2空调制冷原理.ppt

1、子情景2-1：空调的制冷原理,学习目标： 1、掌握制冷的相关概念，能叙述空调制冷系统的基本组成； 2、能叙述蒸汽压缩式制冷的基本原理； 3、能区分空调制冷系统高压侧和低压侧和运行特征，并能根据运行特征判断制冷系统运行是否正常。,制冷原理,制冷的基本知识 1、制冷的概念 利用人工的方法，把某物体或某空间的温度降低到低于周围环境的温度，并使之维持在这一低温的过程。 （1）、实质：将热量从被冷却对象中转移到环境中 （2）、制冷与冷却的区别,制冷原理,冷源 冷源可分为两大类：天然冷源和人工冷源 （1）天然冷源 自然界中存在的低温物质称为天然冷源，如冰、地下水。但天然冷源受地理、气候等条件的限制而不可多

2、得。 （2）人工冷源 因此，我们必须采用人工的办法来制造低温物质，用以冷却物体或空间。或者说我们要用一种制冷机来提取低温物体或空间中的热量，这就是人工冷源。,制冷原理,制冷机：实现制冷所需的机器和设备。 特点：必须消耗能量电能、机械能等 制冷剂： 制冷机中把热量从被冷却介质传给环境介质的内部循环流动的工作介质。 制冷循环： 在制冷机中，制冷剂周而复始吸热、放热的流动循环。,制冷原理,制冷方法： 液体汽化制冷：利用液体气化吸热原理。 如：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷等 气体膨胀制冷： 将高压气体做绝热膨胀，使其压力、温度下降，利用降温后的气体来吸取被冷却物体的热量从而制冷。 热电制

3、冷： 利用某种半导体材料的热电效应。 ,制冷原理,制冷技术分类： 按照制冷温度大小，分为三类： 普通制冷：t120 深度制冷： 120 t253 超低温制冷：t253 空调用制冷技术属于普通制冷。,制冷原理,制冷技术的发展： 人类 “制冷技术”的发展，经历了“自然冷却”和“人工制冷”两个阶段。,我国早在三千年前的周朝 人们利用天然冰来冷藏食品和制作饮料 汉书周礼中记载了: 周朝专管冰的官史凌人 春秋战国和秦汉时期:天然用冰制冷技术有了较大的发展 汉书上载道: 春秋时期，秦国皇宫造有一座冰宫 魏国曹植在大暑赋中有: “积素冰于幽馆，气飞积而为霜”,制冷原理,近代现代：自然冷却技术的在各领域得到全

4、面发展 冰镇啤酒、饮料，冰冻鱼肉 地窑、山洞的综合运用 发动机、机床的水冷却 电风扇、水空调 1755年 化学家库仑在爱丁堡利用乙醚蒸发制造出冰人类首次人工制冷 1834年 美国发明家波尔斯在伦敦造出了第一台以乙醚为工质的蒸汽压缩机 1844年 美国医生高里在弗罗里达州利用刚发明的制冰机造出了第一台空调器，并于1851年获得美国专利（No 8080#）,制冷原理,1910年 第一台以氨为工质的冰箱问世 1920年 美国开利公司制造出第一台开启式压缩机的卧式柜型空调器 1930年 第一台以氟利昂为工质（R-12)的制冷机问世 1951年 第一台窗式空调器正式问世 1964年 我国第一台“双鹿”牌

5、窗式空调器问世 80年代末 我国电冰箱产量占全世界第一位 90年代中 我国空调器产量占全世界第一位,制冷原理,制冷技术的应用： 空调工程 ：家用空调、集中空调、空调冷水机组、空调设备; 食品工程：冷 库、家用冰箱、冰柜、冷藏陈列柜等； 机械与电子工业：工业的许多生产过程需要在低温下进行 ； 农业：种子贮存以及育苗等 ； 医疗卫生事业：血浆、疫苗及某些特殊药品的低温保存 ； 国防工业和现代科学：人工降雨；在高寒地区使用的发动机、汽车、常规武器的环境模拟试验等。,制冷原理,了解一些与制冷技术相关的术语，这对于制冷原理的理解至关重要！,制冷原理,湿空气的基本知识 1、湿空气的概念 （1）、干空气,制

6、冷原理,湿空气的基本知识 （2）、水蒸气： 空气中水蒸气的含量是经常变化的，通常只占空气质量比的千分之几到千分之二十几。自然界中的空气都或多或少含有一定的水蒸气，因此，绝对的干空气是不存在的。,影响耗能,影响人的舒适,影响设备状况,影响产品质量,影响生产工艺,水蒸气含量的变化,制冷原理,湿空气的基本知识 （3）、饱和空气： 干空气具有吸收和容纳水蒸气的能力，并且这个能力随着温度和压力的变化而变化，我们把在一定的温度和压力下，水蒸气含量达到一定值的空气称之为饱和空气。此时所对应的温度和压力成为饱和温度和饱和压力。 在压力一定时，如果降低饱和空气的温度，则饱和空气中的水蒸气含量也会随之降低。并且多

7、余的水蒸气会凝结成液体。,雾是如何形成的？,制冷原理,湿空气的基本知识 （4）、湿空气的状态参数： 湿空气的状态参数包括温度、压力、湿度、焓等。,温度的概念与度量 温度被用来表示物质冷与热的程度， 温度的高低的程度可用温度计来度量， 如玻璃温度计，管内的液体受热后膨胀，液面升高，冷却收缩后，液面降低，液面的高低表示温度的高低程度。,温度类参数,温度的标定 摄氏温标 在标准大气压下， 把水的冰点作为0度， 沸点作为100度， 在0度与100度之间均衡的刻成100格， 每格为l度，以符号表示。,温度类参数,华氏温标 在标准大气压下， 把水的冰点定为32度， 而沸点定为212度、 二者之间均衡的刻成

8、180格， 每格为l度，以符号oF表示。,温度类参数,开氏温标(又称绝对温标) 它以摄氏温标为基础、 把水的冰点定为273.16度， 水的沸点定为37316度， 理论上把物质中分子全部停止运动之点作为0度，以符号K表示。,温度类参数,温度类参数,干球温度 t 或 tg 湿球温度 ts 露点温度 tL,温度类参数,1.干球温度 就是通常口语中所说的温度，用t或tg表示，单位为。 在空调技术中，为了区别于湿球温度，才特别称之为干球温度。 干球温度代表了空气的冷热程度。,感温饱,图11 干湿球温度计,温度类参数,2.湿球温度 图为两支普通水银玻璃棒温度计，右边一支温度计的感温包上裹有一小块纱布，纱布

9、的下端浸在盛有常温蒸馏水的容器中。 由于毛细现象使得纱布处于湿润状态，感温包上裹有纱布的温度计就变成了“湿球温度计”。 湿球温度计显示的温度值就是湿球温度，用ts表示，单位为,干湿球温度计,感温饱,温度类参数,由于水向空气中蒸发的速度与空气的潮湿程度有关，同样的干球温度条件下，空气越干燥，水的蒸发速度就越快，需要的汽化潜热就越多，湿纱布上的水温也相应越低，以便从空气中得到更多的显热，因此达到动态平衡时湿球温度与干球温度的温差就越大。 干湿球温度差的大小可以反映空气的潮湿程度。,干湿球温度计,感温饱,温度类参数,3.露点温度 任一状态的未饱和空气，在保持所含水蒸气量不变的条件下，使其温度逐渐降低

10、，当温度低于某一个临界温度时，空气中的水蒸气便开始凝结出来，这个临界温度就称为这个状态空气的露点温度。 露点温度通常用tL表示，单位为。,在含湿量不变时，空气温度下降，由未饱和状态变为饱和状态，此时空气的相对湿度 = 1O0。在空调技术中，把空气降温至露点温度，达到除湿干燥空气的目的。,温度类参数,大气压力,大气压力 包围地球的空气层对单位地球表面积形成的压力称为大气压力。通常用 B表示。单位用帕 Pa或千帕 kPa表示。 工程上常以工程大气压表示（kgf/cm2）； 把在地球纬度450、温度为O时，大气对海平面的压力称为标准大气压，它相当于1013kPa。 湿空气是干空气和水蒸汽组成的混合气

11、体，因此湿空气的总压力应由干空气分压力 Pg；与水蒸汽的分压力Pq迭加而成。即 PPg十Pq或 BPg十Pq,大气压力,大气压力 大气压力随各地海拔高度不同而存差异。还因季节、气候的变化稍有高低。由于大气压力不同，空气的物理性质和反映空气物理性质的状态参数均要发生变化。,大气压力,表示压力的常用方式 绝对压力：它表示实际的压力值，是把完全真空状态作为零值。 表压力：通过压力表上指示读出的压力值，称为表压力值。它是将标准大气压作为零值，在此基础上进行压力计量的结果。 真空度：低于大气压力的数值称为真空度。 绝对压力是设计及查阅制冷剂特性表时使用，表压力则是观察系统运行状况时使用，真空度则是维修系

12、统抽真空时使用。,绝对压力当地大气压十表压力,湿度 湿度是表示湿空气中含有水蒸汽量多少的物理量，有三种表示方法。,空气的湿度类参数,湿度,在空调工程中，测量和调节空气的湿度是仅次于温度控制的重要任务，尤其是需要知道空气中水蒸气的含量有多少和某一状态空气吸收水蒸气的能力有多大时。这两种情况可以分别用含湿量d和相对湿度这两个湿度类状态参数来度量。,空气的湿度类参数,1绝对湿度 l m3湿空气中含水蒸汽的质量。符号为Z，单位为 kgm3，即： 式中：mq：水蒸汽质量，单位为kg； V：水蒸汽占有的容积，即湿空气的容积，单位为 m3。 绝对湿度使用起来不方便。它不能直接反映出湿空气的干湿程度。,空气的

13、湿度类参数,2.含湿量 空气的含湿量定义为 每千克干空气中含有的水蒸气量，即 （1-2） 式中 含湿量，单位为g/kg干； 空气中所含水蒸气的质量，单位 为g； 空气中所含干空气的质量，单位为 kg干。,空气的湿度类参数,在含湿量的定义式中，使用干空气的质量而不是使用空气的质量作为分母的原因 在对空气进行热湿处理的过程中，经常会有水蒸气的加入或析出，因此空气的质量会因水蒸气的变化而变化，而干空气的质量则基本维持不变。 与水溶解糖或盐的道理相同，每千克干空气所能容纳的最大水蒸气量与其干球温度惟一相关，温度越高，每千克干空气所能容纳的水蒸气就越多，反之就越少。 某一温度下，每千克干空气所能容纳的最

14、大水蒸气量，即为该温度下空气的最大含湿量，称为饱和空气含湿量，简称饱和含湿量，用db表示，单位为g/kg干。达到最大含湿量的空气就是饱和空气。,空气的湿度类参数,空气温度与对应饱和状态参数值 (pB = 1013102 Pa),有一个温度就有一个对应的饱和含湿量,空气的湿度类参数,含湿量可以准确地反映出每千克干空气中含水蒸气量的绝对值。但是，从表中可以看出，同样是含湿量为10.6g/kg干的空气，在15时是饱和空气，在30时却只能算是未饱和空气，因为30的空气最大含湿量为27.2g/kg干。 含湿量这个参数只能反映空气中水蒸气量含量的多少，不能直观地反映空气是否饱和，即是否还能容纳水蒸气。,空

15、气的湿度类参数,空气的湿度类参数,3.相对湿度 相对湿度的定义式为 （1-3） 式中 相对湿度，用%表示； 空气中的水蒸气分压力，单位为Pa； 相同温度下饱和空气的水蒸气分 压力，单位为Pa，其值可根据空 气温度从附录A中查得。,相对湿度直观地反映出了空气中水蒸气含量接近其饱和含量的程度，也就是反映出了空气吸收水蒸气的能力(又称为吸湿能力)和空气的潮湿程度。 相对湿度为100%的空气就是饱和空气，当空气达到饱和后就再也不能吸收水蒸气了，此时，湿球温度计的读数与干球温度计的读数相等。 空气达到饱和后，如果温度下降，就会有水蒸气凝结出来，因此根据露点温度的定义，饱和空气的干球温度就是其露点温度。

16、当空气饱和时，其相对湿度为100%，并且干球温度、湿球温度、露点温度完全相等。,空气的湿度类参数,空气的能量参数,在空调工程中，最常见的空气处理过程是冷却或加热空气，经常会碰到诸如将空气从30冷却到20需要多少冷量，或将5的冷空气加热到20需要多少热量之类的问题。 焓是代表空气能量状态的参数,并能进行空气能量变化的计量。 焓严格来说应称为比焓或质量焓，但工程上常简称为焓，用h表示。,空气的焓,工程热力学中焓的定义为 “焓是物质本身所包含的内部能量”，这个定义当然也适用于空气。 能量有多种形式，在空调技术中，空气焓所指的“内部能量”通常仅限于热能和压力能，而不是其他能(如核能或化学能)。尽管在一

17、定条件下，其他能可以转化为热能和压力能或热能和压力能也在相互转化。 在空调工程中，由于空气处理过程压力的变化非常小，可以近似看成定压过程，因此空气焓的变化就可以忽略压力的变化，而看成是热能变化造成的。,空气的能量参数,空气的焓是以1kg干空气为基数进行计算的，即1kg干空气加上dg水蒸气的焓的总和，加起来就是(1+0.001d)kg空气的焓。 空气的焓是以0为基准计算的，取0的干空气和0的水的焓为零，则空气的焓为 (1-4) 式中 h 含有1kg干空气的空气的焓，单位 为kJ/kg干； hg 1kg干空气的焓，单位为kJ/kg干； d 含湿量，单位为g/kg干； hq 1kg水蒸气的焓，单位为

18、kJ/kg汽。,空气的能量参数,干空气的焓hg可以用下式计算 式中 Cp,g干空气的比定压热容， Cp,g=1.01kJ/(kgK)； t空气的温度，单位为 。 水蒸气的焓hq则可以用下式进行计算 式中 r0时水的汽化潜热,r=2500kJ/kg水； CP,q水蒸气的比定压热容, CP,q=1.84kJ/(kgK)。,空气的能量参数,空气的焓就是将空气所含有的成份(1kg干空气和dg水蒸气)，分别从0加热到t时所需要的热量。 将hg和hq的表达式代入式(1-4)中可得 （1-5） 从式(1-5)可看出，空气的焓不仅与温度有关，还与其所含水蒸气的多少有关，因此在空调工程中，空气被处理时焓增加、减

19、少还是不变，要由温度和含湿量二者的变化情况决定。,空气的能量参数,制冷原理,汽化 物质由液态变为气态的过程称为汽化。汽化过程有两种形式，即蒸发和沸腾。 汽化过程一般为吸热过程。,制冷原理,沸腾 沸腾是指液体内部产生气泡形式的剧烈气化过程。 任何一种液体只有在一定的温度下才能沸腾，沸腾时的温度称为沸点。 例如，水的烧开过程。在一定压力下，液体加热到一定的温度才开始沸腾。 在整个沸腾过程中，液体吸收的热量全部用于自身的容积膨胀与相变，故气液温度保持不变。 在制冷技术中，对蒸发一词通常是理解为液体的沸腾过程。并把沸腾时的温度称为蒸发温度，沸腾时所保持的压力称为蒸发压力。,制冷原理,于此同时，压力和沸

20、点的关系也很大，降低压力能使液体的沸点降低，增加压力则使沸点升高。 因此每一个作用于液体的压力就有一个对应的沸点。 例如1.0133l05Pa下。水在 100时沸腾；若压力升高到2.41105Pa，水的沸点为138；若压力降低0.43105Pa，水的沸点为845。 在制冷系统中，用控制蒸发压力来达到控制蒸发温度的目的。,制冷原理,蒸发 蒸发是指在液体自由表面进行气化的过程。 例如，水的蒸发。衣服的凉干过程。 蒸发是由于液体表面上具有较高能量的分子克服液体分子的引力、穿出液面到达空间而形成的。 在相同环境下、液体温度越高，则蒸发越快。 制冷工程中，许多问题都涉及到蒸发过程，例如冷却塔及空调中的加

21、湿与干燥过程等。,制冷原理,冷凝 冷凝是指气态物质经过冷却(通过空气或水等热交换方式)使其转变为液体。冷凝过程一般为放热过程。 在汽车空调制冷系统中，制冷剂在冷凝器中由气态变成液态的变化过程就是一个冷凝过程。,制冷原理,饱和温度与饱和压力 液体和气体共存状态的混合物称为饱和蒸汽。饱和蒸汽的温度称为饱和温度；饱和蒸汽的压力称为饱和压力。 饱和温度和饱和压力有着一一对应的关系。 通常所说的沸点都是指一个大气压下的饱和温度。如水的沸点100。R12的沸点-29.8。,制冷原理,热量 物体温度的高低表示了物体的物质分子热运动剧烈的程度，温度的高低也表示物体所具有能量的高低，这种能量称为热能。 当温度不

22、同的两个物体相接触时，两者温度逐步趋于一致，发生了热能从温度较高的物体向温度较低的物体转移，此时物体所放出或吸收的能量称为热量。 常用的热量单位有：,制冷原理,卡 在标准大气压力下， 将 l克的水加热或冷却，其温度升高或降低l 时，所加进或除去的热量称为l卡， 以符号 cal表示。 因卡的单位太小，工程上往往采用其1000倍的千卡或大卡来表示。 具符号为kcal。,制冷原理,常用换算公式 1 kJ(千焦耳)0.239kcaI(千卡) l kcal(千卡)4.19kJ(千焦耳) 1 kcal(千卡)3.969 Btu(英热单位) l Btu(英热单位)252 cal(卡) 1 kW(千瓦)860

23、 kca1h(千卡时) 1 美国冷吨3024 kca1h(千卡时) 1日本冷吨3320 kca1h(千卡时),制冷原理,比热 任何物质当加进热量，它的温度会升高。但相同质量的不同物质，升高同样温度时，其所加进的热量是不一样的。 为相互比较，把l kg水温度升高1 所需的热量定为4.19kJ。 以此作为标准，其它物质所需的热量与它的比值，称为比热。 如 l kg水温度升高l 需4.19kJ，则比热值为4.19kJ(kg)，而 l kg铜温度升高l 只需0.39kJ，则铜的比热为0.39kJ(kg)。 不同材料有各自的比热值，下表为几种材料的比热值。,制冷原理,几种材料比热值,制冷原理,知道材料比

24、热值，就能计算出对它降温所需要除去的热量。 例如要将5kg 70的水冷却到15，则需除去的热量为： Qmct = 54.19(70-15)l152.25 kJ 式中：m: 水的质量，kg； c：水的比热，kJ(kgK)； t：温度差值，K。,制冷原理,显热 对固态、液态或气态的物质加热，只要它的形态不变，则热量加进去后，物质的温度就升高，加进热量的多少在温度上能显示出来，即不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为显热。 如对液态的水加热，只要它还保持液态，它的温度就升高；因此，显热只影响温度的变化面不引起物质的形态的变化。,制冷原理,潜热 对液态的水加热，水的温度升高，当达到沸点时，虽然热量

25、不断的加入，但水的温度不升高，一直停留在沸点，加进的热量仅使水变成水蒸气，即由液态变为气态。 这种不改变物质的温度而引起物态变化(又称相变)的热量称为潜热。,蒸汽压缩式制冷原理,1、物质的相变制冷 （1）、相变制冷的基本原理 物质的集态：气态、液态、固态。 这三种集态在一定的条件下可以相互发生转变，称为相变。 相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变，会发生热量的转移（吸收或放出热量，而温度不变变）。这种热量称作潜热。 相变制冷就是利用某种物质相变时的吸热效应来实现制冷。,蒸汽压缩式制冷原理,1、物质的相变制冷 （1）、相变制冷的基本原理 物质的集态：气态、液态、固态。 这三种

26、集态在一定的条件下可以相互发生转变，称为相变。 相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变，会发生热量的转移（吸收或放出热量，而温度不变变）。这种热量称作潜热。 相变制冷就是利用某种物质相变时的吸热效应来实现制冷。,蒸汽压缩式制冷原理,2、相变制冷主要有下列几种： （1）、固体相变冷却 固体相变冷却就是利用固体物质在相变过程中（溶解或升华），吸收热量来实现冷却。利用固体相变制冷，由于固体难于流动，随着固体融化完，冷却过程结束，因此，制冷过程是间歇性的，不是连续性的。 （2）、液体蒸发（汽化）制冷 液体蒸发（汽化）制冷，利用液体蒸发（汽化）时要吸收热量的原理来实现制冷。液体蒸发（汽

27、化）制冷，利用流体作为制冷剂，因此可实现连续制冷。,蒸汽压缩式制冷原理,液体蒸发制冷 液体蒸发制冷是利用制冷剂液体汽化的吸热作用来实现的。 1、制冷循环的基本原理 （1）、汽液相平衡 在密闭的容器中，其内部的液体因吸收了热量会有部分汽化，与此同时，也有部分气体分子因失去能量而回到液体中。当汽化飞离液面的分子数与液化返回液体中的分子数相等时，则上部气体和下部液体处于动平衡状态。在这种动平衡状态下，温度和压力也稳定不变。此时的蒸汽称为“饱和蒸汽”。液体称为“饱和液体”。饱和蒸汽具有的压力和温度称为“饱和温度和饱和压力”。,蒸汽压缩式制冷原理,（2）、汽液相平衡 对于一定的物质，在一定的条件下，饱和

28、温度和饱和压力有一一对应的关系。,蒸汽压缩式制冷原理,（2）、制冷循环过程,蒸汽压缩式制冷原理,在这个过程中有四个过程：蒸发、增压、冷凝（液化）、降压。,（2）、制冷循环过程,蒸汽压缩式制冷原理,1蒸发： 饱和液体在容器中吸收周围环境的热量蒸发而降低周围环境的温度；,蒸汽压缩式制冷原理,2、增压： 在容器中蒸发的蒸汽通常压力低、温度低，要想使低温的蒸汽放出热量液化，就必须要有更低的冷却介质对其冷却，而如果使蒸汽增加压力，根据饱和压力与温度一一对应关系，则饱和温度也升高，则用常态的冷却介质（如空气和水）就可使其液化，同时，增加压力也可使系统保持一定的压力差，确保制冷介质循环流动，因此，要有增压过程。,蒸汽压缩式制冷原理,3、 冷凝（液化）： 为了使被抽走的蒸汽重新变成液体，就需要使蒸汽放出热量液化（冷凝）；,蒸汽压缩式制冷原理,4、降压： 经过冷却液化后的液体压力较高，其饱和温度也较高（高于环境温度），因此，此时的液体不能吸收环境热量，因此，必须有降压过程，使液体的压力降低，以使饱和温度低于环境温度