工程热力学 / Engineering Thermodynamics
研究热能与其他形式能量转换规律的科学，是暖通研发的”地基”。覆盖状态参数、四大定律、循环分析与工质物性。
1.1 基本状态参数 State Properties
- 温度 T Temperature：分子平均动能的度量。暖通关注干球温度 DBT、湿球温度 WBT、露点温度 DPT。
- 压力 p Pressure：单位面积上的力。
p_abs = p_gauge + p_atm ≈ p_gauge + 101.325 kPa。 - 比容 v Specific Volume、密度 ρ Density：互为倒数。
- 焓 h Enthalpy：
h = u + p·v，kJ/kg。p-h 图的核心坐标。 - 熵 s Entropy：表征能量”品质”，kJ/(kg·K)。理想过程沿等熵线 Isentropic。
- 内能 u Internal Energy、比热容 cp / cv、压缩因子 Z、气体常数 R。
1.2 理想气体状态方程
pV = nRT 或 pv = RT
p 绝压 (Pa)，V 体积 (m³)，n 摩尔数 (mol)，T 温度 (K)，R = 8.314 J/(mol·K)。空气 R = 287 J/(kg·K)。
1.3 真实气体状态方程
pv = ZRT
Z 为压缩因子，CO₂ (R744) 跨临界循环必须考虑 Z≠1。可借助 NIST REFPROP / CoolProp / NIST Webbook 查表。
1.4 热力学第一定律
Q = ΔU + W (Closed System)
q = Δh + w_s (Steady-Flow)
所有换热器、压缩机的能量计算都基于此。第一类永动机 (PMM1) 不可能存在。
1.5 热力学第二定律
- 克劳修斯表述 Clausius Statement：热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
- 开尔文表述 Kelvin-Planck Statement：不可能从单一热源吸热做功而不产生其他影响。
- 熵增原理：孤立系统 Δs ≥ 0，实际过程必有熵产。
η_carnot = 1 - T_L / T_H (Carnot Efficiency)
理论上界。所有实际热机/制冷循环效率都低于它。T_H、T_L 均为热力学温度 (K)。
1.6 主要热力过程
| 过程 | 英文 | 特征 | 暖通应用 |
|---|---|---|---|
| 等温 | Isothermal | T 不变，pv = const | 压缩/膨胀近似 |
| 等压 | Isobaric | p 不变 | 冷凝、蒸发 |
| 等容 | Isochoric | v 不变 | 理论循环 |
| 等熵 | Isentropic | s 不变，可逆绝热 | 理想压缩/膨胀 |
| 多变 | Polytropic | pvⁿ=const（1<n<k） | 实际压缩 |
| 节流 | Throttling | h 不变（h=const） | 膨胀阀 |
1.7 湿空气性质 Psychrometrics
- 含湿量 d (W) Humidity Ratio：每 kg 干空气含水量，g/kg。
- 相对湿度 φ RH：实际水蒸气分压与同温饱和压力之比。
- 焓湿图 Psychrometric Chart：暖通空调设计的”地图”。
- 湿球温度 WBT、露点温度 DPT。
- 湿空气比焓：
h = 1.005·t + d·(2501 + 1.86·t)，kJ/kg 干空气。
W = 0.622 × p_v / (p_atm - p_v)
1.8 制冷/热泵主要循环
- 蒸气压缩循环 (VCC) — 家用、商用空调主流
- 跨临界 CO₂ 循环 (Transcritical CO₂ Cycle) — R744，热泵应用广泛
- 两级压缩 + 中间冷却 — 宽温区热泵
- 复叠系统 Cascade — 低温级 + 中温级，用于 -40℃ 以下
- 吸收式循环 — LiBr-H₂O（空调）/ NH₃-H₂O（制冷），热驱动
- 吸附式循环 — 沸石-水 / 硅胶-水 / 活性炭-甲醇，废热利用
- 朗肯循环 (Rankine) — ORC 用于低温余热发电
- 逆布雷顿/逆卡诺 — 空气循环制冷（飞机/特种）
研发应用
- 冷量计算 Cooling Capacity：
Q = m × (h_in - h_out) - 压缩机功耗 Compressor Power：
W = m × (h_discharge - h_suction)（理想绝热压缩） - 能效比 COP：
COP = Q_evap / W_comp = h₁ / (h₂ - h₁) - 压焓图 log p-h diagram：制冷循环的”地图”
- 湿负荷 Latent Load：
Q_lat = ρ × L × (W_in - W_out)，用于除湿设计 - 卡诺极限 Carnot Limit：判断产品能效潜力上限
Concepts Referenced
p-h图, 湿空气性质, 卡诺循环, 蒸气压缩循环, 热力学第一定律, 热力学第二定律
Entities Referenced
- 无显著外部实体
Notes
推荐教材：沈维道《工程热力学》、Moran《Fundamentals of Engineering Thermodynamics》、Cengel《Thermodynamics: An Engineering Approach》。重点掌握 Ideal Gas Processes、Carnot Cycle、Vapor Compression Cycle、Psychrometric Processes。暖通研发 60% 的能量计算都靠它。
2024-2026 标准提示:ASHRAE 90.1-2025 / EU F-Gas 2024/573 / AIM Act 2025 / GB 19576。详见 暖通-2026更新 与 hvac-quick-ref。