热能与动力机械基础

制冷和空调是相互联系又相互独立的两个领域。

制冷是一种冷却过程，除用于食品冷冻加工、化工和机械加工等工业制冷外，其最主要的应用是空调。

空调中既有冷却，也包括括供暖、加湿、去湿以及流速、热辐射和空气质量的调节等。

本章将以制冷循环或逆向循为核心，重点阐述制冷与空调系统中的能量转换关系和性能评价等内容。

第一节概述一、制冷的定义与分类制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，保持并利用这个温度。

按照所获得的温度，通常将制冷的温度范围划分为以下几个领域：120K以上，普冷；120N0．3K，深冷(又称低温)；0．3K以下，极低温。

由于温度范围不同，所采用的降温方式，使用的工质、机器设备以及依据的具体原理有很大差别。

工程应用上有多种人工制冷方法，如适用于普通制冷的蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式制冷，适用于深度制冷(制冷温度为20~160K)的气体膨胀制冷、半导体体制冷、磁制冷等。

空气调节系统中所用的人工制冷方法主要是蒸气压缩式、吸收式制冷。

二、制冷研究的内容制冷研究的内容可以概括为以下四个方面：1)研究获得低于环境温度的方法、机理以及与此对应的循环，并对循环进行热力学的分析和计算。

2)研究循环中使用的工质的性质，从而为制冷机提供合适的工作介质。

3)研究气体的液化和分离技术。

例如液化氧、氮、氢、氦等气体，将空气或天然气液化、分离，均涉及一系列的制冷技术。

4)研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设计。

三、制冷技术的应用制冷技术的应用几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥了巨大作用。

1．商业及人民生活食品冷冻冷藏和舒适性空气调节是制冷技术应用最为量大、面广的领域。

商业制冷主要用于各类食品冷加工、冷藏储存和冷藏运输，使之保质保鲜。

现代的食品工业，从生产、储运到销售，有一条完整的“冷链”。

所使用的制冷装置有：各种食品冷加工装置、大型冷库、冷藏汽车、冷藏船等，直至家庭用的电冰箱。

舒适性空气调节为人们创造适宜的生活和工作环境。

如家庭、办公室用的局部空调装置；大型建筑、车站、机场、宾馆、商厦等使用的集中式。

空调系统；各种交通工具，如轿车、客车、飞机、火车、船舱等的空调设施；体育、游乐场所除采用制冷提供空气调节外，还用于建造人工冰场，如上海杰美体育中心的室内冰场，面积达1200m2。

2，工业生产及农牧业许多生产场所需要生产用空气调节系统，例如：纺织厂、精密加工车间、精密计量室、计算机房等的空调系统，为各生产环境提供恒温恒湿条件，以保证产品质量或机床、仪表的精度。

机械制造中，对钢进行低温处理，可以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。

化学工业中，借助于制冷，使气体液化、混合气分离，带走化学反应中的反应热。

在钢铁工业中，高炉鼓风需要用制冷的方法先除湿，再送人高炉，以降低焦铁比，提高铁水质量。

在农牧业中，如利用低温对农作物种子进行低温处理。

在交通运输业中，如采用液化天然气的汽车，使能量密度增大。

在建筑工程中，如拌合混凝土时，用冰代替水，借冰的熔化热补偿水泥的固化反应热，可以有效地避免大型构件因散热不充分而产生内应力和裂缝等缺陷。

3．科学研究科学研究往往需要人工的低温环境。

例如：为了研究高寒条件下使用的发动机、汽车、坦克、大炮的性能，需要先在相应的环境条件下作模拟试验；气象科学中，云雾室需要(-45~30)℃的温度条件，用于人工气候实验。

4．医疗卫生现代医学已离不开制冷技术。

①冷冻医疗如：肿瘤、眼球移植、心脏大血管瓣膜冻存和移植等手术时采用的低温麻醉。

②细胞组织、疫苗、药品的冷保存。

③用真空冷冻干燥法制作血干、皮干等等。

5．空间技术火箭推进器所需的液氧和液氢须在低温下制取，配合人造卫星发射和使用的红外技术也离不开低温环境，红外探测器只有在低温条件下，才能获得优良的探测结果，在航天器的地面模拟实验中，用液氮、液氦组成的低温泵使冷凝密闭容器内的气体达到高真空等。

6．低温物理研究低温技术提供的低温获得和低温保存的方法，为低温物理学的研究创造了条件，使低温声学、低温光学、低温电子学等一系列学科得到发展。

超导现象的发现和超导技术的发展也与制冷技术的发展分不开。

第二节蒸气压缩式制冷原理制冷循环可以分为可逆循环和不可逆循环两种。

研究理想制冷循环或逆向可逆循环的目的有两个，其一是要寻找热力学上最完善的制冷循环，作为评价其他循环效率高低的标准；其二是根据理想制冷循环，可以从理论上指出提高制冷装置经济性的重要方向。

图6-1a 、b 分别为制冷循环(或制冷机)的热力学原理图和以气体为工质的逆卡诺循环的T-S 图。

由热力学第一定律可知，从低温热源获取的热量(即制冷量Q 0)和输入功W(或输入 热量Q)之和应等于向高温热源的放热量(即冷凝放热量Q k )，即Q k =Q 0+W 。

为了分析比 较在两个确定的热源温度下，不同的制冷机在消耗某种功W 情况下获得的制冷量Q 0的大 小，通常以制冷系数或称性能系数作为制冷系统性能的评价。

指标，用ε或COP 表示。

其定义为消耗单位功所获得制冷量，即wq P W Q 000===φε （6-1）补上2．对温度的限制及热力完善度制冷剂在循环过程中与高、低温热源之间的传热必须要有温差。

例如，如果一个制冷系 统要保持冷室温度-20℃，并向温度为30℃的大气放热，那就必须在这两个温度的界限内 实现循环。

在放热过程中，制冷剂温度必须高于303．15K ；在制冷过程中，为了使冷室热量能传给制冷剂，制冷剂的温度必须低于253．15K 。

这就使得循环成为图6-2所示的那样。

由于存在温差传热，这时的制冷循环(含图中的虚线)1—2—3—4已不能再称为逆卡诺循环， 只不过该循环在了-J 图上仍是一个矩形循环而已，它的制冷系数必然小于原逆卡诺循环的制 冷系数。

逆卡诺循环是在没有传热温差和没有任何损失的可逆情况下进行的，实际上是无法实现的。

但作为理想制冷循环，它可以作为评价实际制冷循环完善程度的标准。

通常是将工作于相同热源温度间的实际制冷循环的制冷系数君与逆卡诺循环的制冷系数c ε之比，称为这个制冷循环的热力完善度，用η表示，即c εεη= （6-3） 实际制冷循环的制冷系数随着高温热源和低温热源的温度不同以及过程的不可逆程度而变化，其值可以大于1或小于l 。

热力完善度是表示制冷机实际循环接近逆卡诺循环的程度，热力完善度的数值恒小于1，故也称循环效 率或卡诺效率。

热力完善度的数值越大，就说明循环的不可逆损失越小。

在循环中，减少传 热温差、减少摩擦，均会减少循环的不可逆程度，并导致热力完善度的提高。

制冷系数ε和 热力完善度η都可以作为制冷循环的技术经济指标，但ε只是从热力学第一定律(能量转换)的数量角度反映循环的经济性，而η是同时考虑了能量转换的数量关系和实际循环中不可渺的影响程度。

(二)变温热源的理想制冷循环——劳伦兹循环为了减少在制冷机的冷凝器和蒸发器中不可逆传热所引起的可用能损失，制冷剂和传热介质之间应保持尽可能小的传热温差。

就制冷机的一般工作条件来说，冷却介质及被冷却物体的热容量都不是无穷大，在传热过程中要发生温度变化，不能看作为恒温热源。

此时，制T'')，但冷剂的冷凝温度应略高于(在极限情况下等于)冷却介质的出口温度(图6-3中的1T')间存在较大的温差。

同样，制冷剂的蒸发温度同被冷却介质与冷却介质的进口温度(1T')之间也存在较大的温差，如图6—3所示，对于变温热源来说，含有恒温的进口温度(2热源的逆卡诺循环已不复存在，因此，需要找到一种变温热源(而不是恒温热源)的理想循环，以改善制冷系数。

变温热源间的可逆循环，可依据冷源和热源的性质而以不同的方式来实现。

只要满足工质与变温冷源、热源之间热交换时的温差各处均为无限小，以及工质与对其作用的物体之间保持机械平衡的条件，则工质进行的循环即为理想制冷循环，劳伦兹循环就是这种变温热源时可逆的逆循环的形式。

如图6—4所示，劳伦兹循环由两个等熵过程。

a—b、c—d和两个变温的多变过程b—c、d—a组成。

b、c两点的温度分别为高温热源流体的进、出口温度，d、a两点的温度分别为低温热源流体的进、出口温度。

在实际中，要实现劳伦兹循环，冷凝器和蒸发器都必须是完全逆流式的；而且应用非共沸混合制冷剂作为工质，利用其在等压下蒸发或冷凝时温度不断变化这个特点，使制冷剂的冷凝温度和蒸发温度的变化始终分别与冷却介质及被冷却介质的温度变化同步，使循环的不可逆损失减小，制冷系数和热力完善度增加。

在传热温差无限小的极限情况下就可以实现完全可逆的劳伦兹循环，所以，劳伦兹循环是外部热源为变温热源时的理想制冷循环。

对于变温条件下的可逆循环，可采用建立在乎均当量温度概念上的逆卡诺循环来表示其经济指标。

mkm m L T T T 00-=ε （6-4） 式中，m T 0、km T 分别为两个变温热源的平均温度(K)；L ε为制冷系数。

变温热源间工作的劳伦兹循环abcde 的制冷系数，相当于在平均吸热温度m T 0和平均放 热温度km T 间工作的逆卡诺循环的制冷系数，即与逆卡诺循环等效的制冷系数。

(三)理想热泵循环逆向循环是以耗功作为补偿，通过制冷工质的循环，从低温热源中吸收热量(即制冷 量)并向高温热源放出热量，因此，逆向循环可以用来制冷(对低温热源而言)，也可用来 供热(对高温热源而言)，或者制冷、供热同时使用。

用来制冷的逆向循环称为制冷循环， 而用来供热的逆向循环称为热泵循环。

因此，理论上最理想的热泵循环仍是逆卡诺循环，仍可以用图6—1b 来表示，只是其使 用目的和工作温度的范围有所不同。

图6-1b 中，了：是环境温度或某热源的温度，r2是供热温度(用于对外供热)。

热泵循环的性能用供热系数h ε或COP h 表示，它表示单位耗功量所获得的供热量，即 10+=+==c k h ww q w q εε（6-5） 可以看出，热泵循环的供热系数永远大于1。

在以环境介质为低温热源向建筑物采暖系 统供热的情况下，从节约能源的角度考虑是有重要意义的。

二、蒸气压缩式制冷系统蒸气压缩式制冷系统，一般是指制冷剂用机械进行压缩的一种制冷系统。

蒸气压缩式制 冷系统有单级、多级和复叠式之分，设备比较紧凑，可以制成大、中、小型，以适应不同场 合的需要，能达到的制冷温度范围比较宽广，且在普通制冷温度范围内具有较高的性能系 数。

因此，它广泛用于工农业生产及人民生活的各个领域。

本节仅以单级制冷循环为例，对 蒸气压缩式制冷进行讨论。

(一)蒸气压缩式制冷系统的理论循环1．制冷系统的组成与制冷剂(1)制冷系统的组成 蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成，沿逆时针方向构成一个逆循环制冷系统，如图6-5所示。