热能与动力工程专业外语第八章.doc

第八章 空调与制冷8.1 空调空调是一个可以同时进行多种处理的组合过程。它可以处理空气、输送空气并把空气送入被调空间中。空调可以从中央设备或屋顶单元提供热与冷。为了被调空间居住者的健康和舒适度，或者为了工业生产的目的，它还可以控制并保持预先设定的温度、湿度、空气流动、空气洁净度、噪音级别和压差。HVAC&R是供热(Heating)、通风(Ventilating)、空调(Air Conditioning)和制冷(Refrigerating)的缩写。在通常采纳的术语中，这些组合过程与现在定义的“空调”是相同的。由于所有这些单个过程的发展要要比其完整概念的“空调”要早，所以业内也普遍使用HVAC&R这个词。8.1.1 空调系统的分类根据其结构与运行特性，空调系统可分类如下：（1）独立型房间空调系统独立型房间空调系统或简单的独立空调系统采用一个单独、完全的房间空调器、一个整体式末端、一个独立的室内-室外分体机或一个热泵装置。热泵可以从一个热源吸收热量，在较高的温度上，将这些热量排放给水或空气，用于供热目的。与其他系统不同的是，这些系统通常在每个房间都采用一个完全独立的装置。独立型空调系统可分为两类：1）房间空调器（安装在窗户上）；2）整体式末端空调器（PTAC），安装时与外墙有套管连接。在工厂已组装的、准备使用的房间空调器包括以下重要部件：一个将处理好的空气增压并供给被调空间的蒸发器风扇。在肋管式盘管中，制冷剂蒸发，在管内直接膨胀，并在制冷季节从周围空气中吸收热量，这也称为直膨式（DX）盘管，在采暖季节时，当热的制冷剂向被调节空间释放热量时，它的作用就相当于热泵。一个用于清除空气中微粒的空气过滤器。一个用来把制冷剂从较低蒸发压力压缩到较高冷凝压力的压缩机。一个使制冷剂从高温气态液化为液态的冷凝器，并通过盘管和冷凝器风扇来释放热量。一个能感知被调空间的空气温度，并采用温度调节装置，通过压缩机的起停，以控制制冷或供热能力的温度控制系统。房间空调器与热泵型、整体式末端和整体式末端热泵型空调器的区别是：所有热泵型房间空调器都增加了四通换向阀。有时房间空调器被分为两个分离部分：一个是包含着压缩机和冷凝器的室外冷凝机组；一个是室内空气处理器，它可以在更恰当的位置安装空气处理器，并减小室内压缩机的噪音。可以采用单独房间的直膨式（DX）盘管来体现独立型空调系统的特性。这是一种最简单和最直接的空气冷却方法。大多数独立型系统都没有风道连接。室外空气通过窗孔或一个小的挡风板引入室内。独立型系统经常仅用在建筑物的围护区域。（2）蒸发冷却式空调系统蒸发冷却式空调系统利用液态水蒸发的冷却效应来直接或间接地冷却空气气流。它可以是工厂整体组合机组，也可以在现场安装。当蒸发冷却器只提供冷却效应的其中一部分冷量时，它也可以作为中央液体循环系统或整体式机组系统的一个部件。一个蒸发冷却系统由以下组成：进水室、过滤器、进气风机、直接接触或间接接触热交换器、排气风机、喷水室、再循环水泵和水池。蒸发冷却系统与制冷剂冷却系统相比具有耗能低的特点。它可以产生湿冷空气，并被广泛应用在美国西南干旱地区。（3）除湿空调系统在除湿空调系统中，潜热制冷是由干燥剂除湿完成，显热制冷通过蒸发冷却或蒸发制冷进行。因此，有相当部分的昂贵的蒸气压缩式制冷装置可用廉价的蒸发冷却装置代替。除湿空调通常是除湿、蒸发冷却、制冷和干燥剂再生的组合系统。在除湿空调系统中有两股气流：一股是工作气流，一股是再生气流。工作气流可以是全新风气流，也可以是室外新风和室内循环空气的混合气流。工作气流是经过处理的空气，它可以直接输送给被调空间或封闭的生产过程，也可以送往空气处理单元（AHU）、整体式机组（PU）或末端进行进一步的处理。再生气流是一种高温气流，用于干燥剂的再生。除湿空调系统通常由以下部件组成：旋转除湿装置、热管换热器、直接或间接蒸发制冷器、DX盘管和蒸气压缩式机组或水冷盘管和机组、风机、泵、换向器、控制装置、风道和管道。（4）蓄冷空调系统在蓄冷空调系统或简易的蓄冷系统中，电驱动的制冷压缩机是在非尖峰时段工作的。储箱内的冷冻水或储冰在尖峰时段用来给建筑提供冷却，在这段时间电力需求负荷和电能费用高。蓄冷系统可以降低HVAC&R系统高的用电需求，并部分或全部地将高电能费用从尖峰时段转移到非尖峰时段。蓄冷空调系统通常是一个集中式空调系统，采用冷冻水作为冷却介质。除了空气、水和制冷控制系统外，该系统还有冷冻水箱或蓄冰槽、蓄冷循环泵及调节装置。（5）洁净室空调系统洁净室或洁净空间空调系统适合于那些需要严格控制颗粒、温度、相对湿度、通风、噪音度、振动和空间压力的空间。在洁净空间空调系统中，室内环境控制的质量直接影响着洁净空间内生产的产品。洁净空间空调系统由空气再循环机组和补气机组组成，他们都包括调节风门、预过滤盘管、风机、高效颗粒空气（HEPA）过滤器、风道、管道工程、泵、制冷系统和除补气机组中的加湿器以外的相关控制。（6）空间处理空调系统空间处理空调系统也称作空间空调系统。该系统通过风机盘管、水源热泵或一些其他设备，它们在处理空间内或上面或靠近处理空间，实现冷却、除湿、加热和过滤。风机盘管由一个小风机和一个盘管构成。水源热泵通常由一个风机和一个翅片盘管来处理空气，一个水盘管在冷却时将热量排放到水回路，或在供热时从同一水回路吸收热量。一个被调房间可运行一个或多个风机盘管。通常，在建筑周边区域（外区）的各个控制区域采用小型的托架式水源热泵。在建筑中心（内区），大型水源热泵利用风道为几个房间服务。空间空调系统在被调空间中，进气风道通常很短，并且除了内区的大型水源热泵外，没有回气风道。用来循环被调空间空气的压降，通常等于或小于0.6英尺水柱（WC）（150Pa）。和单元式整体机组或中央水冷空调系统相比，空间空调系统节约了大部分用于输运回气和再循环空气的能量。空间空调系统通常用作专用（独立）的室外通风系统，为被调空间的居住者提供室外空气。空间空调系统通常具有比较高的噪音级别，并且在被调空间中，需要更多的定期维修。（7）单元式整体空调系统单元式整体空调系统可以简称为单元式空调系统或整体式空调系统。这些系统可以采用一个独立整体机组或两个分体装置。独立整体机组包括风机、过滤器、DX盘管、压缩机、冷凝器和其他配件。分体系统的室内空气处理单元由控制系统和空气系统组成，主要包括风机、过滤器和DX盘管，室外冷凝单元是制冷系统，由压缩机和冷凝器组成。屋顶安装的整体式系统是最广泛应用的。8.1.2 完整的系统在全空气供热和制冷系统中，能量和通风气流是通过风道在锅炉或空气处理器与被调空间之间传输。全空气系统可适用于所有类型的舒适性和工艺性空调。它应用于环境需要单独控制的建筑，以及有多种需求的区域，比如写字楼、学校和大学、实验室、医院、商场、酒店和轮船。全空气系统也可用于任何要求精确控制温度和湿度的特殊场合，包括洁净室、计算机房、医院手术室和工厂。通过一个独立的周边空气系统，或使用一个独立的周边踢脚板、再热辐射系统或热水、蒸汽和电阻加热的辐射系统，可以采用系统原先用来供冷的风道完成供热。很多商业建筑内部不需要加热，而是只有一个周边供热系统来补偿建筑围护的热损失。在那些仅在周边区域有供热需求，并由踢脚板散热器系统提供供热的时候，空气系统只提供室外空气必要的通风和加热。8.2 制冷制冷定义为一个从恒定的低温热源或冷媒吸收热量，并将热量转移到高温热汇的过程。制冷通过将吸收的热量和任何输入的能量传递给热汇、大气或地表水使热源的温度维持在环境温度之下。制冷系统是由部件和设备按顺序依次组合，以产生制冷效果。根据输入能量和制冷方法的不同，用于空气调节的制冷系统可分为：（1）蒸气压缩式系统在蒸气压缩式系统里，在制冷剂产生制冷效果之后，压缩机将其压缩到高温和高压状态；被压缩的制冷剂将热量传到高温热汇，并冷凝成液态；这种液态制冷剂然后节流，变成低温和低压的蒸气，在蒸发过程中产生制冷效应。蒸气压缩式是舒适性和工艺性空调中，最为广泛采用的制冷形式。（2）吸收式系统在吸收式系统里，制冷效应是输入的热能产生的。在蒸发过程中吸收冷媒的热量后，气态制冷剂被吸收剂吸收。这种溶液然后被直燃炉、废热、热水或蒸汽加热。然后制冷剂再蒸发，接着冷凝，再次开始制冷循环。（3）空气或气体膨胀系统在空气或气体膨胀系统里，空气或气体是通过机械能压缩到高压状态。然后冷却并膨胀到低压。由于在膨胀过程中，空气或气体的温度降低，因此产生了制冷效应。8.2.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环逆卡诺循环是完全可逆的，也是工作在两个恒定温度之间或两种具有无限热容不同温度流体之间制冷系统的完美循环。卡诺制冷循环有两个假设，这使它不能实现。两种外部流体的传热能力假设为无限大，这样外部流体的温度就固定维持在T0和TR（它们变为无限大的热库）。在两个换热过程，卡诺循环还假设在工质和外部流体之间没有热阻。这样，制冷剂的温度必须在冷凝器和蒸发器中分别维持在TR和T0不变。图8-2给出了单级蒸气压缩式制冷理论循环的示意图，它是实际循环的最简化近似。图中还用Ts图和ph图给出了理论循环的热力过程。尽管实用并且简单，但是有两个特点使这个循环不能达到与逆卡诺循环一样高的性能系数（Coefficient of Performance，COP）。首先是现在制冷剂通过膨胀阀（过程34）是一个不可逆的节流过程，丧失了产生有用功的机会；第二个非理想化特征是排热（过程23）并未在恒定温度下进行。后面我们会看到尽管这是一个非理想循环，然而也是不可能实现。但是它简单，能说明很多有用的趋势，并且也能修改为实际系统的近似。基于这些原因，图8-2是理解蒸气压缩式制冷循环特征的良好模型。8.2.2 多级蒸气压缩制冷循环在需要几个蒸发器提供不同蒸发温度时候，如超市，或蒸发温度变得很低的时候，通常采用多级或多压蒸气压缩式制冷循环。低的蒸发温度表明进入压缩机的制冷剂具有低的蒸发压力和低密度。两个串联的小型压缩机具有较小的排量，并且通常比一个大型的、能适用于整个蒸发压力到冷凝压力范围变化的压缩机运行效率更高。特别是对于氨制冷系统，因为在压缩过程中产生的大量的过热。8.2.3 制冷剂制冷剂是制冷、空调和热泵系统中的工作介质，它们从一个区域吸收热量，例如一个被调空调空间，然后把热量排入另外一个区域，例如室外，通常分别通过蒸发和冷凝过程进行。这些相变同时发生在吸收式和机械蒸气压缩式系统里，但不发生在采用空气等作为工质的气体循环系统中。8.2.4 压缩机压缩机有两种基本类型：容积型和速度型。容积型压缩机利用输入压缩机装置的功，通过减小压缩室的容积来增加制冷剂蒸气的压力。这些装置类型有：往复式、回转式（旋转活塞式、旋转叶片式、单螺杆式和双螺杆式）、涡旋式和摆线式。大多数往复式压缩机是单动式的，采用曲轴连杆和轴销直接驱动活塞。采用活塞杆、十字头、填料盒和喷油的双动式压缩机并未广泛采用。卤烃压缩机是最广泛采用的压缩机，它有以下三种设计类型：（1）开启式；（2）半封闭式或螺栓封闭式；（3）焊接全封闭式。8.2.5 蒸发器蒸发器是制冷系统的一个主要部件，在蒸发器中，由于从周围空气、冷冻水或其它物质中吸取热量，制冷剂蒸发。在蒸气压缩式制冷系统中，蒸发器也是一种间接接触式换热器。8.2.6 冷凝器制冷系统中的冷凝器通常是一种用于排出系统中热量的换热器。这部分热量由蒸发器吸收的热量和压缩机输入的热量组成。压缩机排出高温高压的气态制冷剂进入冷凝器，冷凝器把气态制冷剂的热量排放到一些冷却介质。这样，被冷却的制冷剂重新冷凝到液态，并排出冷凝器，以继续制冷循环。8.2.7 制冷剂控制设备控制制冷剂的流量在任何制冷系统中都是必要的。控制器包括(1)压力控制器；(2)压力传感器；(3)温度控制器；（4)流体流量传感器；（5)微分控制器和(6)浮球开关。8.2.8 吸收式制冷循环吸收式装置有两个主要的优点：(1)由热量驱动；（2)无需蒸气的机械压缩。所有的吸收式循环至少包括三个与相应环境之间的热能交换，即有三个不同温度的能量交换。最高的温度和最低的温度在热量流动上是一个方向，中间的一个或两个温度的热量流动方向是相反的。早期循环中，两个极端温度的热量（最热和最冷）是流入循环的。这个循环也被称为热量放大器、热泵，常规循环，或者第一类循环。当极端温度的热量是流出循环的，这就称为反转循环、热变压器、温度放大器、升温器或第二类循环。水-溴化锂和氨-水具有最好的综合热力学特性，并且没有已知的有害环境效应(ODP和GWP为0)。8.3 低温学低温学通常是与低的温度联系在一起的专业术语。然而，在温标上，并没有很好地定义制冷结束和低温开始的位置。大多数从事这一领域的科学家和工程师将低温限制在125K之下，因为大多数的永久气体（如氦、氢、氖、氮、氩、氧、空气）的沸点低于这个温度。相反，大多数常见制冷剂的沸点高于这个温度。