制冷工艺设计手册.doc

制冷工艺设计手册

302
2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。
第一章 制冷技术的基础知识

第一节 制冷基础知识
一、冷及制冷 日常生活中，冷和热是两种不同的感觉，两个完全对立的概念。可是用物理学概念来解释，物质的冷和热，只是热的程度不同，没有本质的区别。
各种物质都由分子组成，每个分子都在不断运动，分子运动产生了热。不同的物质，分子运动状态是不同的，有些物质的分子运动比较剧烈，有些物质的分子运动比较缓慢；即使相同的物质，由于受外界条件的影响，分子运动的程度也不一样。凡是分子运动速度快，物质的温度比较高，就称为热；分子运动比较缓慢，物质的温度比较低，就称为冷。冷和热是相正确，它们是以温度的高低来衡量的。
随着外界条件的变化，冷的物质能够变热，热的物质也能够变冷。例如，将水加热，冷水会变成热水，甚至成为水蒸气；反之，冬季气温下降，地面上水的温度随之下降，成为冷水，甚至冻结成冰。
自然界每年有季节变化，夏、秋季气温高，地面各种物质的温度随着升高，冬季气温低，地面各种物体的温度随着升高，冬季气温低，地面各种物体的温度也随着降低。这种由于气候的变化，使物质变冷的过程称为天然制冷。随着生产的发展，人类对冷的需要越来越多，自然制冷不但受气候限制，不能随便利用，而且冷的程度有限，不能适应生产发展的需要。因而，在科学技术发展的基础上，采用了机器来制冷，称为机器制冷或人工制冷，简称制冷。
制冷，就是以人为的方法来减少某物质的热量，降低该物质的温度，制造出一定的低温。制冷的任务是将冷却的物体中的热量转移给周围的介质（水或空气），或设法把该物体的温度，降低到低于周围介质的温度，和在所需的一定时间内保持一定的低温。
二、常见名词及概念
1．温度 温度用来表示物质冷和热的程度。衡量温度的标准有摄氏温度、华氏温度和绝对温度三种。中国日常生活和工程技术上大都采用摄氏温度或绝对温度。
（1）摄氏温度 在标准大气压下，把水的结冰温度作为0度，沸腾温度作为100度，在0度与100度之间，平均等分成100份，每一份作为1度，这个温度标准称为摄氏温度，以符号℃表示。
（2）华氏温度 在标准大气压下，把水的结冰温度作为32度，沸腾温度作为212度，在32度与212度之间，平均等分为180份，每一份作为1度，这个温度标准称为华氏温度，以符号°F表示。
（3）绝对温度 把水的结冰点作为273度，水的沸点作为373度，把物质中的分子全部停止运动之点作为0度的温度标准，称为绝对温度，以符号K表示。
摄氏温度、华氏温度和绝对温度能够相互换算。摄氏温度换算成华氏温度时可按下式计算：
F=1.8C+32
华氏温度换算成摄氏温度时，可按下式计算：
C=F-
绝对温度与摄氏温度有如下关系：
K=-273.16℃或0℃=273.16K
T=t+273.16
式中：T—绝对温度（K）
t—摄氏温度（℃）
2.热量 分子运动所具有的热能量称为热量。计算热量的单位，公制用卡或千卡（也称大卡），英制用英热单位。
（1）卡 在标准大气压下，一公斤的水，温度升高或降低1℃，所吸收或放出的热量称为一卡，用符号cal表示。
（2）千卡 在标准大气压下，一公斤的水，温度升高或降低1℃，所吸收或放出的热量称为一千卡或一大卡，用符号kcal表示。
（3）英热单位 将一磅的水加热或冷却，温度升高或降低1°F，所吸收或放出的热量称为一英热单位，用符号BTU表示。
卡、千卡和英热单位的换算：
1千卡=1000卡=3.969英热单位
1英热单位=252卡=0.252千卡
(4)比热 单位重量的物质，温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量称为比热，以符号C表示。其常见单位为千卡/公斤℃或卡/克℃。
水的比热等于1，各种食品的比热随食品中水分含量的多少和温度不同而不同。当食品的温度变化范围不大，比热可做常数。但如果食品的温度变化引起食品中水分冻结或冰的融化时，由于冰的比热仅为水的一半，此时，虽然温度变化不大，食品的比热也会有较大变化，故冻结食品的比热比常温下食品的比热要小的多。几种食品的比热如表1—1所示。

表1—1 几种食品的比热
名 称
比热（千卡/公斤℃）
名 称
比热（千卡/公斤℃）
冻结点以上
冻结点以下
冻结点以上
冻结点以下
少 脂 鱼
0.80
0.32
水 果
0.8—0.9
0.5
多 脂 鱼
0.68
0.44
蔬 菜
0.8—0.9
0.4—0.5
精 肉
0.76
0.42
水
1
—
肥 肉
0.52
0.36
冰
—
0.5
鸡 蛋
0.76
0.40
冰 激 凌
0.78
0.45

（5）制冷量 用人工的方法来减少某物质的热量时，单位时间内所能摄取的热量称为制冷量，常见单位为千卡/时。
在国外，也有采用冷冻吨作为制冷量单位，冷冻吨是24小时内将一顿0℃的水变成0℃的冰需要摄取的热量。由于冰的溶解潜热为78.68千卡/公斤，故：
1冷冻吨*=78.68×1000/24=3320（千卡/时）
3.压力 无论是气体或液体，由于分子的运动，气体或液体分子对容器或管道壁会造成碰撞，对容器或管道壁产生力的作用，称为压力。流体作用在容器壁或管壁单位面积上的压力称为压强，以符号P表示。在工程中，习惯上把压强称为压力。我们四周的空气也有压力，由地面上几百公里高的空气层的重量所形成，称为大气压力，大气的压力随地理区域、高度以及气候条件等不同而有所变化。压力的常见单位公斤/厘米2、标准大气压、毫米水银柱、米水柱、磅/英寸2等。
（1）标准大气压 又称物理大气压，是指在维度45°的海面上，大气的常年平均压力。其值为1.033公斤/厘米2。
（2）工程大气压 为计算方便，把大气压力作为1公斤/厘米2来计算，称为一个工程大气压。
（3）绝对压力和表压力 气体的压力有绝对压力和表压力两种。绝对压力是气体的真实。表压力是指压力表上的读数，是绝对压力与大气压力之差。当压力表上的读数为正值时，其绝对压力为表压力加上大气压力，当压力表上的读数为负值（即真空）时，其绝对压力为大气压力减去压力表上的读数。在工程上一般常采用表压力，但在计算中，需采用绝对压力。
各种压力单位的相互换算如表1—2所示。

表1—2 压力单位换算表
公斤/厘米²
标准大气压
毫米水银柱
米水柱
磅/英寸²
1
0.9678
735.56
10
14.223
1.033
1
760
10.3333
14.696
0.00136
0.00131
1
0.0136
0.0193
0.1
0.0968
73.556
1
1.4223
0.0703
0.0680
51.715
0.703
1

（4）功和功率 物体受力的作用而运动，其作用的力和物体在力方向上移动的距离的乘积称为功，常见单位为公斤米。1公斤米是1公斤的力，在力的作用线上，使物体移动1米距离时所做的功。单位时间内所作的功称为功率，常见单位为公斤米/秒、千瓦和马力。
1千瓦=1.36马力=102公斤米/秒
1马力=0.736千瓦=75公斤米/秒
4.容积 物质所占的体积大小称为容积，常见单位为立方米、升等。
比容 单位重量的物质所占据的容积称为比容，也称容重，以符号V表示。常见单位为米³/公斤。
5.重量 各种物体所具有的物质数量称为质量，由于地心吸力，一定质量物质都有一定的重量，常见的重量单位为公斤（千克）、克和磅等。
1公斤=1000克=2.2046磅
1磅=453.6克=0.4536公斤
比重 单位容积的物质所具有的重量称为比重，也称重度，以符号г表示。常见的比重单位为公斤/米3。比重和比容互为倒数。
6.物态变化 物质有三种形态：固体、液体和气体。
（1）固体 一定体积和形状的物质。在不太大的外力作用下其体积和形状的改变很小。
（2）液体 有一定的体积而形状随容器改变的物质。
（3）气体 由大量分子组成的、能自发充满任何容器的物质。气体分子之间的距离较大，作用力很小，都在作无规则的热运动，因此气体容易压缩，没有一定的形状。
在外界条件的影响下，物质的三种形态能够相互转换。例如，在常压常温下，水是一种液体，当温度降低到0℃以下，就会冻结成冰，成为固体。反之，水加热到100℃以上，就会变成水蒸气，成为气体。温度和压力是影响物体变化的主要因素。
（4）压缩 使气体物质比容减小，比重增大，压力升高的过程称为压缩。气体压缩时，需要对气体做功。
（5）绝热压缩 气体压缩过程中，与外界不发生热交换，称为绝热压缩。
（6）膨胀 使气体物质比容增大，比重减小，压力降低的过程称为膨胀。
（7）节流膨胀 流体流动中，断面突然缩小，使流量受限制，而后断面增大，造成流体压力下降，比容增大的过程称为节流膨胀。
（8）冷凝 气体冷却转化为液体的过程称为冷凝。
（9）凝固 物质从液体冷却转化为固体的过程称为凝固。
（10）溶解 固体加热转换为液体的过程称为溶解。
（11）气化 液体加热转化为气体的过程称为气化。气化有两种方式：蒸发和沸腾。
（12）沸腾 在沸点温度下，液体的气化过程称为沸腾。
（13）蒸发 液体表面的气化现象称为蒸发。
在制冷工程中，由于制冷剂的沸腾温度较低，一般吧沸腾称为蒸发。
（14）升华 固体加热直接转变为气体的过程称为升华。
（15）潜热 物质发生物态变化而温度维持不变，所需要吸收或放出的热量称为潜热，此时，液体的气化温度即为沸点，固体的溶解温度即为熔点。
(16)气化潜热 液体转变为气体时的潜热称为气化潜热。
（17）溶解潜热 固体转变为液体时的潜热称为溶解潜热。
在不同的压力条件下，各种物质沸点和气化潜热，熔点和溶解潜热并不相同，在标准大气压下，水的沸点为100℃，气化潜热为539千卡/公斤。氨液的沸点为-33.4℃，气化潜热为327千卡/公斤。冰的熔点为0℃，溶解潜热为79.7千卡/公斤。
7.蒸汽的饱和、过热和过冷状态 装在密闭容器里的液体，被加热时，蒸发和扩散作用，空间会充满气体分子，这些气体分子在液体上面空间作不规则的热运动。由于分子之间以及分子与容器壁的碰撞，其中一部分又回到液体中去。开始时，离开液体的分子多于回到液体中的分子，这样液体表面上方蒸汽的密度就逐渐增大，回到液体中的分子数量也增多，最后，在同一时间内从液体里出来的分子数等于回到液体中去的分子数。这就是说液体的气化速度与蒸汽的液化速度相等，处于动态平衡状态，蒸汽的密度不能再增加，达到了饱和状态。这时容器中的蒸汽叫做饱和蒸汽，相应的压力叫做饱和压力，而相应的温度叫做饱和温度。
在相同的温度下，各种液体有不同的饱和蒸汽压力。例如，在20℃时水的饱和蒸汽压力为17.53毫米水银柱，氨的饱和蒸汽压力为8.741公斤/厘米2（绝对）。液体的饱和蒸汽压力随着温度升高而增加。在温度不变的情况下，只要密封的容器里还有液体存在，其饱和蒸汽压力不随容积的改变而变化。
如果在定压下对液体进行加热，当达到饱和温度时，液体沸腾，变成蒸汽，继续加热，则比容增加，温度不变，仍为饱和温度，容器内存在着饱和液体和饱和蒸汽的混合物，此时称为湿饱和蒸汽状态。继续加热，液体全部气化为饱和蒸汽，此时称为干饱和蒸汽状态。如再继续加热则干蒸汽的温度将升高，超过饱和温度，比容也将增加，这种状态称为过热蒸汽。
如果在定压下，将蒸汽进行冷却，在饱和温度下，饱和蒸汽被冷凝成饱和液体。在饱和蒸汽全部冷凝成为饱和液体后，如果继续冷却，液体的温度将降低，低于饱和温度，这种状态称为过冷液体。
8.临界温度、临界压力和临界比容 根据实验得知，要想把气体由气态转变为液态，必须符合一定的条件，超出这一条件，物态的变化就不能实现。能够实现物态变化的极限状态称为临界状态。每种气体都有一个一定的温度值，高于这个温度，不论压力如何变化，气态都无法转化为液态的，这个极限温度称为临界温度。在临界温度下，气体液化所需要的压力称为临界压力。在临界压力下，单位质量的物质所占据的容积称为临界压力。在临界压力下，单位重量的物质所占据的容积称为临界比容。例如水的临界温度为374℃，临界压力为217.72大气压，临界比容为2.50厘米3/克，空气的临界温度为-140.7℃，临界压力为37.2大气压，临界比容为2.86厘米3/克。
9.空气的湿度和露点 空气是一种混合气体，在空气中，一般都含有一定量的水蒸气。空气中含有水蒸气的多少称为空气的湿度。空气的湿度能够用绝对湿度、水蒸气密度和相对湿度表示。
（1）绝对湿度 单位容积的空气中含有水蒸气的重量称为绝对湿度，以符号a表示，常见单位为克/米3。
（2）水蒸气密度 含在空气中的水蒸气所具有的分压力称为水蒸气密度，以符号e表示，其常见单位为毫米水银柱或毫巴（1毫巴=0.75毫米水银柱）。
绝对湿度与水蒸气密度可按下式换算：
a=+αt 或 a=+αt
式中：a—绝对湿度（克/米3）
e—水蒸气密度（毫米水银柱）
e—水蒸气密度（毫巴）
t—温度（℃）
α—常数（α=0.00366）
（3）相对湿度 空气中所含水蒸气的密度与同一温度下饱和空气中所含水蒸气密度百分比值，称为相对湿度。以符号ф表示，其值用百分数表示。相对湿度表示着空气干燥或潮湿的程度。例如，相对湿度为0%时，表示空气完全干燥，相对湿度为100%时，表示空气湿度最大，达到饱和状态。
空气的相对湿度能够从单位容积内含有的水蒸气克数来计算，也能够用相同温度下，空气含有的水蒸气密度与饱和水蒸气密度之比来计算。
相对湿度和绝对湿度，水蒸气密度可按下式换算：
φ= 或 φ=
式中：φ—相对湿度（%）
a— 绝对湿度（克/米3）
A—饱和蒸汽绝对湿度（克/米3）
e—水蒸气密度（毫米水银柱或毫巴）
E—饱和蒸汽密度（毫米水银柱或毫巴）
空气在不同温度下的饱和蒸汽绝对湿度和蒸汽密度值如表1—3所示。利用上式和表1—3能够换算出空气的相对湿度、绝对湿度和水蒸气密度。
表1—3 不同温度下空气的饱和蒸汽绝对湿度和饱和蒸汽密度

温 度
（℃）
+30
+20
+10
+5
0
-5
-10
-15
-20
饱和蒸汽绝对湿度（克/米³）
30.38
17.32
9.41
5.32
4.86
3.41
2.35
1.60
1.08
饱和蒸汽密度
（毫米水银柱）
31.82
17.54
9.21
6.42
4.58
3.16
2.14
1.43
0.95
饱和蒸汽密度
（毫巴）
42.42
23.38
12.26
8.64
6.10
4.22
2.85
1.91
1.27

（4）露点 含有一定量水蒸气的空气，当温度降低时，其水蒸气密度逐渐增大，当水蒸气达到完全饱和时的温度称为该空气的露点空气的露点温度即为相对湿度达到100%时的温度。
在露点温度下，空气中的水蒸气成为饱和水蒸气，部分水蒸气会凝结成露，呈露水状粘附在物体表面，如果露点温度低于0℃，则水蒸气凝结成霜状。
不同绝对湿度的空气有一个相应的露点温度。可是，含有一定水蒸气的空气，其相对湿度则随温度而变化。温度升高时，相对湿度下降，温度降低时，相对湿度增大，当温度降低到露点温度时，相对湿度达到最大为100%。
不同温度和相对湿度空气的露点温度如表1—4所示。空气的露点温度也可利用温湿（i—d）图查得。

表1—4 不同温度和相对湿度空气的露点温度
相对湿度（%）

温度（℃）
60
65
70
75
80
85
90
95
100
+30
+20.9
+22.3
+23.6
+24.8
+25.9
+27.0
+28.1
+29.1
+30.0
28
19.0
20.4
21.7
22.9
24.0
25.0
26.1
27.1
28.0
26
17.2
18.5
19.8
21.0
22.1
23.1
24.1
25.1
26.0
24
15.3
16.6
17.8
19.0
20.1
21.1
22.1
23.1
24.0
22
13.4
14.7
15.9
17.0
18.1
19.1
20.1
21.1
22.0
+20
11.5
12.8
14.0
15.1
16.2
17.2
18.2
19.1
20.0
18
9.9
10.9
12.1
13.2
14.2
15.2
16.2
17.1
18.0
16
7.7
9.0
10.2
11.3
12.3
13.3
14.3
15.2
16.0
14
5.8
7.0
8.2
9.3
10.3
11.3
12.3
13.2
14.0
12
3.9
5.1
6.3
7.4
8.4
9.4
10.3
11.2
12.0
+10
2.1
3.3
4.4
5.4
6.4
7.4
8.3
9.2
10.0
8
+0.3
+1.4
2.5
3.5
4.5
5.4
6.3
7.2
8.0
6
-1.5
-0.4
+0.7
+1.7
2.7
3.6
4.4
5.2
6.0
4
3.2
2.1
-1.1
-0.2
+0.7
+1.6
2.5
3.3
4.0
2
4.9
3.9
3.0
2.1
-1.2
-0.3
+0.5
+1.3
2.0
±0
6.5
5.5
4.6
3.7
2.9
2.1
-1.3
-0.6
±0.0
2
8.4
7.4
6.4
5.4
4.8
4.0
3.3
2.6
-2.0
4
10.3
9.3
8.3
7.5
6.7
6.0
5.3
4.6
4.0
6
12.1
11.2
10.3
9.5
8.7
8.0
7.3
6.6
6.0
8
13.9
13.9
12.2
11.4
10.7
10.0
9.3
8.6
8.0
-10
15.4
14.8
14.1
13.3
12.6
11.9
11.2
10.6
10.0
12
17.7
16.7
15.9
15.1
14.4
13.8
13.2
12.6
12.0
14
19.8
18.8
17.9
17.1
16.4
15.8
15.2
14.6
14.0
16
21.9
20.9
20.0
19.2
18.5
17.8
17.1
16.5
16.0
18
24.1
23.0
22.2
21.4
20.9
19.8
19.1
18.5
18.0
-20
-26.2
-25.2
-24.2
-23.4
-22.6
-21.8
-21.1
-20.5
-20.0

第二节 热力学基础知识

任何事物都有一定的规律性。热力学也有其一定的规律性，这就是热力学基本规律，它反映了能量转换的客观规律。热力学基本规律是制冷工程原理的依据。
热力学基本定律有热力学第一定律和热力学第二定律。
一、热力学第一定律 各种形式的能量能够互相转换，但不能增多，也不会减少，总量保持不变。当工质受热作功时，由于受热而从外界得到的能量，等于外界作功所付给的能量与贮存于工质内部的能量之和，这就是热力学第一定律的基本内容。热力学第一定律属于能量守恒和转换定律范畴。
热力学第一定律能够用以下公式表示：
q=△u+AL
式中：q—外界加给受热工质的热量（千卡/公斤）
△ u—受热工质内能的增加（千卡/公斤）
L—受热工质对外界所作的机械功（公斤米/公斤）
A—功的热能当量 A=1/427（千卡/公斤米）
上式称为简单能量方程式，其中每一项根据实际情况，能够是正值，也能够是负值。如果q是负值，表示物质对外界放热，如果L是负值，表示工质接受了外界的压缩功，如果△u是负值，表示工质的内能不是增加，而是减少。
热力学第一定律告诉我们，热与功两者能够互相转换，而且转换时有一定的数量关系，即每千卡的热量全部转变为功时为427公斤米，称为热功当量。反之，每公斤米的功能够转化为1/427千卡的热量，以符号A表示，称为功的当量。
二、热力学第二定律 大量实验证明，功能够全部转变为热，温度较高的物体中的热量能够自发地向温度较低的物体转移，而相反却不行。
热力学第二定律包括以下两条内容：
1． 热量不能自发地，不付代价地由低温物体传向高温物体。
2． 使热量全部而且连续地转变为机械功是不可能的。
热力学第二定律告诉了我们传热过程的方向，并指出了热量转变为功的条件。例如，
有温度不同的甲、乙两个物体互相接触，并假设与外界隔绝，此时甲、乙两物体间将发生热量接触，热力学第一定律说明，一个物体失去的热量，等于另一个物体获得的热量，但并不能说明那个物体会失去热量，那个物体会得到热量。可是，根据热力学第二定律，就能够清楚地知道，温度较高的甲物体能够自动地把热量转移给乙物体，而温度较低的乙物体，不能自动地把热量传递给甲物体。
另外，热力学第一定律说明，热能够按一定当量转化为功，功也能够按一定当量转化为热。而热力学第二定律进一步说明，要将功完全转化成热能是可能的。反之，要将热完全地连续地转化为机械功却办不到。正因为这样，因此各种热机的效率总是小于1。
热力学定律告诉我们，任何机器在作功时都必须消耗能量。要想不耗费能量而作功是违反客观规律，因而所谓“恒动机”的想法是完全不可能实现的。
三、熵与焓
1.熵 根据热力学定律，已经知道热量常常不可能完全转化为功，为了研究热量做功的价值，引用了熵的概念，以符号S表示。
熵是表明物质系统热力学状态的物理量。在加热情况下，一个系统的温度是变化，如果把过程分为许多微段，每段加入热量为dq，那未每段内加热时的温度T（绝对温度）能够认为不变，这个系统熵的变化为
dS=
式中：S—熵（千卡/公斤K）
q—传热量（千卡/公斤）
T—绝对温度（K）
在可逆循环中，热源减少的熵等于冷源增加的熵，总的熵值保持不变。在不可逆循环中，热源减少的熵大于冷源增加的熵，总的熵值增大。熵不能用实测的方法求得，只能从数学计算中得到。熵在热力计算中常有使用，一般不需要求出它的绝对值，而只要求得它的相对值。在制冷工程中，一般把0℃的饱和制冷液体的熵值规定为1.
2.焓 物质具有的内能和流动能之和称为焓，以符号i表示，其单位为千卡/公斤。
焓能够用以下公式表示：
i=u+APV
焓是一个很重要的状态参数，它和温度、压力、比容一样，能说明气体所处状态的特征。在制冷工程热力计算中，焓具有极广泛的用途，它能够使热力计算大大简化。焓的绝对值很难直接确定，实际上也没有必要求出，因为一般只需要了解一种物质由某一状态变化到另一状态时焓值变化即可，在制冷工程中，一般吧0℃的饱和制冷剂液体的焓值规定为100.
3.温—熵（T—S）图 在热力学中，为了计算热转移的数量，常使用温—熵（T—S）图。图1—1是T—S图的基本线形。图上，纵坐标为绝对温度T，横坐标为熵S，T—S图由等温线（T=常数），绝热等熵线（S=常数），等压线（p=常数），等焓线（i=常数），等湿线（x=0及x=1），等比容线（V=常数）等线条组成。与横坐标平行的是等温线，与纵坐标平行的是绝热等熵线，左边的一条主要曲线为饱和液线（x=0），右边的一条主要曲线为饱和气线（x=1）。处在饱和液线左边的是过冷却液体状态，处在饱和气线右边的是过热气体状态，在饱和液线和饱和气线之间的是液体和饱和气体共存状态。能够用T—S图上的面积来计算系统吸收或放出的热量。
图1—1 T—S图的基本线形
例如，某一逆卡诺循环（图1—2）由两根等温线和两根绝热线组成，在4—1等温过程中，供热体把热量传递给工质，此时供热体温度T。不变，在1—2绝热压缩过程中，工质与周围介质不发生热交换，此时工质温度由T。升到Tk。在2—3等温过程中，工质将热量传递给受热体，但温度稳定不变。在3—4绝热膨胀过程中，工质温度由Tk降到T。。
在上述循环中，4—1过程，供热体传给工质的热量可由图上a14b的面积求得，2—3过程，工质向受热体传递的热量可由图上a23b的面积求得，而压缩功即为面积a23b-面积a14b=1234。

图1—2 逆卡诺循环
4.压—焓（P—i）图 为计算热转移的数量，还能够采用（P—i）压焓线图。图1—3是P—i图的基本线形，图上纵坐标为压力P，横坐标为焓i，水平线为等压线，垂直线为等焓线，左边主要曲线为饱和液线（x=0），右边主要曲线为饱和气线（x=1），这两条曲线将流体分为三部分，左边为过冷液体，中间为液体和饱和气体共存，右边为过热气体。
在压—焓图上，能够用横坐标的线段来表示系统吸收或放出的热量，因此，在使用上，压—熵图比温—熵图方便，故现今制冷计算大都采用压—焓图，为了避免压—焓图的下部的线条过分拥挤，一般将纵坐标以lgp来代替P，制成lgP—i图使用。实际使用的氨lgP—i图见附录。

图1—3 P—i图的基本线形

第三节 传热学基础知识

热量由较热物质向较冷物质转移的过程称为传热。实践证明，无论是不同种类的物质或者是相同种类的物质，当相互接触时，只要有温度差存在，就会出现传热现象。而且，根据热力学定律，热量总是从高温物质自发地传向低温物质。
一、传热基本方式 自然界中，传热现象虽然很多，归纳起来，有三种基本方式：导热，热对流和热辐射。传热过程有时候是单一的某种形式的传热，而大多数传热过程是一种方式伴随着另一种方式同时进行的传热。
1.导热 由于物体内部分子和原子的热振动引起动能的交换，使热量从物体的一部分传递到另一部分，或从一个物体传递到与之直接接触的另一个物体，这种传热方式称为导热。纯粹的导热现象只有在完全密实的固体内部才能发生，此时，物质本身并不移动。
导热过程中，如果物体内部各处的温度不随时间而变化，则单位时间内传递的热量为定值，这种导热过程称为稳定导热。下面将稳定导热情况下，单层平面壁，多层平面壁和圆管壁的导热情况作简要介绍。
（1） 单层平面壁的导热 单层平面壁的导热可用下式表示：
Q=F(t1 –t2)= F△t（千卡/时）
式中：Q—单位时间内经过平面壁传导的热量(千卡/时)
δ—平面壁厚度（米）
F—导热面积（米2）
t1—热表面的壁温（℃）
t2—冷表面的壁温（℃）
△ t—热表面与冷表面的温度差
λ—导热系数（千卡/米时℃）
上式说明在一定传热平面壁面积F上的传热速度与温度差△t成正比例，与平面壁的厚度δ成反比例，还与平面壁物质的导热系数λ有关。
导热系数λ一小时内，等温面长度为一米，温度降为1℃，经过一平方米传热面积的热量称为导热系数。导热系数的大小标志着物质传导热量能力的大小，不同的物质有不同的导热系数值。一般说来，以固体为最大，液体次之，而以气体最小。在固体中，则又以金属材料的导热系数最高，砖石等建筑材料次之，隔热材料的导热系数最小。即使同一种物质，其导热系数也并不是常数，它还随物体的结构、重度、湿度、温度和压力等许多因素而异。各种物质的导热系数均由试验测定。表1—5是几种物质的导热系数值。

表1—5 几种物质的导热系数
物质名称
导热系数λ
（千卡/米时℃）
物质名称
导热系数λ
（千卡/米时℃）
软 木 板
0.04—0.06
钢
300
聚 苯 乙 烯
泡 沫 塑 料 板
0.03—0.04
铝
170
木 材
0.15—0.2
水
0.47—0.53
油 毛 毡
0.12—0.15
冰
1.95—2.0
沥 青
0.3—0.35
冷 冻 油
0.1—0.13
砖
0.5—0.8
霜
0.1—0.5
混 凝 土
0.8—1.1
水 垢
0.3—1.0
钢 筋 混 凝 土
1.2—1.3
油 漆
0.2
钢
40—50
空 气
0.02

（2）多层平面壁的导热 平面壁由若干层不同物质组成，各层物质的导热系数和厚度均布相同，热量连续传过各层平面壁的过程称为多层平面壁的导热。如图1—4所示，平面壁为三层，用不同物质组成，每层的厚度为δ1、δ2及δ3，其导热系数各为λ1、λ2及λ3，平面壁的面积为F（与图面垂直）经过各层的温度差各为△t1=t1-t2，△t2=t2-t3，△t3=t3-t4，则根据单层平面壁的导热公式可得
△t=△t1+△t2+△t3=Q1+Q2+Q3
因为是稳定导热，则经过各层的热量相等，即
Q1=Q2=Q3=Q 则有
Q=(千卡/时)
令=R1，=R2，=R3 则得
Q==（千卡/时）
式中：R1、R2、R3—对应各层的热阻
ΣR—多层平面壁的总热阻
（3）圆管壁的导热 热量沿圆管壁的径向传递时，垂直于热流方向的传热面积显然随半径的增大而增大。如图1—5所示，若圆管壁的长度为L，圆管的内半径为r1，外半径为r2，内壁温度为t2，外壁温度为t1，则稳定导热经过的热量为
Q=(t1-t2)(千卡/时)
将上式与平面壁导热公式相比较，可得
Fd==(米2)
式中：fd—圆管壁内面积F1和外面积F2的对数平均值
则有 Q=Fd△t=Fd△t（千卡/时）
式中：δ—圆管壁的厚度（米）
从上式可知圆管壁的导热基本上与平面壁的导热相同，其不同之处就在于需把面积取对数平均值。
一般说来，两个数值的对数平均值常较其算术平均值为小。对于薄壁圆管，一般其外径d2（或r2）与外径d1（或r1）之比小于2，即=≤2，此时，工程计算上能够采用算术平均值，其误差也不大。
当圆管壁或圆筒壁为同心的多层物质构成时，其径向的导热需要分别算出各层的传热面积对数或算术平均值，并以各层热阻之和为总热阻而计算。
2.热对流 热对流是流动介质的传热，主要由分子互易位置、流体本身进行混和而传热，热量经过物质的移动来传递。例如，空气和水的传热都是对流传热。热对流是流体独有的现象。可是，流体的传热也往往兼有对流和导热两种形式。
对流传热有自然对流传热和强制对流传热之分。
静止的流体，由于受热或放热，使密度发生变化引起对流而传热的称为自然对流传热。
由于采用机械能—风机、搅拌器或泵等，使流体强制流动而传热的称为强制对流传热。
按流体的流动状态，有层流和湍流之分。流体的流动速度较小（雷诺准数在2320以下）时一般为层流，流动速度较大（雷诺准数在2320以上）时，一般为湍流。可是即使在湍流时，在紧邻管壁处常总有一薄层仍为层流。
流体流过固体壁面时，流体和与之直接接触的壁面间发生的热量传递过程称为放热（又称给热，对流换热），这个过程包括因流体各部位相对位移而引起的换热，也包括流体分子间进行的导热，因此它是导热和对流的混合作用。
放热过程基本关系可用下式表示：
Q=αF（t1-tb）（千卡/时）
式中：Q—单位时间内流体与壁面间的传热量（千卡/时）
t1—流体的温度（℃）
tb—壁面的温度（℃）
F—放热壁面的面积（米2）
α—放热系数（又称给热系数）（千卡/米2时℃）
放热系数α 温度差为1℃，在一小时内，由表面积为1米2的壁面与相接触的流体之间传送的热量称为放热系数。
放热系数的大小标志着壁面与流体表面之间热交换的强度。影响放热系数的因素很多。例如，流体的性质、流动的速度、流体的温度、壁面的状态、面积和温度等都影响放热系数值。一般说来，增加流体速度能够提高放热系数，也就是说，湍流时放热系数大，层流时放热系数小。流体流动方向和管壁垂直时的放热系数比平时大。当气体发生冷凝现象时的传热，滴状冷凝的放热系数比膜状冷凝大几倍至十几倍。膜状冷凝时，膜层增厚会使放热系数减少。增加气体流速，能使液膜减薄，增大放热系数，加高气体温度，会使液层粘度减少，放热系数增大。气体与传热壁之间的温度差加大时，则冷凝加速，液层加厚，使放热系数减少。在气体中如混有不凝性气体，会使放热系数大大降低。当液体为沸腾传热时，粗糙壁面的放热系数比光滑壁面为大。
由于影响放热系数的因素很多，其数值一般均由实验测得。
3.热辐射 宇宙间一切物体都以一种电磁波的方式向四面八方送出它的热量，这种向四周发射电磁波的传热现象总称为热辐射。太阳的热能就是以辐射的方式传给地球的。热辐射的发生，是物体内部原子复杂激动的结果。故物体被加热时，必有一部分热能变为辐射能。
一切物体发射的热辐射，当射达其它物体的表面时，和光线相似，部分被吸收，部分被反射，还有一部分可能透过物体。被物体吸收的辐射能，将使该物体的温度升高。
物体具备吸收、反射及透过热辐射的能力分别称为吸收率（A）、反射率（R）及透过率（D），若以入射能的总数为1，则有
A+R+D=1
A、R及D的绝对值，视物质的性质、温度和波长等而异。一般说来，对于绝大多数气体，绝对透明体和热体，A=0，R=0，D=1，即入射能全部透过。对于多数固体和液体D=0，R+A=1，此时的热辐射能够看作是物体表面的效应。当D=0，A=0，R=1时，入射能全部反射，称为绝对白体。若D=0，R=0，A=1时，入射能全部吸收，称为绝对黑体。实际上，绝对黑体和绝对白体都不存在，只是近似而已。一般说来，物体表面越粗糙、越黑、越善于吸收光线者，就越近似黑体。如绝黑的煤A=0.96,。但热辐射的黑体与光学的黑体还是有所区别的。例如，白粉墙和白雪，在光学上是所谓的白体（R=1），但对于热辐射，却是近似黑体，雪的A=0.985.因此物体对于热辐射是否吸收或反射，主要决定于表面状态，而与颜色无多大关系。
根据实验和理论分析，绝对黑体向外发射的辐射能与它的辐射面积成正比，与它的绝对温度的四次方成正比。
E0=C0F（）4（千卡/时）
式中：E0—绝对黑体的辐射能量（千卡/时）
F—辐射面积（米2）
T—物体表面的绝度温度（K）
C0—辐射系数 C0=4.96（千卡/米2时K）
一般，物体的辐射能力和吸收能力都比绝对黑体小，一个物体的辐射能量E与同温度下绝对黑体辐射能量E0的比值称为黑度。以符号ε表示。
ε=
因此任何物体的辐射能量均能够表示成
E=εE0=εC0F（）4(千卡/时)
由于辐射能量与绝对温度的四次方成正比，因此，当两个物体的温度差相差很大时，辐射换热将占据很重要的地位，可是，在制冷技术中，一般的温度都不大，辐射换热占的比例很小，在计算中，除个别情况外，对辐射换热量都不予考虑。
二、传热过程 在热交换器中，热量充温度较高的流体经过间壁传向另一侧温度较低流体的过程称为传热过程。在传热过程中，既有导热，又有对流换热。
1.单层平面壁的传热过程 单层平面壁的传热过程如图1—6所示，从图中能够看出，整个传热过程实际上是热流体到一侧壁