说是专业知识-其实也应成为常识——浅谈空调制冷.doc

说是专业知识，其实也应成为常识
——浅谈空调制冷——

舒增鳌

2009-9-15

说是专业知识，其实也应成为常识
——浅谈空调制冷——
舒增鳌 2009-9-15

引子
一年一度中秋又至，日前约了老同学及医生朋友，在一家酒店吃饭。席间，老同学招呼服务员将房间空调器的出风温度调低些。服务员答道：空调控制器的温度已调至23℃了，已很低了。
从专业上分析，老同学所提出的“出风温度调低些”的出风温度，其实是指空调器的回风温度；服务员所回答的“空调控制器的温度已调得很低”的控制器温度，也应是指空调器的回风温度。所谓回风温度，即整个房间的实际温度。
在一定的环境条件（一定的大气或水的自然温度）下，对于某种特定型号的空调器而言，当回风温度已设定为定值时，其出风温度（即空调器出风口的风的温度）为定值的，不能改变的。因此，我的老同学要求调低出风温度的请求，从专业上讲是一种不合理的请求。那名服务员的回答，自然亦是难以使顾客听懂或信服。
空调器将房间空气降低温度的过程，完全是一个换热--传热的过程。

传热
滔滔长江水，为何能从青海源头，历经数千公里，流至崇明岛附近进入东海？大家一定会回答：靠的是两处的地面海拔高低差，即压差。这是非常正确的回答。
同理，热量若要从高温处传向低温处，靠的是温度差，即温差。
我们平时在厨房炒菜时，就立刻会有这种体会：当你手托住碗底，将热气滚滚的已炒好的豉汁苦瓜装入碗中时，手指立刻会感到一阵烫感。碗底本来是处于常温状态的，当装入热苦瓜时，热苦瓜90℃左右的温度与碗底30℃左右的温度间立刻形成了一个60℃的温差。就是这个温差，让苦瓜中的热量立刻传至你手指上，使你手指升温。
通过两个介质间的界面，从高温介质传递到低温介质的热量，可以用下面公式予以表示，非常简单。
Q=KFΔT ┈┈┈┈┈┈（公式1）
式中：Q ┈┈┈┈┈┈ 被传递的热量（在空调领域即为制冷量）。
K ┈┈┈┈┈┈ 此两个介质的界面间的传热系数（可用实验求出—并有资料可查）。
F ┈┈┈┈┈┈ 此两个介质的界面的传热表面积。
ΔT ┈┈┈┈┈┈ 此两个介质间的温差。
在上例中，热苦瓜与手指即为两个性质不同、且温度不同的介质，碗即为界面。如果：界面的材料的导热性能好，两个介质又处于良好的扰动状态，则K值就大。
在空调器室内机中，铜管内向前流动着的又正在连续蒸发着的液体冷媒与已蒸发的冷媒蒸气，与铜管--铝箔外表面上掠过的风，即为正在进行换热--传热的过程的两个介质，界面即为铜管--铝箔。
从此公式中，可以清晰地知道：在热源处的热量是足够大的情况下，其能传递的热量的规律是：两个介质的界面间的传热系数K越大（例如紫铜就比钢要大，金属就比木料或水泥要大），能传递过去的热量越大；两个介质的界面的的传热表面积F越大（例如空调器的铝箔片数用得多），能传递过去的热量越大；两个介质间的温差ΔT越大，自然，能传递过去的热量越大。
在酷热的夏天，当你大汗淋漓地从烈日底下跑进室内，急欲喝一杯冷开水时，聪明的人就会这样做：拿一个大口的铝杯或不锈钢杯，倒进热水瓶里的热开水，再把它浸泡在冷水中冷却，过一会儿，热开水就快被冷下来了。铝或不锈钢（均为金属）的K较大，大口的杯的F较大，故传送掉的热量就大了，冷却过程就快了，就是这么一个很平常的传热的道理。如果你再用一个调羮把热开水不停地搅动，冷却过程就更快了，因为由于搅动，K值又变大了。
对于某种特定规格的空调器而言，其制冷量即为一定值，即上述公式中的Q为定值。自然，由于此特定规格的空调器的铜管、铝箔用料是已定的，其K及F值亦均为定值。我们将上面公式改写为：
ΔT= = 定值┈┈┈┈┈┈（公式2）
试取2种空调器室内机的传热作比较，并假设两者的制冷量Q相同，因此就有：
1号品牌（规格）空调器室内机的传热公式为：
ΔT1 == 定值1 ┈┈┈┈┈┈ （公式3）
2号品牌（规格）空调器室内机的传热公式为：
ΔT2 == 定值2 ┈┈┈┈┈┈ （公式4）
如果1号空调器的K1与F1比2号空调器的K2与F2要大，则定值1（ΔT1）要比定值2（ΔT2）为小，即1号空调器的温差比2号的要小。
K1与F1比K2与F2要大，说明1号空调器的用料比2号的好，亦即1号空调器品质比2号空调器的好（在同样额定制冷量情况下）。
对于用R22作冷媒的空调器而言，我们在设计中往往取ΔT=15℃左右，并将T蒸发（蒸发温度）设计在5℃左右，使能获得较高的能效比与较大的制冷量。

空调器室内机工作中的传热
空调器室内机工作中的工作原理如下图所示：

图1 空调器室内机的工作原理

上图中的T回风即回风温度，亦即被吸入空调器送风机中的风的温度；T出风即自室内机风口吹出的风的温度。
空调器室内机工作中的传热原理如图2所示。
对于室内机的风机而言，就有：
ΔT风= T回风—T出风 （ΔT风为该空调器室内机的进出风温差）
ΔT风的大小取决于空调机的制冷量及送风量，可从下式中看
Q= EWΔT风 ┈┈┈┈┈┈ （公式5）
式中：Q ┈┈┈┈┈┈ 制冷量（换热量）
E ┈┈┈┈┈┈ 空气的比热
W ┈┈┈┈┈┈ 室内机送风量
ΔT风 ┈┈┈┈┈┈ 室内机的回风与出风温差

从上式可知：我们欲按某一规格制冷量Q设计空调器室内机，如所配置的送风机风量W选用得大些，获得的结果是：室内机的回风与出风温差ΔT风会比较小，亦即当回风温度设定为某值时，其出风温度会比较高。

图2 空调器室内机的传热原理

让我们回到图2讨论：
对于在一定工况下运行的一台特定规格的空调器而言，由于制冷量一定，风量一定，所以其进出风温差是定值。即：如果回风温度高了，则出风温度一定变高；反之，亦然；但其差值维持在定值。因此可以将T回风—T出风这条直线视作一条高低差固定的斜线。
如上面所讨论，1号空调器的ΔT1比2号空调器的ΔT2要小，所以当T回风—T出风直线固定不动时，为维持空调器的传热处于平衡状态，必须要将T蒸发这条直线向上移，亦即1号空调器的蒸发温度比2号空调器的要高。
对于在一定工况下工作的冷媒而言，在蒸发过程中，其蒸发温度可视作是一个基本上不变的定值。当然，它随着蒸发压力的升高而提高。空调器在较高蒸发温度的工况下运行，有两个好处：能效比会较高，制冷量也会较大。
因此我们说：1号空调器的品质比2号的要好。（不过要注意：1号空调器的用料比2号的要好，要多）。
讨论到此，似乎还得补充解释一下：空调器为什么能制冷？其原理是：铜管内向前流动着的又正在连续蒸发着的液体冷媒，从液体蒸发为气体要吸收热量。那末热量从那里来？热量就从房间里的空气中传递过来。于是房间里的空气中的热量被传走了，就降温了，房间里空调器出风口的风的温度就从T回风降到T出风了。
大家每天在家烧开水时，当水被烧滚了，会看到冒出蒸汽，即液体的水变为气体了。靠的是什么？靠的是水从炉火中吸取了热量。
冷媒从液体蒸发为气体要吸收热量的现象，从吸热本质上讲，与水从液体蒸发为气体要吸收热量的现象是无任何不同之处的
两者唯一不同之处在于：水的蒸发温度为100℃（当蒸发压力为一大气压时）较高些；冷媒R22的蒸发温度在空调领域一般为2∽10℃（在不同蒸发压力下），较低些，仅此而已。
我们人类正是利用冷媒R22等的低蒸发温度来制冷。
不妨设想一下：如果人的体温是130℃的话，则我们人类完全可利用水的100℃蒸发吸热现象来制造空调了。自然，此仅是个比喻而已。

手动控制器上如何设定回风温度为好？
还是再回到图2讨论：
对于一台特定规格空调器而言，ΔT是设计好的，固定的。当T回风调高了，则T回风—T出风这条斜线要从原来位置上移了。又由于ΔT为定值，故T蒸发这条水平直线也要上移了，亦即蒸发温度要提高了，亦即空调器要处在较高蒸发温度的工况下工作了。这样就明白了：将T回风设定得高些，会比较节能省电，而且制冷量也会有所提高。
举例说明之。
对于同一台空调器：
若设定T回风=24℃，则T出风=16℃，（比如该机设定ΔT风=8℃）。此时T回风与T出风的平均温度为20℃。同时又取ΔT=15℃，则有T蒸发=5℃。该机处于较好的工况下工作。
若有人想调低回风温度，比如T回风=20℃，则T出风=12℃，此时T回风与T出风的平均温度为16℃。因为ΔT=15℃是不变的，故蒸发温度只有T蒸发=1℃了。由于此蒸发温度偏低了，结果是：能效比大为降低，比较费电了；而且制冷量也下降了。一句话，不经济了。
同样，我们立刻会明白：一台用料靠究的空调器，其ΔT被设计得较低，即
使T回风调得稍低些，其运行的蒸发温度也不会过低。
至于冷媒为什么在较高蒸发温度下工作，会使压缩机省电以及制冷量也有所提高，则要从冷媒的压缩—膨胀的循环说起了，其原理在此只好从略了。
我们人类生活在大自然中，每时每刻都在经受着大自然环境所给予的冷或热的磨练，传热现象可以说是无时不在、无所不在。因此，无论从生活或专业上讲，从生活经验中升华、并再从先人知识中获得一些传热的知识，应该是十分有益的。

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