发布于 03-02 12:04:22
一、空调系统中常用的基本物理量
1.温度
温度是用来衡量物体冷热程度的物理量，用温标来表示。温度只反映物体冷热的程度，并不表示物体具有热量的多少。物体温度的高低可用温度计来测量，温度计是利用某些物质的体积随温度的变化而改变的特性制成的。常用的温度计有水银温度计和酒精温度计。
（1）温标 温度计上的标尺称为温标，工程上常用的温标包括：摄氏温标，用℃表示；热力学温标，用K表示；华氏温标，用℉表示。用这三种温标测得的温度分别为摄氏温度、热力学温度和华氏温度，如图1-1所示。
图1-1 华氏温度计与摄氏温度计
1）摄氏温标。摄氏温标将标准大气压下水的冰点（海平面）定为0℃，水的沸腾点定为100℃，把这两者之间分为100等份，每份为1℃。用摄氏温标标定的温度称为摄氏温度，用符号t表示，单位为℃。摄氏温度是人们日常生活中应用最为广泛的温标，其常用温度计如图1-2所示。
2）华氏温标。华氏温标将标准大气压下水的冰点定为32，沸点为212℉，把这两者之间分为180等份，每份为1℉。用华氏温标标定的温度称为华氏温度，其符号为θ，单位为℉。
3）热力学温标。理论上把物体内部分子完全停止热运动的点称为绝对零度，将此温度定为0K，纯水的三相点定为273.16K，这种标定温度的温标称为热力学温标，用热力学温标测定的温度称为热力学温度，其符号为T，单位为K。热力学温标与摄氏温标的间隔相同。
在我国，表示温度通常使用摄氏温标，在欧美华氏温标使用比较普遍，三种温度的比较换算见表1-1。温度对照示意图如图1-3所示
图1-2 常用温度计
表1-1 温度的比较换算
（2）温度类型
1）冷凝温度。在空调系统中，在冷凝器中制冷剂在一定高压下由气态变为液态时的温度称为冷凝温度。
2）蒸发温度。在空调系统中，在蒸发器中制冷剂低压汽化时的温度称为蒸发温度。
图1-3 温度对照
2.压力（压强）与真空
（1）压力单位 压力（压强）是指单位面积上所承受的均匀分布且垂直于该表面的力，在工程上俗称压力。压力的法定计量单位是帕斯卡，单位符号为Pa。物理意义是1m2的面积上作用有1N的力。由于此单位较小，常用的单位是kPa和MPa。
1MPa=1000kPa=106Pa
在实际使用中还有几个常用的压强单位，如千克力/平方厘米（kgf/cm2）、毫米汞柱（mmHg）、标准大气压（atm）及磅力/平方英寸（psi）等。它们之间的换算关系见表1-2
表1-2 几个常用压强单位之间的换算关系
此外，还有些地方采用巴（bar）作为压强单位，它与帕斯卡（Pa）的换算关系为
1bar=105Pa
（2）标准大气压 纬度45°的海平面上常年平均气压称为标准大气压（atm）。
1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg
（3）真空与真空度 真空是指低于标准大气压的气体状态与标准大气压下的气体状态相比较，单位体积中气体的分子数目减少了的一种现象，因此是一个相对概念。绝对真空是不存在的。真空度用来表示实现真空的程度。真空程度越高，意味着单位体积中气体分子数减少得越多，也就是说压强随之减小得也越多，因此真空度是以气体压强大小来表示的。压强越低，表示真空度越高。反之，压强越高，表示真空度越低。若以汞柱高度来表示，当压强高到760mmHg时，则意味着真空“消失”了，若压强继续升高，即超过了标准大气压时，则用“正压”表示。相反，低于标准大气压，即真空状态的压强，则以“负压”来表示。
（4）绝对压力与表压力 实际运用中，压力的表示方法有三种，分别是绝对压力、表压力和真空度。绝对压力表示作用于单位面积上压力的绝对值，指完全真空状态下测出的压力。
表压力是指用压力表测出的压力，表示比标准大气压高出的压力数值，即
绝对压力=表压力+1atm
为了与绝对压力相区别，常在表压力的具体数字后面加符号“（G）”，如10kPa（G）。真空度表示比标准大气压低多少的具体数量。它们之间的基本关系如图1-4所示。
图1-4 绝对压力、表压力和真空度之间的基本关系
3.湿度
湿度用来表示空气中水蒸气的含量。湿度较高时，人就会感到不舒适。空气中常因含有一定数量的水蒸气而呈现为湿空气。
（1）饱和空气和未饱和空气 在一定温度下，空气所含的水蒸气量（即水蒸气分压力）有一个最大限度，这个最大限度就是空气湿度所对应的水蒸气饱和压力，超过这一限度，多余的水蒸气就会从湿空气中凝结出来。
（2）露点 将自然环境的空气冷却后，空气的湿度便降低，当湿度达到100%时，即干球温度和湿球温度相同时，空气中所含有的水蒸气便成为饱和状态，再进一步冷却，水蒸气便不能以其原来的状态存在下去，其中一部分凝结成露水，这一临界温度称为露点。
（3）相对湿度和绝对湿度 通常空气中水蒸气的最大含量随温度不同而异；空气温度较高时，水蒸气的最大含量要比温度较低时大。表示湿度大小有两种表示方法，一种叫相对湿度，另一种叫绝对湿度。
1）相对湿度。在某一温度下，空气中实际含水蒸气量（以质量计）与空气在该温度下所能含水蒸气量（质量）之比。通常随着温度的升高，空气中所能含的水蒸气量会增加，如果空气的实际含水蒸气量不变，温度升高，则空气的相对湿度下降，如图1-5所示。它常用百分比表示，100%称为饱和空气，0%称为干空气。
空气的相对湿度是衡量制冷系统工作性能的一个重要因素，试验表明，在26℃相对湿度为30%和在22℃相对湿度为90%这两个环境里，人体的感觉是一样的。
2）绝对湿度。空气中所含水蒸气的量（质量）与干空气量之比。
图1-5 空气的相对湿度
（4）湿度的测量 湿度的测量通常用干湿球温度计，干球温度就是普通的温度计。湿球温度计是将干球温度计的玻璃球处包上纱布，再将纱布浸在水中，如图1-6所示，水便在毛细管的作用下湿润温度计，由于湿纱布上的水分蒸发需要吸收相应的汽化热，湿球温度计上的读数将要比干球温度计上的读数低一些，此时湿球温度计所指示的温度叫湿球温度。通过计算干球温度和湿球温度的差值，就可以算出空气的湿度。干湿球温差越大，表明空气越干燥，反之，空气越潮湿。标准湿球温度应在感温球周围有3～5m/s的风速。
图1-6 干湿球温度计（干湿计）
4.饱和温度和饱和压力
如果对制冷剂加热，则其中的一部分液体就会变成蒸气；反之，如果制冷剂放出热量，则其中的一部分蒸气又会变成液体（温度不变）。在这种制冷剂液体和蒸气处于共存的状态时，液体和蒸气是可以彼此转换的。处于这种状态的制冷剂蒸气叫饱和蒸气，这种状态下的制冷剂液体叫饱和液体。汽化过程中，由饱和液体和饱和蒸气组成的混合物称为湿饱和蒸气，简称湿蒸气。饱和蒸气的温度叫饱和温度；饱和蒸气的压力叫饱和压力。干饱和蒸气指在容器中的液体全部蒸发成蒸气的状态。
通常所说的沸点都是指液体在一个大气压下的饱和温度。对于不同的液体，在同一压力下，它的饱和温度也是不同的，见表1-3。
表1-3 几种液体在一个标准大气压下的正常沸点
5.临界温度和临界压力
各种气体在一定的温度和压力下都可以液化。气体温度越高，可以使之液化的压力也就越高。但是，当温度升高超过某一数值后，压力再大也不能使气体液化。这一特定的温度就称为临界温度。在这一温度下能使气体液化的最低压力，就叫临界压力。不同的气体，其临界温度和临界压力也各不相同，表1-4列出了几种氟制冷剂的临界温度和临界压力。
表1-4 几种氟制冷剂的临界温度和临界压力
6.制冷能力与制冷负荷
（1）制冷能力 制冷机就是把热量不断地从低温物体转移给高温物体的装置。制冷能力的大小是以单位时间内所能转移的热量来表示的，单位为J/h。
（2）制冷负荷 为了把车内的温度和湿度保持在一定的范围内，必须将来自车外太阳的辐射热和车内的物体散发出的热量排到大气中去。这两种热量的总和就叫制冷负荷。
7.汽化和冷凝
（1）汽化 对液体加热，使其从液态转变为气态的过程称为汽化过程（图1-7a）。汽化有两种方式：蒸发与沸腾。
图1-7 汽化、冷凝示意图
a）汽化 b）冷凝
1）蒸发。液面上发生的汽化现象称为蒸发。衣服晾干的过程就是一个典型的蒸发过程。蒸发的快慢与蒸发的条件有很大的关系。液体的温度越高，蒸发越快；液体的蒸发面积越大，或者液体表面气体速度越大，蒸发越快。蒸发过程是一个吸热冷却过程。
2）沸腾。将液体加热到某一温度时，例如将水在常压下加热到100℃，其内部会产生许多气泡，这些气泡不断自由到达液体表面破裂而放出蒸气，这种在液体内部以气泡形式出现的汽化现象叫沸腾。
蒸发与沸腾虽然同属于汽化现象，但在一定压力下，蒸发可以在任何温度下进行，而沸腾只能在到达与液体表面压力相对应的一定温度（沸点）时才能进行。液体沸腾时的温度称为沸点，又称该压力下的饱和温度，该压力称为饱和压力。液体的沸点与它的表面压力有直接的关系，压力越高，沸点越高，如图1-8所示。
对液体加热，可使液体沸腾。然而将液体的压力降到相应于该液体温度下的饱和压力时，液体同样也能进行沸腾，如图1-9所示。
汽化需要吸收热量，单位质量的液体完全变成同温度下的气体所需要的热量，称为汽化热。同一种液体，在不同饱和温度时，其汽化热也不同。一般来说，温度越高，汽化热越小。处于饱和温度时的蒸气称为饱和蒸气。将饱和蒸气在定压下加热，即可成为过热蒸气过热蒸气的温度比同压力下饱和蒸气的温度高。两者之差称为过热度。
图1-8 压力对沸点的影响
图1-9 在密封和敞开系统中的沸点
（2）冷凝 当蒸气受到冷却时，放出热量，由气体变成液体的过程称为冷凝（图1-7b）。冷凝时的温度称为饱和温度，如果将冷凝后的液体再度冷却，使其温度低于饱和温度，这种现象称为过冷，两者的温度差称为过冷度。气体冷凝时要放出热量。同样质量的饱和蒸气冷凝时放出的热量等于同温度下的汽化热。物态变化与热量的关系如图1-10所示。
图1-10 物态变化与热量的关系
二、热传递的基本形式
热量是热传导过程中物体内能变化的量度。热是能量的一种基本形式，它不能消失，只能从一个物体传递到另一个物体或从同一物体的一部分传递到另外一部分。根据科学定律热量只能从高温表面传递到低温表面，直至温度相同为止。热传递的速度取决于高温表面与低温表面之间的温差。热量的法定计量单位是焦耳，单位符号为J。
空调的工作过程实际就是热量的传递和转移的过程，热量都是通过以下3个途径传递的。
1.传导
在受热不均匀的物体中，通过分子运动，将热能由较热的一端传到较冷的一端的过程称为传导。这种交换方式将一直进行到整个物体的温度相等时为止，如图1-11所示。
2.对流
当液体或气体的温度发生变化后，其比重也随之发生变化。温度低的相对密度大，因重力作用而向下流动；温度高的相对密度小，而向上升，从而形成对流。由于液体或气体本身的相对密度变化而形成的对流称为自然对流；若由于外力作用，使气体或液体的流速加快则称为强制对流，如图1-12所示
图1-11 热传导
图1-12 热对流
3.辐射
物体之间在不接触的情况下，高温物体将热量直接向外传给低温物体的传递方式，叫作热辐射。如图1-13所示，当一辆汽车在太阳下行驶或停靠的时候，来自许多热源的热量都可能进入车内，这些热源包括：周围空气、阳光、发动机热量、路面热量和排气热量等，所有这些热源都增加了车内的空气温度。如果车辆周围的温度很高（如夏天气温达到36℃以上），且车辆暴露在太阳底下，在车窗关闭的情况下，车内温度可能达到惊人的65～70℃这是由于日光穿过空气照射到汽车的外表和内部，此时光能变为热能使汽车升温。
图1-13 热辐射
三、物质的状态变化和热的形态
1.物质的状态变化
增加或减少物质的热量，物质的温度可能发生变化，物质的状态也可能发生变化。
对冰加热，冰的温度会慢慢升高；当温度达到0℃时，冰就开始熔化，在这一阶段，0℃的水与冰共存；继续加热直至冰全部转变为0℃的水，这一固态转变为液态的过程称为熔化，而反过来的过程称为凝固。对水加热，水从0℃升高到100℃。在100℃时，水的温度不再继续升高，而开始蒸发，直至水全部蒸发为水蒸气，水的加热过程如图1-14所示。水从液态变为气态的过程称为汽化（蒸发），相反的过程称为冷凝。物质从固态直接转化为气体称为升华，相反的过程称为凝华。
2.热的形态
从水的加热过程中可以看出，加热水时，水的温度会随加热量的增加而温度升高。当加热到100℃时，水的温度不再升高，而是从液态向气态转变（图1-14）。这说明了加给水的热量有两种结果，一种是使水的温度升高，另一种是使水的状态发生变化。人们将使物质温度升高的热量称为显热，将使物质状态发生变化的热量称为潜热（图1-15）。
图1-14 水的加热过程和状态变化
图1-15 显热和潜热
a）热的形态 b）显热和潜热
潜热按物体状态变化不同，可分为以下几种：
（1）液化热 在某温度时，物质从气体变成相同温度液体时放出的热叫作液化热。
（2）凝固热 在某温度时，物质从液体变成相同温度固体时放出的热叫作凝固热。
（3）熔化热 在某温度时，物质从固体变成相同温度液体时吸收的热叫作熔化热。
（4）汽化热 在某温度时，物质从液体变成相同温度气体时吸收的热叫作汽化热。
（5）升华热 在某温度时，物质从固体变成相同温度气体时吸收的热叫作升华热。
（6）凝华热 在某温度时，物质从气体变成相同温度固体时放出的热叫作凝华热。
例如1kg水沸腾开始汽化，到水完全汽化为止，所加入的热量为2500kJ，这一热量就是水的汽化潜热。水的相变过程如图1-16所示。
图1-16 水的相变过程
四、热力学的两个基本定律
1.热力学第一定律
汽车制冷系统在系统运行中，一直发生着不同形式的能量之间的互相转换和传递，使制冷剂状态发生变化。在压缩机内，压缩机对制冷剂进行压缩，增加了制冷剂的热能，在冷凝器内，制冷剂又把热能传递给周围的空气而自身冷凝，在蒸发器内，制冷剂吸收车内空气的热量沸腾而变成气体，这一系列的热量传递和转换都是等量的。也就是说，热量传递，或者在机械功和热量的转换过程中，能量总和保持不变。这就是热力学第一定律。
2.热力学第二定律
热量不能自动地由低温的物体传向高温的物体。但是，热量可以有条件地由低温物体传向高温物体，这个条件就是要消耗外功。其关系表达式为
式中 QH——从高温热源放出的热量
QC——从低温热源吸收的热量
W——制冷压缩机所消耗的功
汽车空调制冷系统就是在消耗一定功的条件下，利用制冷剂的状态变化，从而将热能由低温物体（车内空气）传向高温物体（车外空气）。
五、节流
由于遇到突然缩小的狭窄通道，而使流体压力显著下降的现象，称为节流。气体或蒸气在管道中流动时，通道截面积突然缩小，如阀门、孔板等，流体压力便下降。这种状态变化称为节流，如图1-17所示。
汽车空调自1925年问世以来，经过几十年的发展，已经由最初的奢侈品成为必需品，它大大改善了车内环境，改善了驾驶人的工作条件，提高了乘员的舒适性。汽车空调示意图如图1-18所示。
图1-17 节流示意图
图1-18 汽车空调示意图
