《热工学基础》4-6单元.ppt

1,第一部分 单元4 湿空气,热工学基础,2,单元4 湿空气,3,单元4 湿空气,4,【知识点】 未饱和湿空气和饱和湿空气，湿空气的状态参数，湿空气的焓湿图，湿空气的基本热力过程 【能力目标】 掌握：湿空气的相对湿度、含湿量、焓、露点温度和湿球温度的概念。 充分理解：未饱和湿空气和饱和湿空气的概念，热湿比的含义及用途。 熟悉：湿空气的图的构成及使用方法。 应用：能应用湿空气的图熟练进行湿空气热力过程的分析和计算。,单元4 湿空气,5,由于地球表面大部分被海洋、江河和湖泊所覆盖，势必有大量水分蒸发为水蒸气进入大气中，所以，自然界中存在的空气都是干空气和水蒸气的混合物，我们称之为湿空气。 存在于湿空气中的干空气，由于其组成成分不发生变化，所以可把它看作一个整体，并将其视为理想气体。存在于湿空气中的水蒸气，由于其分压力很低，比体积很大，处于过热状态，所以也可将其视为理想气体。这样可把湿空气视为由干空气和水蒸气组成的理想混合气体。它仍然遵循理想气体的一般规律，可以用理想气体状态方程来描述其参数间的关系。,单元4 湿空气,6,湿空气的物理性质是由它的组成成分和所处的状态决定的。湿空气的状态，同样可以用压力、温度、比体积及焓等参数来描述。此外，还需要有反映湿空气中水蒸气含量的参数，如绝对湿度、相对湿度和含湿量等。,4.1 湿空气的状态参数,4.1.1 湿空气的压力,4.1 湿空气的状态参数,7,一般情况下，湿空气中水蒸气的分压力 小于湿空气温度所对应的水蒸气饱和分压力 ，这时的水蒸气处于过热状态，如图4.1中状态 所示。这种由干空气和过热蒸汽组成的湿空气，称为未饱和湿空气。在一定温度下，湿空气中水蒸气分压力的大小可反映水蒸气含量的多少。由于未饱和湿空气中水蒸气分压力未达到最大值，所以它具有一定的吸湿能力。在未饱和湿空气温度不变的情况下，向其中加入水蒸气，随着水蒸气含量的增加，水蒸气分压力将提高，这时水蒸气的状态将沿图4.1中的 变化。当水蒸气分压力达到湿空气温度 所对应的饱和分压力 时，即达到 点。这种由干空气和饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和湿空气。各种温度下的饱和水蒸气分压力值，可以从湿空气性质表中查得，见附表6。若向饱和湿空气中继续加入水蒸气，这时水蒸气的状态将沿 变化，即不断有凝结水析出。,4.1 湿空气的状态参数,8,4.1.2 湿空气的温度,图4.1 湿空气中水蒸气的 图,4.1 湿空气的状态参数,9,4.1.3.1 绝对湿度,4.1.3 绝对湿度和相对湿度,4.1 湿空气的状态参数,10,4.1.3.2 相对湿度,4.1 湿空气的状态参数,11,4.1.4 含湿量,4.1 湿空气的状态参数,12,4.1 湿空气的状态参数,13,4.1 湿空气的状态参数,14,4.1 湿空气的状态参数,15,4.1.5 湿空气的焓,4.1 湿空气的状态参数,16,4.1 湿空气的状态参数,17,4.1.6 湿空气的密度,4.1 湿空气的状态参数,18,4.1.7.1 露点温度,4.1.7 露点温度和湿球温度,图4.1,4.1 湿空气的状态参数,19,4.1.7.2 湿球温度,图4.2 湿空气的h-d图,4.1 湿空气的状态参数,20,从上述过程的分析可见，干球温度与湿球温度的差值大小与空气的相对湿度有关。空气的相对湿度愈小，水分的蒸发就愈快，干湿球温差也就愈大；反之，空气的相对湿度愈大，水分的蒸发就愈慢，干湿球温差也就愈小。当空气的相对湿度达到100时，水分不再蒸发，干湿球温差为零，此时湿球温度就等于干球温度。为方便起见，将空气的相对湿度与干球温度及湿球温度之间的关系制成表格或线图，这样，可根据测得的干球温度和湿球温度的值从表或图中查得相对湿度的值。,4.1 湿空气的状态参数,21,4.1 湿空气的状态参数,22,湿空气的状态参数可以用上节介绍的各种关系式确定，但计算起来比较麻烦。为工程计算分析的方便，人们绘制了湿空气的各种线算图，最常用的是焓湿图（h-d图）。在焓湿图上不仅可以表示湿空气的状态，确定其状态参数，而且还可以方便地表示出湿空气的状态变化过程。在焓湿图上，分析计算湿空气的处理过程十分方便，因此，h-d图是空调工程计算中一个非常重要的工具，见书后附图1。,4.2 湿空气的焓湿图,4.2 湿空气的焓湿图,23,焓湿图的构成及绘制原理湿空气的焓湿图是以1 kg干空气为基准，并在一定的大气压力B下，取h为纵坐标，含湿量d为横坐标而绘制的。为使图线清晰，两坐标轴之间的夹角取135，如图4.3所示。,4.2.1 焓湿图的构成及绘制原理,图4.3湿空气的h-d,4.2 湿空气的焓湿图,24,4.2 湿空气的焓湿图,25,4.2 湿空气的焓湿图,26,4.2 湿空气的焓湿图,27,4.2 湿空气的焓湿图,28,4.2.2 h-d图的应用,图 4.4,4.2 湿空气的焓湿图,29,图4.4露点温度、湿球温度在h-d图上的表示,4.2 湿空气的焓湿图,30,4.2.2.3 表示湿空气的状态变化过程,4.2 湿空气的焓湿图,31,4.2 湿空气的焓湿图,32,图4.6 例4.3附图,图4.7 例4.3附图,4.2 湿空气的焓湿图,33,图4.8 例4.4附图,4.2 湿空气的焓湿图,34,4.3 湿空气的基本处理过程,4.3.1 加热过程,图4.9 加热过程,4.3 湿空气的基本处理过程,35,湿空气的冷却过程可分为等湿冷却和冷却去湿两种情况。 4.3.2.1 等湿冷却,4.3.2 冷却过程,图 4.10 冷却过程,4.3 湿空气的基本处理过程,36,4.3.2.2 冷却去湿过程,图 4.10,4.3 湿空气的基本处理过程,37,图4.11 例4.5附图,4.3 湿空气的基本处理过程,38,工程中湿空气的加湿过程有绝热加湿和等温加湿两种情况。 4.3.3.1 绝热加湿 空气在绝热的条件下进行的加湿过程称为绝热加湿。在空调工程中，通常是在喷水室中通过喷入循环水滴来达到绝热加湿的目的。在该过程中，水滴蒸发所需的汽化潜热完全来自空气，而水滴变为水蒸气后又返回到空气中去了，这样空气本身焓的变化量很小，只是增加了补充水的液体热。这部分热量很小，可以忽略不计。因此，可把绝热加湿过程视为等焓过程。如图4.12中12所示。,4.3.3 加湿过程,4.3 湿空气的基本处理过程,39,图4.12 绝热加湿过程,4.3 湿空气的基本处理过程,40,4.3.3.2 定温加湿,图4.13 定温加湿过程,4.3 湿空气的基本处理过程,41,图 4.13,4.3 湿空气的基本处理过程,42,4.3.4 绝热混合过程,4.3 湿空气的基本处理过程,43,4.3 湿空气的基本处理过程,44,图 4.14,4.3 湿空气的基本处理过程,45,图4.14 湿空气的混合过程,4.3 湿空气的基本处理过程,46,4.3 湿空气的基本处理过程,47,图4.15 例4.6附图,4.3 湿空气的基本处理过程,48,图4.16 例4.7附图,4.3 湿空气的基本处理过程,49,第一部分 单元5 工程热力学原理 应用举例,热工学基础,50,单元5 工程热力学原理应用举例,51,单元5 工程热力学原理应用举例,52,【知识点】 活塞式压气机，两级压缩及中间冷却，蒸汽压缩式制冷循环,吸收式制冷循环。 【能力目标】 掌握：余隙容积、液体过冷、蒸汽过热、回热循环等基本概念。 理解：气体压缩、蒸汽压缩式制冷循环、吸收式制冷循环原理。 熟悉：理想制冷循环与实际制冷循环的区别。 应用：能应用相关概念、压焓图和公式进行制冷循环分析和计算。,单元5 工程热力学原理应用举例,53,用来压缩气体的设备称为压气机。气体经压气机压缩后，压力升高，称为压缩气体。压气机被广泛地应用于动力、制冷和化工等工程中。 常用压气机按其结构及工作原理可分为：活塞式（往复式）、叶轮式（离心式、轴流式）及回转式压气机等。在活塞式压气机中，气体在气缸内由往复运动的活塞来进行压缩，通常用于压力高、用气量小的场所。在叶轮式压气机中，气体的压缩主要依靠离心力作用，通常用于压力低、用气量大的地方。,5.1 活塞式压气机的基本原理,5.1 活塞式压气机的基本原理,54,各种压气机的构造尽管不同，但从热力学观点来分析，压气机中气体状态变化规律都是一样的，都是消耗机械功使气体得到压缩而提高其压力的。下面以活塞式压气机为例介绍其工作原理。 图5.1(a)为单级活塞式压气机的示意图，在理想条件下，其工作过程可分为三个阶段： (1) 吸气过程 当活塞自左端点向右移动时，进气阀A开启，排气阀B关闭，初状态为p1、T1的气体被吸入气缸。活塞到达右端点时进气阀关闭，吸气过程完毕。气体自缸外被吸入缸内的整个吸气过程中状态参数p1、T1没有变化，但质量不断增加。,5.1.1 单级活塞式压气机的工作原理,5.1 活塞式压气机的基本原理,55,(2) 压缩过程 进、排气阀均关闭，活塞在外力的推动下自右端点向左运动，缸内气体被压缩升压。在压缩过程中气体质量不变，压力及温度由p1、T1变为p2、T2。,图5.1 单级活塞式压气机 (a) 工作原理图 (b) p-V 图,5.1 活塞式压气机的基本原理,56,(3) 排气过程 活塞向左运行到某一位置时，气体压力升高到预定的终态压力p2，排气阀B 被顶开，活塞继续左行，直到左端点，排气完毕。排气过程中气体的热力状态p2、T2没有变化，活塞每往返一次，完成以上三个过程。为了便于研究，假定活塞运动到左端点时，活塞与气缸盖之间没有余隙存在，还假定压缩过程是可逆的，在这些假定条件下的压气机工作过程，称为理论压气过程。该过程可表示在p-V 图上，如图5.1(b)所示。,5.1 活塞式压气机的基本原理,57,压气机的工作条件不同，其压缩过程也不相同，压缩过程的性质与气体被冷却的情况有关，压缩过程存在两种极限情况：一种是过程进行得非常快，由机械功转变的热能来不及通过气缸传给外界，或传出热量极少，这种过程可视为绝热压缩过程；另一种是过程进行得非常慢，气缸冷却效果很好，由机械功转变的热能及时从气缸传出，气体的温度保持不变，属于等温压缩过程，过程的特征指数n=1。在实际的压缩过程中尽管都采取了一定的冷却措施，有部分热量从气缸传出，但难以实现等温压缩，这样的压缩过程介于等温与绝热压缩之间，属于多变压缩，过程的特征指数为 1nk。,5.1.2 压气机压缩过程的分析,5.1 活塞式压气机的基本原理,58,从前面关于热力过程的学习中得出这样的结论，从同一初态（p1、T1）出发，经三种不同的压缩过程，达到同一终态压力p2，所消耗的功量是不同的。为了得到预期压力的气体，所消耗的功量自然是越小越好。另外，压缩终了的气体温度也尽可能要低一些，因为过高的气体温度对压气机缸体显然是不利的。以下就结合p-V图和T-s图对绝热压缩、等温压缩以及多变压缩进行分析，看哪种压缩过程更省功，哪种压缩过程更有利于压气机的安全运行。为便于分析，假定压缩过程是可逆的，并假定活塞与气缸盖之间没有余隙存在。,5.1 活塞式压气机的基本原理,59,5.1.2.1 压缩过程消耗的轴功,5.1 活塞式压气机的基本原理,60,图5.2三种压缩过程的p-V图和T-s图 (a) p-V图；(b) T-s图,5.1 活塞式压气机的基本原理,61,5.1.2.2 压缩过程终态气体的温度：,图5.2 (b),5.1 活塞式压气机的基本原理,62,上述分析说明，等温压缩过程最省功；多变过程次之；绝热压缩过程消耗轴功最多。而压缩后气体的终态温度，等温压缩为最低，多变过程次之；绝热压缩为最高。压缩后气体温度升得过高，会影响润滑油的性能，导致运行事故发生，故在压缩过程中，希望压缩终态温度愈低愈好。所以，无论从压缩的终态温度看，还是从耗功看，等温压缩过程都是最有利的。 从图5.2 (b)中可以看出，等温压缩12T放热量最多；多变压缩12n次之；绝热压缩12s放热为零。显然放热压缩过程是有利的。压缩过程放热愈多，愈接近等温压缩过程，多变指数n愈小，就愈有利。,5.1 活塞式压气机的基本原理,63,在工程中为了改善压气机性能，总是尽量采用各种有效的冷却散热措施。对于活塞式压气机常采取在气缸外面加散热肋片、冷却水套等措施，来增强过程中的散热。这样做可使得空气压缩机中的过程特征指数n值降至1.3 以下。在工程实践中，有些压气机的气缸尺寸较小，转速也不太高，采用上述的冷却措施冷却效果会好一些。相反，高速大型的压气机采用这些冷却措施的效果将差一些。对于叶轮式压气机，由于其转速快，气体以高速度流过叶轮而完成压缩过程，来不及向外界散热，冷却措施也无法实施，故一般看做是绝热压缩过程。,5.1 活塞式压气机的基本原理,64,5.1.3 余隙容积的必要性及其对压气机排气量的影响,5.1 活塞式压气机的基本原理,65,由上述分析可见，压气机余隙的存在不仅本身容积不能被利用，还使一部分气缸容积也不能被有效利用，且随增压比 的提高而使影响加剧。这样使单级活塞式压气机的增压比受到一定限制，通常单级活塞式压气机的增压比一般不超过89 。,图5.3 具有余隙容积的 压气机的p-V图,图5.4 余隙容积对排气的影响,5.1 活塞式压气机的基本原理,66,5.1.4 余隙容积对压气机耗功的影响,5.1 活塞式压气机的基本原理,67,由此可见，在相同的增压比下，压缩1 kg气体所消耗的功与无余隙容积时相同，也即余隙容积的存在对于压缩等量气体所消耗功量是没有影响的。值得注意的是，该结论是在余隙内残留的高压气体的膨胀过程与气体的压缩过程的多变指数相等时得出的。尽管余隙的存在从理论上讲对耗功没有影响，但对容积效率是有影响的。有余隙容积时，进气量减少，气缸容积不能充分利用，压缩等量的气体必须采用较大的气缸，并且这一有害的余隙影响将随增压比的增大而增加。故在设计制造活塞式压气机时，应该尽量减少余隙容积并控制升压比。在实际工程中，压气机的余隙百分比一般为0.020.06 。 在实际的压缩机中，由于气体通过管道进排气阀时，存在着流动阻力，气体与气缸壁、管道之间存在着热交换，致使压缩机的实际耗功比理论计算的耗功要大。,5.1 活塞式压气机的基本原理,68,随压气机增压比的增大，气体压缩终态的温度随之提高，而气体压缩终态温度过高将影响气缸润滑油的性能，并可能造成运行事故，因此，各种气体的压气机的气体压缩终态温度都有限定值。同时，由于余隙容积的存在，随增压比增大，使压气机的有效吸气容积下降，排气量减少。这些都使得单级压气机不可能有较大的增压比。为此，要想获得较高压力的压缩气体，常采用具有中间冷却设备的多级压气机。,5.1.5 多级压缩和中间冷却,5.1 活塞式压气机的基本原理,69,5.1 活塞式压气机的基本原理,70,图5.5具有余隙容积的压气机的工作过程图 (a)工作示意图；(b) p V图；(c) T s图,5.1 活塞式压气机的基本原理,71,(2) 多级压缩及中间冷却的优、缺点 降低了每级压缩过程的增压比，改进了容积效率，使增压比的提高不再受到限制。只要采用多级压缩，总能够获得预定的终态压力。对于离心式压气机，随增压比的提高会使叶轮的圆周速度增大，以至于大到不可允许的程度，并且转速提高、气流速度增大、阻力损失也增大等，这些都使得单级离心式压气机的增压比很小。因此采用多级压缩对离心式压气机就更为重要。 由于多级压缩采用了中间冷却，可将高压缸进气温度降至低压缸的进气温度。如图5.5（c）所示，单级压缩过程终态温度为T3，两级压缩过程的终态温度为T3，显然T3T3。,5.1 活塞式压气机的基本原理,72, 采用多级压缩及中间冷却，使压缩过程有效地接近等温过程，节省了耗功量。从图5-5(b)可以看出，在相同初态和相同增压比的条件下，两级压缩比单级压缩节省的功量相当于图中阴影部分面积。从理论上分析，采用级数愈多，愈接近等温压缩过程，愈省功。当级数趋于无穷多时，就是等温过程。 多级压缩的缺点：级数过多会带来机构复杂，造价增高，阻力损失增加等不利因素。所以，实际上不宜分级太多，一般为两级、三级，高压压气机有的可多达四到六级。,5.1 活塞式压气机的基本原理,73,5.1 活塞式压气机的基本原理,74,5.1 活塞式压气机的基本原理,75,5.2.1.1 制冷 自然界中，热能的传递总是从高温物体传递给温度低的物体。这就是热力学第二定律所反映的自发过程的方向性问题。事实上，人们可以用制冷机或热泵将热能从低温物体中转移至高温物体中，当然，这样的过程是非自发的，是需要付出代价的（如消耗一定的机械能、电能或热能）。 所谓制冷，即是用人工的方法将被冷却对象的热能转移给周围环境介质，使被冷却对象的温度低于环境温度，并在所需时间内维持这个低温的过程。所以，制冷绝对不可理解为是制造冷量的过程，而是一个人为创造相对的低温环境的过程。,5.2.1 概述,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,76,5.2.1.2 冷量与热量 当人们为了创造一个低温环境（通常指比当时大气温度低）而从低温物体转移出热能时，习惯上称这部分热能为“冷量”，如夏天空调机将室内（27）热能转移至室外（30左右）。当人们为了供暖而从低温环境（物体）将热能转移至高温环境时，这部分热能习惯上称“热量”，如冬天北方地区可用空调机（热泵型）将室外大气（如4）中的热能转移至室内（如18）。前者称为制冷循环，后者称为热泵循环，二者仅目的不同，实质一样：热能由“低温物体”转移至“高温物体”，同时外界消耗一定的能量作为“补偿”。 所谓制冷量，就是指制冷装置在单位时间内从被冷却物转移的热量，即制冷剂在蒸发器中所吸收的热量，常用符号Q表示。,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,77,5.2.1.3 制冷技术的应用及人工制冷的方法 制冷技术在现代社会中的作用越来越大，除军事方面的应用外，主要应用于冷藏行业（如食品、药品等的低温贮存，需要冰箱、冷库等）、 空调冷源（许多生产工艺过程均需要有恒温、恒湿的空气环境，这就需要有制冷技术的支持，如光学仪器、半导体、计算机芯片等生产工艺。 实现人工制冷的方法有许多种，在制冷温度高于-120的普通制冷范围内，常用的人工制冷方法是利用液体汽化时吸热的原理进行制冷，包括： （1）蒸气压缩式制冷； （2）吸收式制冷； （3）蒸气喷射式制冷。,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,78,在单元2中已提到，最理想的制冷循环为逆卡诺循环，由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程组成，系统组成如图5.6(a)所示。逆卡诺循环的制冷系数是所有制冷循环中最大的，但是实际的制冷循环却不能按逆卡诺循环进行。,5.2.2 蒸气压缩式制冷理论循环,图5.6蒸气压缩式制冷的理想循环 (a) 制冷系统；(b)制冷循环,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,79,5.2.2.1 蒸汽压缩式制冷基本理论循环 蒸气压缩式制冷基本理论循环装置如图5.7(a)所示，实际工程中进入膨胀机的是液态制冷剂，在pkpo的膨胀过程中体积变化很小，所产生的膨胀功甚至不足以克服膨胀机本身的摩擦阻力，因此，在蒸气压缩式制冷循环中，用膨胀阀来代替理想制冷循环中的膨胀机，既简化了制冷装置，又可通过膨胀阀调节进入蒸发器的流量（所以工程中常将膨胀阀称为调节阀）。而膨胀节流过程是不可逆的，过程很快，可认为是绝热节流，则节流前后的焓值不变，所以在温-熵（T-s）图或压-焓（p-h）图上此过程用沿等焓线变化的虚线表示，但绝不是等焓过程。,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,80,从图5.6还可看出，理想制冷循环的压缩过程是在湿蒸气区进行的，这在实际运行中是绝对禁止的（如用活塞式压缩机则会发生冲缸现象，即将气缸吸排气阀片击碎，甚至破坏气缸盖）。所以，进入制冷压缩机的制冷剂至少要求是干饱和蒸气。这就形成了图5.7所示的蒸气压缩制冷基本制冷循环。,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,81,图5.7蒸气压缩式基本理论制冷循环 （a）制冷装置；（b）制冷循环在T-s图上的表示； （c）制冷循环在lgp-h图上的表示,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,82,5.2.2.2 具有液体过冷和蒸气过热的理论制冷循环 （1）制冷剂液体过冷的目的及方法,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,83,图5.8具有液体过冷的制冷循环 (a) 过冷循环装置；(b) 过冷循环在lgp-h图上的表示 1压缩机；2冷凝器；3贮液器；4过冷器；5节流阀；6蒸发器,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,84,（2）制冷剂蒸气过热的原因及其影响 基本理论制冷循环中压缩机吸气状态为饱和蒸气（图5.7中1点），而实际制冷循环中却一般都要产生蒸气过热，即如图5.9中11的定压升温过程。原因有二：首先，蒸发器至压缩机吸 气口的管段尽管要进行保 温，但仍然要发生制冷剂 蒸气升温过程；其次，许 多非满液式蒸发器（多用 于氟利昂系统）本身设计 的出口温度就处于过热状 态。所以，单级蒸汽压缩 制冷循环一般均具有液体 过冷和蒸气过热。,图5.9 吸气过热的循环在 lgp-h图上的表示,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,85,对于蒸气过热产生的影响，要注意以下几点： 第一，蒸气过热是有效过热还是无效过热（又称有害过热）。 第二，蒸气过热后的压缩功（h2-h1）大于吸入饱和蒸气时的压缩功（h2-h1），同时v1v1。 第三，为了保证压缩机不吸入液态制冷剂，通常人为地控制产生一定的过热度（t1-t1）。 （3）回热循环 工程上有时利用回热器（即气液热交换器）将液体过冷与蒸气过热统一考虑，使过热成为有效的冷量回收。如图5.10所示，从冷凝器中流出的饱和液体（状态点4）在回热器中放热给从蒸发器流出的饱和蒸气（状态点1），液体定压冷却至4点，同时蒸气定压过热至1点，二者换热量qo=h4-h4=h1-h1=h5-h5。,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,86,采用回热循环可增大制冷量qo，但压缩机耗功量也增加。经实测及理论分析，氨制冷系统不应采用回热循环，氟利昂系统可考虑采用，但也应该进行设备投资、热力计算等分析比较后再确定。,图5.10 回热制冷循环 (a) 回热循环装置；（b）回热制冷循环在lgp-h图上的表示,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,87,一般情况下，制冷循环热力计算的目的有两个：设计选型计算：主要是计算制冷循环的各项性能指标，如压缩机的输气量、功率、冷凝器负荷等，为制冷压缩机及换热器（冷凝器、蒸发器、冷却塔等）等设备选型提供依据。校核计算：针对已有设备参数经热力计算校核其是否满足所需制冷量要求。 对于设计计算，制冷量（即空调冷负荷）是已知的，再按照具体客观条件和相关规范确定冷却方式、环境参数及制冷工况后，即可进行热力计算。所谓制冷工况系指蒸发温度to、冷凝温度tk、液体过冷度tg及蒸气过热度tr这样一组工作参数。,5.2.3 单级蒸气压缩式制冷理论循环热力计算,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,88,5.2.3.1 制冷剂的压焓图 在制冷循环的分析与计算中，犹如水蒸气计算要借助于焓熵图(h-s)一样，通常需要借助于制冷工质的压焓图(lgp-h图)来进行。在分析蒸气压缩式制冷循环和进行制冷循环的热力计算时，应用该图很直观，便于分析。压焓图结构见图5.11。书后附图2给出氟利昂22的压焓图。,图5.11 制冷剂的压焓图,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,89,压焓图以绝对压力为纵坐标，为提高低压区域的精度而采用对数坐标，即lgp (MPa)，以比焓h(kJkg)为横坐标。图中主要内容有： 一点：临界点C(有时也用k表示)。 两线：临界点C左边的粗实线为饱和液体线，其干度x=0；右边的粗实线为饱和蒸气线，其干度x=1。 三区：液相区、气液两相共存区（湿蒸气区）、气相区。 五种状态：过冷液体状态、饱和液体状态、湿蒸气状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态。,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,90,六种等参数线簇：等压线水平线；等焓线垂直线；等温线在液相区几乎为垂直线，在两相区为水平线（与等压线重和），在气相区为向右下方弯曲的倾斜曲线；等熵线向右上方倾斜的实线；等容线向右上方倾斜的点画线，其斜率比等熵线平坦；等干度线只存在于两相区内，其方向视干度大小而定。 通常情况下，在以上六个参数中，只要知道其中任意两个参数，就可以在lgp-h图上确定制冷工质的状态点，从而可以在图上直接查读出其他未知的状态参数。对于饱和液体和饱和蒸气共存区，温度和压力是一个状态参数，还需再有一个参数才可以在图上确定其位置。本书附录中给出了一些常用制冷剂工质的饱和液体及蒸气的热力性质表和相应的压焓图。,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,91,5.2.3.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 在运行工况的各参数确定后，就可在lgp-h图上绘出制冷循环过程(图5.12)，进而计算以下各项内容。 （1）单位质量制冷量qo，是指在制冷循环中每kg制冷剂所产生的制冷量，单位是kJ/kg； qo=h1-h5 （5.9 ）,图5.12 蒸气压缩式制冷 循环在压焓图上的表示,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,92,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,93,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,94,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,95,（1）实际循环与理论循环的区别 尽管前面叙及的理论制冷循环较理想制冷循环更接近于实际，但和工程实际的制冷循环仍存在以下差别： 制冷剂蒸气在压缩机中进行的压缩过程不是等熵绝热过程，而是一个多变过程； 制冷剂通过压缩机吸、排气阀时有较大局部阻力，和气缸有热交换； 制冷剂在蒸发器、冷凝器中的换热过程不是定压过程，有阻力损失，而且存在温差传热； 制冷剂在管道内流动时有阻力损失并与外界有热量交换。,5.2.4 蒸气压缩实际制冷循环,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,96,（2）实际蒸气压缩制冷循环在lgp-h图上的表示 考虑上述区别，实际蒸气压缩制冷循环在lgp-h图上的表示如图5.14所示。,图5.14 实际制冷循环示意,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,97,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,98,5.2.4.1 蒸汽压缩式制冷循环性能与制冷运行工况的关系,5.2.5 制冷运行工况及其对制冷循环性能的影响,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,99,图5.15 冷凝温度对制冷量的影响,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,100,图5.16 蒸发温度对制冷量的影响,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,101,5.2.5.2 制冷机的名义工况 所谓名义工况，就是人为规定的为进行制冷机性能比较的基准性能工况。 表5.2是国家标准活塞式单级制冷压缩机给出的名义工况。,表5.2 有机制冷剂压缩机名义工况（）,5.2 蒸气压缩式制冷循环及热力计算,102,吸收式制冷是液体汽化制冷的一种，它和蒸气压缩式制冷一样，也是利用液态制冷剂在一定条件下汽化以达到制冷的目的。所不同的是，蒸气压缩式制冷是依靠消耗机械能（或电能）使热量从低温物体向高温物体转移；而吸收式制冷则依靠消耗热能来完成这种非自发过程。另外，吸收式制冷采用由稀释剂和制冷剂组成的溶液（通常称为工质对）作为工质。按照所用工质对不同，目前常用的吸收式制冷机有两种。一种是氨吸收式制冷机，其工质对为氨水溶液，氨为制冷剂，水为吸收剂，它的制冷温度在+1-45范围内。由于氨吸收式制冷机构造非常复杂、热力系数较低、有爆炸危险等缘故，故空调中很少应用，多用于工艺生产过程的冷源。另一种吸收式制冷机是溴化锂吸收式制冷机，以溴化锂（吸收剂）水（制冷剂）溶液作为工质，其制冷温度只能在0以上，主要用于空调系统冷源。,5.3 吸收式制冷循环工作原理,5.3 吸收式制冷循环工作原理,103,在标准大气压力（760 mmHg）下，水要达到100才能沸腾汽化，而在低于大气压力（即真空）环境下，水可以在温度很低时就沸腾。比如在密封的容器里创造绝对压力为6 mmHg的真空条件，水的沸点只有4。,5.3.1 溴化锂吸收式制冷机的工作原理,图5.17 溴化锂吸收式制冷机的工作原理图,5.3 吸收式制冷循环工作原理,104,溴化锂吸收式制冷装置主要由发生器、吸收器、冷凝器、节流阀和蒸发器组成，如图5.17所示，它们组成两个循环环路，即制冷剂循环和吸收剂循环，发生器内的溴化锂水溶液，由于外部热源的加热，使溴化锂水溶液中所含的比溴化锂沸点低得多的水分汽化成水蒸气；水蒸气进入冷凝器，被冷却水冷却，凝结成冷剂水；冷剂水经膨胀阀，节流降压后进入蒸发器；在蒸发器内，低压冷剂水吸收被冷却介质的热量，在低压下蒸发成水蒸气。被冷却介质因向冷剂水放出热量，温度降低而产生制冷效应。低温制冷剂水蒸气进入吸收器，被其中的溴化锂溶液所吸收，吸收过程中冷剂水蒸气放出的凝结热，由冷却水带走；,5.3 吸收式制冷循环工作原理,105,吸收了冷剂水蒸气的溴化锂水溶液，变为稀溶液后，由溶液泵送入发生器中，发生器由于外部热源加热，使溴化锂稀溶液不断释放出水蒸气而浓度升高，变为浓溶液。浓溶液经膨胀阀降低压力后进入吸收器，重新吸收来自蒸发器的冷剂水蒸气而浓度降低，再由溶液泵将吸收器的溴化锂稀溶液送入发生器。,5.3 吸收式制冷循环工作原理,106,图5.18所示是某种型号的双效溴化锂吸收式制冷机产品的流程。在机组设有高压与低压两个发生器，高压发生器（简称高发）采用压力较高的蒸汽，间接加热稀溶液，产生大量冷剂水蒸气，同时将溶液浓缩为中间溶液。中间溶液经高温热交换器换热降温后进入低压发生器，被高发来的冷剂水蒸气再次加热，再产生部分冷剂水蒸气，浓度进一步浓缩。浓溶液经低温热交换器换热降温后流回吸收器，产生的冷剂水蒸气则进入冷凝器。高发来的冷剂水蒸气在加热溶液后冷凝成水，经节流后进入冷凝器。冷却水流经冷凝器换热管内，将管外的冷剂水蒸气冷凝成水。冷凝水经U形管进入蒸发器，一部分汽化成水蒸气，进入吸收器底部的再吸收腔，另一部分则降温成低温冷剂水后进入蒸发器制冷。,5.3.2 溴化锂吸收式制冷机的典型结构与流程,5.3 吸收式制冷循环工作原理,107,图5.18 双效蒸汽加热型溴化锂吸收式制冷机流程图 1高压发生器 （高发）;2低压发生器（低发）；3冷凝器； 4蒸发器；5吸收器；6高温热交换器（高交）； 7低温热交换器（低交）；8凝水回热器；9溶液泵；10冷剂泵,5.3 吸收式制冷循环工作原理,108,如前所述，热泵循环本质上与制冷循环是一致的，仅有以下两点区别： （1）目的不同 制冷循环的目的是为获得预期的低温（环境），而热泵循环的目的是为获得预期的高温（环境）。 （2）两者的工作温度区间不同 制冷循环是从低温热源吸热后通过冷凝器将大气环境温度作为高温热源进行放热，而热泵循环则是把大气环境温度作为低温热源从其中吸热。 对实际工程中的蒸气压缩式热泵循环，供热系数h用下式表示：,5.4 热泵循环简介,5.4 热泵循环简介,109,5.4 热泵循环简介,110,第二部分 传热学,热工学基础,111,无论在自然界还是工程实践中，热传递现象都广泛存在，并对我们的生产生活有着重要的影响。不同的场合和不同的条件下，热量的传递方式和过程都是不同的，传热学就是研究热的传递规律的一门学科。在工程实践中我们要经常利用这些规律来确定某些场合的传热量和温度分布，有时候还要根据实际需要来强化和削弱热量的传递。比如对一个房间进行供暖，要考虑供暖房间通过墙壁、顶棚、地板以及门窗等围护结构的与外界的传热量，作为确定供暖热负荷的重要依据；在确定锅炉炉墙的使用材料及厚度时，要考虑到整个炉墙范围内的温度分布；远距离敷设的热力管道，为避免热量散失要采取合适的保温措施，而在空调机组的热交换器内为了最大程度的利用能量，又要优化设计，达到强化传热的目的。作为一门专业基础课，学好传热学有利于对其他专业课知识的理解和掌握。,第二部分 传热学,112,热量的传递过程按照与时间的关系，可划分为稳定过程和非稳定过程，物体中各点温度不随时间变化的热量传递过程，称为稳定传热过程；反之则称为非稳定传热过程。热量传递有三种基本方式：导热、对流和辐射，工程中很多传热过程往往是以上三种基本传热方式综合作用的结果。我们将在下边的学习中，分别介绍这三种不同的热量传递方式。,第二部分 传热学,113,第二部分 单元6 稳态导热,热工学基础,114,单元6 稳定导热,115,单元6 稳定导热,116,【知识点】 傅里叶定律、一维稳定导热，导热热阻。 【能力目标】 掌握：温度场、温度梯度、导热热阻、导热系数等基本概念。 理解：傅里叶定律的表述及含义。 熟悉：平壁、圆筒壁导热的温度分布。 应用：能应用相关概念和公式进行平壁、圆筒壁导热的分析和计算。,单元6 稳定导热,117,稳定导热是指温度场不随时间变化的导热过程，实际工程中，在不影响计算精度的情况下，好多导热过程均可以简化为一维稳定导热，以使计算变得更加简便，本章主要介绍工程上常见的一维稳态导热问题的计算。在学习的过程中要了解导热、温度场、温度梯度等概念；理解反映导热基本规律的傅里叶定律，并掌握一维稳态导热中傅里叶定律的具体应用，重点掌握多层平壁和圆筒壁的一维稳定导热计算公式及其应用。,单元6 稳定导热,118,导热即热传导，是指发生在物质本身各部分之间或直接接触的物质与物质之间的热量传递现象。热量从固体温度较高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的固体把热量传递给与之接触的温度较低的另一固体都是导热现象。如：手持放在热汤中的调羹柄会感到发烫，这是因为调羹的头部被热汤加热后，又把热量传导至调羹柄部。又如：装在教室中的散热器片，当温度较高的热水在散热器内流过时，将热量传递给散热器片，而散热器片将所得的热量又传递给外部温度较低的空气，热量自散热器内壁传递到外壁以及翅片的过程就属导热过程。,6.1 稳定导热,6.1 导热的概念及傅里叶定律,6.1.1 导热的概念,119,导热是物质的属性，导热现象既可以发生在固体内部，也可发生在静止的液体和气体之中，但微观机理有所不同。在气体中，导热是气体分子不规则热运动时碰撞的结果，气体的温度越高，其分子的运动动能越大，能量较高的分子与能量较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温处传向低温处；对于固体，导电体的导热主要靠自由电子的运动来完成，而非导电固体则通过原子、分子在其平衡位置附近的振动来传导热量；至于液体中的导热机理，还存在着不同观点，可以认为介于气体和固体之间。,6.1 导热的概念及傅里叶定律,120,一般只有在固态物质中才会发生单纯的导热现象，这是因为：在加热或冷却过程中，对于固体来说，体积虽然有变化但不会因此诱发不同分子集团的相对运动。而流体（气体和液体）在吸热或放热时，其体积变化将引起密度的变化，迸而会引起分子集团的宏观相对运动，所产生的对流换热现象不是严格意义上的“纯导热”。在工程应用中，一般把发生在换热器管壁、散热肋片管道保温层、墙壁等固态材料中的热量传递均可看作导热过程处理。,6.1 导热的概念及傅里叶定律,121,只要有温差存在，热量就会自发地从高温物体传给低温物体，就可能出现导热现象。所以温差是传递热量的动力，导热过程中热量的传递与物体内部温度分布状况密切相关。因此，要分析导热现象，首先要分析物体内部温度分布规律。 某一时刻物体中各点温度分布的状况称为温度场。一般来说，温度场是空间和时间的函数，其数学表达式为,6.1.2 温度场,6.1 导热的概念及傅里叶定律,122,温度场按照是否随时间变化来分类，可分为两类，即稳定温度场和非稳定温度场。当温度场内各点的温度随时间变化时，这种温度场称为非稳定温度场，例如在房间空调刚开机的一段时间内，房间内的温度场就属于非稳定温度场。如果温度场中各点的温度不随时间变化，这种温度场则称为稳定温度场，例如当外界环境变化不大，室内供暖设备工况稳定、持续运行较长时间后，此时室内的温度场就可以看作稳定温度场。在稳定温度场中的导热称为稳定导热，反之，非稳定温度场中的导热称为不稳定导热。 稳定温度场内温度的分布与时间无关，仅是空间坐标的函数。如果温度在空间三个坐标方向都发生着变化，则称为三维稳定温度场，其数学表达式为 t=f(x,y,z) (6-2),6.1 导热的概念及傅里叶定律,123,在稳定温度场中，若温度仅在空间两个坐标方向上发生变化，则称为二维稳定温度场，即 t=f(x,y) (6.3) 在稳定温度场中，若温度仅在空间一个坐标方向上发生变化，则称为一维稳定温度场，即 t=f(x) (6.4) 一维稳态温度场是最简单的温度分布，是工程技术中应用较多的情况。在我们的学习过程中，也主要以一维稳定温度场作为研究对象。 工程中常以激光的热传导焊接技术，对打印机壳体、机箱外壳等薄壁件进行焊接，如图6.1所示：激光辐射仅仅加热工件的表面，一部分激光被反射，另外一部分激光则被工件吸收；,6.1 导热的概念及傅里叶定律,124,工件表面层吸收的热以热传导的方式传向工件深处传递使金属熔融，熔融的金属在工件表层形成了一个封闭的熔池 ，熔池凝 固后形成平滑光洁 的焊缝。热传导焊 由于热可以在宽度 方向和深度方向传 播，因此传热均匀 而不会产生焊缝凸 起。,图6.1 激光焊接导热示意图,6.1 导热的概念及傅里叶定律,125,在温度场中，把同一时刻温度相等的各点连接起来所构成的面，称为等温面，它可能是平面，也可能是曲面。等温面与任一平面的交线称为等温线。等温面和等温线的性质如下： （1）因空间中任何一点不可能同时具有两个不同的温度值，所以任意两个等温线或等温面永不相交。 （2）等温线或等温面可以在物体内部是完全封闭的曲线或曲面，也可终止于物体的边缘，但不可以在物体内部中断。 （3）等温线或等温面上温度差为零，没有热量的传递。热量的传递是沿着最短的途径进行，即沿着等温面或等温线的法线方向进行。,6.1.3 等温线、等温面和温度梯度,6.1 导热的概念及傅里叶定律,126,图6.2温度场、等温线及温度梯度,见图6.2,6.1 导热的概念及傅里叶定律,127,6.1.4 傅里叶定律,6.1 导热的概念及傅里叶定律,128,6.1 导热的概念及傅里叶定律,129,由傅里叶定律的表达式可得 (6.9) 导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下的热流密度，是工程设计中合理选用材料的重要依据。导热系数是物质的一个重要的热物性参数，其数值大小表征着物质导热性能的优劣。影响导热系数的因素主要有物质种类、温度、结构、密度、湿度,不同物质的导热系数相差很大，通常各种物质的导热系数可从相关资料中查取。,6.1.5 导热系数,6.1 导热的概念及傅里叶定律,130,(1) 由于金属的导热和导电都是依靠自由电子，导电性能好的金属材料，导热性能也较好。例如铜的导热系数高达398 W（m），铝的导热系数为236 W（m），制冷设备中常用铜管铝翅片制作冷凝器和蒸发器就是利用其导热性能好这一特点。 (2) 液体导热系数的范围为0.070.7 W（m），气体导热系数的范围为0.0060.6 W（m）。和固体，特别是金属相比，液体和气体的导热系数要小得多。 (3) 非金属固体材料导热系数的范围很大，高限可达6.0 W（m），低限接近气体。比如膨胀珍珠岩在0时的导热系数仅为0.042 5 W（m）。,6.1 导热的概念及傅里叶定律,131,(4) 湿度对保温材料的导热系数影响很大，隔热保温材料的湿度越大，则孔隙中的水分就越多，材料的导热系数也就越大。水的导热系数比空气大2030倍，所以对建筑物的围护结构，空调工程中的送风管道、冷媒水管，供热工程中的供热管道等其隔热保温层的外表面应包裹一层隔汽层，以防潮湿空气渗入。 (5) 温度会影响材料的导热系数，一般地说,所有物质的导热系数都是温度的函数,在工业上和日常生活中常见的温度范围内，绝大多数材料的导热系数可以近似地认为随温度线性变化，表示为 式中0为按上式计算的材料在0下的近似计算值，并非材料在0下的导热系数真实值，如图6.3所示；b为由实验确定的常数，其数值与物质的种类有关。,(6.10),6.1 导热的概念及傅里叶定律,132,图6.3 导热系数与温度t的关系,6.1 导热的概念及傅里叶定律,133,导热系数高的物质有利于热传递，导热系数低的物质能有效地阻止和削弱热传递。因而，对于换热器等需要加强换热的场合，一般采用导热系数较高的金属材料；而对于冷库、冰箱等需要隔热保温的场合要采用导热系数小的材料。我国国家标准GB427Z92设备及管道保温技术通则规定，凡平均温度不高于350时导热系数不大于0.12 W（m）的材料称为保温材料；而在室温条件下，一般把导热系数小于0.2 W（m）的材料作为隔热保温材料。在制冷工程中，常用的保温材料可分为10大类：珍珠岩类、蛭石类、硅藻土类、泡沫混凝土类、软木类、石棉类、玻璃纤维类、泡沫塑料类、矿渣棉类、岩棉类，其相关性能可参阅有关手册。,6.1 导热的概念及傅里叶定律,134,一般来说，导热系数较小的材料（或称为热绝缘体）是所谓的多孔状材料，例如泡沫塑料。因为小孔中的气体导热系数很低，其保温性好。国外有些公司开发出低导热系数的高性能PU发泡体隔热材料，主要是将气泡孔微细化，而达到最低的导热系数0.018 6 W/（m）。这种产品对于住宅及家电的节能效果非常高，因此除了用作住宅墙体材料，也可应用于冰箱、自动贩卖机等电器的隔热保温。,6.1.6 新型节能材料,6.1 导热的概念及傅里叶定律,135,在工程实践中，许多应用场合需要热绝缘体具有够高的密度，因而在这些场合下密度较低的发