熱能與動力工程專業(yè)外語第八章.doc

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第八章 空調(diào)與制冷 8.1 空調(diào) 空調(diào)是一個可以同時進行多種處理的組合過程。它可以處理空氣、輸送空氣并把空氣送入被調(diào)空間中?？照{(diào)可以從中央設(shè)備或屋頂單元提供熱與冷。為了被調(diào)空間居住者的健康和舒適度，或者為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，它還可以控制并保持預先設(shè)定的溫度、濕度、空氣流動、空氣潔凈度、噪音級別和壓差。 HVAC&R是供熱(Heating)、通風(Ventilating)、空調(diào)(Air Conditioning)和制冷(Refrigerating)的縮寫。在通常采納的術(shù)語中，這些組合過程與現(xiàn)在定義的“空調(diào)”是相同的。由于所有這些單個過程的發(fā)展要要比其完整概念的“空調(diào)”要早，所以業(yè)內(nèi)也普遍使用HVAC&R這個詞。 8.1.1 空調(diào)系統(tǒng)的分類 根據(jù)其結(jié)構(gòu)與運行特性，空調(diào)系統(tǒng)可分類如下： （1）獨立型房間空調(diào)系統(tǒng) 獨立型房間空調(diào)系統(tǒng)或簡單的獨立空調(diào)系統(tǒng)采用一個單獨、完全的房間空調(diào)器、一個整體式末端、一個獨立的室內(nèi)-室外分體機或一個熱泵裝置。熱泵可以從一個熱源吸收熱量，在較高的溫度上，將這些熱量排放給水或空氣，用于供熱目的。與其他系統(tǒng)不同的是，這些系統(tǒng)通常在每個房間都采用一個完全獨立的裝置。獨立型空調(diào)系統(tǒng)可分為兩類： 1）房間空調(diào)器（安裝在窗戶上）； 2）整體式末端空調(diào)器（PTAC），安裝時與外墻有套管連接。 在工廠已組裝的、準備使用的房間空調(diào)器包括以下重要部件：一個將處理好的空氣增壓并供給被調(diào)空間的蒸發(fā)器風扇。在肋管式盤管中，制冷劑蒸發(fā)，在管內(nèi)直接膨脹，并在制冷季節(jié)從周圍空氣中吸收熱量，這也稱為直膨式（DX）盤管，在采暖季節(jié)時，當熱的制冷劑向被調(diào)節(jié)空間釋放熱量時，它的作用就相當于熱泵。一個用于清除空氣中微粒的空氣過濾器。一個用來把制冷劑從較低蒸發(fā)壓力壓縮到較高冷凝壓力的壓縮機。一個使制冷劑從高溫氣態(tài)液化為液態(tài)的冷凝器，并通過盤管和冷凝器風扇來釋放熱量。一個能感知被調(diào)空間的空氣溫度，并采用溫度調(diào)節(jié)裝置，通過壓縮機的起停，以控制制冷或供熱能力的溫度控制系統(tǒng)。 房間空調(diào)器與熱泵型、整體式末端和整體式末端熱泵型空調(diào)器的區(qū)別是：所有熱泵型房間空調(diào)器都增加了四通換向閥。有時房間空調(diào)器被分為兩個分離部分：一個是包含著壓縮機和冷凝器的室外冷凝機組；一個是室內(nèi)空氣處理器，它可以在更恰當?shù)奈恢冒惭b空氣處理器，并減小室內(nèi)壓縮機的噪音。 可以采用單獨房間的直膨式（DX）盤管來體現(xiàn)獨立型空調(diào)系統(tǒng)的特性。這是一種最簡單和最直接的空氣冷卻方法。大多數(shù)獨立型系統(tǒng)都沒有風道連接。室外空氣通過窗孔或一個小的擋風板引入室內(nèi)。獨立型系統(tǒng)經(jīng)常僅用在建筑物的圍護區(qū)域。 （2）蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng) 蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)利用液態(tài)水蒸發(fā)的冷卻效應來直接或間接地冷卻空氣氣流。它可以是工廠整體組合機組，也可以在現(xiàn)場安裝。當蒸發(fā)冷卻器只提供冷卻效應的其中一部分冷量時，它也可以作為中央液體循環(huán)系統(tǒng)或整體式機組系統(tǒng)的一個部件。 一個蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)由以下組成：進水室、過濾器、進氣風機、直接接觸或間接接觸熱交換器、排氣風機、噴水室、再循環(huán)水泵和水池。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與制冷劑冷卻系統(tǒng)相比具有耗能低的特點。它可以產(chǎn)生濕冷空氣，并被廣泛應用在美國西南干旱地區(qū)。 （3）除濕空調(diào)系統(tǒng) 在除濕空調(diào)系統(tǒng)中，潛熱制冷是由干燥劑除濕完成，顯熱制冷通過蒸發(fā)冷卻或蒸發(fā)制冷進行。因此，有相當部分的昂貴的蒸氣壓縮式制冷裝置可用廉價的蒸發(fā)冷卻裝置代替。除濕空調(diào)通常是除濕、蒸發(fā)冷卻、制冷和干燥劑再生的組合系統(tǒng)。 在除濕空調(diào)系統(tǒng)中有兩股氣流：一股是工作氣流，一股是再生氣流。工作氣流可以是全新風氣流，也可以是室外新風和室內(nèi)循環(huán)空氣的混合氣流。工作氣流是經(jīng)過處理的空氣，它可以直接輸送給被調(diào)空間或封閉的生產(chǎn)過程，也可以送往空氣處理單元（AHU）、整體式機組（PU）或末端進行進一步的處理。再生氣流是一種高溫氣流，用于干燥劑的再生。 除濕空調(diào)系統(tǒng)通常由以下部件組成：旋轉(zhuǎn)除濕裝置、熱管換熱器、直接或間接蒸發(fā)制冷器、DX盤管和蒸氣壓縮式機組或水冷盤管和機組、風機、泵、換向器、控制裝置、風道和管道。 （4）蓄冷空調(diào)系統(tǒng) 在蓄冷空調(diào)系統(tǒng)或簡易的蓄冷系統(tǒng)中，電驅(qū)動的制冷壓縮機是在非尖峰時段工作的。儲箱內(nèi)的冷凍水或儲冰在尖峰時段用來給建筑提供冷卻，在這段時間電力需求負荷和電能費用高。蓄冷系統(tǒng)可以降低HVAC&R系統(tǒng)高的用電需求，并部分或全部地將高電能費用從尖峰時段轉(zhuǎn)移到非尖峰時段。 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)通常是一個集中式空調(diào)系統(tǒng)，采用冷凍水作為冷卻介質(zhì)。除了空氣、水和制冷控制系統(tǒng)外，該系統(tǒng)還有冷凍水箱或蓄冰槽、蓄冷循環(huán)泵及調(diào)節(jié)裝置。 （5）潔凈室空調(diào)系統(tǒng) 潔凈室或潔凈空間空調(diào)系統(tǒng)適合于那些需要嚴格控制顆粒、溫度、相對濕度、通風、噪音度、振動和空間壓力的空間。在潔凈空間空調(diào)系統(tǒng)中，室內(nèi)環(huán)境控制的質(zhì)量直接影響著潔凈空間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品。 潔凈空間空調(diào)系統(tǒng)由空氣再循環(huán)機組和補氣機組組成，他們都包括調(diào)節(jié)風門、預過濾盤管、風機、高效顆粒空氣（HEPA）過濾器、風道、管道工程、泵、制冷系統(tǒng)和除補氣機組中的加濕器以外的相關(guān)控制。 （6）空間處理空調(diào)系統(tǒng) 空間處理空調(diào)系統(tǒng)也稱作空間空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過風機盤管、水源熱泵或一些其他設(shè)備，它們在處理空間內(nèi)或上面或靠近處理空間，實現(xiàn)冷卻、除濕、加熱和過濾。風機盤管由一個小風機和一個盤管構(gòu)成。水源熱泵通常由一個風機和一個翅片盤管來處理空氣，一個水盤管在冷卻時將熱量排放到水回路，或在供熱時從同一水回路吸收熱量。 一個被調(diào)房間可運行一個或多個風機盤管。通常，在建筑周邊區(qū)域（外區(qū)）的各個控制區(qū)域采用小型的托架式水源熱泵。在建筑中心（內(nèi)區(qū)），大型水源熱泵利用風道為幾個房間服務。 空間空調(diào)系統(tǒng)在被調(diào)空間中，進氣風道通常很短，并且除了內(nèi)區(qū)的大型水源熱泵外，沒有回氣風道。用來循環(huán)被調(diào)空間空氣的壓降，通常等于或小于0.6英尺水柱（WC）（150Pa）。和單元式整體機組或中央水冷空調(diào)系統(tǒng)相比，空間空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約了大部分用于輸運回氣和再循環(huán)空氣的能量?？臻g空調(diào)系統(tǒng)通常用作專用（獨立）的室外通風系統(tǒng)，為被調(diào)空間的居住者提供室外空氣。 空間空調(diào)系統(tǒng)通常具有比較高的噪音級別，并且在被調(diào)空間中，需要更多的定期維修。 （7）單元式整體空調(diào)系統(tǒng) 單元式整體空調(diào)系統(tǒng)可以簡稱為單元式空調(diào)系統(tǒng)或整體式空調(diào)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以采用一個獨立整體機組或兩個分體裝置。獨立整體機組包括風機、過濾器、DX盤管、壓縮機、冷凝器和其他配件。分體系統(tǒng)的室內(nèi)空氣處理單元由控制系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)組成，主要包括風機、過濾器和DX盤管，室外冷凝單元是制冷系統(tǒng)，由壓縮機和冷凝器組成。屋頂安裝的整體式系統(tǒng)是最廣泛應用的。 8.1.2 完整的系統(tǒng) 在全空氣供熱和制冷系統(tǒng)中，能量和通風氣流是通過風道在鍋爐或空氣處理器與被調(diào)空間之間傳輸。全空氣系統(tǒng)可適用于所有類型的舒適性和工藝性空調(diào)。它應用于環(huán)境需要單獨控制的建筑，以及有多種需求的區(qū)域，比如寫字樓、學校和大學、實驗室、醫(yī)院、商場、酒店和輪船。全空氣系統(tǒng)也可用于任何要求精確控制溫度和濕度的特殊場合，包括潔凈室、計算機房、醫(yī)院手術(shù)室和工廠。 通過一個獨立的周邊空氣系統(tǒng)，或使用一個獨立的周邊踢腳板、再熱輻射系統(tǒng)或熱水、蒸汽和電阻加熱的輻射系統(tǒng)，可以采用系統(tǒng)原先用來供冷的風道完成供熱。很多商業(yè)建筑內(nèi)部不需要加熱，而是只有一個周邊供熱系統(tǒng)來補償建筑圍護的熱損失。在那些僅在周邊區(qū)域有供熱需求，并由踢腳板散熱器系統(tǒng)提供供熱的時候，空氣系統(tǒng)只提供室外空氣必要的通風和加熱。 8.2 制冷 制冷定義為一個從恒定的低溫熱源或冷媒吸收熱量，并將熱量轉(zhuǎn)移到高溫熱匯的過程。制冷通過將吸收的熱量和任何輸入的能量傳遞給熱匯、大氣或地表水使熱源的溫度維持在環(huán)境溫度之下。 制冷系統(tǒng)是由部件和設(shè)備按順序依次組合，以產(chǎn)生制冷效果。根據(jù)輸入能量和制冷方法的不同，用于空氣調(diào)節(jié)的制冷系統(tǒng)可分為： （1）蒸氣壓縮式系統(tǒng) 在蒸氣壓縮式系統(tǒng)里，在制冷劑產(chǎn)生制冷效果之后，壓縮機將其壓縮到高溫和高壓狀態(tài)；被壓縮的制冷劑將熱量傳到高溫熱匯，并冷凝成液態(tài)；這種液態(tài)制冷劑然后節(jié)流，變成低溫和低壓的蒸氣，在蒸發(fā)過程中產(chǎn)生制冷效應。蒸氣壓縮式是舒適性和工藝性空調(diào)中，最為廣泛采用的制冷形式。 （2）吸收式系統(tǒng) 在吸收式系統(tǒng)里，制冷效應是輸入的熱能產(chǎn)生的。在蒸發(fā)過程中吸收冷媒的熱量后，氣態(tài)制冷劑被吸收劑吸收。這種溶液然后被直燃爐、廢熱、熱水或蒸汽加熱。然后制冷劑再蒸發(fā)，接著冷凝，再次開始制冷循環(huán)。 （3）空氣或氣體膨脹系統(tǒng) 在空氣或氣體膨脹系統(tǒng)里，空氣或氣體是通過機械能壓縮到高壓狀態(tài)。然后冷卻并膨脹到低壓。由于在膨脹過程中，空氣或氣體的溫度降低，因此產(chǎn)生了制冷效應。 8.2.1 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán) 逆卡諾循環(huán)是完全可逆的，也是工作在兩個恒定溫度之間或兩種具有無限熱容不同溫度流體之間制冷系統(tǒng)的完美循環(huán)。 卡諾制冷循環(huán)有兩個假設(shè)，這使它不能實現(xiàn)。兩種外部流體的傳熱能力假設(shè)為無限大，這樣外部流體的溫度就固定維持在T0和TR（它們變?yōu)闊o限大的熱庫）。在兩個換熱過程，卡諾循環(huán)還假設(shè)在工質(zhì)和外部流體之間沒有熱阻。這樣，制冷劑的溫度必須在冷凝器和蒸發(fā)器中分別維持在TR和T0不變。 圖8-2給出了單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的示意圖，它是實際循環(huán)的最簡化近似。圖中還用T－s圖和p－h(huán)圖給出了理論循環(huán)的熱力過程。盡管實用并且簡單，但是有兩個特點使這個循環(huán)不能達到與逆卡諾循環(huán)一樣高的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）。首先是現(xiàn)在制冷劑通過膨脹閥（過程3－4）是一個不可逆的節(jié)流過程，喪失了產(chǎn)生有用功的機會；第二個非理想化特征是排熱（過程2－3）并未在恒定溫度下進行。后面我們會看到盡管這是一個非理想循環(huán)，然而也是不可能實現(xiàn)。但是它簡單，能說明很多有用的趨勢，并且也能修改為實際系統(tǒng)的近似?；谶@些原因，圖8-2是理解蒸氣壓縮式制冷循環(huán)特征的良好模型。 8.2.2 多級蒸氣壓縮制冷循環(huán) 在需要幾個蒸發(fā)器提供不同蒸發(fā)溫度時候，如超市，或蒸發(fā)溫度變得很低的時候，通常采用多級或多壓蒸氣壓縮式制冷循環(huán)。低的蒸發(fā)溫度表明進入壓縮機的制冷劑具有低的蒸發(fā)壓力和低密度。兩個串聯(lián)的小型壓縮機具有較小的排量，并且通常比一個大型的、能適用于整個蒸發(fā)壓力到冷凝壓力范圍變化的壓縮機運行效率更高。特別是對于氨制冷系統(tǒng)，因為在壓縮過程中產(chǎn)生的大量的過熱。 8.2.3 制冷劑 制冷劑是制冷、空調(diào)和熱泵系統(tǒng)中的工作介質(zhì)，它們從一個區(qū)域吸收熱量，例如一個被調(diào)空調(diào)空間，然后把熱量排入另外一個區(qū)域，例如室外，通常分別通過蒸發(fā)和冷凝過程進行。這些相變同時發(fā)生在吸收式和機械蒸氣壓縮式系統(tǒng)里，但不發(fā)生在采用空氣等作為工質(zhì)的氣體循環(huán)系統(tǒng)中。 8.2.4 壓縮機 壓縮機有兩種基本類型：容積型和速度型。容積型壓縮機利用輸入壓縮機裝置的功，通過減小壓縮室的容積來增加制冷劑蒸氣的壓力。這些裝置類型有：往復式、回轉(zhuǎn)式（旋轉(zhuǎn)活塞式、旋轉(zhuǎn)葉片式、單螺桿式和雙螺桿式）、渦旋式和擺線式。 大多數(shù)往復式壓縮機是單動式的，采用曲軸連桿和軸銷直接驅(qū)動活塞。采用活塞桿、十字頭、填料盒和噴油的雙動式壓縮機并未廣泛采用。鹵烴壓縮機是最廣泛采用的壓縮機，它有以下三種設(shè)計類型：（1）開啟式；（2）半封閉式或螺栓封閉式；（3）焊接全封閉式。 8.2.5 蒸發(fā)器 蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)的一個主要部件，在蒸發(fā)器中，由于從周圍空氣、冷凍水或其它物質(zhì)中吸取熱量，制冷劑蒸發(fā)。在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器也是一種間接接觸式換熱器。 8.2.6 冷凝器 制冷系統(tǒng)中的冷凝器通常是一種用于排出系統(tǒng)中熱量的換熱器。這部分熱量由蒸發(fā)器吸收的熱量和壓縮機輸入的熱量組成。壓縮機排出高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進入冷凝器，冷凝器把氣態(tài)制冷劑的熱量排放到一些冷卻介質(zhì)。這樣，被冷卻的制冷劑重新冷凝到液態(tài)，并排出冷凝器，以繼續(xù)制冷循環(huán)。 8.2.7 制冷劑控制設(shè)備 控制制冷劑的流量在任何制冷系統(tǒng)中都是必要的?？刂破靼?1)壓力控制器；(2)壓力傳感器；(3)溫度控制器；（4)流體流量傳感器；（5)微分控制器和(6)浮球開關(guān)。 8.2.8 吸收式制冷循環(huán) 吸收式裝置有兩個主要的優(yōu)點：(1)由熱量驅(qū)動；（2)無需蒸氣的機械壓縮。 所有的吸收式循環(huán)至少包括三個與相應環(huán)境之間的熱能交換，即有三個不同溫度的能量交換。 最高的溫度和最低的溫度在熱量流動上是一個方向，中間的一個或兩個溫度的熱量流動方向是相反的。早期循環(huán)中，兩個極端溫度的熱量（最熱和最冷）是流入循環(huán)的。這個循環(huán)也被稱為熱量放大器、熱泵，常規(guī)循環(huán)，或者第一類循環(huán)。當極端溫度的熱量是流出循環(huán)的，這就稱為反轉(zhuǎn)循環(huán)、熱變壓器、溫度放大器、升溫器或第二類循環(huán)。 水-溴化鋰和氨-水具有最好的綜合熱力學特性，并且沒有已知的有害環(huán)境效應(ODP和GWP為0)。 8.3 低溫學 低溫學通常是與低的溫度聯(lián)系在一起的專業(yè)術(shù)語。然而，在溫標上，并沒有很好地定義制冷結(jié)束和低溫開始的位置。大多數(shù)從事這一領(lǐng)域的科學家和工程師將低溫限制在125K之下，因為大多數(shù)的永久氣體（如氦、氫、氖、氮、氬、氧、空氣）的沸點低于這個溫度。相反，大多數(shù)常見制冷劑的沸點高于這個溫度。