散热过程与热力原理.pdf

!第一篇散热过程与热力原理总述第一章散热基础知识第一节热力学基础一、表征物理状态的基本参数获得低温的方法很多，总体上可分为物理方法和化学方法两类。目前，在制冷技术中多采用物理方法。物理方法制冷是运用物质的物理变化来实现的，我们把这些物质称做制冷剂或制冷工质。制冷剂在制冷系统中不断地进行状态变化，即处于各种不同的热力状态。用以描述制冷剂热力状态的宏观物理量称为热力状态参数，简称状态参数。状态参数有温度（!）、压力（）、质更体积（#）、焓（$）、熵（%）、内能（&）等，其中温度、压力和质量体积三个参数又称为制冷剂的热力状态的基本参数，简称基本参数。!温度温度是表示物体冷、热程度的物理量，是大量分子移动的动能平均值的标志。所有的气体、液体、固体都具有热。热度的数量表示就叫温度。温度采用仪表测量时，为了使温度的测量准确一致，需要有衡量温度的#第一章散热基础知识标尺（称温标），规定测量温度的基点和测量单位。目前，在日常生活和制冷技术中常用的是摄氏温标制、华氏温标制和热力学温标制三种。摄氏温标!，又叫国标百度温标，单位是“”。它是以纯净的水，在一个标准大气压下的冰点为#度，沸点为$#度，其间分$#个等份，每一等份定为摄氏一度，记做$。摄氏温标制为十进制，简单易算。我国与俄罗斯等国多采用这种温标制。相应的温度计为摄氏温度计。华氏温标%（非法定单位），单位是“&%”。它是以纯净的水，在一个标准大气压下的冰点为(度，沸点为($(度，其间分$)#等份，每一等份定为华氏一度，记做$&%。因其分度较细，故准确性较高，但使用不便。英美各国仍采用这种温标制。相应的温度计为华氏温度计。热力学温标*，是国际制温标，单位是+。它规定以纯水的三相点作为基点。为了便于记忆，将纯净的水在一个标准大气压下的冰点定为(,度，沸点为,度，其间分$#个等份，每一等份为开氏一度，记做$+。在热力学中规定，当物体内部分子的运动终止，其热力学温度为零度，即*-!。按国际规定，当温度在零上时，温度数值前面加“.”号（可省略）；当温度在零下时，温度数值前面加“/”号（不可省略）。三种温标的比较如图$/$所示。图$/$三种常用温标的比较三种温标制，由于在制冷技术中常需应用，可采用数学手段导出，它的换算关系如下：#-（$0)$.(）（&%）$-（#/(）1$0)（）2散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书!（#$%）（&）!（!#$）（(）【例题)】室温为*(，合华氏多少度？解：#!)+,%$!)+,-*%$!#（./）答：合华氏#./。【例题)】某冷库的室温为)0./，合摄氏多少度？解：!（#$）1)+,!（)0$）1)+,!)2（(）答：合摄氏 )2(。【例题)$】设低温箱的箱温降至摄氏 02(求此时箱温的热力学温度为多少&？解：!%#$!（02）%#$!$（&）答：此时箱温的热力学温度为$&。测量温度所使用的温度计种类很多，制冷工程中常用的有玻璃温度计、热电偶温度计、电接点式温度计、电阻温度计和半导体温度计等。+压力在空调、制冷工程中，压力是指单位面积所承受的垂直作用力，也叫压强，用$表示。由分子物理学可知，气体的压力是由于大量气体分子在无规则运动中对容器壁进行频繁撞击所产生的。压力的国际单位是帕（帕斯卡）34，或者牛顿1米（516），它表示每平方米面积上所受的垂直作用力为)牛顿，即%!#1&式中$压力（34）；#作用力（5）；&作用面积（6）。另外，国标限制使用的压力单位有大气压（476）和“巴”（849）表示；千克力，如千克力1厘米（:;）或毫米水柱高（66?）。各种压力单位的换算关系为：)476!)2)$*34)849!)2*34)66?!+,2AA*34*第一章散热基础知识!#$%!&()*!+$,-.(%/0 1223)*在实际应用中，压力有表压力和绝对压力之分。表压力是通过压力表上的数值表示的，是以一个大气压作为基准（1），即为被测气体的实际压力与当地大气压力的差值。如果压力比大气压力低时，就是负值，称为真空度（!）。表压力是为制冷系统运行和操作时观察使用的。绝对压力是表示气体实际的压力值，等于表压力和大气压力之和，即#%$4%式中#绝对压力；$大气压力；%表压力。绝对压力、表压力和真空度的关系如图!5(所示。【例题!5 6】某设备的表压力%为 0!1211)*，折合绝对压力为多少)*？解：#%$4%!1!&(3 4 0!1211%/!/(3（)*）答：折合绝对压力为/!/(3)*。【例题!5 3】测得某系统的真空度为 611#$，当地大气压力为 721#$，求该系统的绝对压力为多少)*？图!5(绝对压力、表压力和真空度的关系解：#%$4%721 4（5 611）%&21（#$）!67/3/(+)*答：该系统的绝对压力约为 67/3/(+)*。&质量体积质量体积是指单位质量的制冷剂所占的容积，用&表示，其单位是米&82散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书千克（!#$%）或升#千克（&$%）。制冷剂蒸气的质量体积是决定压缩机制冷量的重要参数。例如，($%氟利昂()，在标准状态下（绝对压力为(*()+,-，温度为*.），其蒸气的容积是(+/01&，它的质量体积则为(+/01&#$%；其液体的容积是*/21)1&，质量体积为*/21)1&#$%。质量体积是物质分子之间密集程度的物理量。对于气体而言，分子间距离越大，质量体积也越大，密集程度越小，可压缩性就大；反之，质量体积小则分子间的密集程度大，可压缩性小。制冷技术还常用质量体积的倒数 密度（!）表示，即!3(#!或!3(密度是指单位容积的制冷剂所具有的质量，单位为$%!。例如，($%4()。在标准状态下，蒸气密度为 2/5($%#!，其液体的密度为(562/+$%!。液体的密度比气体大，制冷设备中的油分离器、气液分离器就是利用这一性质达到分离目的。5/焓、熵和热力学能焓和熵是制冷热力计算中经常用到的状态参数。焓 是制冷剂能量的表征，当加热制冷剂时，其烙值增加，如压缩机活塞向制冷剂做功时，其焓值就会增加；反之，制冷剂冷却时，其焓值会减少；制冷剂蒸气在膨胀向外做功时，其焓值也会减少。焓是物体在某种状态下所具有能量的总和。熵#和烙 一样，是个状态参数，它是一个导出的状态参数，没有具体的物理意义。如果把焓看成为“含热量”，那么熵可表现制冷剂状态变化时其热量传递的程度，或者说，外界加给物质的热量与加热时该物质对热力学温度的比值。热力学能$是制冷系统内部能量的总称。制冷系统内动能取决于物质分子的质量和它的平均速度。物质分子运动加剧，动能增加；运动减弱，动能减少。因摩擦、冲击、压力、日光辐射、通电、化学作用或燃烧等原因都会引起动能的增加。内位能则取决于分子之间的平均距离和吸引力。当物质接受外来能量膨胀或改变形态时，如液态变为气态，所接受的外来能量使分子间距离变大，即转换为物质的内位能。1第一章散热基础知识二、热力学基本定律热力学基本定律是制冷工程的热力学基础。热力学第一定律是能量守恒定律。热和功可以相互转换，即一定量的热消失时必然产生一定量的功；消耗一定量的功，亦必然出现与之相对应的一定量的热。热和功之间的转换用下式表示：!#式中!消耗的热量（或#）；#得到的功（#$%）；功热当量度（#&#$%）。因为热量和功的计量单位不同，所以式中引入一个功热能当量，其值约为&()*+(,-.-#&#$%。热力学第一定律说明了热能和机械能在数量上的相互转化关系，但没有指出能量转化的方向和必备条件。人们从长期的生活实践中观察到，如果两个温度不同的物体相接触，热量总是从高温物体传向低温物体，而不可能逆向进行。机械能可以通过摩擦变为热能，而热能却不可能通过摩擦变为机械能。前一过程的进行不需要任何条件，是自发进行的，而后一过程却不可能自发进行，要使它成为可能，必须具备一定的补充条件，即消耗一定的外功。这个经验被归纳为热力学第二定律。热力学第二定律说明，热量能自动地从高温物体向低温物体传递，不能自动地从低温物体向高温物体传递。要使热量从低温物体向高温物体传递，必须借助外功，即消耗一定的电能或机械能。例如，在制冷工程中，为了冷藏或冷冻食品，必须从低温物体（被冷冻对象）中吸收热，再把热能转移给高温物体（周围介质 水或空气），这需在制冷机上消耗一定的机械能才能达到。-散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书三、常用术语!显热、潜热和质量热容在物体吸热或放热过程中，仅使物体分子的动能增加或减少，即使物质的温度升高或降低，并没有物质形态的变化，它所吸收或放出的热能称为显热。例如，水吸热后温度由#$%上升至&%，其温度变化所吸收的热即为显热。显热可以用触摸而感觉出来，也可用温度计测出来。当物体吸热或放热过程中，仅使物质分子的位能增加或减少，即使物质状态改变而其温度并不变化时，它所吸收或放出的热能称为潜热。例如，在常压下把水加热到沸点!$%，这时水吸收的热量为潜热。同样，!$%的水蒸气，在常压下液化为同温度的水所放出的热量也称为潜热。潜热不能通过触摸感觉到，也无法用温度计测出来。物体有固、液、气三态，这三态之间的变化都伴随热量的转移，仅仅使物体温度变化而形态不变的热为显热；使物体形态变化而温度不变的热为潜热，潜热有汽化热、液化热、熔解热和凝固热等。根据能量守恒定律，在同样条件下，同一物体的汽化热与液化热、熔解热与凝固热相等。表!(!给出了几种液体在一个大气压下沸点时的汽化热，图!(&标明了!)*水在一个大气压力下的各类热值。表!(!液体在一个大气压下沸点时的汽化热物质水氨+!#+#氯甲烷二氧化硫汽化热（),-)*）#./!&.0!.1#&22#1!&01/图!(&!)*水在一个大气压下的各类热值0第一章散热基础知识实验证明：同一物体在不同压力下汽化时所需的汽化热不同，而同一物体在不同温度下汽化时所需的汽化热也不同，一般说来，压力增高或汽化温度降低均使汽化热增大。表!#列出了几种氟利昂制冷剂在不同温度下的汽化热。表!#几种氟利昂制冷剂在不同温度下的汽化热制冷剂$!#$#$!%$&#汽化潜热（#(时）)*+),!-./&#/0%!%#/01!-./#0汽化潜热（(时）)*+)2!&!/!#-/0-!.3/0-!&/#质量热容是指!,某种物质温度升高!(时所吸收的热量。不同物质的质量热容不同，它的法定计量单位是*+),4，常用单位为)*+),(或*+,(，一般可以从各种物理手册中查出。表!.给出制冷技术中常碰到的几种物质的质量热容。表!.几种物质的质量热容物质铜铝钢水木材空气冰$!#（.(）$#（.(）质量热容)*5),(/.10/130/&3&%/!13#/&!/&#/0!/&!/%#%有了质量热容的概念，就可以进行热量的计算。如某一物质，当温度变化时所需吸收或放出的热量等于该物质的质量热容、质量及温度变化值三者的乘积，即!6#（$#$!）式中 质量热容（)*+),(或*+,(或*+),4）；#质量（),或,）；$!，$#分别为物质的初温和终温（(）；!热量（)*或*）。当物质吸热时温度上升，$#7$!，!7；当物质放热时温度下降，$#8$!，!8。【例题!-】把质量为&,、温度为.(的铝块加热到!(，铝块吸收了多少热量？解：从质量热容表中查到铝的质量热容是 9130)*5),(，这就是说，!),铝温度升高!(吸收的热量是/130)*。&,铝温度升高!(.(6 3(时吸收的热量是：!散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书!#（$#$）!%&()*%&+*(%!,%&(（-.）答：铝块吸收了,%&(-.热量。【例题$#(】把$%/、%0的热水跟,%/、%0室温的水相混合，经测量，混合后的共同温度为,+0，试计算热水温度降低时放出的热量和室温的水温度升高时吸收的热量，将这两个热量加以比较并分别说明这两个热是显热还是潜热？解：热水放出的热量是!放!#$（$#$）!$*$%*（%#,+）!1+%234!$1$&+.!吸!#（$#$）!$*,%*（,+#%）!1+%234!$1$&1.答：热水温度降低时放出的热量跟室温的水温度升高时吸收的热量相等，都是$1$&+.。这两个热量仅使热水和室温的水温度发生变化，而形态没有改变，所以都是显热。&物态变化固体、液体、气体是物质存在的三种状态。在通常情况下，铁是固体，水是液体，氧是气体。物质由一种状态变成另一种状态称相变或称物态变化，这种状态之间的变化都伴有热的转移。热的吸收和放出是物体升温、降温或固、液、气三态之间形态变化的条件。（$）汽化和液化。在日常生活中可以看到，把水泼在地面上，不久地面又慢慢恢复干燥，这是因为水变成水蒸气跑到空气里去的缘故。通常把这种过程称为蒸发。另外，我们还可以看到烧开水的情况，把一盆水放在炉子上烧，加热后的水温不断升高，与此同时，从水的表面不断有水蒸气逸出，这也是蒸发过程；但当水被加热到$%0时，情况就发生显著变化，这时水面不断地翻滚，并从水里产生大量的气泡，这种现象称为沸腾。在沸腾过程中，尽管炉子还是继续加热，容器中水的温度却始终保持$%0不变。蒸发与沸腾都是由液体变成蒸气的过程，都称为汽化过程，但两者之间有明显的区别。一般说，蒸发是在任何压力和温度下都在进行着，只是局限在表面的液体转为蒸气，而沸腾是在一定压力下只有达到与此压力相对应的一定温度时才能进行，且从液体内部大量地产生蒸气。例如，在一个大气压下，水温达到$%0时沸腾；在 1(&%(-53 绝对压力下，水温%0时沸腾。液化与汽化过程恰恰相反，当蒸气在一定压力下冷却到一定温度时，就$第一章散热基础知识会由蒸气状态转变为液体状态，这种冷却过程称为液化过程或称凝结过程。日常生活中，液化（凝结）的例子是很多的，例如，把盛有热水的锅盖揭开，锅盖上就有许多水珠滴下来，这是汽化了的水蒸气遇到较冷的锅盖重新凝结的表现；又如冬天室外温度很低时，房间的玻璃上就有凝结的水珠，这是因为室内空气中的水蒸气遇到较冷的玻璃窗后凝结成水的缘故。（!）饱和温度与饱和压力。液体沸腾时所维持不变的温度称为沸点，又称为在某一压力下的饱和温度。与饱和温度相对应的某一压力称为该温度下的饱和压力。例如，水在一个大气压下的饱和温度为#$，水在#$时饱和压力为一个大气压。饱和温度与饱和压力之间存在着一定的对应关系，例如，在海平面，水到#$才沸腾，而在高原地带，不到#$就沸腾。一般来说，压力升高，对应的饱和温度也升高；温度升高，对应的饱和压力也增大。作为制冷剂的主要特点是沸点要低，这样才能利用制冷剂在低温下汽化吸热来得到低温。（%）过热和过冷。在制冷技术中，过热是针对制冷剂蒸气而言的。过热是指在一定压力下，制冷剂蒸气的实际温度高于该压力下相对应的饱和温度的现象；同样，当温度一定时，压力低于该温度下相对应的饱和压力的蒸气也是过热。例如，&!制冷剂，蒸发温度为 ($时，对应的饱和压力应为)!*+,-.。如果温度不变，压力低于)!*+,-.，则此蒸气为过热蒸气；如果压力不变，温度高于 ($，也称为过热蒸气。过热蒸气的温度与饱和温度之差称为过热度。如一个大气压力下的过热水蒸气温度为#($，其过热度则为#($#$/($在制冷技术中，过冷是针对制冷剂液体而言的。过冷是指在某一定压力下，制冷剂液体的温度低于该压力下相对应的饱和温度的现象。例如，&!制冷剂的饱和温度为%#$时，对应的饱和压力为+0%*00!,-.，如果将压力为+0%*00!,-.的&!制冷液体冷却到!($，那么这时的制冷剂液体称为过冷液体。过冷液体比饱和液体温度低的值称为过冷度。例如，压力在+0%*00!,-.下的&!制冷剂液体的温度为!($时的过冷度为%#$!($/($!散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书（!）临界温度与临界压力。气体的液化与温度和压力有关。增大压力和降低温度都可以使未饱和蒸气变为饱和蒸气，进而液化。气体的压力越小，其液化的温度越低；随着压力的增加，气体的液化温度也随之升高。温度升高超过某一数值时，即使再增大压力也不能使气体液化，这一温度叫做临界温度。在这一温度下，使气体液化的最低压力叫做临界压力。低于临界点温度的气体称为蒸气。制冷剂蒸气只有将温度降到了临界点以下时，才具备液化条件。表#!列出了几种制冷剂的临界温度和临界压力，可供参考。表#!几种制冷剂的临界温度和临界压力物质名称$%$%$&临界温度（）%()!*+(!%,(-,临界压力（./0）!(,-!*,%(&%&,1-(%,对临界温度和临界压力的研究，在制冷技术中有着特别重要的意义。比如，对于制冷剂的一般要求中就有临界温度高、临界压力低、易于液化一项。（1）湿度和露点。在自然界中，空气总是或多或少地含有水蒸气，这种空气叫做湿空气。湿度是湿空气的状态参数之一，它表示空气中所含水分的量。在一定温度下，空气中所含水蒸气的量达到最大值，这种空气就叫饱和空气。湿度的表示方法有绝对湿度和相对湿度两种。绝对湿度是指在 2&湿空气中所含水蒸气的质量，单位为.342&或 352&。但是，仅知道绝对湿度还不能说明湿空气是否处于饱和状态，还需用相对湿度来说明。相对湿度是指空气中所含水蒸气的质量（湿空气中的绝对湿度）与同温度下空气达到饱和时水蒸气的质量（同一温度下饱和空气的绝对湿度）的比值，用百分数表示，即!6!7)8式中!相对湿度（8）；绝对湿度（942&）；!同一温度下的绝对湿度（952&）。&第一章散热基础知识!值越小，表示空气越干燥。若!#，空气力于空气；!$#，空气为饱和空气。制冷工程使用的干燥空气，通常是经过干燥的含水量很少的空气。在实际应用中，一般不使用绝对湿度，而是使用“含湿量”这一概念。含湿量是指每千克干空气中所伴有水蒸气的质量。用%表示，其单位为克&千克干空气或千克&千克干空气，即!水蒸气（千克）干空气（千克）$（克&千克干空气）露点（即露点温度）是反映在一定压力下，空气中含有水蒸气量不变时所含水蒸气达到饱和的温度，也就是空气开始结露的温度。物体表面的温度高于露点温度就不会结露，低于露点温度就要结露。湿度越高，露点温度与空气温差越小。例如，在一个大气压下，空气温度为()，相对湿度为*#时，露点温度为+,-)，相对湿度为-#时，则露点温度为+.,$)。图$/0常见湿度计（干湿球湿度计）空气的相对湿度是利用湿度计表测定的，常见的湿度计有露点湿度计、毛发湿度计和于湿球湿度计等。图$/0 所示是其中的一种。0$散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书四、压!焓图及其应用压!焓图是制冷技术中最常用的热力图，如图 !#所示。在图中横坐标表示焓（!），纵坐标表示饱和压力，为了使图形更紧凑、实用，纵坐标采用对数标尺$%，故压!焓图又称$&!图。在图 !#中，点称为临界点。在临界温度以上，不论压力多高，都处于气态而不可能是液态。图中 !#是饱和液体线，!$是干饱和蒸气线。!#和!$将图分为三个区域：!#左侧为液态区；!$右侧为过热蒸气区；!#与!$之间的液气共存区（湿蒸气区），即制冷剂处于饱和液体与饱和蒸气混和物状态。图中的箭头表示参数值增加的方向。图 !#压!焓图及在压焓图上的主要曲线为了查用方便，在图上绘制了许多等压线（%）、等烙线（!）、饱和液线（&()）、干饱和蒸气线（&(）、等温线（）、等质量体积线（(）、等熵线（)）、等干度线（&）。等压线（%）：以垂直于纵坐标的水平线表示。每个压力值有一条水平线，此水平线上各点压力值相同，所表示的压力为绝对压力，单位为千帕（斯卡）（*%+）。等焓线（!）：以垂直于横坐标的竖直线表示。每个焓值有一条竖直线，此竖直线上各点的焓值相等。焓值的基准是),饱和液体的焓值，为-./0*12*$。饱和液线（&()）：是一条由临界点 向左下方引的曲线，即*!+曲线上各点表示了各饱和液体的状态，各点标出的数值表示在此点压力的饱和#第一章散热基础知识温度。曲线左侧区域为液态区，制冷剂进入该线右侧就要沸腾蒸发。此曲线右侧湿蒸气区内有一条与饱和液线（!）近似平行的细线簇是等干度线。所谓干度是指在湿蒸气区域里干饱和蒸气所占的比例。在等干度线上各点的制冷剂含湿量相等，若等干度线!#$，是指制冷剂含温饱和气蒸气为$%，含饱和液体为&%。干饱和蒸气线（!）：是一条由临界点 向右下方向引的曲线，即()*曲线上各点表示了干饱和蒸气的状态，各点标出的数值与饱和液线上的数值意义相同。曲线左侧区域为湿蒸气区，当制冷剂蒸气被继续加热后，温度上升，蒸气呈过热状态，进入右侧的过热蒸气区。等温线（#）：是一条在液态区（即在饱和液线 )$左侧）自上而下几乎与等焓线平行的线；与饱和液线相交后（即进入温蒸气区），是水平线并与等压线重合；倒达饱和蒸气线后（即进入过热蒸气区）为向右下方弯曲的倾斜线。在该曲线上各点温度相等。等质量体积线（%）：是一条由左下方向右上方倾斜的曲线。该线上各点制冷的质量体积值相等。等熵线（&）：是一条呈上下稍向一侧倾斜的曲线，该曲线上各点熵值相等。所有制冷剂熵值的基准点在饱和液体温度为+时是,-.#-(/0(1 2。由于压)焓图能简单直观地描述制冷剂在制冷循环中四个热力过程参量的变化，故在制冷工程中得到极为广泛的应用。可供实际查用的 3，33及&的压)焓图见附录的附图 4 和附图 5。图 ).问题 )-图【例题 )-】压力为$,#$6(78，质量体积为#$9$:(1 的3呈何种状态？解：查本书附录的附图(，绝对压力)!$,#$6)$，等压线*+和质量体积%!#$9$0,的等质量体积线(-的交点;（见图 ).）。因为.点在过热区，所以这时 3的状态是过热蒸气，从通过.点的等温线可读出它的温度大约是)+，从图中还可得知它的焓值大约是.散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书!#$%&()*。【例题%+,】已知-%.制冷剂温度!为.#/，绝对压力 0 为 12$!03，制冷剂呈什么状态？解：查本书附录的附图。图%+所示，由于绝对压力#4 12$!03，等压线与温度!4.#/的等温线相交得 5 点，此点位于过冷液态区，制冷剂呈过冷状态，其焓值 64 2&$22()*。【例题%+%#】温度为+.#/，焓值为 2&$22()*时，-%.呈何状态？解：这种状态可由表示温度为+.#/的等温线和表示焙值为 2&$22()*的等焓线的交点求得。查本书附录的附图 7。如图.+1 所示，知其状态是湿蒸气，干度可由通过近于这点的等干度线估算，大约$4#$.%。图%+例题%+,图图%+1例题%+%#图第二节传热学基础热力学第一、二定律分别阐述了热能与机械能相互转化的数量关系和热的传递方向，但没有指出传热的形式和传热的规律。传热是热量从高温的物体通过中间媒介向低温物体转移的过程。这是一个复杂的过程，它有三种形式，即热传导、热对流和热辐射。在热传导和热对流的过程中，传热的物体必须相互接触，称为接触传热；传递辐射热时，物体间不必相互接触，称为非接触传热。在制冷技术中要解决传热的问题不外乎两种：一种是力求传热的加强%第一章散热基础知识（如蒸发器、冷凝器的传热）；另一种是力求传热的减弱（如电冰箱、空调器或冷库中的隔热保温）。!传热温差和传热热阻图!#$平壁传热如果物体内存在着温差，热量会从高温部分向低温部分传递，导致热量传递的原动力是传热温差。在热量的传递过程中，介质的温度降低是连续的，是传热温差克服传热热阻的过程，直至热平衡才终止。热阻是指物质对热传递的阻碍作用，用!表示，它与后面讲到的传热系数 成反比。如图!#$所示。传热量#、传热温差!$和传热热阻!三者有如下关系#%!$&!%!&仔细观察上述关系，与电学中的欧姆定律相似，传热量相当于电流，温差相当于电压，热阻就相当于电阻。热的传导热量因物质分子的运动而由物体的某一部分传递到另一部分或由相互接触的两物体中的一个物体传递到另一物体，但此时物体各部分的物质并未移动，称为导热过程，也称为热的传导。例如，手持铁棒一端，将另一端放在火上加热，过一段时间，手会感到灼热，这就是热的传递作用。一般讲，金属导热性好，非金属导热性差。我们把反映各种物质导热能力大小的物理量称为导热系数，单位是千瓦&米(，记为)*&+(。根据导热系数的大小，物质可分为热的良导体和热的不良导体（即绝热材料）。前者如钢、铝、铜等，后者如发泡塑料、软木、空气等。在制冷工程中，有的部分需采用热的良导体，以加速热量的交换，如冷凝器的盘管与散热片，常采用钢管与铝板；有的部分又需用绝热材料，以防止热的散失，如冰箱的箱体常采用聚氨酯泡沫塑料。几种常用材料的导热系数见表!#,。表!#,!几种常用材料的导热系数材料!（*&+(）材料!（*&+(）材料!（*&+(!）紫铜-.-/$霜0,.!,水!0,.!,铝!$/!空气001$水垢-1.!散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书!材料!（!#$%）材料!（!#$%）材料!（!#$%!）钢&()*油漆+($)$*聚氨酯泡沫塑料+(+,*-+(+$.,)(热的对流当液体或气体的温度发生变化后，其密度也随之发生变化。温度低的密度大，向下流动；温度高的密度小，向上升，从而形成对流。我们把借助液体或气体分子的对流运动而进行的热传递称为热的对流。热的对流如果是由于液体或气体自身的密度变化所引起的，即为自然对流；如果是由外加力（如风扇搅动或水泵的抽吸）所引起的，则为强制对流。热对流的传热量由传热时问、对流速度、传热面积及对流的物质来决定。有时热的交换发生在固体表面与液体或气体之间，如冷藏室中，热通过空气传给低温的蒸发器表面；在冰箱冷凝器中，热通过冷凝管外表面传递给水。上述这种从流体移向团体表面或固体表面移向流体的热交换强度常以给热系数表示，单位是瓦/米$%（!#$%），一般应用时又常将!分为两个符号!,与!$，并规定：!,热流体向固体表面的给热系数；!$固体表面向冷流体的给热系数。由于冰箱、冷库和空调平壁的热交换受到多层不同物质等因素的影响，因此根据热阻串联原理可推出综合传热系数!0,!,1#0,#1,!$（!#$%）式中!,热流体向固体表面的给热系数（!/#$%）；!$固体表面向冷流体的给热系数（!#$%）；#第#层的厚度（#）；#第#层的导热系数（!#$%）。【例题,2,】设有一台冷藏箱，用厚度为,+#的钢板制作（此时的,0,(*)!#$%，$0(3,!#$%），试求这台冷藏箱的综合系数 传热系数!。解；由表,2 查出钢的导热系数#0&()*.,第一章散热基础知识那么!#!#!$!%&#(%()*%&#*%+*!%+,#-$.答：这台冷藏箱的综合系数（传热系数!）为%+,/-0$.。【例题 1$】有一低温箱，箱壁系多层材质组成的结构，如图 1(所示。图 1(隔热箱壁结构外壁钢板外漆层!(%*00外壁钢板厚度!$!00外壁钢板内漆层!(%00钢板外漆层!*!(%00内壁钢板厚度!&!%*00内壁钢板内漆层!,!(%*00内壁钢夹层填满厚度!)!$,00 的玻璃丝若冰箱外空气对箱体外壁面的给热系数 2%/-0$.，箱内壁面给箱内空气的给热系数&%3/-0$.，求箱壁的传热系数!为多少？解：由表 1*分别查得箱壁所用材料的导热系数如下：漆层!(%(*0!(%$&/-0$.钢板!$!(%(0$!)*%&/-0$.漆层!(%(0!(%$&/-0$.玻璃丝!)!(%$,0)!(%*+/-0$.漆层!*!(%(0*!(%$&/-0$.钢板!&!(%(*0&!)*%&/-0$.漆层!,!(%(*0,!(%$&/-0$.又因!%!#!%!#!$则!#$#$#)#)#*#*#&#&#,#(),#!$2%#(%(*(%$&#(%()*%&#(%(%$&#(%$,(%(*+#(%(%$&#(%(*)*%&#(%(*()(%$&#&%2+($散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书!#$%&#()*+,-答：箱壁的传热系数!为#()*.,-。$#热的辐射物体的热能在不借助任何其他物质做传热介质（即物体间不接触）的情况下，高温物体将热量直接向外发射给低温物体的传递方式叫热辐射。如太阳传给地球的热能就是以辐射方式进行的。凡高温物体，都有辐射热传给周围的低温物体，辐射热量的大小决定于两物体的温差及物质的性能。物体表面黑而粗糙，发射与吸收辐射热的能力就较强；物体表面白而光滑，其发射与吸收辐射热的能力则较弱。因此，电冰箱和冷库的表面最好做成又白又光滑，以减少吸收太阳的辐射热。/#传热公式及应用在制冷与制冷技术中，传热过程往往是由几种基本传热方式同时起作用。通常把热传导、热对流、热辐射共同作用的传热过程称为综合传热过程。为了简化计算，通常把热传导和热对流看成主要现象，热辐射则在给热系数!中予以修正。单壁传热量 0 的计算为0&1 2（34 3!）式中!传热系数（*.,-）；传热面积（,）；#!壁外介质温度（-）；#壁内介质温度（-）。【例题!4!5】若要求例题!4!冷藏箱在环境温度为 5/-时，箱内保持-，箱壁计算面积&5,试求每小时传到箱内的热量$。解：$&!（#4#!）&5#6%7 5 7（5/4）&$)#5/*答：每小时传到箱内的热量为$)#5/*。【例题!4!$】若例题!4!低温箱的箱壁计算面积 为#/,，设箱内温度要求保持为 4-，箱外环境温度为$/-时，箱体的漏热量为多少？解：$&!（#4#!）&#()7#/7$/4（4）&5$#)*答：箱体的漏热量为 5$#)*。!第一章散热基础知识传热公式在制冷技术中常用于对制冷设备的设计和校核选择。第三节制冷的基本原理制冷是指利用人为的方法制造冷的环境。冰箱、冷库和空调器都是制冷方面的应用。制冷可分为三种情况：（!）冷却：使高温物体降温到常温状态。（）冷藏：使物体的温度低于常温保存。（#）冷冻：从物体吸走热量，使物体水分成为冻结状态。一、制冷方式及其原理!$制冷方式利用融解热的方式 利用冰进行制冷。利用升华热的方式 用干冰进行制冷。利用蒸发热的方式 用氟利昂或氨水等进行制冷。利用珀耳帖效应的方式 用半导体进行制冷。$各种制冷方式的原理（!）利用融解热方式。人们常常用冰来冷却物体，因为!%&固体的冰融解成液体时需要吸收#$(%)的热量，这就是融解热。在冷库里冷藏苹果或橘子，就是因为冰融解时从周围吸收热量，从而使库内温度较低。冰的熔点为*+是对纯净的水而言；如果在其中加食盐，熔点还要下降。!%&水或雪中加#*&食盐，可以获得,!+的低温。（）利用升华热的方式。我们常常可以看到在卖冰激凌的箱子里冒有白烟的小“冰块”，这是放进去的干冰，即固体二氧化碳，看得见的白烟就是二氧化碳在空气中凝结的结果。干冰与冰不一样，由固体直接变成气体，容器中却一直保持干燥状态。它多用于保存鱼类、黄油、干酪、冰激凌等食品。干冰在,-.+升华成二氧化碳气体，升华热为-#$(.%)/%&，因此同样质量散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书的干冰的制冷能力大于冰。（!）利用蒸发热的方式。在医院注射时用酒精消毒皮肤，酒精受体热而蒸发，酒精蒸发所需的热是皮肤产生的，酒精蒸发时带走了热，使人感到凉快。在电冰箱、空调器中利用易蒸发的氟利昂液体在蒸发器里大量蒸发，冷却了蒸发器，从被冷藏食品或空间介质中带走蒸发所需的热量，结果就降低了冷藏品或空间的温度。（）利用帕耳帖效应方式。将不同种类的金属导线组成闭合回路，一端处于高温，另一端处于低温，回路中就有定向电流流动，如图#$#所示，这种现象叫做塞克尔效应（%&()&*&(+）。利用该效应做成的热电偶温度计已广泛应用于间接测定温度。反之，如图#$#,所示的闭合回路中通电时，一个接点会出现低温，另一个接点出现高温，这种现象叫帕耳帖效应（-&.+&*&(+）。利用它的低温接点来制冷，就是所谓半导体制冷。图#$#塞克尔效应示意图图,$#,帕尔帖效应示意图二、制冷条件由热力学定律得知，热量总是自动地从高温物体传到低温物体，犹如水从高处流向低处一样。要使低温物体中的热量向高温物体传递，必须以消耗一定量的能为代价，才能实现。在实际应用中，要让制冷设备连续、经济、高效率地制冷，还要考虑以下几方面：（#）连续向制冷设备供给容易挥发的制冷剂，即把已经完成冷却作用的制冷剂再压缩、冷却、液化，循环使用。（,）及时放掉制冷剂吸得的热量，即把制冷剂从蒸发器中得到的热量及时地向周围环境介质释放。（!）有效地利用制冷剂的蒸发热，即选择适当的位置让液化的制冷剂有效地蒸发。（）选择安全而又有良好特性的制冷剂。!,第一章散热基础知识第四节制冷剂、润滑油和载冷剂一、制冷剂制冷剂又称制冷工质，用英文单词（!#$%&$()）的首位字母“!”作为代号。它是一种在制冷循环过程中利用液体汽化吸收热量，又在外功的作用下，把气体液化放出的热量传给周围介质的物质。它既易于汽化，又易于液化。在制冷装置中，没有制冷剂无法实现制冷。*+制冷剂的分类制冷剂的种类很多，根据它们的化学成分可分为无机化合物、卤碳化合物（氟利昂）、碳氢化合物和共沸溶液等四类。（*）无机化合物制冷剂。这类制冷工质是人类采用最早的制冷剂，如氨、水、二氧化碳、二氧化硫等，有些已被淘汰，但氨和水仍为当前重要的制冷工质。它们的代号用英文字母!和后面三个数字表示：第一个数字,表示无机化合物、其余两个数字表示该物质分子量的整数，如氨的代号为!,*,，水的代号为!,*-等。（.）卤碳化合物（氟利昂）制冷剂。这类制冷工质是甲烷、乙烷和丙烷的衍生物，是用氟、氯和溴的原子代替了原来化合物中全部或一部分原子。这类制冷剂是目前制冷设备使用的主要制冷工质。它一般可划分为三类，如表*/0 所示。其中，最常用的是!*.、!.和!*1，而!*12作为新制冷剂处于开发与试用中。值得一提的是，近几年来，在电视、广播和报刊上出现的“禁用氟利昂”并不是指禁用所有的氟制冷剂，而是指“禁用含氯的氟制冷剂”，如表*/0 中 343 和 5343 两类。2.散热材料及其散热制品的设计、制造工艺与质量检测检修技术标准规范实用全书表!#氟利昂制冷剂的划分类别元素的构成举例通称氯氟烃氯、氟、碳$!%&氢氯氟烃氢、氯、氟、碳$%(&氢氟烃氢、氟、碳$!)*+(&（)）碳氢化合物制冷剂。这类制冷工质有烷烃类和链烃类之分，它们主要用于石油化工工业。常用的有甲烷（&(*）、乙烷（&%(#）、乙烯（&%(*）、丙烯（&)(#）等。这些制冷工质易获得、价格低、凝固点低，但易于燃烧和爆炸。（*）共沸溶液制冷剂。这类制冷工质是由两种或两种以上的氟利昂按一定比例混合而成的。它们的性质与单一的氟利昂一样，在固定压力下，蒸发时保持一定的蒸发温度，而且其气相和液相有相同的组成。也就是说，蒸发和冷凝过程中其组成成分保持不变，犹如单一的制冷剂。对于共沸溶液制冷工质，国际上规定其代表符号$后面的第一位数字为“,”和试验成功的先后顺序依次排列组成，如$,-、$,-!、$,-%等。%.对制冷剂的要求制冷剂应具备一些基本要求，可以从热力学、物理化学、安全和经济等方面来考虑。（!）热力学的要求。!在大气压下，制冷工质的蒸发温度（沸点）!-要低。这样不仅可以获取比较低的温度，而且还可以在一定的蒸发温度!-下，使其蒸发压力-高于大气压力，以避免空气进入制冷系统影响换热设备的换热效果和设备的使用寿命。同时，在一定的蒸发温度下，蒸发压力高于大气压力，系统一旦发生泄漏时容易发现。要求制冷剂在常温条件下，要有比较低的冷凝压力/0，以免对处于高压下工作的压缩机、冷凝器及排出管道等设备的强度要求过高。通常按正常蒸发温度 1-和常温下的冷凝压力/0 将制冷工质分为以下三种。+.高温制冷工质（或称低压制冷工质）：!-2-3，04（%5)）06789%，如$!、$!)、$!*等，这些制冷剂适用高温环境下空调系统用的离心式压缩机。,%第一章散热基础知识!中温制冷工质（或称中压制冷工质）：#$%&#%(#$，!)*（+,-.#）)/012.，如氨（3(+(）、氟利昂+.（3+.）、氟利昂.（3.）、氟利昂,#（3,#）、氟利昂,#.（3,#.）等，这类制冷剂使用范围比较广，适用于活塞式制冷压缩机制电冰箱、食堂小冷库、空调用制冷系统、大型冷藏库等制冷装置中。1低温制冷工质