暖通空调系统中的热力学


Dec 12, 2023

热力学描述了热量和其他类型能量的作用以及它们之间的关系。乍一看,这个话题似乎有点令人生畏。但是,如果你了解了供暖、通风和空调(HVAC)系统中的热力学理论,你就能立即掌握系统的工作原理和原因,以及系统的最佳应用方式。

6 热传递基础知识

要理解热力学原理,我们必须首先理解有关热量和热传递的六个概念。

1) 冷意味着没有热量。要使物体变冷,就必须带走热量。

2) 热量和温度是两回事:

  • 热是能量从一个物体、系统或地方流向另一个物体、系统或地方。
  • 温度测量的是物体的内部动能。

3) 热量会自然地从高温区域向低温区域移动。

4) 热量通过三种方式流动。

  • 传导是热量通过直接接触从一个物体传递到另一个物体。
  • 对流是通过气体或液体将热量从一个物体传递到环境中,从高温传递到低温。
  • 辐射是通过电磁辐射传递热量。

5) 相变是指物体从一种状态变为另一种状态,例如冰(固态)融化成水(液态),而水又蒸发成蒸汽(气态)。

6) 两种介质之间的温差越大,热量传递的速度就越快。

热力学定律

好消息是,您不需要科学学位也能了解暖通空调系统的工作原理。热力学定律共有四条:第一定律、第二定律和第三定律。第零定律是最后一个被发现的定律,但它是其他三个定律的基础,因此被命名为第零定律,并有优先顺序。

第零定律和第一定律很容易理解,而第二定律和第三定律则与一种叫做熵的东西有关,熵是衡量一个系统无序程度的尺度。虽然这一切听起来非常复杂,但熵是对能量分散程度的衡量。当能量集中在一起时,它是有用的,但当它分散开来时,它就没用了。这些能量仍然存在(在大气中),但现在已经没有用处了。
 

热力学第零定律

说的是什么: 热力学第零定律指出,如果两个热力学系统分别与第三个系统处于热平衡状态,那么它们之间也处于热平衡状态。

这意味着什么: 如果两个物体的温度相同,它们就不会交换热量。

举例说明: 冰箱中的食物和饮料与冰箱中的空气温度相同。所有物质都处于热平衡状态,物质之间不会发生热传递。
 

热力学第一定律

说的是什么: 第一定律指出,能量既不能被创造,也不能被毁灭。

它意味着什么: 它也被称为能量守恒定律,说明能量只能从一种形式转移或改变到另一种形式。

举例说明: 电烤箱会将电能转化为热能。100 个单位的电能将转化为 100 个单位的热能来烹饪食物。
 

热力学第二定律

说的是什么: 第二定律指出,任何孤立系统的熵都会随着时间的推移而增加。

它意味着什么: 能量总是在向外扩散。热量总是会从较热的区域流向较冷的区域,但不会自发地从冷处流向热处。

举例说明: 从烤箱中取出刚出锅的食物时,热量会散失。热量会从热的食物转移到较冷的盘子和周围较冷的空气中。
 

热力学第三定律

说的是什么: 当温度接近绝对零度*时,系统的熵接近恒定的最小值。

这意味着什么: 当温度达到绝对零度时,热能将不复存在。热量无法转移到另一种物质上,也就没有能量可以传播。因此,熵也达到了零点。

举例说明: 蒸汽中的分子运动很快,熵值很高。如果蒸汽冷却到 100 摄氏度以下,就会发生从气态到液态水的相变。与蒸汽相比,水的分子运动较慢,熵也较低。将水冷却到 0 摄氏度以下,它又会发生一次相变,从液态变为固态冰。分子运动进一步减弱,熵也进一步减小。如果将冰一直冷却到绝对零度,熵也将变为零。

*0o开尔文,-273.15oC或-459.67oF。
 

我们学到了

  1. 不同类型的能量可以相互转换。
  2. 热量会自然地从高温区域向低温区域移动,但如果物体的温度相同,则不会有热量转移。
  3. 物质损失的有用能量受温度影响。

利用热力学循环中的这些原理,我们可以控制和利用热量的流动。

制冷剂和热力学循环

制冷剂是一种非常有用的物质。它的沸点很低,可以很容易地吸收和释放热量。当你增加制冷剂的压力时,它的温度和内部动能也会相应增加。当降低制冷剂的压力时,其温度和内部动能会下降。

在暖通空调系统中,制冷剂会在部件中循环,这不仅会改变其压力和温度,还会改变其物理状态。制冷剂会从液态相变为气态,反之亦然,并在此过程中吸收和释放热量。

冷水机组和热泵系统中的热力学

冷水机组和热泵系统的热力学循环完全相同。该循环可用于加热或冷却,使用蒸汽压缩循环。在一个简单的系统中,它由四个主要部分组成: 

压缩机: 压缩机是系统的核心,驱动整个制冷过程。低压制冷剂气体(饱和蒸汽)进入压缩机,被压缩成高压、加热气体(过热蒸汽)。然后,热制冷剂气体流向系统中的下一个元件,即冷凝器。

冷凝器:冷凝器是一个热交换器,它也将制冷剂的状态从气体转变为液体。在冷凝器中,当过热蒸汽通过水或空气交换不需要的热量时,就会冷凝成高压液体(饱和液体)。这种状态变化会释放潜热,并使制冷剂过冷。

💡 须知

在冷水机系统的冷却过程中,冷凝器充当热交换器,通过空气或水将不需要的热量释放到大气中。
在热泵系统的加热过程中,这些热量被交换到建筑物的供暖和热水回路中使用。


膨胀阀: 高压液态制冷剂随后通过膨胀阀。这样可以降低压力,从而降低温度,产生低温、低压的制冷剂液体。

蒸发器: 冷却的低压液态制冷剂进入蒸发器。与冷凝器一样,蒸发器也是一个热交换器,它能使制冷剂的状态发生变化。制冷剂从空气或水中吸收热量,使其沸腾并蒸发成低压气体(饱和蒸汽)。这种状态变化会吸收热量,使空气或水冷却。

低压气体从蒸发器进入压缩机,循环再次开始。

💡 须知

在冷水机系统的冷却过程中,蒸发器中的制冷剂与冷却回路(冷冻水回路)之间进行热交换。
在热泵系统的加热过程中,热量在制冷剂和环境空气或水之间进行交换。


希望您现在对热泵和冷水机组系统的热力学有了更好的了解。但在此之前,您还应该知道一件事,那就是如何选择最适合您要求的暖通空调产品。

认证的好处

您是否知道认证可以让您客观地比较产品,从而做出明智的决定?选择认证产品的好处包括

  • 无论产品在哪个国家生产或销售,产品性能均按照相同的标准进行评估,评估结果均以相同的计量单位表示
  • 认证产品的性能由公正、独立和有能力的认证机构进行验证
  • 认证产品符合标准
  • 通过性能认证的产品将按照制造商规定的规格运行。

如果您想查看和比较冷水机组和热泵等认证产品,请访问我们的认证产品名录