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空調循環過程

科目:

  • 介紹
  • 循環流程
  • 對數 pH 值圖表
  • 比較 R134a 與 R1234yf

介紹:
汽車空調的冷卻過程利用了物質狀態的變化。 在狀態變化期間,例如從液體轉變為蒸汽,物質的分子結構會發生變化,這需要熱量。 當液體變成蒸氣時會吸收熱量,反之,當從蒸氣轉變為液體時會釋放熱量。

如果我們觀察環境中的傳熱和傳熱,我們會發現在蒸發過程中,環境變冷,而在冷凝過程中,熱量被釋放,環境變暖。 環境的冷卻發生在蒸發器中,而加熱發生在冷凝器中。 這個過程不斷重複,這就是為什麼它被稱為循環過程。

在「空調介紹」頁面,實用地描述了空調各部件的循環過程。 在本頁中,我們將透過 pH 對數圖進一步深入研究此循環過程。

回收流程:
在展示完整的 pH 對數圖表之前,讓我們先從空調循環過程開始。 在這個循環過程中我們使用冷媒R134a的圖表。 在該圖中,氣體、氣-液和液體的區域彼此不同。 臨界點位於頂部,溫度為攝氏 101 度,壓力為 40 bar。 這些是冷媒化學穩定的最高溫度和壓力。 x 軸上繪製了熱含量(熱函)與壓力的關係圖。 儘管我們經常將其稱為“pH 圖表”,但由於採用對數縮放,它實際上是“對數 pH 圖表”。

  • 在圖中的點 1 處,壓縮機啟動,從蒸發器吸入冷媒。 壓力為2巴;
  • 氣體從 1 壓縮到 2,壓力和熱含量增加。 壓力和溫度升至 15 巴和 70 攝氏度。 氣體過熱;
  • 由於冷凝器中的熱量釋放,熱含量降低,因此最初的溫度降低。 氣體在點 2 和點 3 之間失去過熱度,導致溫度從 70 降至 55 °C
  • 從點 3 到點 4,有恆溫放熱。 在這裡,氣體轉化為液體。 壓力保持恆定;
  • 進一步冷卻會導致液體稍微過冷(從 4 到 5)。 15 bar 高壓下的過冷液體在點 5 處達到收縮點:毛細管或膨脹閥。 此處高壓與低壓分開。 從壓縮機來看,我們也可以說排氣壓力與吸氣壓力是分開的。

由於收縮處壓力突然下降,液相冷媒的沸點會降低,造成自發性蒸發。 為此所需的熱量首先從冷媒本身及其周圍環境中提取。 這仍然是 熱含量幾乎恆定。 然後在蒸發器中從點 6 到點 1 發生完全蒸發。 冷媒的沸點溫度在 5 的第 6 點和第 50 點之間下降°C 至 -10°C,最終作為氣體升溫至點 1 至 0°C。 冷媒的熱含量增加,所需的熱量從環境中提取,在這種情況下是通過蒸發器的空氣。 壓力和溫度幾乎保持恆定。 冷媒以蒸氣形式離開蒸發器,並在點 1 處再次被壓縮機吸入。 該過程重複進行。

記錄 pH 值圖表:
在上一節中,pH 對數圖顯示了冷媒的循環過程(從蒸發到冷凝)。 下圖顯示了冷媒在一定壓力下的狀況與焓(熱含量)的關係,其中循環過程由深藍色線表示。 

圖的左側是流體區域。在低焓下,冷媒呈液體形式。隨著焓的增加,達到液體線。這條線的斜率表示液相壓力和焓的變化。

圖的中心是飽和蒸氣區。這裡冷媒處於熱平衡,同時存在液體和蒸氣。

在右側,我們看到飽和蒸氣線,它標誌著冷媒完全蒸發並處於過熱蒸氣相的極限。

圖的頂部是臨界點,它標誌著液體和蒸氣之間的邊界。在這裡,汽相和液相之間的差異消失了,使冷媒處於獨特的狀態。液體和蒸氣之間沒有明顯的過渡。

為了更深入了解 log-ph 圖,下圖中添加了幾條曲線:等熵、等溫、等容和蒸氣品質。在下圖中,我們再次看到循環過程(灰色)以及其他過程的進展。以下是每個狀態變更的簡要說明:

  • 等熵: 和等熵線的特徵是熵不變。 這意味著在沿著這條線的過程中,冷媒不會與環境進行熱交換,並且不經歷熵變。 圖中是一條高效率的絕熱(無熱交換)製程線。

  • 等溫線: log-pH 圖中的等溫線代表恆溫過程。 在此過程中,冷媒的溫度保持恆定,這意味著提供或除去熱量以保持壓力-焓 (ph) 比恆定。

  • 等溫線: log-pH 圖中的等容線代表恆定體積過程。 在此過程中,冷媒的比體積保持恆定,這意味著體積不會改變。 這允許線條樣式在圖中向上或向下移動,具體取決於壓力和焓等其他變化。

  • 蒸氣品質: 在冷媒 pH 值對數圖表中,x 軸表示質量範圍,從“x=0”(完全液態)到“x=1”(完全氣態)。 在這兩個極端之間,冷媒處於兩相狀態,x 值表示氣液比。 圖中從「x=0,10」到「x=0,90」的線表示冷媒處於該兩相範圍內,具體的x值表示氣/液分配。 這對於了解冷媒在製冷和空調系統等應用中的行為至關重要。

在下圖中,我們看到了冷媒 R134a 的完整 pH 對數圖。

比較 R134a 與 R1234yf:
使用 pH 對數圖,可以對不同類型的冷媒進行相互比較。 下圖顯示了R134a和R1234yf的pH對數圖和循環過程。

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