热能和动力机械基础

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1、制冷和空调是相互联系又相互独立的两个领域。制冷是一种冷却过程，除用于食品冷冻加工、化工和机械加工等工业制冷外，其最主要的应用是空调。空调中既有冷却，也包括括供暖、加湿、去湿以及流速、热辐射和空气质量的调节等。本章将以制冷循环或逆向循为核心，重点阐述制冷与空调系统中的能量转换关系和性能评价等内容。第一节概述一、制冷的定义与分类制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，保持并利用这个温度。按照所获得的温度，通常将制冷的温度范围划分为以下几个领域：120K以上，普冷；120N0．3K，深冷(又称低温)；0．3K以下，极低温。由于温度范

2、围不同，所采用的降温方式，使用的工质、机器设备以及依据的具体原理有很大差别。工程应用上有多种人工制冷方法，如适用于普通制冷的蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式制冷，适用于深度制冷(制冷温度为20~160K)的气体膨胀制冷、半导体体制冷、磁制冷等。空气调节系统中所用的人工制冷方法主要是蒸气压缩式、吸收式制冷。二、制冷研究的内容制冷研究的内容可以概括为以下四个方面：1)研究获得低于环境温度的方法、机理以及与此对应的循环，并对循环进行热力学的分析和计算。2)研究循环中使用的工质的性质，从而为制冷机提供合适的工作介质。3)研究气体的液化和分离技术。例如液化氧、氮、氢、氦等

3、气体，将空气或天然气液化、分离，均涉及一系列的制冷技术。4)研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设计。三、制冷技术的应用制冷技术的应用几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥了巨大作用。1．商业及人民生活食品冷冻冷藏和舒适性空气调节是制冷技术应用最为量大、面广的领域。商业制冷主要用于各类食品冷加工、冷藏储存和冷藏运输，使之保质保鲜。现代的食品工业，从生产、储运到销售，有一条完整的“冷链”。所使用的制冷装置有：各种食品冷加工装置、大型冷库、冷藏汽车、冷藏船等，直至家庭用的电冰箱。舒适性空气调节为人们创造适宜的生活和工作

4、环境。如家庭、办公室用的局部空调装置；大型建筑、车站、机场、宾馆、商厦等使用的集中式。空调系统；各种交通工具，如轿车、客车、飞机、火车、船舱等的空调设施；体育、游乐场所除采用制冷提供空气调节外，还用于建造人工冰场，如上海杰美体育中心的室内冰场，面积达1200m2。2，工业生产及农牧业许多生产场所需要生产用空气调节系统，例如：纺织厂、精密加工车间、精密计量室、计算机房等的空调系统，为各生产环境提供恒温恒湿条件，以保证产品质量或机床、仪表的精度。机械制造中，对钢进行低温处理，可以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。化学工业中，借助于制冷，使气体液化、混

5、合气分离，带走化学反应中的反应热。在钢铁工业中，高炉鼓风需要用制冷的方法先除湿，再送人高炉，以降低焦铁比，提高铁水质量。在农牧业中，如利用低温对农作物种子进行低温处理。在交通运输业中，如采用液化天然气的汽车，使能量密度增大。在建筑工程中，如拌合混凝土时，用冰代替水，借冰的熔化热补偿水泥的固化反应热，可以有效地避免大型构件因散热不充分而产生内应力和裂缝等缺陷。3．科学研究科学研究往往需要人工的低温环境。例如：为了研究高寒条件下使用的发动机、汽车、坦克、大炮的性能，需要先在相应的环境条件下作模拟试验；气象科学中，云雾室需要(-45~30)℃的温度条件，用于人工气候实验。4

6、．医疗卫生现代医学已离不开制冷技术。①冷冻医疗如：肿瘤、眼球移植、心脏大血管瓣膜冻存和移植等手术时采用的低温麻醉。②细胞组织、疫苗、药品的冷保存。③用真空冷冻干燥法制作血干、皮干等等。5．空间技术火箭推进器所需的液氧和液氢须在低温下制取，配合人造卫星发射和使用的红外技术也离不开低温环境，红外探测器只有在低温条件下，才能获得优良的探测结果，在航天器的地面模拟实验中，用液氮、液氦组成的低温泵使冷凝密闭容器内的气体达到高真空等。6．低温物理研究低温技术提供的低温获得和低温保存的方法，为低温物理学的研究创造了条件，使低温声学、低温光学、低温电子学等一系列学科得到发展。超导现象

7、的发现和超导技术的发展也与制冷技术的发展分不开。第二节蒸气压缩式制冷原理制冷循环可以分为可逆循环和不可逆循环两种。研究理想制冷循环或逆向可逆循环的目的有两个，其一是要寻找热力学上最完善的制冷循环，作为评价其他循环效率高低的标准；其二是根据理想制冷循环，可以从理论上指出提高制冷装置经济性的重要方向。图6-1a、b分别为制冷循环(或制冷机)的热力学原理图和以气体为工质的逆卡诺循环的T-S图。由热力学第一定律可知，从低温热源获取的热量(即制冷量Q0)和输入功W(或输入热量Q)之和应等于向高温热源的放热量(即冷凝放热量Qk)，即Qk=Q0+W。为了分析比较在