热工基础知识

一、热工基础知识

(一)、热力学基础

1、温度

温度是衡量物体冷热程度的尺度，是物质分子热运动平均动能的度量。

摄氏温标：1个标准大气压下纯水的冰点定为0℃，沸点定为100℃，在这个区域

内划分100等分，每1等分为1度，单位为℃。用t表示。

华氏温标：1个标准大气压下纯水的冰点定为320F，沸点定为2120F，在这个区域t1=1.8t+32 (0F)

内划分180等分，每1等分为1度，单位为0F。用t1表示。

绝对温标：又称热力学温标，每一度大小与摄氏温标相等，起点为物质内分子热T=t+273.15(K)

运动完全停止时-273.15℃），单位为K。用T表示。

2、压力

1 bar 巴 =100000 pa 帕斯卡=0.1MPa

1 psi 磅/平方英寸=0.0703 kgf/cm2

1 kgf/cm

2 千克力/平方厘米 =98000 pa 帕

1 mm aq. 毫米水柱=9.8 pa 帕

1 mm hg 毫米汞柱=133.28 pa 帕

1 m H2O 米水柱=9800 pa 帕=0.1 kgf/cm

2 千克力/平方厘米

工程上常将1大气压（B）看成1个工程大气压或0.1MPa,即B=1kgf/cm2,或B=0.1MPa 表压：通过压力表读出的压力，为绝对压力减当地大气压。

真空度：压力比大气压低的程度。

真空度=B-绝对压力

3、热能：分子热运动强度的度量，是依靠温差传递的能量。用Q表示

1kcal=4.1868kJ

1 kcal/h 大卡/时=1.163 W 瓦

1 kW千瓦=860 kcal/h 大卡/时

1 btu/h 英制热量单位/时=0.293 W瓦

4、比热：单位质量的物质温度每升高或降低1K所需要加入或放出的热量。

定压比热Cp：气体在加热或冷却时，如果保持压力不变，则其比热称为定压比热。

物体的吸(放)热量：Q=mCp(t2-t1)

定容比热Cv ：气体在加热或冷却时，如果保持体积不变，则其比热称为定压比热。Cp>Cv

绝热指数k：气体的定压比热与定容比热之比为气体的绝热压缩指数，k=Cp/Cv

5、理想气体状态方程：

pV=mRT

R：气体常数，8314/气体分子量，空气为287J/(kg.K)

p：Pa，帕

V：m3

m：kg

T：K

等温过程，等压过程，等容过程

绝热过程：气体状态发生变化时，与外界不发生热量交换的过程称为绝热过程。

压缩机压缩过程非常迅速，可以认为来不及向外界传热，近似认为是绝热过程pv k=C k为绝热指数

多变过程：一般情况下，气体状态的变化规律可用一个所谓的多变过程来描述，它概括了上述四种特定的热力过程。

pv n=C n=0等压过程

n=1等温过程

n=k绝热过程

n=±∞等容过程

6、热力学第一定律及稳定流动能量方程：(能量守恒定律)

热力学第一定律指出：自然界一切物质都具有能量，它能够从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传到另一物体，在转换和传递过程中能量的数量保持不变。

根据热力学第一定律，稳定流动能量方程可表示为：

Q单位时间内加给系统的热量(kW)

h1h2P单位时间内加给系统的轴功率(kW)

m流入或流出该系统的质量(kg/s)

h1进入系统时的比焓(kJ/kg)

Q h2流出系统时的比焓(kJ/kg)

在制冷系统中：

压缩过程：P=(h2-h1)

q=(h2-h1)

蒸发冷凝过程：

节流过程：h2=h1

7、逆向可逆循环

循环可分为正向循环和反向循环，动力循环为正向循环，制冷循环按逆向循环工作。逆向循环是一种消耗功的循环。

当高温热源和低温热源的温度不变时，具有两个可逆的等温过程和等熵过程的逆向循环称为逆卡诺循环，逆卡诺循环没有任何不可逆损失，因而它耗功最小。

ΔS=Δq/T330K

熵

280K

制冷系数：ε0=q0/w0=T0/(Tk-T0) 5.6

实际循环的制冷系数ε总是小于同温热源时的逆卡诺循环的制冷系数ε0，两者之比为热力完善度。

η=ε/ε0

8、物质的集态变化：

固态

熔化

升华

凝华凝固

气态冷凝液态

汽化（有蒸发和沸腾两种方式）

显热：是指物质被冷却或加热时，只有温度变化而无相变时所放出或吸收的热量。

潜热：是指物质发生相变而温度不变时，放出或吸收的热量。

饱和、过冷及过热

一定温度下，密闭容器内蒸汽和液体处于平衡状态，蒸汽密度不再改变，这种状态称为饱和状态。饱和压力总是对应一定的饱和温度。

对蒸汽而言，当压力一定时，蒸汽温度高于饱和压力对应的温度，这种状态称为过热状态。对液体而言，当压力一定时，液体温度低于饱和压力对应的温度，这种状态称为过冷状态。饱和状态下蒸汽和液体共存体称为湿蒸汽，单位质量的湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量称为干度。

(二)、传热基础知识

热量传递的三种基本方式：

导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子，原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热（或称热传导）。

导热虽然在固体、气体、液体中都会发生，但单纯的导热只会在固体中发生。

对流：体各部分之间发生相对位移，冷热流体互相掺混所引起的热量传递方式。

对流分为自然对流和强制对流，自然对流是由于流体冷热各部分的密度不同引起的，强制对对流换热系数α的大小与换热过程中的许多因素有关，它不仅取决于流体的物性（λ，μ流是由

ρ，Cp等）以及换热表面的形状与布置，主要与流速有密切的关系。

对流换热系数（W∕(m2·℃)）的大致范围

热辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射，因热的原因而发出辐射能的现物体的辐射能力与温度有关，辐射强度与绝对温度的四次方成正比，在制冷与空调工程象称为

传热过程及传热系数：

三个环节：

(1)从热流体到壁面高温侧的热传递

(2)从壁面高温侧到壁面低温侧的热传递

(3)从壁面低温侧到冷流体的热传递

Q=kA(t1-t2)=kA△t

在稳定传热时，对于通过平壁的传热，

传热系数K,可用下式计算：

W/(m2.K)

通过单层平壁的传热过程对于多层壁面的传热过程，传热系数可按下式计算：

W/(m2.K)

1/α为对流传热热阻、δ/λ为导热热阻

显然，当金属管壁内结有水垢或油污后，将使传热热阻增大，传热系数降低。

传热温差的计算：

πλ

顺流、逆流时传热温差可按下式计算：

三、流体力学基础

管内连续性方程：流体作稳定流动时，流经流道任一截面的流量应相等。A1w1=A2w2

流体稳定流动能量守恒

流体流动阻力

1.沿程阻力：（磨擦阻力）：由于流体分子本身的粘滞力及空气与管壁产生的粘滞力之和形成的阻力。

2.局部阻力：由于弯头、阀件等气体产生流速及方向的改变而产生局部涡旋损失，形成的阻力。一般局部阻力为沿程阻力的2～3倍

ξ2、制冷原理

（一）各种制冷方法

制冷：是指用人工的方法在一定的时间和一定空间内将某物体或流体

冷却，使其温度降低到环境温度以下并保持这个低温。

常见的制冷方法有以下四种：相变制冷、热电制冷、气体膨胀制冷和

涡流管制冷。以下只作相变制冷介绍。

蒸气压缩式制冷

蒸气压缩式制冷属于相变制冷，即利用制冷剂由液体变为气态（相变）时的吸热效应来获取冷量。

液体汽化形成蒸气。当液体处于密闭容器内时，液体和产生的蒸气将

在某一压力下达到平衡。如果将部分蒸气从容器中抽走，平衡遭到破坏，液体中就必然再汽化一部分蒸气来维持平衡。而液体汽化时需吸收热量（汽化潜热），它可来自于被冷却对象，使它变冷，从而达到制冷的目的。

蒸气压缩式制冷如图2-1所示。它由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器

四大部件组成。

图2-1单级蒸气压缩式制冷循环系统图

1.压缩机；

2.冷凝器

3.节流阀；

4.蒸发器

它的工作过程是：压缩机吸入蒸发器内发生的低温、低压制冷剂蒸气，

保持蒸发器内的低压状态，创造了蒸发器内制冷剂液体不断地在低温下沸腾的条件；压缩机吸入的蒸气经过压缩，其温度、压力升高，创造了制冷剂蒸气能在常温下被液化的条件；高温高压蒸气排入冷凝器，在压力保持不变的情况下被冷却介质（水或空气）冷却，放出热量，温度降低，并进一步凝结成液体，从冷凝器排出；高压制冷剂液体经过节流阀时，因受阻而使压力下降，导致部分制冷剂液体汽化，吸收汽化潜热，使其本身温度也相应降低，成为低温低压下的湿蒸气，进入蒸发器；在蒸发器中，制冷剂液体在压力不变的情况下吸收被冷却介质（空气、水或盐水等）的热量（即制取冷量）而汽化，形成的低温低压蒸气又被压缩机吸走，如此循环不已。

（二）蒸气压缩式制冷循环

1、单级蒸气压缩式制冷循环

（1）理论循环

所谓单级蒸气压缩制冷理论循环是指制冷剂在一次循环中只经过一次压缩,且循环满足下列假设条件：

1）无温差传热，即制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，制冷剂的蒸发温度等于被冷却介质的温度；

2）制冷剂离开蒸发器时的状态是处于蒸发压力下的饱和蒸气状态，离开冷凝的状态是处于冷凝压力下的饱和液体状态；

3）制冷剂在压缩机内的压缩过程为可逆绝热的等熵压缩过程；

4）在各设备的连接管道中，制冷剂不发生状态变化，即忽略管内流动阻力及与周围环境的热量交换；

5）制冷剂在蒸发器和冷凝器内流动时没有压力损失。

上述条件与实际情况是存在着偏差的。为了简化，便于分析，可作为实际循环的比较标准。

理论循环的原则性系统仍如图2-1所示，是由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成。制冷剂在系统内经过压缩、冷却与冷凝、节流、蒸发四个状态变化过程。

压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气的作用，它是整个系统的“心脏”；节流阀对制冷剂起节流降压作用，它除将系统的高、低压部分隔开外，同时可以调节进入蒸发器的制冷剂流量；

蒸发器是吸收热量（输出冷量）的热交换设备，实现制取冷量的目的；

冷凝器是输出热量的设备，它将制冷剂从蒸发器吸取的热量以及由压

缩功而转化的热量一起传给冷却介质。

（2）压焓图

表示制冷剂状态参数的热力状态图主要有压力-比焓（p-h）图及温度-比熵（T-S）图

1）压焓图的构成

压-焓图的结构如图2-3所示，以绝对压力为纵坐标，以比焓值为横坐标。图中临界点K左边的粗实线为饱和液体线，干度X=0；右边的粗实线为饱和蒸气线，干度X=1；这两条粗实线将图分为三个区域；饱和液体线左边为过冷液体区；饱和蒸气线的右边为过热蒸气区；两条线之间的区域为两相区（湿蒸气状态区域）。

图中有六种等参数线簇：

等压线-------水平线

等焓线-------垂直线

等温线-------液体区几乎为垂直线，两相区为水平线，过热区为向右下方弯曲的倾斜虚线；

等熵线-------向右上方倾斜的实线；等容线-------向右上方倾斜的点划线，其斜率比等熵平坦；

等干度线-------只存在于湿蒸气区域内，其方向视干度大小而定。温度、压力、比容、比熵、比焓、干度等参数中，只要知道其中任何两个参数就可以在P-H图上确定过冷液体、过热气体或湿蒸气状态点，从而查得其它参数；对于饱和蒸气或饱和液体，只要知道其中一个参数就可查得其它参数。

3）单级蒸气压缩式制冷理论循环在p-h图上的表示如图2-4所示

点2表示制冷剂出压缩机的状态，也是进冷凝器时的状态。1---2线表

示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程（S1=S2），蒸发压力p0压缩到

凝压力pk，因此点2可通过点1的等熵线和压力为pk的等压线的交点来确定。点2处于过热蒸气状态。

点3表示制冷剂出冷凝器时的状态，也是进节流阀时的状态。它是与冷

凝压力所对应的饱和液体，过程线2-2'-3表示制冷剂在冷凝器内冷却（2-2'）和冷凝（2`-3）过程。

点4表示制冷剂出节流阀的状态，也是进入蒸发器时的状态。3-4线表

示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。制冷剂的压力由pk降到p0，温度也由tk降到t0，进入两相区。节流前后制冷剂的焓值不变。节流过程是不可逆过程，所以3—4线往往用虚线表示。过程线4-1表示制冷剂在蒸发器中的汽化（沸腾）过程，相变在等温等压下进行，直到全部变为饱和蒸气为止。

这样，制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态，从而完成了一

个理论制冷循环。

（3）单级蒸发压缩式制冷理论循环性能指标及其计算

1）单位质量制冷量

它表示1KG制冷剂在蒸发器内从被冷却物体中吸取的热量，用表示，可用制冷剂进、出蒸发器时的焓差表示，即 q0=h1-h4=h1-h3 (kJ/kg)

2）单位容积制冷量

它表示压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气（按吸气状态计）所制取的冷量，用qv表示，即qv=q0/v1=(h1-h4)/v1 (kJ/m3)式中 ------吸气状态下制冷剂蒸气比容，m3/kg单位容积制冷量与制冷剂性质有关，且受蒸发压力的影响很大，蒸发温度越低，v1越大，qv越小。

3）单位功

压缩机每压缩并输送1kg制冷剂所消耗的功称为单位功，用w0表示。

它可用制冷剂出、进压缩机时的焓差表示，即w0=h2-h1 (kJ/kg)

4）冷凝器单位热负荷

它表示1kg制冷蒸气在冷凝器中放给冷却介质的热量，用qk表示。可

用制冷剂进、出冷凝器时的焓差表示，即qk=h2-h3 (kJ/kg)因h3=h4 得 qk=q0+w0 (kJ/kg)

5）制冷系数

制冷系数为循环的单位制冷量与单位功之比，用ε0表示，即

ε0=q0/w0=(h1-h4)/(h2-h1)

制冷系数是制冷循环的一个重要经济指标。在工作温度（即冷凝温度和蒸发温度）给定情况下，愈大，表示循环的经济性愈好。

6）热力完善度

理论循环仍是一个不可逆循环，它在制冷剂的冷却过程（2-2）与冷却介质之间存在有温差传热；在节流过程中因摩擦存在而有不可逆损失。为了表示循环接近的程度，可用热力完善度表示即

η=ε0/εc =(h 1-h 4)(T k -T 0)/(h 2-h 1)T 0

η-----热力完善度；

ε0-------理想循环制冷系数；

εc -------逆卡诺循环制冷系数；

T k -------冷凝温度（K）；

T 0-------蒸发温度（K）。

热泵循环

制冷循环与热泵循环在热力学上并无区别，因为它们的工作循环都是逆向循环，区别仅在于使用目的。逆向循环具有从低温热源吸热，向高温热源放热的特点。当使用目的是从低温热源吸热时，系统称为制冷机；当使用目的是向高温热源释放热量时，系统称为热泵。同一台机器在一些时候可作制冷机使用，另一些时候可作热泵使用，如热泵型空调器即是如此。制冷循环和热泵循环的能量转换关系如图所示。热泵通过逆循环，消耗了外功W ，从环境介质（低温热源）中吸取热量Qc，并一起排放至高温热源，排放热量为Qh 。

Qh与W之比称为热泵系数，用符号

ψ=由力学第一定律可知ψ之间的关系。ψ永远大于1，所

以用热泵来供热在经济性上比消耗电能或燃料获取的热量要高。W

向循环称

，μ