制冷工程师考试手册(全)

第一章制冷技术热力学理论基础工程技术上所谓的制冷，就是使某一系统（即空间或物体）的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程，这里所说的环境介质是指自然界的空气和水。

制冷与空调设备以流体（气体与液体的总称）作为载能物质，实现热能与其它形式能量（主要为机械能）之间的转换或热能的转移。

本章介绍流体的性质、热能与机械能之间的转换规律和热量的传递规律，这些知识是空调技术必不可少的理论基础。

第一节热力学基本概念
工质在制冷系统中，一会儿从气体变为液体，一会儿又从液体变为气体，制冷剂的这种物态变化以及温度的升降、压力的变化、吸热与放热等现象，是具有一定的热力学内在关系的。

现在介绍一些参数、术语和基本概念，为掌握热力学基础知识作准备。

1．温度：是用来度量物体冷、热程度的参数。

温度的指示单位有三种：
摄氏温度（℃）华氏温度（°F）绝对温度（K）它们之间的换算关系是：
℃=5/9（°F –32）°F=9/5℃+32 K=℃+273.15 2．干球温度：用一般温度计所测得的空气温度，它是该空气的真正温度。

3．湿球温度：湿球温度计感温球部位包着潮湿棉纱，用这种温度计测量空气的温度时，由于棉纱中的水在蒸发时要吸收空气的热量，当空气传递给水的热量恰好等于水表面蒸发所需热量时所测得的温度称为湿球温度。

干湿球温度差：用干湿球温度计测量未饱和空气时，干球温度计显示的温度较高，湿球温度计显示的温度较低，两个温度差称“干湿球温度差”。

该温差大，表示空气干燥；温差小，表示空气潮湿。

4．湿度：湿度代表空气中水蒸汽含量的多少。

在每千克空气中所含有的水蒸汽重量称为含湿量，单位为克/千克。

湿度又分为绝对湿度和相对湿度。

绝对湿度是指每立方米的淡空气所含水蒸汽的重量，也是水蒸汽在其分压力及湿空气温度下的重度，单位为千克/米3。

相对湿度是指湿空气的绝对湿度与饱和状态下的绝对湿度之比，数值为百分数。

当相对湿度为0%时，则为干空气；而相对湿度为100%时，则为饱和蒸汽。

人体感到舒适的相对湿度是60%~70%。

5．露点温度：湿空气在含湿量不变的情况下，冷却使温度降低到空气内部所含水蒸气开始冷凝液化时（即达到完全饱和）的温度。

6．压力（物理学中称压强）：工程上把单位面积上所受的垂直作用力称为压力。

国际单位为帕（Pa）、千帕（kPa）、兆帕（Mpa），过去用的工程单位为千克力/厘米2（kgf/cm2）和bar。

1Mpa=10.2 kgf/cm2=7500.6mmHg（毫米汞柱）=100mH2O（米水汞）=10bar
绝对压力=表压力+大气压力
真空度=大气压力-绝对压力
7．热量：是物质热能转移的度量。

单位是焦尔（J）、千焦（kJ），过去用（Cal）、千卡（kCal）。

它们的换算关系是：1Cal=4.18J。

8．比热：1千克重的物质温度升高或降低1℃时所吸收或放出的热量。

符号为C，单位千焦/千克·度（kJ/kg·K）。

9．显热：物体被加热或冷却时，只发生温度变化而没有状态变化，这时它所吸收或释放的热量。

10．潜热：物质在加热或冷却过程中，发生状态变化而保持温度不变，这时它所吸收或释放的热量。

10．蒸发：液体表面的汽化现象。

液体可以在各种温度下蒸发。

11．沸腾：液体表面和内部同时发生激烈的汽化现象。

液体在一定压力下达到一定的沸点温度才能沸腾。

12．冷凝：气体液化为液体的现象。

分冷却和凝结两个过程。

13．比容：单位重量的物质所占有的容积。

单位：米3/千克（m3/kg）。

14．密度：单位容积的物质，所具有的重量。

单位：千克/米3（kg/m3）。

15．内能：内能是气体分子的动能和内位能的总和。

动能就是分子运动能量的总和，内位能就是因分子之间吸引力所具有的能量。

工程上常取1kg工质作为研究对象，所以通常说的内能是指1kg工质所具有的能量。

16．外能：分子保持它原有的比容，与外部相对抗所具有的能量。

17．功：功是能的一种。

当用外力去移动物体时需要消耗能，这个能就是功。

单位：牛顿·米（N·m）,过去用千克力·米(kgf·m)。

功=外力×力方向所移动的距离。

18．功率：单位时间内所做的功。

单位：瓦（W）、千瓦（KW）。

19．过热：饱和蒸气在饱和和压力条件下，继续受热到饱和温度以上，称为“过热”气体，过热气体的温度与饱和温度的差值叫过热度。

20．过冷：饱和液体在饱和压力条件下，继续冷却到饱和温度以下，称为“过冷”液体，过冷液体的温度与饱和温度的差值叫过冷度。

21．焓：焓是一个复合状态参数，是表征系统中具有的总能量，它是内能和压力能之和。

通常是对1千克工质而言，单位为千焦/千克（Kj/kg）,过去用千卡/千克（kcal/kg）。

I=u+pv
式中：i———焓，kj/kg；
u——内能，Kj/kg；
p——压力，kp a；
v——比容，m3/kg
22．熵：是一个导出状态参数，它表示工质状态变化时，其热传递的程度。

单位为千焦/千克·度（kj/kg·k）
熵、热量和温度的关系如下：
ds=dq/t
式中：S——熵，kj/kg×K；
q——1千克物件所获得热量，KJ/Kg：
T——物质获得热量时的绝对温度，K。

23．节流：流体在管道中流动，通过阀门、孔板、毛细管等设备时，由于局部阻力，使流体压力降低的现象。

第二节热力学第一定律及其应用热力学第一定律是能量守恒定律在热力过程中的具体表述，并应用于确定各种热力系
统与外界交换能量的数量关系——包括热能与机械能转换或热能转移在内的能量方程。

一、 热力学第一定律的基本表达式
热力学第一定律的内容是：无论何种热力过程，在机械能与热能的转换或热能的转移中，系统和外界的总能量守恒。

即
输入系统的能量一输出系统的能量=系统贮存能量的变化 (1-2-1)
如图1-2-1所示的任意一个开口系统，假定在一微元过
程中，外界对它加热δQ ；它对外界所作总功为δW 总 ；同时
因系统与外界有质量交换，流入和流出系统的工质还将给系
统带入或带出能量。

设入口和出口处每kg 工质的能量分别为
e 1和 e 2，入口和出口处工质的流量分别为dm 1 和dm 2，则
流入与流出工质带入与带出系统的能量分别为e 1dm 1和e 2d
m 2。

那么，在此微元过程中，输入系统的能量为（δQ+ e 1d
m 1），输出系统的能量为（δW 总 + e 2dm 2），若系统贮存能量
的变化为dE ，由（1-2-1）式并经移项整理可得 δQ= dE+（e 2dm 2- e 1dm 1）+δW 总 （1-2-2）
式（1-2-2）对任何工质的各种热力过程都适用，它是热力学第一定律的普遍表达式。

其物理意义是：外界加给系统的热量（δQ ），一部分用于增加系统贮存的能量（dE ），一部
分通过质量交
二、 稳定流动能量方程
制冷与空调设备中的工质可以视作稳定流动。

从热力学观点看，工质作稳定流动的特征是：
(1)系统中任何位置上工质的热力状态参数（如p 、v 、T 、u 、h 、s ）和宏观运动参数（如流速c ）及单位时间与外界交换的能量都保持一定，不随时间变化；
(2)系统的总质量保持恒定，即入口和出口质量相等：dm 1=dm 2=dm ；
(3)系统的总能量保持恒定，即系统贮存的能量不变：dE=0；
(4)系统与外界通过作功交换的能量，一是通过机器轴传递的功，称为轴功，用w s 表示
；
二是
由
于工质流入或流出系
将稳定流动工质的上述特征代入式（1-2-2）并代入各项有关参数整理后可得，1kg 工质作稳定流动时的能量方程： q=(h 2-h 1)+[1/2(c 22-c 12)+g(z 2-z 1)+ w s ] （1-2-3） 注：[……]这三部分机械能的和称为技术功,z 代表高度，c 代表工质流动速度。

工质在入口和出口处具有的能量，应是工质在该处的内能、宏观动能1/2mc 2和重力势能mgz 三者之和。

式1-2-3表明，稳定流动工质从外界吸收热量，一部分用于增加工质的焓，一部分用于增加工质的宏观动能及重力势能，一部分通过机轴传递对外作功。

制冷与空调设备在多数情况工质进出系统时，宏观动能与重力势能的变化相对都很小，可以忽略不计，在这种条件下，技术功就近似地等于轴功。

三、稳定流动能量方程在制冷设备中的应用
制冷压缩机、热交换器（蒸发器和冷凝器）、节流阀（毛细管）是制冷与空调系统中常见的设备。

可将稳定流动能量方程应用于这些设备，从而确定这些设备中的能量转换关系。

e 1dm 2dm 2 δQ 图1-2-1。