2020年制冷工艺设计手册

制冷工艺设计手册

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第一章制冷技术的基础知识

第一节制冷基础知识

一、冷及制冷日常生活中，冷和热是两种不同的感觉，两个

完全对立的概念。可是用物理学概念来解释，物质的冷和热，只

是热的程度不同，没有本质的区别。

各种物质都由分子组成，每个分子都在不断运动，分子运动产

生了热。不同的物质，分子运动状态是不同的，有些物质的分子

运动比较剧烈，有些物质的分子运动比较缓慢；即使相同的物

质，由于受外界条件的影响，分子运动的程度也不一样。凡是分

子运动速度快，物质的温度比较高，就称为热；分子运动比较缓

慢，物质的温度比较低，就称为冷。冷和热是相正确，它们是以

温度的高低来衡量的。

随着外界条件的变化，冷的物质能够变热，热的物质也能够变

冷。例如，将水加热，冷水会变成热水，甚至成为水蒸气；反

之，冬季气温下降，地面上水的温度随之下降，成为冷水，甚至

冻结成冰。

自然界每年有季节变化，夏、秋季气温高，地面各种物质的温

度随着升高，冬季气温低，地面各种物体的温度随着升高，冬季

气温低，地面各种物体的温度也随着降低。这种由于气候的变

化，使物质变冷的过程称为天然制冷。随着生产的发展，人类对

冷的需要越来越多，自然制冷不但受气候限制，不能随便利用，

而且冷的程度有限，不能适应生产发展的需要。因而，在科学技

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术发展的基础上，采用了机器来制冷，称为机器制冷或人工制

冷，简称制冷。

制冷，就是以人为的方法来减少某物质的热量，降低该物质的

温度，制造出一定的低温。制冷的任务是将冷却的物体中的热量

转移给周围的介质(水或空气)，或设法把该物体的温度，降低

到低于周围介质的温度，和在所需的一定时间内保持一定的低

温。

二、常见名词及概念

1.温度温度用来表示物质冷和热的程度。衡量温度的标准有

摄氏温度、华氏温度和绝对温度三种。中国日常生活和工程技术

上大都采用摄氏温度或绝对温度。

(1)摄氏温度在标准大气压下，把水的结冰温度作为0度，

沸腾温度作为100度，在0度与100度之间，平均等分成100

份，每一份作为1度，这个温度标准称为摄氏温度，以符号℃表

不。

(2)华氏温度在标准大气压下，把水的结冰温度作为32

度，沸腾温度作为212度，在32度与212度之间，平均等分为

180份，每一份作为1度，这个温度标准称为华氏温度，以符

号。F表示。

(3)绝对温度把水的结冰点作为273度，水的沸点作为373

度，把物质中的分子全部停止运动之点作为0度的温度标准，称

为绝对温度，以符号K表示。

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摄氏温度、华氏温度和绝对温度能够相互换算。摄氏温度换算

成华氏温度时可按下式计算：

F=1.8C+32

华氏温度换算成摄氏温度时，可按下式计算：

C_F32

绝对温度与摄氏温度有如下关系：

K=-273.16℃或0℃=273.16K

T=t+273.16

式中：T—绝对温度（K）

t一摄氏温度（℃）

2.热量分子运动所具有的热能量称为热量。计算热量的单

位，公制用卡或千卡（也称大卡），英制用英热单位。

（1）卡在标准大气压下，一公斤的水，温度升高或降低

1℃,所吸收或放出的热量称为一卡，用符号cal表示。

（2）千卡在标准大气压下，一公斤的水，温度升高或降低

1℃,所吸收或放出的热量称为一千卡或一大卡，用符号kcal表

ZjKO

（3）英热单位将一磅的水加热或冷却，温度升高或降低1°

F,所吸收或放出的热量称为一英热单位，用符号BTU表示。

卡、千卡和英热单位的换算：

1千卡=100（）卡=3.969英热单位

1英热单位=252卡=0.252千卡

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（4）比热单位重量的物质，温度升高或降低所吸收或放出

的热量称为比热，以符号C表示。其常见单位为千卡/公斤。C或卡

/克。C。

水的比热等于1,各种食品的比热随食品中水分含量的多少和

温度不同而不同。当食品的温度变化范围不大，比热可做常数。

但如果食品的温度变化引起食品中水分冻结或冰的融化时，由于

冰的比热仅为水的一半，此时，虽然温度变化不大，食品的比热

也会有较大变化，故冻结食品的比热比常温下食品的比热要小的

多。几种食品的比热如表1—1所示。

表几种食品的比热

比热（千卡/公斤。C）比热（千卡/公斤。C）

名称名称

冻结点以上冻结点以下冻结点以上冻结点以下

少脂鱼0.800.32水果0.8—0.90.5

多脂鱼0.680.44蔬菜0.8—0.90.4—0.5

精肉0.760.42水1—

肥肉0.520.36冰一0.5

鸡蛋0.760.40冰激凌0.780.45

（5）制冷量用人工的方法来减少某物质的热量时，单位时间

内所能摄取的热量称为制冷量，常见单位为千卡/时。

在国外，也有采用冷冻吨作为制冷量单位，冷冻吨是24小时

内将一顿0℃的水变成0℃的冰需要摄取的热量。由于冰的溶解潜

热为78.68千卡/公斤，故：

1冷冻吨*=78.68X1000/24=3320（千卡/时）

3.压力无论是气体或液体，由于分子的运动，气体或液体分

子对容器或管道壁会造成碰撞，对容器或管道壁产生力的作用，

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称为压力。流体作用在容器壁或管壁单位面积上的压力称为压

强，以符号P表示。在工程中，习惯上把压强称为压力。我们四

周的空气也有压力，由地面上几百公里高的空气层的重量所形

成，称为大气压力，大气的压力随地理区域、高度以及气候条件

等不同而有所变化。压力的常见单位公斤/厘米2、标准大气压、

毫米水银柱、米水柱、磅/英寸2等。

(1)标准大气压又称物理大气压，是指在维度45°的海面

上，大气的常年平均压力。其值为1.033公斤/厘米2。

(2)工程大气压为计算方便，把大气压力作为1公斤/厘米2

来计算，称为一个工程大气压。

(3)绝对压力和表压力气体的压力有绝对压力和表压力两

种。绝对压力是气体的真实。表压力是指压力表上的读数，是绝

对压力与大气压力之差。当压力表上的读数为正值时，其绝对压

力为表压力加上大气压力，当压力表上的读数为负值(即真空)

时，其绝对压力为大气压力减去压力表上的读数。在工程上一般

常采用表压力，但在计算中，需采用绝对压力。

各种压力单位的相互换算如表1—2所示。

表1—2压力单位换算表

公斤/厘米2标准大气压毫米水银柱米水柱磅/英寸2

10.9678735.561014,223

1.033176010.333314.696

0.001360.0013110.01360.0193

0.10.096873.55611.4223

0.07030.068051.7150.7031

(4)功和功率物体受力的作用而运动，其作用的力和物体在

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力方向上移动的距离的乘积称为功，常见单位为公斤米。1公斤

米是1公斤的力，在力的作用线上，使物体移动1米距离时所做

的功。单位时间内所作的功称为功率，常见单位为公斤米/秒、千

瓦和马力。

1千瓦=1.36马力=102公斤米/秒

1马力=0.736千瓦=75公斤米/秒

4.容积物质所占的体积大小称为容积，常见单位为立方米、

升等。

比容单位重量的物质所占据的容积称为比容，也称容重，以

符号V表示。常见单位为米3/公斤。

5.重量各种物体所具有的物质数量称为质量，由于地心吸

力，一定质量物质都有一定的重量，常见的重量单位为公斤(千

克)、克和磅等。

1公斤=1000克=2.2046磅

1磅=453.6克=0.4536公斤

比重单位容积的物质所具有的重量称为比重，也称重度，以

符号「表示。常见的比重单位为公斤/米\比重和比容互为倒

数。

6.物态变化物质有三种形态：固体、液体和气体。

(1)固体一定体积和形状的物质。在不太大的外力作用下其

体积和形状的改变很小。

(2)液体有一定的体积而形状随容器改变的物质。

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(3)气体由大量分子组成的、能自发充满任何容器的物质。

气体分子之间的距离较大，作用力很小，都在作无规则的热运

动，因此气体容易压缩，没有一定的形状。

在外界条件的影响下，物质的三种形态能够相互转换。例如，

在常压常温下，水是一种液体，当温度降低到0℃以下，就会冻

结成冰，成为固体。反之，水加热到100℃以上，就会变成水蒸

气，成为气体。温度和压力是影响物体变化的主要因素。

(4)压缩使气体物质比容减小，比重增大，压力升高的过程

称为压缩。气体压缩时，需要对气体做功。

(5)绝热压缩气体压缩过程中，与外界不发生热交换，称为

绝热压缩。

(6)膨胀使气体物质比容增大，比重减小，压力降低的过程

称为膨胀。

(7)节流膨胀流体流动中，断面突然缩小，使流量受限制，

而后断面增大，造成流体压力下降，比容增大的过程称为节流膨

胀。

(8)冷凝气体冷却转化为液体的过程称为冷凝。

(9)凝固物质从液体冷却转化为固体的过程称为凝固。

(10)溶解固体加热转换为液体的过程称为溶解。

(11)气化液体加热转化为气体的过程称为气化。气化有两

种方式：蒸发和沸腾。

(12)沸腾在沸点温度下，液体的气化过程称为沸腾。

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(13)蒸发液体表面的气化现象称为蒸发。

在制冷工程中，由于制冷剂的沸腾温度较低，一般吧沸腾称为

蒸发。

(14)升华固体加热直接转变为气体的过程称为升华。

(15)潜热物质发生物态变化而温度维持不变，所需要吸收

或放出的热量称为潜热，此时，液体的气化温度即为沸点，固体

的溶解温度即为熔点。

(16)气化潜热液体转变为气体时的潜热称为气化潜热。

(17)溶解潜热固体转变为液体时的潜热称为溶解潜热。

在不同的压力条件下，各种物质沸点和气化潜热，熔点和溶解

潜热并不相同，在标准大气压下，水的沸点为100℃,气化潜热

为539千卡/公斤。氨液的沸点为-33.4C,气化潜热为327千卡/公

斤。冰的熔点为0℃,溶解潜热为79.7千卡/公斤。

7.蒸汽的饱和、过热和过冷状态装在密闭容器里的液体，被

加热时，蒸发和扩散作用，空间会充满气体分子，这些气体分子

在液体上面空间作不规则的热运动。由于分子之间以及分子与容

器壁的碰撞，其中一部分又回到液体中去。开始时，离开液体的

分子多于回到液体中的分子，这样液体表面上方蒸汽的密度就逐

渐增大，回到液体中的分子数量也增多，最后，在同一时间内从

液体里出来的分子数等于回到液体中去的分子数。这就是说液体

的气化速度与蒸汽的液化速度相等，处于动态平衡状态，蒸汽的

密度不能再增加，达到了饱和状态。这时容器中的蒸汽叫做饱和

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蒸汽，相应的压力叫做饱和压力，而相应的温度叫做饱和温度。

在相同的温度下，各种液体有不同的饱和蒸汽压力。例如，在

20℃时水的饱和蒸汽压力为17.53毫米水银柱，氨的饱和蒸汽压

力为8.741公斤/厘米2（绝对）。液体的饱和蒸汽压力随着温度升

高而增加。在温度不变的情况下，只要密封的容器里还有液体存

在，其饱和蒸汽压力不随容积的改变而变化。

如果在定压下对液体进行加热，当达到饱和温度时，液体沸

腾，变成蒸汽，继续加热，则比容增加，温度不变，仍为饱和温

度，容器内存在着饱和液体和饱和蒸汽的混合物，此时称为湿饱

和蒸汽状态。继续加热，液体全部气化为饱和蒸汽，此时称为干

饱和蒸汽状态。如再继续加热则干蒸汽的温度将升高，超过饱和

温度，比容也将增加，这种状态称为过热蒸汽。

如果在定压下，将蒸汽进行冷却，在饱和温度下，饱和蒸汽被

冷凝成饱和液体。在饱和蒸汽全部冷凝成为饱和液体后，如果继

续冷却，液体的温度将降低，低于饱和温度，这种状态称为过冷

液体。

8.临界温度、临界压力和临界比容根据实验得知，要想把气

体由气态转变为液态，必须符合一定的条件，超出这一条件，物

态的变化就不能实现。能够实现物态变化的极限状态称为临界状

态。每种气体都有一个一定的温度值，高于这个温度，不论压力

如何变化，气态都无法转化为液态的，这个极限温度称为临界温

度。在临界温度下，气体液化所需要的压力称为临界压力。在临

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界压力下，单位质量的物质所占据的容积称为临界压力。在临界

压力下，单位重量的物质所占据的容积称为临界比容。例如水的

临界温度为374℃,临界压力为217.72大气压，临界比容为2.50

厘米3/克，空气的临界温度为-140.7C,临界压力为37.2大气压，

临界比容为2.86厘米3/克。

9.空气的湿度和露点空气是一种混合气体，在空气中，一般

都含有一定量的水蒸气。空气中含有水蒸气的多少称为空气的湿

度。空气的湿度能够用绝对湿度、水蒸气密度和相对湿度表示。

（1）绝对湿度单位容积的空气中含有水蒸气的重量称为绝对

湿度，以符号a表示，常见单位为克/米3。

（2）水蒸气密度含在空气中的水蒸气所具有的分压力称为水

蒸气密度，以符号e表示，其常见单位为毫米水银柱或毫巴（1毫

巴=0.75毫米水银柱）。

绝对湿度与水蒸气密度可按下式换算：

1.06e—0.8e

a=~j-+at或a=-j—+at

式中：a—绝对湿度（克/米3）

e—水蒸气密度（毫米水银柱）

e—水蒸气密度（毫巴）

t—温度（℃）

a一常数（a=0.00366）

（3）相对湿度空气中所含水蒸气的密度与同一温度下饱和空

气中所含水蒸气密度百分比值，称为相对湿度。以符号也表示，

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其值用百分数表示。相对湿度表示着空气干燥或潮湿的程度。例

如，相对湿度为0%时，表示空气完全干燥，相对湿度为100%

时，表示空气湿度最大，达到饱和状态。

空气的相对湿度能够从单位容积内含有的水蒸气克数来计算，

也能够用相同温度下，空气含有的水蒸气密度与饱和水蒸气密度

之比来计算。

相对湿度和绝对湿度，水蒸气密度可按下式换算：

,a.100e

或八k丁

式中：中一相对湿度（％）

a—绝对湿度（克/米3）

A一饱和蒸汽绝对湿度（克/米3）

e—水蒸气密度（毫米水银柱或毫巴）

E一饱和蒸汽密度（毫米水银柱或毫巴）

空气在不同温度下的饱和蒸汽绝对湿度和蒸汽密度值如表1一

3所示。利用上式和表1—3能够换算出空气的相对湿度、绝对湿

度和水蒸气密度。

表1—3不同温度下空气的饱和蒸汽绝对湿度和饱和蒸汽密度

温度+30+20+10+50-5-10-15-20

（℃）

饱和蒸汽绝对湿度30.3817.329.415.324.863.412.351.601.08

（克侏3）

饱和蒸汽密度31.8217.549.216.424.583.162.141.430.95

（毫米水银柱）

饱和蒸汽密度42.4223.3812.268.646.104.222.851.911.27

（毫巴）

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（4）露点含有一定量水蒸气的空气，当温度降低时，其水

蒸气密度逐渐增大，当水蒸气达到完全饱和时的温度称为该空气

的露点空气的露点温度即为相对湿度达到100%时的温度。

在露点温度下，空气中的水蒸气成为饱和水蒸气，部分水蒸气

会凝结成露，呈露水状粘附在物体表面，如果露点温度低于

0℃,则水蒸气凝结成霜状。

不同绝对湿度的空气有一个相应的露点温度。可是，含有一定

水蒸气的空气，其相对湿度则随温度而变化。温度升高时，相对

湿度下降，温度降低时，相对湿度增大，当温度降低到露点温度

时，相对湿度达到最大为100%。

不同温度和相对湿度空气的露点温度如表1—4所示。空气的

露点温度也可利用温湿（i-d）图查得。

表1—4不同温度和相对湿度空气的露点温度

对湿度（％）

6065707580859095100

温度CC）^.

+30+20.9+22.3+23.6+24.8+25.9+27.0+28.1+29.1+30.0

2819.020.421.722.924.025.026.127.128.0

2617.218.519.821.022.123.124.125.126.0

2415.316.617.819.020.121.122.123.124.0

2213.414.715.917.018.119.120.121.122.0

+2011.512.814.015.116.217.218.219.120.0

189.910.912.113.214.215.216.217.118.0

167.79.010.211.312.313.314.315.216.0

145.87.08.29.310.311.312.313.214.0

123.95.16.37.48.49.410.311.212.0

+102.13.34.45.46.47.48.39.210.0

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8+0.3+1.42.53.54.55.46.37.28.0

6-1.5-0.4+0.7+1.72.73.64.45.26.0

43.22.1-1.1-0.2+0.7+1.62.53.34.0

24.93.93.02.1-1.2-0.3+0.5+1.32.0

±06.55.54.63.72.92.1-1.3-0.6±0.0

28.47.46.45.44.84.03.32.6-2.0

410.39.38.37.56.76.05.34.64.0

612.111.210.39.58.78.07.36.66.0

813.913.912.211.410.710.09.38.68.0

-1015.414.814.113.312.611.911.210.610.0

1217.716.715.915.114.413.813.212.612.0

1419.818.817.917.116.415.815.214.614.0

1621.920.920.019.218.517.817.116.516.0

1824.123.022.221.420.919.819.118.518.0

-20-26.2-25.2-24.2-23.4-22.6-21.8-21.1-20.5-20.0

第二节热力学基础知识

任何事物都有一定的规律性。热力学也有其一定的规律性，这

就是热力学基本规律，它反映了能量转换的客观规律。热力学基

本规律是制冷工程原理的依据。

热力学基本定律有热力学第一定律和热力学第二定律。

一、热力学第一定律各种形式的能量能够互相转换，但不能

增多，也不会减少，总量保持不变。当工质受热作功时，由于受

热而从外界得到的能量，等于外界作功所付给的能量与贮存于工

质内部的能量之和，这就是热力学第一定律的基本内容。热力学

第一定律属于能量守恒和转换定律范畴。

热力学第一定律能够用以下公式表示：

q=Au+AL

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式中：q—外界加给受热工质的热量（千卡/公斤）

△u一受热工质内能的增加（千卡/公斤）

L—受热工质对外界所作的机械功（公斤米/公斤）

A一功的热能当量A=1/427（千卡/公斤米）

上式称为简单能量方程式，其中每一项根据实际情况，能够是

正值，也能够是负值。如果q是负值，表示物质对外界放热，如

果L是负值，表示工质接受了外界的压缩功，如果△口是负值，

表示工质的内能不是增加，而是减少。

热力学第一定律告诉我们，热与功两者能够互相转换，而且转

换时有一定的数量关系，即每千卡的热量全部转变为功时为427

公斤米，称为热功当量。反之，每公斤米的功能够转化为1/427

千卡的热量，以符号A表示，称为功的当量。

二、热力学第二定律大量实验证明，功能够全部转变为热，

温度较高的物体中的热量能够自发地向温度较低的物体转移，而

相反却不行。

热力学第二定律包括以下两条内容：

1.热量不能自发地，不付代价地由低温物体传向高温物体。

2.使热量全部而且连续地转变为机械功是不可能的。

热力学第二定律告诉了我们传热过程的方向，并指出了热量转

变为功的条件。例如，

有温度不同的甲、乙两个物体互相接触，并假设与外界隔绝，此

时甲、乙两物体间将发生热量接触，热力学第一定律说明，一个

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物体失去的热量，等于另一个物体获得的热量，但并不能说明那

个物体会失去热量，那个物体会得到热量。可是，根据热力学第

二定律，就能够清楚地知道，温度较高的甲物体能够自动地把热

量转移给乙物体，而温度较低的乙物体，不能自动地把热量传递

给甲物体。

另外，热力学第一定律说明，热能够按一定当量转化为功，

功也能够按一定当量转化为热。而热力学第二定律进一步说明，

要将功完全转化成热能是可能的。反之，要将热完全地连续地转

化为机械功却办不到。正因为这样，因此各种热机的效率总是小

于lo

热力学定律告诉我们，任何机器在作功时都必须消耗能量。要

想不耗费能量而作功是违反客观规律，因而所谓“恒动机”的想

法是完全不可能实现的。

三、端与焰

1”商根据热力学定律，已经知道热量常常不可能完全转化为

功，为了研究热量做功的价值，引用了端的概念，以符号S表

小O

燧是表明物质系统热力学状态的物理量。在加热情况下，一个

系统的温度是变化，如果把过程分为许多微段，每段加入热量为

dq,那未每段内加热时的温度T（绝对温度）能够认为不变，这

个系统嫡的变化为

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式中：S—燧（千卡/公斤K）

q一传热量（千卡/公斤）

T—绝对温度（K）

在可逆循环中，热源减少的牖等于冷源增加的嫡，总的牖值保

持不变。在不可逆循环中，热源减少的燧大于冷源增加的端，总

的燧值增大。懒不能用实测的方法求得，只能从数学计算中得

到。牖在热力计算中常有使用，一般不需要求出它的绝对值，而

只要求得它的相对值。在制冷工程中，一般把0℃的饱和制冷液

体的增值规定为1.

2.焰物质具有的内能和流动能之和称为焰，以符号i表示，其

单位为千卡/公斤。

焙能够用以下公式表示：

i=u+APV

燧是一个很重要的状态参数，它和温度、压力、比容一样，能

说明气体所处状态的特征。在制冷工程热力计算中，焰具有极广

泛的用途，它能够使热力计算大大简化。熔的绝对值很难直接确

定，实际上也没有必要求出，因为一般只需要了解一种物质由某

一状态变化到另一状态时焰值变化即可，在制冷工程中，一般吧

0℃的饱和制冷剂液体的熔值规定为100.

3.温一崎（T-S）图在热力学中，为了计算热转移的数量，

常使用温一嫡（T—S）图。图1—1是T—S图的基本线形。图

上，纵坐标为绝对温度T,横坐标为嫡S,T—S图由等温线（T=

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常数），绝热等燧线（5=常数），等压线5=常数），等焰线

&=常数），等湿线（x=0及x=l）,等比容线（V=常数）等线

条组成。与横坐标平行的是等温线，与纵坐标平行的是绝热等烯

线，左边的一条主要曲线为饱和液线（x=0）,右边的一条主要曲

线为饱和气线（x=l）。处在饱和液线左边的是过冷却液体状态，

处在饱和气线右边的是过热气体状态，在饱和液线和饱和气线之

间的是液体和饱和气体共存状态。能够用T—S图上的面积来计算

系统吸收或放出的热量。

图1—1T—S图的基本线形

例如，某一逆卡诺循环（图1一2）由两根等温线和两根绝热

线组成，在4—1等温过程中，供热体把热量传递给工质，此时供

热体温度T。不变，在1一2绝热压缩过程中，工质与周围介质不

发生热交换，此时工质温度由To升到Tk。在2—3等温过程

中，工质将热量传递给受热体，但温度稳定不变。在3—4绝热膨

胀过程中，工质温度由Tk降到T。。

在上述循环中，4-1过程，供热体传给工质的热量可由图上

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al4b的面积求得，2—3过程，工质向受热体传递的热量可由图上

a23b的面积求得，而压缩功即为面积a23b-面积al4b=1234。

T

A

ba

图1—2逆卡诺循环

4.压一熔(P-i)图为计算热转移的数量，还能够采用(P-

i)压焰线图。图1—3是P-i图的基本线形，图上纵坐标为压力

P,横坐标为焰i,水平线为等压线，垂直线为等焰线，左边主要

曲线为饱和液线(x=0),右边主要曲线为饱和气线(x=l),这

两条曲线将流体分为三部分，左边为过冷液体，中间为液体和饱

和气体共存，右边为过热气体。

在压一焰图上，能够用横坐标的线段来表示系统吸收或放出的

热量，因此，在使用上，压一嫡图比温一改商图方便，故现今制冷

计算大都采用压一烙图，为了避免压一培图的下部的线条过分拥

挤，一般将纵坐标以Igp来代替P,制成IgP—i图使用。实际使用

的氨IgP—i图见附录。

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第三节传热学基础知识

热量由较热物质向较冷物质转移的过程称为传热。实践证

明，无论是不同种类的物质或者是相同种类的物质，当相互接触

时，只要有温度差存在，就会出现传热现象。而且，根据热力学

定律，热量总是从高温物质自发地传向低温物质。

一、传热基本方式自然界中，传热现象虽然很多，归纳起

来，有三种基本方式：导热，热对流和热辐射。传热过程有时候

是单一的某种形式的传热，而大多数传热过程是一种方式伴随着

另一种方式同时进行的传热。

1.导热由于物体内部分子和原子的热振动引起动能的交换，

使热量从物体的一部分传递到另一部分，或从一个物体传递到与

之直接接触的另一个物体，这种传热方式称为导热。纯粹的导热

现象只有在完全密实的固体内部才能发生，此时，物质本身并不

移动。

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导热过程中，如果物体内部各处的温度不随时间而变化，则单

位时间内传递的热量为定值，这种导热过程称为稳定导热。下面

将稳定导热情况下，单层平面壁，多层平面壁和圆管壁的导热情

况作简要介绍。

（1）单层平面壁的导热单层平面壁的导热可用下式表示：

入X

Q=yF（tLt2）=wFzXt（千卡/时）

式中：Q一单位时间内经过平面壁传导的热量（千卡/时）

3—平面壁厚度（米）

F—导热面积（米2）

口一热表面的壁温（℃）

t2一冷表面的壁温（℃）

△t一热表面与冷表面的温度差

入一导热系数（千卡/米时℃）

上式说明在一定传热平面壁面积F上的传热速度与温度差At

成正比例，与平面壁的厚度3成反比例，还与平面壁物质的导热

系数人有关。

导热系数人一小时内，等温面长度为一米，温度降为1℃,经

过一平方米传热面积的热量称为导热系数。导热系数的大小标志

着物质传导热量能力的大小，不同的物质有不同的导热系数值。

一般说来，以固体为最大，液体次之，而以气体最小。在固体

中，则又以金属材料的导热系数最高，砖石等建筑材料次之，隔

热材料的导热系数最小。即使同一种物质，其导热系数也并不是

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常数，它还随物体的结构、重度、湿度、温度和压力等许多因素

而异。各种物质的导热系数均由试验测定。表1—5是几种物质的

导热系数值。

表1—5几种物质的导热系数

导热系数X导热系数X

物质名称物质名称

（千卡/米时℃）（千卡/米时℃）

软木板0.04—0.06钢300

聚苯乙烯

0.03—0.04铝170

泡沫塑料板

木材0.15—0.2水0.47—0.53

油毛毡0.12—0.15冰1.95—2.0

沥青0.3—0.35冷冻油0.1—0.13

砖0.5—0.8霜0.1—0.5

混凝±0.8—1.1水垢0.3—1.0

钢筋混凝土1.2—1.3油漆0.2

钢40—50空气0.02

（2）多层平面壁的导热平面壁由若干层不同物质组成，各层

物质的导热系数和厚度均布相同，热量连续传过各层平面壁的过

程称为多层平面壁的导热。如图1—4所示，平面壁为三层，用不

同物质组成，每层的厚度为51、62及§3,其导热系数各为人1、

入2及入3,平面壁的面积为F（与图面垂直）经过各层的温度差各

为△t2=t2-t3，△t3=t3-t4,则根据单层平面壁的导热公式

可得

8।6283

△t△tl+At2+At3Q1入］p+Q2X2p+Q3x3F

因为是稳定导热，则经过各层的热量相等，即

Ql=Q2=Q3=Q则有

Q=错误!（千卡/时）

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616283

令kS=R］，T"E=R2,丁~FR3则得

A|FA2FA3F

△tAt.

Q-zx

RI+R2+R3=SR（千卡/时）

式中：Rl、R2、R3一对应各层的热阻

2R—多层平面壁的总热阻

（3）圆管壁的导热热量沿圆管壁的径向传递时，垂直于热流

方向的传热面积显然随半径的增大而增大。如图1—5所示，若圆

管壁的长度为L,圆管的内半径为n,外半径为⑵内壁温度为

t2,外壁温度为ti,则稳定导热经过的热量为

Q=错误!（tl-t2）（千卡/时）

将上式与平面壁导热公式相比较，可得

Fd=错误!=错误!（米2）

式中：fd一圆管壁内面积F1和外面积F2的对数平均值

AX

贝1］有Q^；Fd4t-yFdZkt（千卡/时）

式中：3—圆管壁的厚度（米）

从上式可知圆管壁的导热基本上与平面壁的导热相同，其不同

之处就在于需把面积取对数平均值。

一般说来，两个数值的对数平均值常较其算术平均值为小。对

于薄壁圆管，一般其外径（或与外径（或之比小于

d2r2）din）

2,即书4W2,此时，工程计算上能够采用算术平均值，其误差

也不大。

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当圆管壁或圆筒壁为同心的多层物质构成时，其径向的导热需

要分别算出各层的传热面积对数或算术平均值，并以各层热阻之

和为总热阻而计算。

2.热对流热对流是流动介质的传热，主要由分子互易位置、

流体本身进行混和而传热，热量经过物质的移动来传递。例如，

空气和水的传热都是对流传热。热对流是流体独有的现象。可

是，流体的传热也往往兼有对流和导热两种形式。

对流传热有自然对流传热和强制对流传热之分。

静止的流体，由于受热或放热，使密度发生变化引起对流而

传热的称为自然对流传热。

由于采用机械能一风机、搅拌器或泵等，使流体强制流动而

传热的称为强制对流传热。

按流体的流动状态，有层流和湍流之分。流体的流动速度较小

（雷诺准数在2320以下）时一般为层流，流动速度较大（雷诺准

数在2320以上）时，一般为湍流。可是即使在湍流时，在紧邻管

壁处常总有一薄层仍为层流。

流体流过固体壁面时，流体和与之直接接触的壁面间发生的热

量传递过程称为放热（又称给热，对流换热），这个过程包括因

流体各部位相对位移而引起的换热，也包括流体分子间进行的导

热，因此它是导热和对流的混合作用。

放热过程基本关系可用下式表示：

Q=aF(ti-tb)(千卡/时)

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式中：Q—单位时间内流体与壁面间的传热量（千卡/时）

力一流体的温度（℃）

tb一壁面的温度（℃）

F—放热壁面的面积（米2）

a—放热系数（又称给热系数）（千卡/米2时。C）

放热系数a温度差为1℃,在一小时内，由表面积为1米2的

壁面与相接触的流体之间传送的热量称为放热系数。

放热系数的大小标志着壁面与流体表面之间热交换的强度。影

响放热系数的因素很多。例如，流体的性质、流动的速度、流体

的温度、壁面的状态、面积和温度等都影响放热系数值。一般说

来，增加流体速度能够提高放热系数，也就是说，湍流时放热系

数大，层流时放热系数小。流体流动方向和管壁垂直时的放热系

数比平时大。当气体发生冷凝现象时的传热，滴状冷凝的放热系

数比膜状冷凝大几倍至十几倍。膜状冷凝时，膜层增厚会使放热

系数减少。增加气体流速，能使液膜减薄，增大放热系数，加高

气体温度，会使液层粘度减少，放热系数增大。气体与传热壁之

间的温度差加大时，则冷凝加速，液层加厚，使放热系数减少。

在气体中如混有不凝性气体，会使放热系数大大降低。当液体为

沸腾传热时，粗糙壁面的放热系数比光滑壁面为大。

由于影响放热系数的因素很多，其数值一般均由实验测得。

3.热辐射宇宙间一切物体都以一种电磁波的方式向四面八方

送出它的热量，这种向四周发射电磁波的传热现象总称为热辐

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射。太阳的热能就是以辐射的方式传给地球的。热辐射的发生，

是物体内部原子复杂激动的结果。故物体被加热时，必有一部分

热能变为辐射能。

一切物体发射的热辐射，当射达其它物体的表面时，和光线相

似，部分被吸收，部分被反射，还有一部分可能透过物体。被物

体吸收的辐射能，将使该物体的温度升高。

物体具备吸收、反射及透过热辐射的能力分别称为吸收率

（A）、反射率（R）及透过率（D）,若以入射能的总数为1,

则有

A+R+D=l

A、R及D的绝对值，视物质的性质、温度和波长等而异。一

般说来，对于绝大多数气体，绝对透明体和热体，A=0,R=0,

D=l,即入射能全部透过。对于多数固体和液体D=0,R+A=l,

此时的热辐射能够看作是物体表面的效应。当D=0,A=0,R=1

时，入射能全部反射，称为绝对白体。若D=0,R=0,A=1时，

入射能全部吸收，称为绝对黑体。实际上，绝对黑体和绝对白体

都不存在，只是近似而已。一般说来，物体表面越粗糙、越黑、

越善于吸收光线者，就越近似黑体。如绝黑的煤A=0.96,。但热辐

射的黑体与光学的黑体还是有所区别的。例如，白粉墙和白雪，

在光学上是所谓的白体（R=l）,但对于热辐射，却是近似黑

体，雪的A=0.985.因此物体对于热辐射是否吸收或反射，主要决

定于表面状态，而与颜色无多大关系。

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根据实验和理论分析，绝对黑体向外发射的辐射能与它的辐

射面积成正比，与它的绝对温度的四次方成正比。

T

Eo=CoF（而）4（千卡/时）

式中：氏一绝对黑体的辐射能量（千卡/时）

F一辐射面积（米2）

T—物体表面的绝度温度（K）

Co—辐射系数Co=4.96（千卡/米2时K）

一般，物体的辐射能力和吸收能力都比绝对黑体小，一个物

体的辐射能量E与同温度下绝对黑体辐射能量E（）的比值称为黑

度。以符号£表示。

E

因此任何物体的辐射能量均能够表示成

T

E=eEo=eCoF（正^），（千卡/时）

由于辐射能量与绝对温度的四次方成正比，因此，当两个物

体的温度差相差很大时，辐射换热将占据很重要的地位，可是，

在制冷技术中，一般的温度都不大，辐射换热占的比例很小，在

计算中，除个别情况外，对辐射换热量都不予考虑。

二、传热过程在热交换器中，热量充温度较高的流体经过间

壁传向另一侧温度较低流体的过程称为传热过程。在传热过程

中，既有导热，又有对流换热。

1.单层平面壁的传热过程单层平面壁的传热过程如图1一6

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所示，从图中能够看出，整个传热过程实际上是热流体到一侧壁

面的对流换热，由一侧壁面到另一侧壁面的导热，以及从另一侧

面到冷流体的对流换热这样三个热传递过程串联而成。从第一节

中已知，热流体与壁面之间的换热为

Qi=aiF(ti-ti')

由一侧壁面到另一侧壁面的导热为

X

Q2.F(tE2‘)

由另一侧壁面到冷流体的换热为

Q3=a2F(t2'-t2)

当稳定传热时，各过程所传过的热量均应相等，即

Q1=Q2=Q.3=Q

则三个串联传热过程的温度差将各为

ra1raj

02505

t「t2-FXT^XT

Fa2Fa2

整个传热过程的总温差为

t]-t2=(tl-tl5)+(t]，-t2，)+(t2，-t2)

十六)

F'a1X

由此可得

Q=错误!F(tl-t2)

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令错误!二K则有

Q=KF（ti-t2）（千卡/时）

式中：Q一单位时间内经过传热面F由热流体传给冷流体的热

量（千卡/时）

F一传热壁面积（米2）

力一热流体的温度（℃）

t2—冷流体的温度（℃）

K一传热系数（千卡/米2时。C）

传热系数K当两流体间的温度差为隔开两流体的壁面

积为1米2,在一小时内由较热流体经过间壁传至较冷流体的热量

称为传热系数。上述公式称为传热方程，是传热计算的基本公

式，在制冷计算中经常使用。

2.多层平面壁的传热过程多层平面壁的传热过程如图1—7所

示，其间壁为多层结构，每层的厚度为跖、82……8n,则其传

热系数为入1入2人n

K=错误！

多层平面壁的传热方程与单层平面壁传热方程相同，仅在于K

值不同。

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T

A

M

T

IT%

T2

------------------------------------&Z

图1一7多层平面壁的传热过程

制冷装置的热交换器，有时虽然是单层间壁，但在间壁表面

附有油、水垢、霜或冰等沉淀物和污垢时，则应按多层间壁来计

算K值。

经过计算，然后将两个计算结果相比较，就能够明显看出，油

和水垢的存在，使冷凝器的热系数大大降低。

3圆管壁的传热过程圆管壁的传热过程如图1—8所示，其传

热方程为

图1一8圆管壁的传热过程

Q=错误！五L(ti-t2)=KinL(ti-t2)(千卡/时)

式中：a】一圆管外壁的放热系数(千卡/米2时。。)

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a2一圆管内壁的放热系数（千卡/米2时。C）

入一管子材料的导热系数（千卡/米2时。C）

dl一圆管的外径（米）

d2一圆管的内径（米）

L一管子的长度（米）

tl—热流体的温度（℃）

t2—冷流体的温度（℃）

K1一单位管长的传热系数（千卡/米时。C）

■TV六+啮+康

对于薄壁圆管，其外径和内径之比小于2（$<2）时，则能

Q2

够将上式简化为

Q=错误！冗dmL（tl-t2）=KndmL（tl-t2）（千卡/时）

式中：5—管壁厚度（米）5=竽

dm一管子的平均直径（米）%=由沪

K一圆管壁的传热系数（千卡/米2时。C）

4.翅片管的传热过程翅片管有内翅片和外翅片之分，冷库中

主要为外翅片管，其传热过程如图1—9所示。对于薄壁管，其传

热方程为

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图1—9翅片管的传热过程

Q=错误!

=KlFl（tl-t2）=K2F2（tl-t2）（千卡/时）

式中：a1一翅片表面的放热系数（千卡/米2时。C）

a2一管子内表面的放热系数（千卡/米2时。C）

5—管壁厚度（米）

入一管子材料的导热系数（千卡/米时℃）

B一管子（翅片）侧的放热面积（包括翅片表面积及管外

壁的表面积）（米2）

F2一管子内侧的放热面积（米2）

tl—热流体的温度（℃）

t2—冷流体的温度（℃）

K］一以翅片侧放热面积计的传热系数（千卡/米2时。C）

K1=错误！

K2—以管子内侧放热面积计的传热系数（千卡/米2时。C）

K2二错误！

"一翅化系数

上式公式在翅片片身不高时比较正确，若片身较高，片身上、

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下部有温度落差，计算结果将产生误差。翅片管的翅片应该装在

放热系数较小的一侧。

三、平均温度差在热交换器中，热流体将热量传递给冷流体

时，冷、热流体的温度沿热交换器长度方向常常是变化的，因

此，在计算温度差时，应该采用平均温度差，以符号表示。

平均温度差，除与冷、热流体的物理性质，进口温度等有关

外，还与冷、热流体相互流动的方向有关。

冷流体和热流体在热交换器中的流动方向有顺流，逆流，叉

流，混合流等。

冷流体与热流体循同一方向运动时，称为顺流，其流向示意及

温度变化如图1—10所示。

图1—10顺流传热及温度变化

冷流体与热流体循相反方向运动称为逆流。其流向示意及温度

变化如图1-11所示。

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传热面积m!

图1—11逆流传热及温度变化

冷流体与热流体呈垂直交叉运动时称为叉流，由顺流、逆流和

叉流混合组成的流动称为混合流。

从图1—10和1—11能够看出，冷流体与热流体在运动中，湿

度都发生了变化，在顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体

的出口温度，但在逆流时，冷流体的出口温度能够高于热流体的

出口温度，因此，逆流时的温度差最大，交换的热量最多，顺流

时的温度差最小，交换的热量最少，叉流和混合流则处在两者之

间，因此，对于热交换器，在一般情况下，应尽量采用逆流布

置，即使因结构或其它方面的困难而无法采用逆流时，也应尽量

采用