物體，不能自動(dòng)地把熱量傳遞給甲物體。另外，熱力學(xué)第一定律說(shuō)明，熱能夠按一定當(dāng)量轉(zhuǎn)化為功，功也能夠按一定當(dāng)量轉(zhuǎn)化為熱。而熱力學(xué)第二定律進(jìn)一步說(shuō)明，要將功完全轉(zhuǎn)化成熱能是可能的。反之，要將熱完全地連續(xù)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械功卻辦不到。正因?yàn)檫@樣，因此各種熱機(jī)的效率總是小于1。熱力學(xué)定律告訴我們，任何機(jī)器在作功時(shí)都必須消耗能量。要想不耗費(fèi)能量而作功是違反客觀規(guī)律，因而所謂“恒動(dòng)機(jī)”的想法是完全不可能實(shí)現(xiàn)的。三、熵與焓1.熵根據(jù)熱力學(xué)定律，已經(jīng)知道熱量常常不可能完全轉(zhuǎn)化為功，為了研究熱量做功的價(jià)值，引用了熵的概念，以符號(hào)S表示。熵是表明物質(zhì)系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)的物理量。在加熱情況下，一個(gè)系統(tǒng)的溫度是變化，如果把過(guò)程分為許多微段，每段加入熱量為dq，那未每段內(nèi)加熱時(shí)的溫度T（絕對(duì)溫度）能夠認(rèn)為不變，這個(gè)系統(tǒng)熵的變化為dS=eq\f(dq,t)式中：S—熵（千卡/公斤K）q—傳熱量（千卡/公斤）T—絕對(duì)溫度（K）在可逆循環(huán)中，熱源減少的熵等于冷源增加的熵，總的熵值保持不變。在不可逆循環(huán)中，熱源減少的熵大于冷源增加的熵，總的熵值增大。熵不能用實(shí)測(cè)的方法求得，只能從數(shù)學(xué)計(jì)算中得到。熵在熱力計(jì)算中常有使用，一般不需要求出它的絕對(duì)值，而只要求得它的相對(duì)值。在制冷工程中，一般把0℃的飽和制冷液體的熵值規(guī)定為1.2.焓物質(zhì)具有的內(nèi)能和流動(dòng)能之和稱(chēng)為焓，以符號(hào)i表示，其單位為千卡/公斤。焓能夠用以下公式表示：i=u+APV焓是一個(gè)很重要的狀態(tài)參數(shù)，它和溫度、壓力、比容一樣，能說(shuō)明氣體所處狀態(tài)的特征。在制冷工程熱力計(jì)算中，焓具有極廣泛的用途，它能夠使熱力計(jì)算大大簡(jiǎn)化。焓的絕對(duì)值很難直接確定，實(shí)際上也沒(méi)有必要求出，因?yàn)橐话阒恍枰私庖环N物質(zhì)由某一狀態(tài)變化到另一狀態(tài)時(shí)焓值變化即可，在制冷工程中，一般吧0℃的飽和制冷劑液體的焓值規(guī)定為100.3.溫—熵（T—S）圖在熱力學(xué)中，為了計(jì)算熱轉(zhuǎn)移的數(shù)量，常使用溫—熵（T—S）圖。圖1—1是T—S圖的基本線形。圖上，縱坐標(biāo)為絕對(duì)溫度T，橫坐標(biāo)為熵S，T—S圖由等溫線（T=常數(shù)），絕熱等熵線（S=常數(shù)），等壓線（p=常數(shù)），等焓線（i=常數(shù)），等濕線（x=0及x=1），等比容線（V=常數(shù)）等線條組成。與橫坐標(biāo)平行的是等溫線，與縱坐標(biāo)平行的是絕熱等熵線，左邊的一條主要曲線為飽和液線（x=0），右邊的一條主要曲線為飽和氣線（x=1）。處在飽和液線左邊的是過(guò)冷卻液體狀態(tài)，處在飽和氣線右邊的是過(guò)熱氣體狀態(tài)，在飽和液線和飽和氣線之間的是液體和飽和氣體共存狀態(tài)。能夠用T—S圖上的面積來(lái)計(jì)算系統(tǒng)吸收或放出的熱量。圖1—1T—S圖的基本線形例如，某一逆卡諾循環(huán)（圖1—2）由兩根等溫線和兩根絕熱線組成，在4—1等溫過(guò)程中，供熱體把熱量傳遞給工質(zhì)，此時(shí)供熱體溫度T。不變，在1—2絕熱壓縮過(guò)程中，工質(zhì)與周?chē)橘|(zhì)不發(fā)生熱交換，此時(shí)工質(zhì)溫度由T。升到Tk。在2—3等溫過(guò)程中，工質(zhì)將熱量傳遞給受熱體，但溫度穩(wěn)定不變。在3—4絕熱膨脹過(guò)程中，工質(zhì)溫度由Tk降到T。。在上述循環(huán)中，4—1過(guò)程，供熱體傳給工質(zhì)的熱量可由圖上a14b的面積求得，2—3過(guò)程，工質(zhì)向受熱體傳遞的熱量可由圖上a23b的面積求得，而壓縮功即為面積a23b-面積a14b=1234。圖1—2逆卡諾循環(huán)4.壓—焓（P—i）圖為計(jì)算熱轉(zhuǎn)移的數(shù)量，還能夠采用（P—i）壓焓線圖。圖1—3是P—i圖的基本線形，圖上縱坐標(biāo)為壓力P，橫坐標(biāo)為焓i，水平線為等壓線，垂直線為等焓線，左邊主要曲線為飽和液線（x=0），右邊主要曲線為飽和氣線（x=1），這兩條曲線將流體分為三部分，左邊為過(guò)冷液體，中間為液體和飽和氣體共存，右邊為過(guò)熱氣體。在壓—焓圖上，能夠用橫坐標(biāo)的線段來(lái)表示系統(tǒng)吸收或放出的熱量，因此，在使用上，壓—熵圖比溫—熵圖方便，故現(xiàn)今制冷計(jì)算大都采用壓—焓圖，為了避免壓—焓圖的下部的線條過(guò)分擁擠，一般將縱坐標(biāo)以lgp來(lái)代替P，制成lgP—i圖使用。實(shí)際使用的氨lgP—i圖見(jiàn)附錄。圖1—3P—i圖的基本線形傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)熱量由較熱物質(zhì)向較冷物質(zhì)轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱(chēng)為傳熱。實(shí)踐證明，無(wú)論是不同種類(lèi)的物質(zhì)或者是相同種類(lèi)的物質(zhì)，當(dāng)相互接觸時(shí)，只要有溫度差存在，就會(huì)出現(xiàn)傳熱現(xiàn)象。而且，根據(jù)熱力學(xué)定律，熱量總是從高溫物質(zhì)自發(fā)地傳向低溫物質(zhì)。一、傳熱基本方式自然界中，傳熱現(xiàn)象雖然很多，歸納起來(lái)，有三種基本方式：導(dǎo)熱，熱對(duì)流和熱輻射。傳熱過(guò)程有時(shí)候是單一的某種形式的傳熱，而大多數(shù)傳熱過(guò)程是一種方式伴隨著另一種方式同時(shí)進(jìn)行的傳熱。1.導(dǎo)熱由于物體內(nèi)部分子和原子的熱振動(dòng)引起動(dòng)能的交換，使熱量從物體的一部分傳遞到另一部分，或從一個(gè)物體傳遞到與之直接接觸的另一個(gè)物體，這種傳熱方式稱(chēng)為導(dǎo)熱。純粹的導(dǎo)熱現(xiàn)象只有在完全密實(shí)的固體內(nèi)部才能發(fā)生，此時(shí)，物質(zhì)本身并不移動(dòng)。導(dǎo)熱過(guò)程中，如果物體內(nèi)部各處的溫度不隨時(shí)間而變化，則單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量為定值，這種導(dǎo)熱過(guò)程稱(chēng)為穩(wěn)定導(dǎo)熱。下面將穩(wěn)定導(dǎo)熱情況下，單層平面壁，多層平面壁和圓管壁的導(dǎo)熱情況作簡(jiǎn)要介紹。單層平面壁的導(dǎo)熱單層平面壁的導(dǎo)熱可用下式表示：Q=EQeq\f(λ,δ)F(t1–t2)=EQeq\f(λ,δ)F△t（千卡/時(shí)）式中：Q—單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)平面壁傳導(dǎo)的熱量(千卡/時(shí))δ—平面壁厚度（米）F—導(dǎo)熱面積（米2）t1—熱表面的壁溫（℃）t2—冷表面的壁溫（℃）t—熱表面與冷表面的溫度差λ—導(dǎo)熱系數(shù)（千卡/米時(shí)℃）上式說(shuō)明在一定傳熱平面壁面積F上的傳熱速度與溫度差△t成正比例，與平面壁的厚度δ成反比例，還與平面壁物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)λ有關(guān)。導(dǎo)熱系數(shù)λ一小時(shí)內(nèi)，等溫面長(zhǎng)度為一米，溫度降為1℃，經(jīng)過(guò)一平方米傳熱面積的熱量稱(chēng)為導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)的大小標(biāo)志著物質(zhì)傳導(dǎo)熱量能力的大小，不同的物質(zhì)有不同的導(dǎo)熱系數(shù)值。一般說(shuō)來(lái)，以固體為最大，液體次之，而以氣體最小。在固體中，則又以金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)最高，磚石等建筑材料次之，隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)最小。即使同一種物質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)也并不是常數(shù)，它還隨物體的結(jié)構(gòu)、重度、濕度、溫度和壓力等許多因素而異。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)均由試驗(yàn)測(cè)定。表1—5是幾種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)值。表1—5幾種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)名稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)λ（千卡/米時(shí)℃）物質(zhì)名稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)λ（千卡/米時(shí)℃）軟木板0.04—0.06鋼300聚苯乙烯泡沫塑料板0.03—0.04鋁170木材0.15—0.2水0.47—0.53油毛氈0.12—0.15冰1.95—2.0瀝青0.3—0.35冷凍油0.1—0.13磚0.5—0.8霜0.1—0.5混凝土0.8—1.1水垢0.3—1.0鋼筋混凝土1.2—1.3油漆0.2鋼40—50空氣0.02（2）多層平面壁的導(dǎo)熱平面壁由若干層不同物質(zhì)組成，各層物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度均布相同，熱量連續(xù)傳過(guò)各層平面壁的過(guò)程稱(chēng)為多層平面壁的導(dǎo)熱。如圖1—4所示，平面壁為三層，用不同物質(zhì)組成，每層的厚度為δ1、δ2及δ3，其導(dǎo)熱系數(shù)各為λ1、λ2及λ3，平面壁的面積為F（與圖面垂直）經(jīng)過(guò)各層的溫度差各為△t1=t1-t2，△t2=t2-t3，△t3=t3-t4，則根據(jù)單層平面壁的導(dǎo)熱公式可得△t=△t1+△t2+△t3=Q1eq\f(δ1,λ1F)+Q2eq\f(δ2,λ2F)+Q3eq\f(δ3,λ3F)因?yàn)槭欠€(wěn)定導(dǎo)熱，則經(jīng)過(guò)各層的熱量相等，即Q1=Q2=Q3=Q則有Q=eq\f(△t,(eq\f(δ1,λ1F))+(eq\f(δ2,λ2F))+(eq\f(δ3,λ3F)))(千卡/時(shí))令eq\f(δ1,λ1F)=R1，eq\f(δ2,λ2F)=R2，eq\f(δ3,λ3F)=R3則得Q=eq\f(△t,R1+R2+R3)=eq\f(△t,ΣR)（千卡/時(shí)）式中：R1、R2、R3—對(duì)應(yīng)各層的熱阻ΣR—多層平面壁的總熱阻（3）圓管壁的導(dǎo)熱熱量沿圓管壁的徑向傳遞時(shí)，垂直于熱流方向的傳熱面積顯然隨半徑的增大而增大。如圖1—5所示，若圓管壁的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，圓管的內(nèi)半徑為r1，外半徑為r2，內(nèi)壁溫度為t2，外壁溫度為t1，則穩(wěn)定導(dǎo)熱經(jīng)過(guò)的熱量為Q=eq\f(2πλL,ln(eq\f(r2,r1)))(t1-t2)(千卡/時(shí))將上式與平面壁導(dǎo)熱公式相比較，可得Fd=eq\f(2πl(wèi)(r2-r1),lneq\f(r2,r1))=eq\f(F2-F1,lneq\f(F2,F1))(米2)式中：fd—圓管壁內(nèi)面積F1和外面積F2的對(duì)數(shù)平均值則有Q=eq\f(λ,r2-r1)Fd△t=eq\f(λ,δ)Fd△t（千卡/時(shí)）式中：δ—圓管壁的厚度（米）從上式可知圓管壁的導(dǎo)熱基本上與平面壁的導(dǎo)熱相同，其不同之處就在于需把面積取對(duì)數(shù)平均值。一般說(shuō)來(lái)，兩個(gè)數(shù)值的對(duì)數(shù)平均值常較其算術(shù)平均值為小。對(duì)于薄壁圓管，一般其外徑d2（或r2）與外徑d1（或r1）之比小于2，即eq\f(d2,d1)=eq\f(r2,r1)≤2，此時(shí)，工程計(jì)算上能夠采用算術(shù)平均值，其誤差也不大。當(dāng)圓管壁或圓筒壁為同心的多層物質(zhì)構(gòu)成時(shí)，其徑向的導(dǎo)熱需要分別算出各層的傳熱面積對(duì)數(shù)或算術(shù)平均值，并以各層熱阻之和為總熱阻而計(jì)算。2.熱對(duì)流熱對(duì)流是流動(dòng)介質(zhì)的傳熱，主要由分子互易位置、流體本身進(jìn)行混和而傳熱，熱量經(jīng)過(guò)物質(zhì)的移動(dòng)來(lái)傳遞。例如，空氣和水的傳熱都是對(duì)流傳熱。熱對(duì)流是流體獨(dú)有的現(xiàn)象?？墒?，流體的傳熱也往往兼有對(duì)流和導(dǎo)熱兩種形式。對(duì)流傳熱有自然對(duì)流傳熱和強(qiáng)制對(duì)流傳熱之分。靜止的流體，由于受熱或放熱，使密度發(fā)生變化引起對(duì)流而傳熱的稱(chēng)為自然對(duì)流傳熱。由于采用機(jī)械能—風(fēng)機(jī)、攪拌器或泵等，使流體強(qiáng)制流動(dòng)而傳熱的稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流傳熱。按流體的流動(dòng)狀態(tài)，有層流和湍流之分。流體的流動(dòng)速度較?。ɡ字Z準(zhǔn)數(shù)在2320以下）時(shí)一般為層流，流動(dòng)速度較大（雷諾準(zhǔn)數(shù)在2320以上）時(shí)，一般為湍流。可是即使在湍流時(shí)，在緊鄰管壁處?？傆幸槐尤詾閷恿?。流體流過(guò)固體壁面時(shí)，流體和與之直接接觸的壁面間發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)為放熱（又稱(chēng)給熱，對(duì)流換熱），這個(gè)過(guò)程包括因流體各部位相對(duì)位移而引起的換熱，也包括流體分子間進(jìn)行的導(dǎo)熱，因此它是導(dǎo)熱和對(duì)流的混合作用。放熱過(guò)程基本關(guān)系可用下式表示：Q=αF（t1-tb）（千卡/時(shí)）式中：Q—單位時(shí)間內(nèi)流體與壁面間的傳熱量（千卡/時(shí)）t1—流體的溫度（℃）tb—壁面的溫度（℃）F—放熱壁面的面積（米2）α—放熱系數(shù)（又稱(chēng)給熱系數(shù)）（千卡/米2時(shí)℃）放熱系數(shù)α溫度差為1℃，在一小時(shí)內(nèi)，由表面積為1米2的壁面與相接觸的流體之間傳送的熱量稱(chēng)為放熱系數(shù)。放熱系數(shù)的大小標(biāo)志著壁面與流體表面之間熱交換的強(qiáng)度。影響放熱系數(shù)的因素很多。例如，流體的性質(zhì)、流動(dòng)的速度、流體的溫度、壁面的狀態(tài)、面積和溫度等都影響放熱系數(shù)值。一般說(shuō)來(lái)，增加流體速度能夠提高放熱系數(shù)，也就是說(shuō)，湍流時(shí)放熱系數(shù)大，層流時(shí)放熱系數(shù)小。流體流動(dòng)方向和管壁垂直時(shí)的放熱系數(shù)比平時(shí)大。當(dāng)氣體發(fā)生冷凝現(xiàn)象時(shí)的傳熱，滴狀冷凝的放熱系數(shù)比膜狀冷凝大幾倍至十幾倍。膜狀冷凝時(shí)，膜層增厚會(huì)使放熱系數(shù)減少。增加氣體流速，能使液膜減薄，增大放熱系數(shù)，加高氣體溫度，會(huì)使液層粘度減少，放熱系數(shù)增大。氣體與傳熱壁之間的溫度差加大時(shí)，則冷凝加速，液層加厚，使放熱系數(shù)減少。在氣體中如混有不凝性氣體，會(huì)使放熱系數(shù)大大降低。當(dāng)液體為沸騰傳熱時(shí)，粗糙壁面的放熱系數(shù)比光滑壁面為大。由于影響放熱系數(shù)的因素很多，其數(shù)值一般均由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。3.熱輻射宇宙間一切物體都以一種電磁波的方式向四面八方送出它的熱量，這種向四周發(fā)射電磁波的傳熱現(xiàn)象總稱(chēng)為熱輻射。太陽(yáng)的熱能就是以輻射的方式傳給地球的。熱輻射的發(fā)生，是物體內(nèi)部原子復(fù)雜激動(dòng)的結(jié)果。故物體被加熱時(shí)，必有一部分熱能變?yōu)檩椛淠?。一切物體發(fā)射的熱輻射，當(dāng)射達(dá)其它物體的表面時(shí)，和光線相似，部分被吸收，部分被反射，還有一部分可能透過(guò)物體。被物體吸收的輻射能，將使該物體的溫度升高。物體具備吸收、反射及透過(guò)熱輻射的能力分別稱(chēng)為吸收率（A）、反射率（R）及透過(guò)率（D），若以入射能的總數(shù)為1，則有A+R+D=1A、R及D的絕對(duì)值，視物質(zhì)的性質(zhì)、溫度和波長(zhǎng)等而異。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于絕大多數(shù)氣體，絕對(duì)透明體和熱體，A=0，R=0，D=1，即入射能全部透過(guò)。對(duì)于多數(shù)固體和液體D=0，R+A=1，此時(shí)的熱輻射能夠看作是物體表面的效應(yīng)。當(dāng)D=0，A=0，R=1時(shí)，入射能全部反射，稱(chēng)為絕對(duì)白體。若D=0，R=0，A=1時(shí)，入射能全部吸收，稱(chēng)為絕對(duì)黑體。實(shí)際上，絕對(duì)黑體和絕對(duì)白體都不存在，只是近似而已。一般說(shuō)來(lái)，物體表面越粗糙、越黑、越善于吸收光線者，就越近似黑體。如絕黑的煤A=0.96,。但熱輻射的黑體與光學(xué)的黑體還是有所區(qū)別的。例如，白粉墻和白雪，在光學(xué)上是所謂的白體（R=1），但對(duì)于熱輻射，卻是近似黑體，雪的A=0.985.因此物體對(duì)于熱輻射是否吸收或反射，主要決定于表面狀態(tài)，而與顏色無(wú)多大關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論分析，絕對(duì)黑體向外發(fā)射的輻射能與它的輻射面積成正比，與它的絕對(duì)溫度的四次方成正比。E0=C0F（eq\f(T,100)）4（千卡/時(shí)）式中：E0—絕對(duì)黑體的輻射能量（千卡/時(shí)）F—輻射面積（米2）T—物體表面的絕度溫度（K）C0—輻射系數(shù)C0=4.96（千卡/米2時(shí)K）一般，物體的輻射能力和吸收能力都比絕對(duì)黑體小，一個(gè)物體的輻射能量E與同溫度下絕對(duì)黑體輻射能量E0的比值稱(chēng)為黑度。以符號(hào)ε表示。ε=eq\f(E,E0)因此任何物體的輻射能量均能夠表示成E=εE0=εC0F（eq\f(T,100)）4(千卡/時(shí))由于輻射能量與絕對(duì)溫度的四次方成正比，因此，當(dāng)兩個(gè)物體的溫度差相差很大時(shí)，輻射換熱將占據(jù)很重要的地位，可是，在制冷技術(shù)中，一般的溫度都不大，輻射換熱占的比例很小，在計(jì)算中，除個(gè)別情況外，對(duì)輻射換熱量都不予考慮。二、傳熱過(guò)程在熱交換器中，熱量充溫度較高的流體經(jīng)過(guò)間壁傳向另一側(cè)溫度較低流體的過(guò)程稱(chēng)為傳熱過(guò)程。在傳熱過(guò)程中，既有導(dǎo)熱，又有對(duì)流換熱。1.單層平面壁的傳熱過(guò)程單層平面壁的傳熱過(guò)程如圖1—6所示，從圖中能夠看出，整個(gè)傳熱過(guò)程實(shí)際上是熱流體到一側(cè)壁面的對(duì)流換熱，由一側(cè)壁面到另一側(cè)壁面的導(dǎo)熱，以及從另一側(cè)面到冷流體的對(duì)流換熱這樣三個(gè)熱傳遞過(guò)程串聯(lián)而成。從第一節(jié)中已知，熱流體與壁面之間的換熱為Q1=α1F（t1-t1’）由一側(cè)壁面到另一側(cè)壁面的導(dǎo)熱為Q2=eq\f(λ,δ)F(t1’-t2’)由另一側(cè)壁面到冷流體的換熱為Q3=α2F（t2’-t2）當(dāng)穩(wěn)定傳熱時(shí)，各過(guò)程所傳過(guò)的熱量均應(yīng)相等，即Q1=Q2=Q3=Q則三個(gè)串聯(lián)傳熱過(guò)程的溫度差將各為t1-t1’=eq\f(Q1,F)×eq\f(1,α1)=eq\f(Q,F)×eq\f(1,α1)t1’-t2’=eq\f(Q2,F)×eq\f(δ,λ)=eq\f(Q,F)×eq\f(δ,λ)t2’-t2=eq\f(Q3,F)×eq\f(1,α2)=eq\f(Q,F)×eq\f(1,α2)整個(gè)傳熱過(guò)程的總溫差為t1-t2=(t1-t1’)+(t1’-t2’)+(t2’-t2)=eq\f(Q,F)(eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2))由此可得Q=eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2))F(t1-t2)令eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2))=K則有Q=KF（t1-t2）（千卡/時(shí)）式中：Q—單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)傳熱面F由熱流體傳給冷流體的熱量（千卡/時(shí)）F—傳熱壁面積（米2）t1—熱流體的溫度（℃）t2—冷流體的溫度（℃）K—傳熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）傳熱系數(shù)K當(dāng)兩流體間的溫度差為1℃，隔開(kāi)兩流體的壁面積為1米2，在一小時(shí)內(nèi)由較熱流體經(jīng)過(guò)間壁傳至較冷流體的熱量稱(chēng)為傳熱系數(shù)。上述公式稱(chēng)為傳熱方程，是傳熱計(jì)算的基本公式，在制冷計(jì)算中經(jīng)常使用。2.多層平面壁的傳熱過(guò)程多層平面壁的傳熱過(guò)程如圖1—7所示，其間壁為多層結(jié)構(gòu)，每層的厚度為δ1、δ2……δn，則其傳熱系數(shù)為λ1λ2λnK=eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ1,λ1)+eq\f(δ2,λ2)+……+eq\f(δn,λn)+eq\f(1,α2))多層平面壁的傳熱方程與單層平面壁傳熱方程相同，僅在于K值不同。圖1—7多層平面壁的傳熱過(guò)程制冷裝置的熱交換器，有時(shí)雖然是單層間壁，但在間壁表面附有油、水垢、霜或冰等沉淀物和污垢時(shí)，則應(yīng)按多層間壁來(lái)計(jì)算K值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，然后將兩個(gè)計(jì)算結(jié)果相比較，就能夠明顯看出，油和水垢的存在，使冷凝器的熱系數(shù)大大降低。3圓管壁的傳熱過(guò)程圓管壁的傳熱過(guò)程如圖1—8所示，其傳熱方程為圖1—8圓管壁的傳熱過(guò)程Q=eq\f(1,eq\f(1,α1d1)+eq\f(1,2λ)+lneq\f(d2,d1)+eq\f(1,α2d2))πL（t1-t2）=K1πL（t1-t2）（千卡/時(shí)）式中：α1—圓管外壁的放熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）α2—圓管內(nèi)壁的放熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）λ—管子材料的導(dǎo)熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）d1—圓管的外徑（米）d2—圓管的內(nèi)徑（米）L—管子的長(zhǎng)度（米）t1—熱流體的溫度（℃）t2—冷流體的溫度（℃）K1—單位管長(zhǎng)的傳熱系數(shù)（千卡/米時(shí)℃）K1=eq\f(1,α1d1)+eq\f(1,2λ)+lneq\f(d2,d1)+eq\f(1,α2d2)對(duì)于薄壁圓管，其外徑和內(nèi)徑之比小于2（eq\f(d1,d2)＜2）時(shí)，則能夠?qū)⑸鲜胶?jiǎn)化為Q=eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2))πdmL（t1-t2）=KπdmL（t1-t2）（千卡/時(shí)）式中：δ—管壁厚度（米）δ=eq\f(d1-d2,2)dm—管子的平均直徑（米）dm=eq\f(d1+d2,2)K—圓管壁的傳熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）4.翅片管的傳熱過(guò)程翅片管有內(nèi)翅片和外翅片之分，冷庫(kù)中主要為外翅片管，其傳熱過(guò)程如圖1—9所示。對(duì)于薄壁管，其傳熱方程為圖1—9翅片管的傳熱過(guò)程Q=eq\f(1,eq\f(1,α1F1)+eq\f(δ,λ)×eq\f(1,F1)+eq\f(1,α2F2))(t1-t2)=K1F1(t1-t2)=K2F2(t1-t2)(千卡/時(shí))式中：α1—翅片表面的放熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）α2—管子內(nèi)表面的放熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）δ—管壁厚度（米）λ—管子材料的導(dǎo)熱系數(shù)（千卡/米時(shí)℃）F1—管子（翅片）側(cè)的放熱面積（包括翅片表面積及管外壁的表面積）（米2）F2—管子內(nèi)側(cè)的放熱面積（米2）t1—熱流體的溫度（℃）t2—冷流體的溫度（℃）K1—以翅片側(cè)放熱面積計(jì)的傳熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）K1=eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2)×eq\f(F1,F2))K2—以管子內(nèi)側(cè)放熱面積計(jì)的傳熱系數(shù)（千卡/米2時(shí)℃）K2=eq\f(1,eq\f(1,α1)×eq\f(F2,F1)+eq\f(δ,λ)×eq\f(F2,F1)+eq\f(1,α2))eq\f(F1,F2)—翅化系數(shù)上式公式在翅片片身不高時(shí)比較正確，若片身較高，片身上、下部有溫度落差，計(jì)算結(jié)果將產(chǎn)生誤差。翅片管的翅片應(yīng)該裝在放熱系數(shù)較小的一側(cè)。三、平均溫度差在熱交換器中，熱流體將熱量傳遞給冷流體時(shí)，冷、熱流體的溫度沿?zé)峤粨Q器長(zhǎng)度方向常常是變化的，因此，在計(jì)算溫度差時(shí)，應(yīng)該采用平均溫度差，以符號(hào)△tm表示。平均溫度差，除與冷、熱流體的物理性質(zhì)，進(jìn)口溫度等有關(guān)外，還與冷、熱流體相互流動(dòng)的方向有關(guān)。冷流體和熱流體在熱交換器中的流動(dòng)方向有順流，逆流，叉流，混合流等。冷流體與熱流體循同一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱(chēng)為順流，其流向示意及溫度變化如圖1—10所示。圖1—10順流傳熱及溫度變化冷流體與熱流體循相反方向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為逆流。其流向示意及溫度變化如圖1—11所示。圖1—11逆流傳熱及溫度變化冷流體與熱流體呈垂直交叉運(yùn)動(dòng)時(shí)稱(chēng)為叉流，由順流、逆流和叉流混合組成的流動(dòng)稱(chēng)為混合流。從圖1—10和1—11能夠看出，冷流體與熱流體在運(yùn)動(dòng)中，濕度都發(fā)生了變化，在順流時(shí)，冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，但在逆流時(shí)，冷流體的出口溫度能夠高于熱流體的出口溫度，因此，逆流時(shí)的溫度差最大，交換的熱量最多，順流時(shí)的溫度差最小，交換的熱量最少，叉流和混合流則處在兩者之間，因此，對(duì)于熱交換器，在一般情況下，應(yīng)盡量采用逆流布置，即使因結(jié)構(gòu)或其它方面的困難而無(wú)法采用逆流時(shí)，也應(yīng)盡量采用叉流或混合流，避免采用單純的順流。在熱交換器中，除了上述的冷、熱兩流體溫度都發(fā)生變化的情況，也有一個(gè)流體的溫度維持不變，另一流體的溫度發(fā)生變化的情況，圖1—12所示為熱流體溫度維持不變冷流體溫度變化情況（如冷凝器中的冷凝過(guò)程），圖1—13所示為冷流體溫度維持不變，熱流體溫度發(fā)生變化的情況（如蒸發(fā)器中的傳熱過(guò)程）。圖1—12熱流體溫度恒定的傳熱圖1—13冷流體溫度恒定的傳熱理論分析指出：對(duì)于順流布置及逆流布置，當(dāng)流體的比熱Cp，傳熱系數(shù)K等值沿?zé)峤粨Q器長(zhǎng)度上變化不大時(shí)，冷熱流體間的平均溫度差可采用對(duì)數(shù)平均溫度差，其計(jì)算公式為△tm=eq\f(△t1-△t2,lneq\f(△t1,△t2))(℃)式中：△tm—對(duì)數(shù)平均溫度差（℃）△t1—熱交換器中，傳熱表面起點(diǎn)的溫度差（℃）△t2—熱交換器中，傳熱表面終點(diǎn)的溫度差（℃）如果，在熱交換器中，起點(diǎn)的溫度與終點(diǎn)的溫度相差不大，即△t1≈△t2或eq\f(△t1,△t2)＜2時(shí)，或傳熱過(guò)程中，流體的溫度變化較小時(shí)，則平均溫度差能夠不用對(duì)數(shù)平均溫度差，而簡(jiǎn)化成算術(shù)平均溫度差，即△tm=eq\f(△t1+△t2,2)(℃)第二章制冷原理根據(jù)熱力學(xué)定律，在自然界中，熱量不但能夠互相轉(zhuǎn)換，而且，當(dāng)溫度不同的物質(zhì)接觸時(shí)，溫度較高的物質(zhì)能夠自動(dòng)把熱量傳遞給溫度較低的物質(zhì)。例如，涼水與熱水混合，溫度會(huì)相等。利用這些傳熱作用，可使高溫的物質(zhì)不斷降低溫度，達(dá)到一定的低溫，用冰來(lái)冷卻貯藏食品等。在外界條件影響下，物質(zhì)會(huì)發(fā)生物態(tài)變化，此時(shí)，溫度雖然不變，但必須有熱量變化。固體物質(zhì)溶解成液體時(shí)，需要吸收溶解潛熱，液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時(shí)，需要吸收氣化潛熱。因而，能夠利用固體的溶解或液化的氣化，來(lái)吸收熱量，使剩留的固體或液體的溫度降低，或使周?chē)橘|(zhì)的溫度降低，達(dá)到制冷目的。按照能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，熱能與機(jī)械能能夠互相轉(zhuǎn)換。例如，對(duì)氣體進(jìn)行壓縮時(shí)，消耗機(jī)械功，使氣體增加能量，當(dāng)壓縮氣體膨脹時(shí)，氣體作功，需要吸收能量，利用壓縮氣體的膨脹，能夠降低氣體或周?chē)橘|(zhì)的溫度，達(dá)到制冷的目的。按照上述制冷基本原理，人工制冷有多種方法，如冰鹽混合物制冷，易液化氣體壓縮制冷，吸收式制冷，蒸汽噴射制冷，半導(dǎo)體制冷，太陽(yáng)能制冷等等。冰鹽混合物制冷是利用冰和鹽（食鹽、氯化鈣等）的混合物融化時(shí)能吸收溶解潛熱來(lái)制冷。此方法在魚(yú)貨的臨時(shí)性冷加工和鐵路運(yùn)輸、冷飲品生產(chǎn)中使用，但用得不多。吸收式制冷利用某些氣體（如氨氣等）在常壓常溫下能夠大量溶解于水，在溫度升高時(shí)又能蒸發(fā)逸出的特征來(lái)制冷。在吸收式制冷機(jī)中，吸熱后的低壓氨氣進(jìn)入吸氣器，被濃度較稀的氨水溶液所吸收，并用水冷卻以除去溶液中的熱量，而后泵將已增濃的氨水溶液泵如發(fā)生器中，并用水蒸氣或其它熱源給以增壓加熱，在相當(dāng)高的壓力下與溫度下使氨氣化，把氨氣導(dǎo)入冷凝器，使冷凝成為液體，然后將液體經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流膨脹后進(jìn)入蒸發(fā)器，此時(shí)氨液蒸發(fā)從周?chē)橘|(zhì)吸熱而制冷。吸收式制冷除采用氨外，還有采用溴化鋰制冷劑。此法一般在廢氣、廢熱可利用時(shí)采用，主要用于棉紡織工業(yè)及石油化工工業(yè)。蒸汽噴射制冷系利用3—7個(gè)大氣壓力的水蒸氣，在經(jīng)過(guò)噴射器時(shí)，使相連的蒸發(fā)器內(nèi)形成真空狀態(tài)（約3—8毫米水銀柱），此時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)的水部分蒸發(fā)吸熱，使剩留的水溫度降低，成為低溫水，達(dá)到制冷目的。蒸汽噴射制冷主要用于大冷量的空調(diào)和輕工、化工工廠供應(yīng)冷水，紡織工業(yè)中也較多采用。易液化氣體壓縮制冷是將容易液化的氣體（如氨、氟利昂等）進(jìn)行壓縮，成為壓縮氣體，送去冷卻，使冷凝成為液體，而后將液體節(jié)流減壓膨脹，進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，此時(shí)，需要從周?chē)橘|(zhì)吸收熱量，是周?chē)橘|(zhì)溫度降低而制冷。易液化氣體壓縮制冷方法在各類(lèi)食品冷庫(kù)中廣泛采用，也是現(xiàn)金人工制冷的主要方法。本書(shū)將主要敘述此種制冷方法。第一節(jié)單級(jí)壓縮制冷循環(huán)一、壓縮式制冷系統(tǒng)原理壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)等制冷設(shè)備，用管道連接組成，易液化氣體在系統(tǒng)中不斷進(jìn)行制冷循環(huán)，達(dá)到連續(xù)制冷。最簡(jiǎn)單的壓縮式制冷系統(tǒng)（圖2—1）必須有四種制冷設(shè)備：制冷壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥（膨脹閥）和蒸發(fā)器。圖2—1壓縮式制冷系統(tǒng)原理圖壓縮機(jī)用來(lái)對(duì)制冷劑氣體進(jìn)行壓縮，把低壓的氣體壓縮成高壓的氣體。此時(shí)，氣體的溫度升高。冷凝器用來(lái)對(duì)壓縮機(jī)排出的高壓高溫氣體進(jìn)行冷卻，使其放熱，在一定的壓力和溫度下，把氣體液化成為液體。節(jié)流閥的作用在于將高壓的液體減壓，節(jié)流膨脹，成為低壓液體。在蒸發(fā)器中，節(jié)流膨脹后的液體從周?chē)橘|(zhì)吸熱蒸發(fā)成為氣體，此時(shí)，周?chē)橘|(zhì)溫度降低而制冷。在制冷系統(tǒng)中，易液化氣體，經(jīng)壓縮機(jī)后，經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)，液體吸熱，轉(zhuǎn)化成氣體。至此完成一個(gè)循環(huán)，恢復(fù)到壓縮機(jī)前的狀態(tài)。而后，易液化氣體又進(jìn)入壓縮機(jī)，開(kāi)始另一個(gè)制冷循環(huán)。易液化氣體作為制冷劑在系統(tǒng)中如此不斷循環(huán)，同時(shí)經(jīng)常發(fā)生物態(tài)變化，從而將蒸發(fā)器周?chē)镔|(zhì)（如空氣等）的熱量轉(zhuǎn)移給冷凝器的冷卻介質(zhì)（如水等），使蒸發(fā)器周?chē)镔|(zhì)的熱量不斷減少，實(shí)現(xiàn)制冷。在實(shí)際制冷系統(tǒng)中，除上述制冷設(shè)備外，還必須配置油分離器、貯液器、液分離器和控制閥門(mén)等多種輔助設(shè)備，才能有效地進(jìn)行制冷。壓縮式制冷系統(tǒng)由多種形式，按照制冷劑在每個(gè)制冷循環(huán)中被壓縮的次數(shù)可分為單機(jī)壓縮和多級(jí)壓縮兩類(lèi)。多級(jí)壓縮又有雙級(jí)壓縮和三級(jí)壓縮之分。按照使用制冷劑種類(lèi)的多少可分為單種制冷壓縮和復(fù)迭壓縮兩類(lèi)。復(fù)迭壓縮時(shí)，有的使用兩種制冷劑，也有使用三種制冷劑的。在冷庫(kù)制冷技術(shù)中，主要為單機(jī)壓縮和雙級(jí)壓縮，一般都只用一種制冷劑，其它壓縮的制冷循環(huán)很少采用。本節(jié)主要敘述單級(jí)壓縮制冷循環(huán)。單機(jī)壓縮制冷循環(huán)是最簡(jiǎn)單的制冷循環(huán)，也是其它制冷循環(huán)的基礎(chǔ)。單機(jī)壓縮的制冷循環(huán)系統(tǒng)如圖2—2所示圖2—2單機(jī)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)圖制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)成低壓氣體后，經(jīng)過(guò)液分離器由壓縮機(jī)吸入，經(jīng)過(guò)壓縮，成為高壓氣體，經(jīng)過(guò)油分離器送至冷凝器，在冷凝器內(nèi)，制冷劑被說(shuō)或空氣冷卻后，冷凝成為液體，進(jìn)入貯液器貯存。貯液器內(nèi)的高壓液體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流膨脹，壓力下降后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)，低壓液體吸熱蒸發(fā)而制冷。而后，失去制冷能力的低壓制冷劑氣體又被壓縮機(jī)吸入，進(jìn)行另一個(gè)循環(huán)。單級(jí)壓縮制冷循環(huán)在壓—焓（P—i）圖上的過(guò)程如圖2—3所示。在溫—熵（T—S）圖上的過(guò)程如圖2—4所示。圖2—3單級(jí)壓縮制冷循環(huán)P—i圖圖2—4單級(jí)壓縮制冷循環(huán)T—S圖在圖2—2、2—3、2—4中，1是壓縮機(jī)吸氣入口，2是壓縮機(jī)排氣出口，1—2為壓縮過(guò)程，2—3為等壓冷卻過(guò)程，3—4為等溫等壓的液化過(guò)程，4是高壓液體，4—5為節(jié)流閥中節(jié)流膨脹過(guò)程，5是低壓液體，5—1為蒸發(fā)器內(nèi)的液體氣化過(guò)程。在制冷循環(huán)中，條件變化時(shí)，制冷劑在系統(tǒng)中1—5各點(diǎn)的狀況將發(fā)生變化。為了便于分析，將循環(huán)中的一些因素略而不計(jì)，稱(chēng)為理想循環(huán)（圖2—3即為一種理想循環(huán)）。理想循環(huán)是實(shí)際循環(huán)的基礎(chǔ)。按照制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)和節(jié)流閥前的不同狀況，單級(jí)壓縮制冷劑循環(huán)有干壓縮循環(huán)和濕壓縮循環(huán)。二、干壓縮循環(huán)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)完全為干氣體的制冷循環(huán)稱(chēng)為干壓縮制冷循環(huán)。干壓縮循環(huán)又可分為飽和循環(huán)，氣體過(guò)熱循環(huán)，液體過(guò)冷循環(huán)和氣體過(guò)熱、液體過(guò)冷循環(huán)等數(shù)種。1.飽和循環(huán)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸時(shí)為干飽和氣體，進(jìn)入節(jié)流閥時(shí)為飽和液體和液體的制冷循環(huán)稱(chēng)為飽和循環(huán)。單級(jí)壓縮飽和循環(huán)在P—i圖上的過(guò)程如圖2—5所示。圖2—5單級(jí)壓縮飽和循環(huán)P—i圖在圖上，5—1為等溫等壓的蒸發(fā)過(guò)程，在蒸發(fā)器中實(shí)現(xiàn)。此過(guò)程即為制冷過(guò)程，制冷劑在此過(guò)程中所吸收的熱量就是此循環(huán)的制冷量，即q0=i1-i5千卡/公斤。1—2為等熵的絕熱壓縮過(guò)程，在壓縮機(jī)氣缸中實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)的1點(diǎn)處在飽和蒸汽線上，即進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體為干飽和氣體。在此壓縮過(guò)程中，壓縮機(jī)消耗功被制冷劑吸收，使制冷劑壓力、溫度都升高。壓縮機(jī)所消耗的功為AL=i2-i1千卡/公斤。2—3—4是恒壓降溫的冷凝過(guò)程，在冷凝器中實(shí)現(xiàn)。在此過(guò)程中，制冷劑將吸收的熱量全部放出，即qk=q0+AL=i2-i4千卡/公斤，在此過(guò)程中，2—3為過(guò)熱氣體降溫過(guò)程，在3點(diǎn)，氣體達(dá)到飽和并開(kāi)始液化，3—4為飽和氣體和液體并存的濕蒸汽。在3—4過(guò)程，濕蒸汽繼續(xù)放出熱量，氣體逐漸液化，但溫度不變，到達(dá)4點(diǎn)，飽和氣體全部轉(zhuǎn)化成為飽和液體，4點(diǎn)處在飽和液線上。4—5為絕熱的節(jié)流膨脹過(guò)程，在節(jié)流閥中實(shí)現(xiàn)。在此過(guò)程，熱量沒(méi)有變化，即i4=i5千卡/公斤，壓力和溫度均下降，由pk和tk下降為p0和t0.為了衡量制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)效果，采用了制冷系數(shù)的概念，以符號(hào)ε表示。制冷系數(shù)制冷循環(huán)中，蒸發(fā)器中獲得的制冷量與壓縮機(jī)中作絕熱壓縮時(shí)消耗的功的熱當(dāng)量之比稱(chēng)為制冷系數(shù)。即ε=eq\f(q0,AL)式中：ε—制冷系數(shù)q0—制冷量（千卡/公斤）AL—壓縮機(jī)機(jī)械功的熱當(dāng)量（千卡/公斤）制冷系數(shù)表示著消耗的機(jī)械功和得到的冷量之間的關(guān)系。制冷系數(shù)越大，說(shuō)明制冷循環(huán)的效果越好。一般情況下，冷凝壓力越低，消耗的壓縮功越??；蒸發(fā)壓力越高，制冷量約大，將使制冷系數(shù)增加。2.氣體過(guò)熱循環(huán)在制冷循環(huán)中，如果干飽和氣體的制冷劑繼續(xù)吸熱，其溫度超過(guò)它再同一壓力下的飽和溫度就成為過(guò)熱氣體，當(dāng)壓縮機(jī)的吸入口為過(guò)熱氣體時(shí)，這樣的制冷循環(huán)稱(chēng)為氣體過(guò)熱循環(huán)。過(guò)熱氣體的溫度與同一壓力飽和氣體溫度之差數(shù)稱(chēng)為過(guò)熱度。氣體過(guò)熱循環(huán)在P—i圖上的過(guò)程如圖2—6所示。圖2—6單級(jí)壓縮氣體過(guò)熱循環(huán)P—i圖氣體過(guò)熱循環(huán)與飽和循環(huán)的差異在于壓縮機(jī)吸入口的1點(diǎn)不處在飽和蒸汽線上，而往右推移到1’點(diǎn)，車(chē)成為過(guò)熱氣體狀態(tài)。將過(guò)熱循環(huán)與飽和循環(huán)相比較，由于1點(diǎn)往右推移到1’點(diǎn)2點(diǎn)也往右推移到2’點(diǎn)，此時(shí)，一方面制冷量有所增加，△q0=i1’-i1,但另一方面，也增加了壓縮功△AL=△AL2-△AL1=（i2’-i1’）-(i2-i1),而且常常是增加的壓縮功比增加的制冷量要多，因此，從理論上來(lái)說(shuō)，氣體過(guò)熱的循環(huán)是不利的。在過(guò)熱循環(huán)時(shí)，使進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸的制冷劑氣體的比容（V1）增大，這對(duì)于比熱、比重都比較小的制冷劑（如氨），排氣溫度將上升較大，并使單位容積制冷量減少，制冷系數(shù)下降，可是對(duì)于比熱、比重較大的制冷劑（如氟利昂—12等）排氣溫度不高，上升也不大，其制冷系數(shù)反而有所提高。因此，一般說(shuō)來(lái)，氣體過(guò)熱循環(huán)，對(duì)于氟利昂制冷劑是有利的，對(duì)于氨制冷劑是不利的。可是，為了避免氨液進(jìn)入壓縮機(jī)造成液擊事故，在實(shí)際操作中，氨系統(tǒng)往往也帶有不同程度的過(guò)熱。3.液體過(guò)冷循環(huán)在制冷循環(huán)中，在一定的壓力下，將液體制冷劑繼續(xù)冷卻，把液體的溫度降低到飽和溫度以下，成為過(guò)冷，這樣的制冷循環(huán)稱(chēng)為液體過(guò)冷循環(huán)。過(guò)冷液體的實(shí)際溫度稱(chēng)為過(guò)冷溫度，液體制冷劑的飽和溫度和實(shí)際過(guò)冷溫度之差數(shù)稱(chēng)為過(guò)冷度。液體過(guò)冷循環(huán)在P—i圖上的過(guò)程如圖2—7所示。圖2—7單級(jí)壓縮液體過(guò)冷循環(huán)P—i從圖2—7能夠看出，液體過(guò)冷能夠增加制冷量。與飽和循環(huán)相比，其增加的制冷量為△q4=i4-i4’=i5-i5’,而此時(shí)壓縮機(jī)消耗的功AL和壓縮機(jī)吸入口氣體的比容V1不變，因此，液體過(guò)冷使制冷劑系數(shù)提高。液體過(guò)冷還能夠減少節(jié)流過(guò)程產(chǎn)生的閃發(fā)氣，提高節(jié)流閥的能力，并減少蒸發(fā)管中的壓力降，這對(duì)于液管較長(zhǎng)或蒸發(fā)器高于冷凝器的氟利昂制冷系統(tǒng)尤為必要。為了提高制冷系統(tǒng)的效能，在實(shí)際制冷工藝中，常常采取一些措施以實(shí)現(xiàn)液體過(guò)冷。主要的措施為：（1）在冷凝器中過(guò)冷當(dāng)用于冷凝器的冷卻水溫度比較低，對(duì)于冷卻水與制冷劑逆流運(yùn)動(dòng)的冷凝器，液體可能得到一定程度的過(guò)冷。水溫較低，過(guò)冷度能夠越大?？墒?，這種過(guò)冷在氣溫較高時(shí)，液體經(jīng)過(guò)貯液器后，溫度回升，過(guò)冷往往就會(huì)消失。（2）用再冷卻器過(guò)冷如果冷卻水的溫度比較低，使用再冷卻器使液體再冷卻，能夠得到較好的過(guò)冷效果。此法在氨制冷系統(tǒng)中常有采用。但如果水溫比較高，過(guò)冷效果不大，反而增加了設(shè)備就不宜采用。（3）用直接蒸發(fā)的過(guò)冷器過(guò)冷在需要較大過(guò)冷度時(shí)，能夠在供液管路上裝一個(gè)直接蒸發(fā)的液體鍋冷器。但這樣做要消耗一定的冷量，因此只有在必要時(shí)采用。（4）在回氣管路上裝氣體過(guò)熱、液體過(guò)冷器（液體，回氣熱交換器），回氣的過(guò)熱來(lái)?yè)Q取液體的過(guò)冷。這是氟利昂制冷系統(tǒng)常采用的過(guò)冷措施。4.氣體過(guò)熱、液體過(guò)冷循環(huán)在制冷循環(huán)中，既有壓縮機(jī)吸入氣體的過(guò)熱，又有液體的過(guò)冷，這樣的循環(huán)稱(chēng)為氣體過(guò)熱、液體過(guò)冷循環(huán)。這種循環(huán)實(shí)際上的氣體過(guò)熱循環(huán)和液體過(guò)冷循環(huán)的結(jié)合。氣體過(guò)熱、液體過(guò)冷循環(huán)在P—i圖上的過(guò)程如圖2—8所示。圖2—8單級(jí)壓縮氣體過(guò)熱液體過(guò)冷循環(huán)P—i在圖2—8中，壓縮機(jī)吸入的氣體過(guò)熱有1點(diǎn)往右推移到1’點(diǎn)，節(jié)流閥前的液體過(guò)冷由4點(diǎn)往左推移到4’點(diǎn)。在此制冷循環(huán)中，制冷量有所增加，為△q=△q5+△q1=（i5-i5’）+(i1’-i1),但消耗功也有所增加，為△AL=△AL2-△AL1=(i2’-i1’)-(i2-i1),故制冷系數(shù)不一定提高。例如當(dāng)氣體過(guò)熱5℃，由-15℃升到-10℃，液體過(guò)冷5℃，由30℃降低到25℃，那未，對(duì)于氨，制冷量可增加3%，而制冷系數(shù)為4.8保持不變，但對(duì)于氟利昂12，制冷量將增加7%，制冷系數(shù)由4.7增加到5.0，因此氣體過(guò)熱、液體過(guò)冷循環(huán)對(duì)氟利昂制冷系統(tǒng)甚為有利。因此，在氟利昂制冷系統(tǒng)中，普遍裝設(shè)超熱過(guò)冷器，以氣體過(guò)熱換取液體過(guò)冷。超熱過(guò)冷器的使用不但能夠增加一些制冷量，而且過(guò)冷能夠提高熱力膨脹的能力。但對(duì)氨系統(tǒng)，過(guò)熱度過(guò)大，將使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況惡化，并使制冷系數(shù)大大降低。三、溫壓縮循環(huán)當(dāng)進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸的制冷劑氣體呈濕飽和狀態(tài)，即在飽和氣體中還帶有液粒時(shí)，這樣的壓縮過(guò)程稱(chēng)為濕壓縮，其制冷循環(huán)稱(chēng)為濕壓縮循環(huán)。濕壓縮循環(huán)在P—i圖上的過(guò)程如圖2—9所示。圖2—9單級(jí)濕壓縮循環(huán)P—i圖在圖2—9上，壓縮機(jī)的吸入口的1’點(diǎn)處在飽和蒸汽線的左側(cè)。把濕壓縮與干飽和壓縮相比較，理論上，無(wú)論是氨或氟利昂，其制冷系數(shù)都有所提高，而單位容積的制冷量變化很小，從這一點(diǎn)看，濕壓縮有一定的好處，但實(shí)際使用時(shí)，不但制冷劑在氣缸內(nèi)溫度升增大，傳熱增加，使壓縮機(jī)的效率降低，而且危害較大，操作不慎，容易造成液擊沖缸事故。因此，在實(shí)際循環(huán)中，一般在氨系統(tǒng)中使用氨液分離器，在氟利昂系統(tǒng)中使用熱力膨脹閥和超熱過(guò)冷器等措施來(lái)壁面濕壓縮。四、實(shí)際制冷循環(huán)實(shí)際制冷循環(huán)與理想循環(huán)不同，其主要區(qū)別如下：1.在理想循環(huán)中，蒸發(fā)過(guò)程和冷凝火車(chē)的壓力和溫度是假定不變的，實(shí)際上，冷凝過(guò)程中，壓力和溫度都有所降低，蒸發(fā)過(guò)程中，壓力和溫度都有所升高。2.在理想循環(huán)中，在壓縮機(jī)中，假定為絕熱壓縮，而且沒(méi)有任何損失，實(shí)際上，在壓縮機(jī)中，氣缸與外界有熱交換，氣缸內(nèi)有摩擦、閥片節(jié)流等損耗，壓縮機(jī)還存在氣缸余縫等，使壓縮功增加。3.在理想循環(huán)中，假定在系統(tǒng)管路中沒(méi)有任何損耗，壓力就降低僅在節(jié)流閥中進(jìn)行，實(shí)際上，管道閥門(mén)等有一定阻力，會(huì)引起一定的壓力降。實(shí)際制冷循環(huán)在P—i圖上的過(guò)程如圖2—10所示。圖2—10單級(jí)壓縮實(shí)際循環(huán)P—i圖在圖2—10中，∑△Pk表示吸氣管道和蒸發(fā)器中的壓力降。由于這兩個(gè)壓力差的存在，使冷凝器中的冷凝溫度下降，蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溫度升高。圖中1’—2’’’表示壓縮機(jī)由于氣缸有熱交換而離開(kāi)等熵線的壓縮過(guò)程，2’’—2’’’表示壓縮機(jī)排氣過(guò)程中的散熱。從圖2—10能夠看出，就單位重量制冷量和單位容積制冷量來(lái)說(shuō)，實(shí)際循環(huán)1’—2’’—4’’—5’’等于理想循環(huán)1’—2’—4’—5’，其區(qū)別在于不能采用蒸發(fā)器中的壓力和溫度來(lái)代替壓縮機(jī)吸入口的壓力和溫度，也不能用冷凝器中的壓力來(lái)代替壓縮機(jī)出口的壓力。實(shí)際循環(huán)的單位質(zhì)量量雖與理想循環(huán)相同，但對(duì)壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，其實(shí)際制冷能力與理論制冷能力尚有差距，因?yàn)樵趬嚎s機(jī)中，不可避免地有氣缸余隙容積、節(jié)流、摩擦和熱交換等損失，這些都使壓縮機(jī)的制冷量降低，消耗功率增加，其差距與壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)和指標(biāo)效率有關(guān)。第二節(jié)雙級(jí)壓縮及復(fù)迭壓縮制冷循環(huán)單級(jí)壓縮制冷循環(huán)由于受制冷壓縮機(jī)工作條件的限制，壓縮比不能過(guò)大，排氣溫度不能過(guò)高，因而只能得到一定想、程度的低溫。為要獲得較低的制冷溫度，相應(yīng)地需要有較低的蒸發(fā)壓力，此時(shí)，若冷凝壓力基本上不變，壓縮機(jī)的排氣壓力（絕對(duì)）和吸氣壓力（絕對(duì)）之比值（即壓縮機(jī)比）必然增大，蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)壓力越低，壓縮比就越大。在冷凝溫度為+30℃的情況下，幾種制冷劑在不同蒸發(fā)溫度下的壓縮比如表2—1所示。氨壓縮機(jī)在不同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的排氣溫度如表2—2所示。表2—1不同蒸發(fā)溫度下幾種制冷劑的壓縮比（冷凝溫度30℃）制冷劑種類(lèi)氨F—12F—22F—502冷凝壓力（公斤/厘米2）（絕對(duì)）11.97.612.313.5蒸發(fā)溫度（℃）-154.9(2.41)4.1(1.86)3.8(3.2)3.8(3.51)-309.8(1.22)7.5(1.02)7.3(1.63)6.6(2.04)-4016.3(0.73)11.5(0.66)11.4(1.08)10.2(1.33)-5028.3(0.42)19.0(0.4)18.6(0.66)16.1(0.84)-6054.1(0.22)33.0(0.23)32.4(0.38)27.0(0.5)-70108.2(0.11)58.5(0.13)58.6(0.21)48.2(0.28)-80——117.1(0.105)135.0(0.10)-90——251.0(0.049)—注：（）內(nèi)為蒸發(fā)壓力（公斤/厘米2）（絕對(duì)）表2—2氨壓縮機(jī)排氣溫度蒸發(fā)溫度（℃）冷凝溫度（℃）2022.52527.53032.535±045536065707380-250586469747785-455636873788190-662697982899295-8667480879396100-107179859298101105-1275838996103106110-14808793101108111115-16849299106113116120-188999101111119121125-2093102109116123126130-2298107114121128131136-24103113120126133136140-26109118125130137140143-28114123130134140143146-30120128133138143146150注：上表適用單級(jí)壓縮機(jī)，雙級(jí)壓縮機(jī)高壓級(jí)排氣溫度也適用，但蒸發(fā)溫度以中間冷卻溫度代替。從表2—1、表2—2能夠看出，對(duì)于活塞式氨壓縮機(jī)，當(dāng)冷凝溫度為+30℃，蒸發(fā)溫度為-30℃時(shí)，壓縮比為9.8，排氣溫度為143℃，如果冷凝溫度為+35℃，排氣溫度達(dá)150℃，超過(guò)了單級(jí)壓縮機(jī)的使用條件，由于壓縮比的增加，使壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)和指示效率大大降低，消耗的功增大，壓縮過(guò)程的終點(diǎn)溫度（排氣溫度）升高，制冷能力降低，因此在較低的制冷溫度時(shí)，不但使壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)降低，制冷能力急劇下降，而且過(guò)高的排氣溫度影響了氣缸的潤(rùn)滑，甚至?xí)節(jié)櫥头纸猓瑝嚎s機(jī)將不能正常工作。因此，為了改進(jìn)壓縮機(jī)的工作條件，使在經(jīng)濟(jì)上更為合理，中國(guó)的活塞式制冷裝置一般在壓縮比超過(guò)8時(shí)，就不采用單級(jí)壓縮，而改用雙級(jí)壓縮。一、雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)由蒸發(fā)器來(lái)的低壓制冷劑氣體，被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)過(guò)一次壓縮后，進(jìn)行中間冷卻，再由壓縮機(jī)進(jìn)行第二次壓縮而后送去冷凝液化，冷凝后的液體經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹、吸熱蒸發(fā)成為氣體，這樣的制冷循環(huán)稱(chēng)為雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)。在雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)中，需采用雙級(jí)壓縮機(jī)，雙級(jí)壓縮機(jī)能夠由兩臺(tái)以上的單級(jí)壓縮機(jī)組合而成也能夠采用單機(jī)雙級(jí)壓縮機(jī)，如為組合的雙級(jí)壓縮機(jī)，進(jìn)行第一次壓縮的稱(chēng)為低壓壓縮機(jī)，進(jìn)行第二次壓縮的稱(chēng)為高壓壓縮機(jī)，如為單機(jī)雙級(jí)壓縮機(jī)，則有低壓缸和高壓缸之分。雙級(jí)壓縮需要裝置中間冷卻器，按照中間冷卻的不同，雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)，可分完全中間冷卻和不完全中間冷卻兩種。1.完全中間冷卻完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)如圖2—11所示，它再P—i圖上的過(guò)程如圖2—12所示。此制冷系統(tǒng)中采用的中間冷卻器稱(chēng)為直接式（或閃發(fā)式）中間冷卻器。圖2—11雙級(jí)壓縮完全中間冷卻制冷循環(huán)系統(tǒng)圖圖2—12雙級(jí)壓縮完全中間冷卻制冷循環(huán)P—i圖在圖2—11和2—12中，8—1為蒸發(fā)過(guò)程，在蒸發(fā)器中實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檎舭l(fā)器的進(jìn)液溫度等于中間壓力的飽和溫度，因此稱(chēng)為完全中間冷卻。8—1蒸發(fā)過(guò)程即為制冷過(guò)程，其制冷量為q0=i1-i8千卡/公斤，制冷劑流通量為G1公斤/小時(shí)。1—2為低壓級(jí)壓縮過(guò)程，在低壓壓縮機(jī)（或低壓缸）中實(shí)現(xiàn)。低壓壓縮機(jī)把低壓的制冷劑氣體壓縮成為中間壓力氣體，其消耗的功為AL1=i2-i1千卡/公斤，制冷劑流通量仍為G1公斤/時(shí)。2—3為中間冷卻過(guò)程，在中間冷卻器中實(shí)現(xiàn)。從低壓壓縮機(jī)來(lái)的中壓過(guò)熱氣體進(jìn)入中間冷卻器，放出熱量，成為飽和氣體。中間冷卻器吸收的這部分熱量為qm=i2-i3千卡/公斤，其負(fù)荷為G1qm。3—4為高壓壓縮過(guò)程，在高壓壓縮過(guò)程，在高壓壓縮機(jī)（或高壓缸）中實(shí)現(xiàn)。此過(guò)程吧制冷劑氣體由中間壓力壓縮到冷凝壓力，其消耗的壓縮功為AL2=i4-i3千卡/公斤。由于高壓壓縮機(jī)吸入的制冷劑既有低壓機(jī)來(lái)的氣體G1，還有中間冷卻器蒸發(fā)的氣體Gm，故制冷劑流通量為G2公斤/時(shí)，G2=G1+Gm。4—5為冷凝過(guò)程，在冷凝器中實(shí)現(xiàn)。從高壓壓縮機(jī)排出的高壓過(guò)熱氣體在冷凝器中冷卻并凝結(jié)成為飽和液體。其放出的熱量為qk=i4-i5千卡/公斤。制冷劑流通量仍為G2公斤/時(shí)。5—6為第一次節(jié)流過(guò)程，在第一節(jié)流閥中實(shí)現(xiàn)。從冷凝器貯液器出來(lái)的制冷劑液體經(jīng)過(guò)第一節(jié)流閥節(jié)流膨脹進(jìn)入中間冷卻器。在中間冷卻器中，一部分制冷劑液體吸收低壓機(jī)來(lái)的過(guò)熱氣體的熱量而蒸發(fā)，并隨同一起進(jìn)入高壓機(jī)，這個(gè)過(guò)程在圖2—12上為6—3過(guò)程。這部分制冷劑在中間冷卻器中產(chǎn)生的冷量為qm=i3-i6千卡/公斤。其流通量為Gm公斤/時(shí)。其余的制冷劑液體在中間冷卻器被冷卻到中間溫度，在圖2—12上為6—7過(guò)程，這部分制冷劑液體放出的熱量為qmL=i6-i7千卡/公斤，其負(fù)荷為G1qmL千卡/時(shí)。7—8為第二次節(jié)流過(guò)程，在第二次節(jié)流閥中實(shí)現(xiàn)。被冷卻到中間溫度的制冷劑液體經(jīng)過(guò)第二節(jié)流閥節(jié)流膨脹進(jìn)入蒸發(fā)器，此時(shí)制冷劑的流通量為G1公斤/時(shí)，G1=G2-Gm公斤/時(shí)，至此完成一個(gè)循環(huán)。2.不完全中間冷卻不完全中間冷卻能夠有多種形式，例如，能夠用水來(lái)中間冷卻，也能夠用制冷劑液體來(lái)中間冷卻，用水來(lái)中間冷卻只有在水溫較低時(shí)采用，用液體來(lái)中間冷卻也能夠是只冷卻低壓機(jī)來(lái)的過(guò)熱氣體，不冷卻制冷劑液體，也能夠是既冷卻氣體，又冷卻制冷劑液體。將不完全中間冷卻與完全中間冷卻相比較，不冷卻液體時(shí)，低壓機(jī)的制冷能力降低，中間冷卻器的負(fù)荷減少，因而經(jīng)濟(jì)性較差，而在既冷卻氣體，有冷卻液體時(shí)，液體壓力高，節(jié)流閥前后的壓力差大，能量也大，且有較低的冷卻溫度，故一般雙級(jí)壓縮均采用這種不完全中間冷卻制冷循環(huán)。不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)如圖2—13所示。在P—i圖上的過(guò)程如圖2—14所示。圖2—13雙級(jí)壓縮不完全中間冷卻制冷循環(huán)系統(tǒng)圖圖2—14雙級(jí)壓縮不完全中間冷卻制冷循環(huán)P—i圖這種系統(tǒng)采用的中間冷卻器稱(chēng)為間接式（或盤(pán)管式）中間冷卻器。高壓制冷劑液體是在中間冷卻器內(nèi)的盤(pán)管中流動(dòng)，而中間壓力的制冷劑液體是在盤(pán)管外蒸發(fā)，互不混合，此時(shí)，由于存在著溫差，液體的過(guò)冷溫度達(dá)不到中間溫度，因此，稱(chēng)為不完全中間冷卻。不完全中間冷卻的制冷循環(huán)在P—i圖上的各個(gè)過(guò)程，作用及制冷劑的流量基本上與完全中間冷卻相同，不再重復(fù)。在不完全中間冷卻制冷循環(huán)中，壓縮機(jī)的制冷量低于完全中間冷卻，可是，在實(shí)際使用中，中間壓力一般在2.5—4.0公斤/厘米2，蒸發(fā)壓力一般在0—0.3公斤/厘米2，如采用完全中間冷卻，壓差較小，將使自動(dòng)供液的節(jié)流閥（如浮球閥，熱力膨脹閥等）的供液能力降低，甚至發(fā)生困難，因此，完全中間冷卻冷卻雖然有制冷量較多的好處，也往往不予采用，而盤(pán)管式的不完全中間冷卻卻是雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)中普遍采用的中間冷卻方法。二、復(fù)迭