[工学]第一章 空气调节与制冷原理基础.ppt
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1、第一章 空气调节与制冷原理基础知识,第一节 常用名词及概念,一、湿空气的物理性质 空气:是一种混合气体,它是氮、氧、氩、二氧化碳等气体和水蒸气所组成的。 干空气:将水蒸气以外的所有气体,湿空气的物理性质,湿空气:由干空气和一定量的水蒸气混合而成的大气。大气中的水蒸气含量是不多的,它与干空气的质量比在千分之几到千分之二十几的范围内。虽然湿空气中水蒸气的含量少,但其变化会引起湿空气干、湿度变化,进而对人体感觉、产品质量、工艺过程和设备维护等都有直接影响:同时,湿空气中水蒸气含量的变化又会使湿空气的物理性质随之变化。因此,从空气调节的角度来说,空气的潮湿程度是我们十分关心的问题。,空气的基本组成,(
2、湿)空气 = 干空气水蒸气,湿空气的物理性质除和它的组成成分有关外,还决定于它所处的状态。湿空气的状态通常可以用压力p、温度t、相对湿度 、含湿量d及比焓h等参数来度量和描述。这些参数称为湿空气的状态参数。,(1)压力 在空调工程中所处理的湿空气就是大气,所以湿空气的总压力就是大气压力(pb),pb= pg + ps,湿空气的物理性质,(a)正压 (b)负压,不同压力间的关系,湿空气的物理性质,饱和空气:干空气具有吸收和容纳水蒸气的能力,并且在一定温度下只能容纳一定量的水蒸气。在一定温度下,空气中所含水蒸气达到最大值的空气称为饱和空气。 在一定温度下,湿空气中水蒸气分压力的大小,是衡量水蒸气含
3、量即空气干燥或潮湿的指标。,湿空气的物理性质,(2)温度 是表示空气冷热程度的标尺。 热力学温标 又称开尔文温标或绝对温标,符号为T,单位为K;热力学温标是在一个标准大气压下定义纯水的冰点温度为273.16K,沸点温度为373.16K,其间分为100等份,每等份称为热力学温度1度(1K)。 摄氏温标 又叫国际温标,符号为t,单位为;在一个标准大气压下,把纯水的冰点温度定为0,沸点温度定为100,其间分成100等份,每一等份就叫1。,湿空气的物理性质,华氏温标, 以符号tF,单位,oF表示 ; 它们之间的换算公式如下: T=t+273.15t+273 (K) t=5/9(tF-32) (),湿空
4、气的物理性质,(3)湿度 湿度是表示空气干湿程度的物理量。 绝对湿度(Z):l m3 湿空气中含有水蒸气的质量,称为空气的 “绝对湿度”。,Z(湿)空气的绝对湿度,kg/m3; mq水蒸气的质量,kg; V湿空气的总体积,m3。,湿空气的物理性质,相对湿度():湿空气中水蒸汽分压力和同温度下饱和水蒸汽分压力之比。 = ps/ psb 值越小,空气越干燥,远离饱和状态,吸收水蒸气的能力就强。,含湿量(d):即湿空气中,伴随 1 kg 干空气的水蒸气质量(g),其单位为 g/kg。其表达式为 d= mq / mg,d湿空气的含湿量,g/kg(d.a);mq湿空气中水蒸气的质量,g;mg湿空气中干空
5、气的质量,kg。,相对湿度表示的是湿空气接近饱和的程度,含湿量确切表示空气中实际含有的水蒸气的多少。,湿空气的物理性质,(4)密度,(湿)空气的密度,kg/m3; m(湿)空气的质量,kg; V(湿)空气的体积,m3。,比容单位质量工质所占有的容积, m3/kg;,湿空气的物理性质,(5)焓的基本概念 内能是物质内部分子所具有的能量 。焓是物质内能与推动功之和。 h = u + pv 1 kg 干空气的焓与(0.001d)kg 水蒸气焓的和,称为(1 + 0001d)kg 湿空气的焓,单位为 kJ/kg(d.a),其表达式为,h湿空气的焓值,kJ/kg(d.a); hg1 kg 干空气的焓,k
6、J/kg; hq1 kg 水蒸气的焓,kJ/kg。,湿空气的物理性质,焓的物理意义:是指特定温度作为起点时物质所含的热量。 例如:通常把水在压力p=101325pa、温度为0 时的焓定为零。而1kg的水由0 上升至100 需要吸热418.68kJ,由100 至全部汽化需要吸热2257kJ。所以,水从0 至全部蒸发所吸总热量为2675kJ,也就是蒸汽在该状态下地焓值为2675kJ/kg。 当对物质加热或加给外功时,焓值增大;反之,物质被冷却或蒸汽膨胀向外做功时,焓值减少。,湿空气的物理性质,焓的变化量即是工质的热量,定压过程焓的表达式为,q= h2- h1,湿空气的物理性质,(6)露点温度(tL
7、):在给定含湿量的前提下,使空气冷却到饱和状态( 100 %)时的那个温度。空气温度低于露点温度,空气中部分水蒸气冷凝为水。 空气达到露点温度时,空气由未饱和状态变为饱和状态。,湿空气的物理性质,干球温度和湿球温度 干球温度即为普通温度计测量的温度, 即我们一般天气预报里常说的气温 。 湿球温度是在温度计上包裹湿布,由于水的蒸发造成温度指示下降,此时的温度成为湿球温度 既有干球温度计又有湿球温度计的装置称为干湿计,可用来测量大气中的相对湿度。,湿空气的物理性质,干湿计:即有干球温度计和湿球温度计的装置。,讨论:若干球温度计和湿球温度计差值大,空气的相对湿度怎样?,湿空气的物理性质,湿空气焓湿图
8、,空气的主要状态参数包括t、d、 、h、p、 B。理论上,对于一定的大气压,只要知道空气的任意两个参数,就能算出所有其他参数。在工程应用中,用公式计算和用查表方法来确定空气状态和参数,比较繁琐,而且对空气的状态变化过程的分析也缺乏直观的感性认识。因此,为了便于工程实际应用,通常把一定大气压力下,各种参数之间的相互关系作成线算图来进行计算。根据所取坐标系的不同,线算图也有好几种,国内常用的是焓湿图,简称h-d图。,这里需要强调的是,每一张h-d图都是按规定的大气压绘制的,因此在计算工作中,应选用与要求大气压相符的(或接近的)焓湿图。,二、焓-湿图及其应用,湿空气的焓-湿(h - d)图即性质图,
9、是空气调节设计计算和运行管理的主要工具。,1h d 图的基本构成与内容,如图所示。,二、焓-湿图及其应用,湿空气焓湿图,等 线是曲线 等h 线是倾斜直线 等d 线是垂直线 等t 线接近水平,看似平行,实际互不平行。 最低的一根等 线,其值为 =100%。这条曲线称为饱和线。状态在这条线上的空气处于饱和状态。在其他 线上的空气都是非饱和的。空气状态不可能位于饱和线以下的区域中。,二、焓-湿图及其应用,h,=1000h/ d,湿空气的焓含湿量图 (即h-d图),湿空气状态的确定,ts,二、焓-湿图及其应用,湿空气的 h d 图是用斜坐标构成的。,纵坐标湿空气的焓值。,与纵坐标成 135夹角的斜坐标
10、表示湿空气的含湿量d,作一水平辅助轴代替实际轴。在辅助轴上取一定的间距作为1g含湿量之值。通过各点作含湿量不变的垂线(d = 常数)。,在纵轴上,同样取一定的间距作为焓值,并规定0点以上的焓为正值,0点以下的焓为负值。通过既得各点引平行于实际轴线,且 h = 常数的直线,这些直线与 d = 常数的直线相交成 135的角度,这些平行的斜线表示等焓线。,热湿比 : 湿空气状态变化前后的焓差和含湿量差之比值 线表示了空气状态变化的方向和特征,对于空调区域而言,热量Q和湿量W表示房间的余热和余湿,二、焓-湿图及其应用,二、焓-湿图及其应用,2湿空气 h d 图的应用,第一,决定湿空气的状态参数:在给定
11、大气压力下,根据湿空气任意两个已知量在 h d 图上确定的状态点,可求得其它状态参数。,第二,表示湿空气的状态变化过程:在空气调节工程中,不仅要在h - d图上确定某一空气的状态参数,还要研究某一状态下的空气在加热、冷却、加湿或减湿过程中的状态变化。,二、焓-湿图及其应用,(1)露点温度在 h d 图上的表示,从露点温度的形成过程可知,保持含湿量不变时,随着温度的降低 值增加, = 1 时所对应的温度即为露点温度。,(2)干式加热过程等湿加热。空气 h 0,d = 0,故 = h / d = 。空调工程中,过程曲线如图所示。,B,二、焓-湿图及其应用,(3)干式冷却过程 等湿冷却过程。冷却过程
12、中,空气焓值减少,即h 0, d = 0, = h /d = - ,如图所示。,(4)减湿冷却过程 空气冷却过程中,如图所示点D的位置。 h 、d均为负值, 0。,D,C,表面式换热器是让媒质通过金属管道而对空气进行加热或冷却的。采用这种方式时,空气和媒质之间并无直接接触,换热在金属管道表面进行,故称为表面式换热器。,二、焓-湿图及其应用,(5)加热加湿过程 在空气加热的同时进行加湿。这一过程的 h 、d均为正值, 0,其过程如图所示。,F,二、焓-湿图及其应用,(6)等焓减湿过程 采用固体吸湿剂对空气进行等焓减湿处理。 = h /d = 0/ d =0,固体吸湿剂有两类:一类,吸湿后仍为固体
13、状态;另一类为吸湿后固态逐渐变为液态。 固体吸湿剂处理空气的过程可看作等焓减湿过程,变化过程线如图所示。,G,E,(7)等焓加湿过程 采用喷水室循环水处理空气,进行等焓减湿处理。 = h /d = 0/ d =0,h,D,G,两种不同状态的空气混合在空气调节系统的设计过程中是经常遇到的情况,为此,必须研究空气的混合规律。 在空调工程中,为了节省冷量(或热量),通常利用从空调房间抽回的一部分室内空气(回风),与一定数量的室外空气(新风)或经过处理后的空气相混合,再送入房间,这就需要确定混合后空气的状态参数。,两种不同状态空气混合过程的计算,冷冻式除湿机是由风扇将潮湿空气抽入机内,经过制冷系统(压
14、缩机,蒸发器,冷疑器)相互作用下疑结成霜,系统自动升温化霜成水流入盛水箱, 产生出干燥空气排出, 如此循环使室内湿度降低,潮湿空间逐步达到干爽的效果。 转轮式除湿机是采用空气固体吸附的转盘式金属硅胶吸附体。在除湿过程中,吸附转盘在驱动装置带动下缓慢转动,当吸附转盘在处理空气区域吸附水分子达到饱和状态后,进入再生区域由高温空气进行脱附再生,这一过程不断周而复始,干燥空气连续的经温度调节后送入指定空间,达到高精度的温湿度控制。,干式冷却技术是通过提高进入表冷盘管的冷冻水温度,使盘管表面空气层温度高于被处理空气的露点温度,被处理的空气只有温度降低,而含湿量不变。表冷盘管表面无冷凝水产生,从根本上消除
15、了盘管在湿工况下引发的病菌滋生的问题1-2。该技术已在制药、电子等洁净空调系统中得到广泛应用1。随着人们对室内空气品质要求日益提高,干冷却技术在民用空调中也开始推广应用2。目前卷烟厂空调系统在夏季运行时,很多工况下只需要对空气进行降温处理而不需要进行除湿,由于表冷盘管进水温度为7,远远低于表冷器入口空气,两种不同状态空气混合过程的计算,dA,dB,GB,GA,GC,dC,绝热混合过程,已知:质量流量GA(kg/s),状态为A(hA,dA)的空气和质量流量为GB(kg/s),状态为B(hB,dB)的两种空气相混合,混合后状态点为C点(hC,dC)。确定:混合后的状态参数。 混合后的空气质量流量为
16、:GC= GA+ GB(kg/s),GAhA+ GBhB= GChC GAdA+ GBdB= GCdC GC= GA+ GB GA/GB=(hB-hC)/(hC-hA) GA/GB=(dB-dC)/(dC-dA) GA/GB=(hB-hC)/(hC-hA) =(dB-dC)/(dC-dA) (hB-hC)/(dB-dC) =(hC-hA)/(dC-dA)= ,绝热混合过程,d,h,B,A,hC,hA,C,hB,dC,dB,dA,CB/CA=(dB-dC)/(dC-dA) =(hB-hC)/(hC-hA) = GA/GB,混合点C将AB分成两段,两段长度之比和参与混合的两种空气的质量成反比,混合
17、点靠近质量大的空气状态一端。 混合规律 利用混合规律,可以求出混合空气状态点。,1.汽化和液化 汽化:物质从液态转变为气态的过程。 汽化的方式:蒸发(表面汽化)、沸腾(表面及内部同时汽化)。 加快汽化的措施:提高温度、降低表面压力。 液化:物质从气态转变为液态的过程。 加快液化的措施:降低温度、提高压力。,第二节 蒸气压缩式制冷原理,一、制冷技术中常用的热力学名词,2.显热和潜热,显热:不改变物质状态只引起物质温度变化的热量。 潜热:不改变物质温度只改变物质状态的热量。,一、制冷技术中常用的热力学名词,一、制冷技术中常用的热力学名词,3饱和温度和饱和压力,液体沸腾时所维持不变的温度称为沸点,热
18、工学中又将其称为在某一压力下的饱和温度,也叫蒸发温度。该温度所对应的压力叫饱和压力。饱和温度与饱和压力一一对应。压力升高,饱和温度升高,同一液体,不同饱和压力,对应不同的蒸发温度。不同液体,同压力下饱和温度不同。,4过热与过冷,(1)过热 过热度即过热蒸气的温度与饱和温度之差。 (2)过冷 过冷也有过冷度的概念,过冷液体温度比饱和液体温度所低的数值,称为制剂液体的过冷度。,一、制冷技术中常用的热力学名词,5临界温度和临界压力,压力增加,气体的液化温度随之升高,温度升高到某一数值时,气体的液化温度与压力之间就不是正比的关系了,即使再增大压力不能使气体液化,此时的温度就叫做临界温度;与临界温度对应
19、的压力被称之为临界压力。,1、制冷的基本思路,利用液体的蒸发可以吸收周围环境的热量。,二、制冷基本原理,请仔细观察左图,总结一下制冷基本原理。,二、制冷基本原理,2、制冷循环,提高压力,强制冷却,使制冷剂从气体转化为液体而放出热量。,二、制冷基本原理,高压的液体通过小孔,迅速膨胀降压、气化而吸热。,二、制冷基本原理,将上述两个过程组合起来,就可以形成一个制冷循环 。从制冷循环可以看出,所谓制冷就是通过制冷剂的状态变化(气态液态,放热;液态气态,吸热)将一个地方(蒸发器周围)的热量带到另一个地方(冷凝器周围)。,二、制冷基本原理,蒸发器,冷凝器,70 PSI,263 PSI,低压,高压,压缩机,
20、膨胀阀,蒸气,液体,二、制冷基本原理,四个必要组成部分: 压缩机 冷凝器 节流(膨胀)装置 蒸发器,二、制冷基本原理,二、制冷基本原理,制冷四大金刚,压缩机: 作用:提升压力 低压(低温)气体被吸入压缩机并被压缩成高压(高温)气体。 冷凝器: 从压缩机出来的高温制冷剂气体进入冷凝器,在一定压力下 释放热量变成液体。高温制冷剂在冷凝器中冷凝。,节流装置 (膨胀阀) : 液体经过节流装置使压力下降。常温低温 孔板、热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管等,蒸发器: 液体制冷剂进入蒸发器蒸发为气体。 制冷剂在蒸发器中吸收热量。,制冷四大金刚,完成一个循环只经过一次压缩,称为单级压缩制冷循环。,逆向可逆循环,
21、工质循环方式: 正向循环(亦称动力循环) 逆向循环:分可逆循环及不可逆循环。 可逆循环:一种理想循环,它不考虑工质在流动和状态变化过程中的各种损失。 不可逆循环:工质循环过程中考虑了各种损失(制冷剂在流动内部摩擦及换热器存在传热温差 )。,三、制冷循环原理,逆向可逆循环:又叫逆卡诺循环,逆卡诺循环 逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环 逆卡诺循环组成: 绝热压缩过程12,制冷剂的温度由T0升至Tk,外界输入功w; 等温冷凝过程23,制冷剂在等温Tk向高温热源放出热量qk; 绝热膨胀过程34,制冷剂的温度由Tk降至T0,膨胀机输出功we; 等温蒸发过程41,制冷剂在等温T0吸收低温热源中的热量q0,1
22、,2,3,4,三、制冷循环原理,低 压 液 体,逆卡诺循环 从低温热源吸收的热量为: q0 = T0 (SaSb) (kJkg) 向高温热源放出的热量为: qk = Tk(SaSb) (kJkg) 外界输入压缩机的功为: wc= w we = qkq0 =( TkT0)(SaSb) (kJkg) 制冷系数 : c= q0 / wc= T0 (SaSb)/ (TkT0)(SaSb) = T0/( TkT0) 结论: (1) c仅与高、低温热源温度有关,而与制冷剂的热物理性能无关。 (2) T0升高,Tk降低时,c增大。 (3)在恒定的高、低温热源区间,逆卡诺循环的制冷系数c最大。,三、制冷循环原
23、理,逆卡诺循环 结论:实际循环的制冷系数总小于相同热源温度时的逆卡诺循环制冷系数。 而一切实际制冷循环均为不可逆循环。 可用热力完善度大小反映实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。 热力完善度 = c /c,逆向可逆循环,三、制冷循环原理,组成理论制冷循环的主要设备:压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀。 理论制冷循环的热力过程: 制冷剂气体在压缩机中的绝热压缩过程,1-2 制冷剂气体在冷凝器中定压放热过程,2-3 制冷剂液体在膨胀阀节绝热膨胀过程,3-4 制冷剂液体在蒸发器中定压吸热过程,4-1。 理论制冷循环与逆卡诺循环不同之处: 1制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环,而且具有传热温差; 2采用
24、膨胀阀代替膨胀机; 3压缩机吸入饱和蒸气而不是湿蒸气。,三、制冷循环原理,1、用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失 损失了膨胀功:wc = h3h4“ (相当于面积34“03) 减少了制冷量:q01=h4h4“ (相当于面4“4bc4“) 节流过程 h3 = h4 节流损失-制冷剂在绝热膨胀中的作功能力全部用来克服绝热节流过程中的各种阻力损失,而这些损失最终转化为热量,被流过膨胀阀的制冷剂吸收,减少了制冷能力。 结论:a、增加了制冷循环的耗功量wc;b、损失了制冷量q01;c、使制冷系数和热力完善度有所下降。,三、制冷循环原理,2、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失 饱和损失:压缩机吸入湿蒸气 ,多消耗
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