热能和动力机械基础

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

w

q 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。