制冷原理及制冷系統

　　為了理解空調器的工作原理，首先要懂得一些基本的物理概念。

　　1.溫度

　　溫度是物體冷熱程度的度量。根據氣體分子運動論，從微觀來看溫度是物體大量分子熱運動的宏觀表現，氣體分子熱運動的平均動能越大，氣體的溫度越高。

　　⑴　攝氏溫標，記作℃，把標準大氣壓下純水結冰時的溫度定為0℃時，水沸騰的溫度為100℃。

　　⑵　華氏溫標，記作ºF，32ºF相當于0℃，212ºF相當于100℃。華氏溫標與攝氏溫標之間的換算關系為：

　　t (ºF)=9/5* (θ℃)+32

　　θ(℃)=9/5*[t(ºF)-32]

　　⑶開氏溫標，記作K，又稱熱力學溫標，熱力學溫標不能低于0K。0K約相當于-273℃，373K約相當于100℃。根據熱力學理論，0K時物質內分子熱運動的速度為零。開氏溫標與攝氏溫標之間的換算關系為T(K)= θ(℃)+273.15

　　2.濕度

　　空氣大約由3/4的氮氣和1/4的氧氣組成，此外還含有少量的其他氣體，其中水蒸氣的含量是經常變化的，其變動對人們生活的影響也比較大。空氣中水蒸氣的含量用濕度來表示，表示方式有三種：

　　⑴絕對濕度。以單位體積空氣中所含水蒸氣的質量來計算，其單位是kg/m3

　　⑵相對濕度。在一定溫度下空氣中所含水蒸氣的最大量有一定的限度。所謂相對濕度，即為由下式所規定的百分數：相對濕度(記作%H)=空氣中水蒸氣的含量 / 該溫度下水的飽和蒸汽量。

　　⑶含濕量。在空調器運用中，需要對空氣加濕或除濕，因此引起了這個參量。把1千克干燥空氣所伴有的水蒸氣質量稱為含濕量。

　　3.露點

　　當空氣中的水蒸氣超過飽和量時，就會析出水。也即，只要空氣的相對濕度達到100%H，如果再降溫，就會有水蒸氣凝結成水。

　　我們把冷卻到使空氣中的相對濕度達到100%時的溫度，稱為該空氣的露點溫度。在空調器的使用中，伴隨著降溫過程有水析出即是這個道理。

　　4.熱量和傳熱

　　當兩個溫度不同的物體相接觸時，能量將會從高溫物體傳向低溫物體，最終兩物體的溫度達到平衡一致。這個能量的轉移過程稱為傳熱，轉移的能量習慣上稱為熱量。熱量的單位有：焦耳(J)，千焦耳(KJ)，卡(cal)，千卡(kcal)。焦爾與卡之間的換算關系是：1卡=4.1868焦耳

　　物體傳熱的方式有三種：對流、熱傳導、熱輻射。

　　⑴　液體或氣體的對流運動而進行的熱傳遞，稱為熱對流。熱對流如果是由于液體或氣體自重的比重變化所引起，稱為自然對流;如果是由于外加力所引起的，則為強制對流。空調器內安裝離心風機和軸流風機，強制空氣流動，都是為了強迫換熱。

　　⑵　熱傳導。當兩個溫度不同的物體相接觸或同一物體個部分的溫度不相等時，在溫度梯度的驅動下形成的傳熱稱為熱傳導。

　　⑶　熱輻射。物體的熱量不用借助中間的傳熱介質，而是轉化為輻射能，穿過空間向四周傳播，稱為熱輻射。

　　5.比熱、顯熱與潛熱

　　⑴比熱。 使1克的某種物質溫度升高1℃所需的熱量定義為該物質的比熱。

　　⑵顯熱。 當物體吸熱(或放熱)僅使物體分子的熱動能增加(或減少)，即僅是使物體溫度升高(或降低)，并沒有改變物質的形態，那么它所吸收(或放出)的熱稱為顯熱。

　　⑶潛熱。 當物體吸熱(或放熱)僅使物體分子的熱位能增加(或減少)，即僅是使物體狀態發生改變，而其溫度不變，那它所吸收的(或放出)的熱稱為潛熱。如制冷劑在吸熱沸騰是吸收的熱就是潛熱。

　　6.焓和熵

　　物質分子無論在何種狀態下，都在不停地運動著，所以物質總是含有一定的內能(分子的動能和分子位能之和)的。1kg物質在某一狀態時所含的內能及推動功所轉換的熱量總和，稱為此物質在該狀態下的熱焓，簡稱為焓，用H表示，單位為千焦耳/千克。

　　熵也是物質狀態的參數，用S表示，其意義表示為：物質在狀態變化過程中所吸收的極微小熱量與加入熱量前的絕對溫度之比。其單位為kl/kg?K。其數學表達式：△s=△q/T

　　7.制冷劑和制冷循環

　　7.1 制冷劑的選用條件：

　　①不燃、不爆、無毒、無刺激。

　　②蒸發潛熱大，以便有較高的制冷效率。

　　③臨界溫度高于室溫

　　④在室溫下冷凝所需壓力不要太大，以便密閉蒸發器容易制造

　　⑤冷凝溫度不宜太低，以便液化容易。

　　⑥蒸發壓力稍高于大氣壓，這樣容易避免空氣滲入系統內

　　⑦傳熱系數大，便于熱交換。

　　⑧粘度小，以減少流動阻力。

　　⑨單位質量的體積小，以節省系統的空間。

　　⑩沒有腐蝕性，有一定溶解水的能力，以免降溫時結出冰渣，堵塞管路。

　　國際上規定可作制冷劑的物質都以R為縮寫字頭后綴以數碼表示，如氨用R717表示，水用R718表示，氟里昂12用R12表示。目前能滿足上述條件的制冷劑首推氟里昂系列，例如目前電冰箱用制冷劑主要為氟里昂12(代號R12)，學名二氟二氯甲烷，化名分子式CHF2CL2。目前空調器用制冷劑主要為氟里昂22(代號R22)，學名二氟一氯甲烷，化名分子式CHF2CL。

　　7.2　制冷循環

　　在蒸汽壓縮式制冷系統中，制冷劑從某一狀態開始，經過各種狀態變化，又回到初始狀態，在這個周而復始的熱力過程中，每一次都消耗一定機械能(電能)而從低溫物體中吸出熱量，并將此熱量轉移到高溫物體。這個一面改變制冷劑狀態，一面完成制冷劑作用的全過程被稱為制冷循環。

　　⑴蒸發過程：節流降壓后的制冷劑液體(混有飽和蒸汽)進入蒸發器，從周圍介質吸熱蒸發成氣體，實現制冷。在蒸發過程中，制冷劑的溫度和壓力保持不變。從蒸發器出來的制冷劑已成為干飽和蒸汽或稍有過熱度的過熱蒸汽了。物質由液態變成氣態時要吸熱，這就是制冷系統中使用蒸發器吸熱制冷的原因。

　　⑵壓縮過程：壓縮機是制冷系統的心臟，在壓縮機完成對蒸汽的吸入和壓縮過程，把從蒸發器出來的低溫低壓制冷劑蒸汽壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽。壓縮蒸汽時，壓縮機要消耗一定的外能即壓縮功。

　　⑶冷凝過程：從壓縮機排出來的高溫高壓蒸汽進入冷凝器后同冷卻劑進行熱交換，使過熱蒸汽逐漸變成飽和蒸汽，進而變成飽和液體或過冷液體。冷凝過程中制冷劑的壓力保持不變。物質由氣態變為液態時要放出熱量，這就是制冷系統要使用冷凝器散熱的道理。冷凝器的散熱常采用風冷或水冷的形式。

　　⑷節流過程：從冷凝器出來的高壓制冷劑液體通過減壓元件(膨脹閥或毛細管)被節流降壓，變為低壓液體，然后再進入蒸發器重復上述的蒸發過程。

　　上述四個過程依次不斷循環，從而達到制冷的目的。

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