第二章 制冷原理與制冷劑

第一節 基本知識

一、基本熱力學參數

1．溫度 溫度是描述制冷系統冷熱狀況的物理量。國際單位制（SI）規定熱力學溫標，符號用T表示，單位代號為K（Kelvin），中文代號為開；攝氏溫標的1℃與熱力學溫標的1K相同。它們之間的換算關系為：

t = T-273.15

2．壓強 壓強1的宏觀定義式為：

式中：F——容器壁受到的力，N；

f——容器壁的總面積，m²。

國際單位制規定壓強的單位為帕斯卡（Pa），即1Pa=1N/m²。

工程上還曾采用其他壓強單位，如巴（bar）、標準大氣壓（atm）、工程大氣壓（at）、毫米水柱（mmH₂O）和毫米汞柱（mmHg）等單位。

（1）相對壓強與絕對壓強。壓強計指示的壓強是氣體的絕對壓強與外界大氣壓強的差值，稱為相對壓強。

圖2-1 各壓強間的關系

由于大氣壓強隨地理位置及氣候條件等因素而變化，因此，絕對壓強相同的工質，在不同的大氣壓強條件下，壓強表指示的相對壓強并不相同。絕對壓強才是狀態參數。

絕對壓強小于外界大氣壓強，相對壓強為負壓，又稱為真空度；絕對壓強大于外界大氣壓強，相對壓強為正壓，又稱為表壓。如果氣體的絕對壓強與大氣壓強相等，相對壓強便為零。

（2）絕對壓強與相對壓強和大氣壓強之間的關系，如圖2-1所示。

當p>；B時：

p=B＋p_g

當p<；B時：

p=B-H

式中：B——當地大氣壓強，Pa；

p_g——高于當地大氣壓強時的相對壓強，又稱為表壓，Pa；

H——低于當地大氣壓強時的相對壓強，又稱為真空度，Pa。

3．比體積和密度 制冷劑所占有的空間稱為制冷劑的容積，單位質量制冷劑所占有的容積稱為制冷劑的比體積，如制冷劑的容積為V，質量為m，那么比體積則為：

式中：v——制冷劑比體積，m³/kg。

單位容積制冷劑所具有的質量，稱為制冷劑的密度。即：

式中：ρ——制冷劑密度，kg/m³。

顯然，制冷劑的比體積與密度互為倒數。即：

ρ×v=1

從上式可知，比體積與密度不是兩個獨立的狀態參數，如兩者知其一，則另一個也就確定了。

二、基本概念

1．平衡狀態 系統在不受外界影響的條件下，如果宏觀熱力學性質不隨時間而變化，系統內外同時建立了熱和力的平衡，這時系統的狀態稱為平衡狀態。要使系統達到平衡，系統內部及相聯系的外界參數，如溫度、壓強等都必須相等。

2.飽和狀態、飽和溫度和飽和壓強 制冷劑在封閉容器內的蒸發過程中，隨著蒸發的進行，氣相空間蒸氣分子的濃度不斷增大，返回液體的分子也不斷增多，當汽化分子數和凝結分子數處于動態平衡時，宏觀上蒸發現象將停止。這種汽化和凝結的動態平衡狀況稱為飽和狀態。飽和狀態的壓強稱為飽和壓強，溫度稱為飽和溫度。飽和溫度和飽和壓強之間存在單值的對應關系。

3．濕蒸氣和干飽和蒸氣 某一飽和溫度下的飽和液體繼續加熱，開始沸騰，在定溫下產生蒸氣而形成飽和液體和飽和蒸氣的混合物，該混合物稱為濕蒸氣。將濕蒸氣繼續加熱，直至飽和液體全部變為蒸氣，這時的蒸氣稱為干飽和蒸氣。

4．比潛熱 指1kg飽和液體制冷劑轉變為同溫度的干飽和蒸氣所吸收的汽化熱量，其單位為kJ/kg。

5．過冷液體和過冷度 將某一飽和壓強下的飽和液體繼續冷卻，使其溫度低于該飽和壓強下的飽和溫度，這一現象稱為過冷，此時該液體為過冷液體。其飽和溫度與液體溫度之差稱為過冷度。

6．過熱氣體和過熱度 干飽和蒸氣再繼續加熱時，蒸氣溫度自飽和溫度起繼續升高，比體積增大而壓強不變，這一現象稱為過熱。這時，蒸氣的溫度已經超過相應壓強下的飽和溫度，稱為過熱氣體。其蒸氣溫度與飽和溫度之差稱為過熱度。

三、各種熱物理參數間的單位換算

在描述制冷過程和評價制冷系統性能時，除了使用一些熱物理參數外，還要進行熱物理參數間的簡單計算。但是，國際上使用的熱物理參數單位有國際制單位、英制單位和工程制單位，因此有必要介紹制冷循環過程主要熱物理參數單位間的換算關系（表2-1）。

表2-1 主要熱物理參數單位換算表