第1章 空调器原理

1.1 空调基础理论

空调的调节是依赖人工而对某一特定空间内空气的温度、湿度、流动速度和洁净度进行调节，达到并保持人体舒适的需要或工艺过程的需要。

空气调节以处理空气为主，包括对空气进行加热、冷却、加湿、减湿等种种处理。

实现这种手段的机械设备有许多，大的称为空调装置或空调机，小的称为空调器。

1.1.1 热力学基础

1. 物质的状态变化

自然界的一切物质都由大量分子组成，组成物质的分子间有一定的距离，分子间存在着相互的作用力，这种作用力有时表现为引力，有时表现为斥力；同时分子又处于无规则的永不停息的运动中，而这种大规模分子的杂乱无章的运动称为热运动。

由于分子间的作用力和分子热运动等原因，使物质在通常状况下呈现出3种不同的状态，即固态、液态和气态（物体形态也称三态）。

固态时，分子间的距离最近，相互间的引力最大。它把分子束缚在平衡位置附近，热运动仅表现在平衡位置附近的微小振动，而不能相对移动。因此，固态时物质既有一定的体积，又有一定的状态，并且还具有一定的机械强度。

液态时，分子间的距离仍较近，分子间的引力仍较大，足以使分子之间保持一定的距离。因此，液态物质有固定的体积，并能形成自由表面。另外，液态物质的分子既可在平衡位置附近振动，又可单个或成群地相对移动，所以说液态物质具有流动性而没有一定的状态。

气态时，分子间距离大，引力很小，甚至分子间不能相互约束。因此，气态物质既没有一定的形态，又没有一定的体积，它可以充满任何空间。组成物质的分子在热运动中发生相互碰撞后又会发生旋转运动。同时，组成分子的原子也进行着振动。

同一种物质在不同条件下，因受到分子间作用力和分子热运动的影响，也会分别以不同的状态存在。例如，在大气压条件下将水冷却到0℃以下就会变成冰；而将水加热到100℃以上就会变成水蒸气。所以，物质的三种状态尽管表现形式不同，但在一定的条件下（即压力和温度变化到一定程度），物质就会发生变化。伴随物态变化过程的进行一定有热交换现象，如图1-1所示。

物质由液态变成气态的过程称为汽化，汽化现象有两种，只在液体表面发生的汽化现象称做蒸发；另一种是指在一定的条件下（沸点）在液态物质的内部和表面同时进行的汽化现象称为沸腾。制冷技术中使用的“蒸发”概念，通常表示的是沸腾。物质由气态变成液态的过程称做液化，液化是汽化的逆过程。制冷技术中使用的“冷凝”概念，通常表示的是液化。

人为控制（或改变）某种物质所处的环境条件，就可以按照自己的意志迫使物质状态发生变化，从而实现预期的目的。

注意：工质。在热力装置及制冷装置中，不断循环流动以实现能量转换的物质称为工质。工质可分为热力工质和制冷工质（亦称制冷剂）两类。这是按其所起作用区分的，不是按物质的种类来区分的。例如水是应用最广泛的热力工质，同时也是应用较广的制冷工质；氨是良好的制冷工质，它也可以用做热力工质（目前使用较少）；而最普通的氟利昂制冷工质，在低温位热能利用装置中同样可用做热力工质。

2. 常用的名词术语

流体的状态参数包括压力、温度、湿度、比热等，它们是用来描述物质所处状态的宏观物理量，故称为状态参数。

①压力。流体单位面积所受垂直作用的力称为压力，物理学中习惯上称压强。例如力F垂直作用于面积A上所产生的压力为

P=F/A

压力的单位用帕斯卡，简称帕（Pa），它定义为每平方米面积上垂直作用1N的力，即

1Pa=1N/m2

通常使用的压力单位还有千帕（kPa）和兆帕（MPa），它们同帕的换算关系是

1kPa=103Pa，1MPa=106Pa

②温度。温度是工质冷、热程度的标志。一个物体较热时，就说它具有较高的温度；较冷时，说它具有较低的温度。从物质分子运动的角度考虑，温度是分子运动平均动能的度量。一物体的分子运动速度大时，平均动能大，该物体的温度高；反之温度低。

③湿度。湿度表示空气中所含水蒸气的多少，通常包括绝对湿度、相对湿度、含湿量3种表示方式。

1.1.2 热力学定律

1. 热力学第一定律

在任何发生能量转换的热量过程中，转换前后的能量总和维持恒定。这是自然界的一个普通的规律，是对参与热力过程的各能量之间量的关系进行分析的基本依据。

热力学第一规律也称能量守恒定律。其“守恒性”有如下两种表述。

表述1：“在一个封闭的或是完全绝热的系统中，能量不可能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。”

表述2：“热可以变成功，功可以变成热；一定量的热消失，必产生与之相当数量的功；反之亦然。”因此可引出如下概念：

①热量（Q）。是组成物质的分子和原子等做杂乱热运动的能量。热量可以从高温物体传到低温物体，也可以和其他形式的能量（如机械能、电能等）进行相互转换。单位为J。

②功（W）。是作用于物体上的力在位移方向的分量和物体位移的乘积。单位为J。

③热力学能（U）。简称“内能”，是储存在物体内部的能量。气体的热力学能包括分子的内动能（分子的移动动能、转动动能和振动动能之和）和内位能（分子间的位能）之和。单位为J。

④焓（H）。在热力学中，把热力学能和功PV合并成一个参数，称为“焓”。

H=U+PV

注意：功率是指单位时间内所做的功。单位为W。

2. 热力学第二、三定律（热量传递的方向性）

①热力学第二定律。热力学第二定律阐述了热功转换的方向、条件及限制。

②热力学第三定律。它是在研究低温现象时得到的一个热力学定律。该定律指出：不可能用有限个操作使一个物体冷却到绝对温度零度（0K）。换句话说，0K只能无限地接近，但无法达到。

1.1.3 制冷剂的状态及常用状态术语

1. 制冷剂的状态

（1）定压加热（或冷却）时制冷剂状态的变化

以R12制冷剂为例，取1kg液态R12注入到汽缸中，在一定的压力（P=7.58kgf/cm2）下对其进行加热（或制冷），所引起温度和体积的变化如图1-2所示。

由于所取的液态R12是1000g，所以其体积可用比体积v来表示。在变化过程中，温度和体积的关系如图1-3所示。

图1-3中，A、B、C、D表示R12变化过程中的状态点，A点表示温度为0℃时液态R12，这时它的比体积值为0.00072m3/kg。

AB说明液体的温度上升，与此同时其体积仅有极少量的增大，即比体积由原来的0.00072m3/kg增大到0.00077m3/kg。这时所加给的热是属于显热，因为液态R12只有温度的变化，而没有状态（相）的变化。

B点表示在恒定压力7.58kgf/cm2条件下，温度达到30℃时，液态R12开始蒸发的情况，此时有少量气体产生。

BC表示液态R12在蒸发。蒸气的比体积比液态的比体积大得多，所以在蒸发过程中，制冷剂R12体积显著增大。但温度仍保持在30℃。BC过程中所加给的热是蒸发潜热，在此过程中只有状态（相）变化，而没有温度的变化。

C点表示蒸发结束，制冷剂R12全部变为蒸气，此时比体积增大到0.024m3/kg。

CD表示R12蒸气温度继续上升，随着温度的上升，蒸气的体积明显增大。在CD之间所加给的热是显热。

R12在定压条件下冷却时的变化情况与上述加热时变化情况恰恰相反，即沿图上DCBA曲线进行。

在BC过程中加给制冷剂R12的热量和在CB过程中从制冷剂R12所取出的热量完全相等。这说明在同一压力条件下制冷剂的蒸发潜热和冷却潜热是相等的。

（2）饱和温度和饱和压力

在各种不同压力的等压条件下，对制冷剂R12进行加热和冷却时，我们可以得到一组曲线，如图1-4所示。

从图1-4中可以看出，不论多大压力，只要是在等压条件下，制冷剂的温度、比体积曲线的走向彼此相同。由于液体比体积并不因压力的变化而有所改变，所以处于液态时的制冷剂在被加热或冷却时变化曲线重叠在同一条线上；而其他部分的变化曲线则是压力越高，其曲线就越靠上方。

如图1-4所示，在BC、B′C′、B" C"线段同时存在着液态和气态制冷剂。如果制冷剂能够继续吸收外界热量，则其中的一部分液态制冷剂就会变成蒸气；反之，如果制冷剂向外界放出热量，则其中的一部分蒸气又会变成液态制冷剂。像这种制冷剂，液态和气态共存，同时又可以相互转换，当处于一种动态平衡时，这种状态的制冷剂就称做饱和蒸气。这时不管制冷剂的液体和蒸气的含量成何比例，制冷剂总是在饱和蒸气状态中。

饱和蒸气的温度称做饱和温度。饱和温度由制冷剂的压力而定，如图1-5所示。对于R12，当其压力为7.58kgf/cm2时，饱和温度为30℃；而其压力为9.77kgf/cm2，饱和温度为40℃。使用饱和温度概念时，其制冷剂的状态一定为饱和蒸气状态。对于同一种制冷剂的压力是单值对应关系，一定的压力对应着一定的饱和温度。

饱和蒸气的压力称做饱和压力。饱和压力由制冷剂的温度而定，如图1-5所示。对于R12，当其温度为30℃时，饱和压力应为7.58kgf/cm2，而其温度为40℃时，饱和压力就为9.77kgf/cm2。使用饱和压力的概念时，其制冷剂的状态，一定为饱和蒸气状态。对于同一种制冷剂，饱和压力和制冷剂的温度是单值对应关系，一定的温度对应着一定的饱和压力。

饱和温度和饱和压力，都是针对制冷剂处于饱和状态时的温度和压力而确定的概念，它有确切的内涵，不是一般的温度和压力的意义。同时，饱和温度和饱和压力是对应的变化量，当温度或压力改变时，上述的动态平衡受到破坏，经过一定时间，又建立了新条件下的动态平衡，从而会有一组新的饱和温度和饱和压力值。

对于各种不同的制冷剂，即使在相同的温度条件下，也有着不同的饱和压力。例如，在温度为30℃时，R12的饱和压力为7.58kgf/cm2，而 R717（氨）的饱和压力为11.9kgf/cm2，不同种类的制冷剂，其饱和温度和饱和压力有着不同的特定变化关系。这种关系如图1-5所示。

（3）临界温度和临界压力

各种气体在一定的温度和压力条件下都可以使其液化。但当温度升高超过某一数值时，压力增加将不能使气体液化，这一温度就称做“临界温度”。在这一温度下，使气体液化的最低的压力称做“临界压力”。各种制冷剂都有这样一个临界点。处于临界温度以上时，无论压力再增加多大，也不能使气态制冷剂液化，只有在临界温度以下时才具备液化的条件。

空气的临界温度为141℃，临界压力是37kgf/cm2。由于空气的临界温度很低，所以一般不能做制冷剂使用。制冷剂应选择临界温度较高的介质，其原因就是在压力稍微提高的情况下，就能使其在空气和水中被冷却液化。例如 R12制冷剂，临界温度是112.04℃，临界压力是41.96kgf/cm2。当压力为7.58kgf/cm2时，R12的饱和温度为30℃。几种常用制冷剂的临界温度和临界压力如表1-1所示。

对于难以液化的气体（如空气），在制冷技术上称为不凝结气体。

2. 常用制冷剂状态的术语

①干饱和蒸气。图1-4中，C、C′和C"都是在一定压力下具有饱和温度的蒸气，这种状态下的蒸气被称为干饱和蒸气。

②饱和液。图1-4中，B、B′和B"都是在一定压力下具有饱和温度的液体，这种状态的液体被称为饱和液。

③湿蒸气。图1-4中，BC、B′C′和B"C"线段上制冷剂的状态是饱和蒸气，因为构成这种饱和蒸气的气体和液体都是在一定压力下具有饱和温度的，所以也可以认为是在干饱和蒸气中混有饱和液。图1-4中X、X′和X"点都是在BC、B′C′和B"C"线上的饱和蒸气状态点，可以看出，它们对于同一压力的干饱和蒸气而言，都是含有不同比例液体的湿饱和蒸气，简称湿蒸气。

④干度。饱和状态下湿蒸气中的蒸气量与湿蒸气总量的比值就是干度，用符号X来表示，即

X=湿蒸气中的蒸气量（kg）/湿蒸气总量（kg）

因此，干饱和蒸气就是X=1时的饱和蒸气，是饱和蒸气的特殊状态，饱和液就是X=0时的饱和蒸气，是饱和蒸气的另一种特殊状态。与干度相对应的是湿度，湿度可用1-X表示。

⑤过热蒸气的过热度。图1-4中的H、H′和H"状态点都是比处在同一个压力下饱和温度还高的蒸气状态，称为过热蒸气。

过热蒸气的温度与处在相同压力下的饱和温度之间的差值称做过热度。

例如，压力是1.5kgf/cm2，温度为-15℃的R12制冷剂，为何种状态？由于压力是1.54kgf/cm2，在其压力下R12的饱和温度为-20℃，所以此时制冷剂为过热蒸气状态，如图1-6所示的M点，该状态点在压力为1.54kgf/cm2的等压线上，而温度为-15℃。它的温度比压力是1.54kgf/cm2的饱和温度-20℃高，其差值为 -15-（-20）=5℃。5℃为它的过热度。

如果与此温度相同的R12蒸气，其压力为1.86kgf/cm2，在图1-6中可用M′点表示。因为在压力为1.86kgf/cm2下，R12的饱和温度恰是 -15℃，故这时制冷剂的状态为饱和状态。

⑥过冷液和过冷度。图1-4中的U点，是表示温度比处在同一个压力下的饱和温度还低的液体，称为过冷液。

饱和温度与处在相同压力下的过冷液温度之间的差值称做过冷度。

例如，压力是7.58kgf/cm2，温度为20℃的制冷剂，为何种状态？由于压力是7.58kgf/cm2，在其压力下R12制冷剂的饱和温度为30℃，所以，此时制冷剂为过冷液状态，如图1-6中的N点所示，该状态点在压力为7.58kgf/cm2的等压线上，而温度为20℃。它的温度比压力为7.58kgf/cm2的饱和温度30℃低，其差值30-20=10℃。10℃为它的过冷度。

如果与此温度相同的R12制冷剂，其压力为5.78kgf/cm2，则此时制冷剂为饱和液状态。因为在压力为5.78kgf/cm2时，R12的饱和温度恰为20℃。

在一定压力下，制冷剂状态因加热或冷却引起的变化如表1-2所示。