制冷原理與基礎(chǔ)

1、制冷原理與基礎(chǔ)第三部分：制冷劑第三部分：制冷劑第二部分：第二部分：蒸氣壓縮式制冷循環(huán)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)目目 錄錄第一部分：制冷緒論一、制冷原理和傳熱學(xué)的幾個(gè)誤區(qū)二、制冷的定義及人工制冷技術(shù)發(fā)展史三、制冷的分類四、制冷原理中常用的概念(一)熱量能自發(fā)的從熱量多的物體向熱量少的物體傳遞 熱量只能自發(fā)的從高溫物體向低溫物體傳遞。熱量只能自發(fā)的從高溫物體向低溫物體傳遞。 （熱力學(xué)第二定律） (二)物體吸收或釋放熱量后溫度一定會(huì)發(fā)生變化 可能壓力變化；可能壓力變化； 可能容積變化；可能容積變化； 可能聚集狀態(tài)變化；可能聚集狀態(tài)變化； 或上述全部或部份出現(xiàn)?；蛏鲜鋈炕虿糠莩霈F(xiàn)。(三)制冷機(jī)組的作用是制造

2、（創(chuàng)造）冷量 能量不可能創(chuàng)造或消亡，它只能從一種型式轉(zhuǎn)換為另能量不可能創(chuàng)造或消亡，它只能從一種型式轉(zhuǎn)換為另一種型式；也只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。一種型式；也只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。 （熱力學(xué)第一定律）采用人工方法在一定時(shí)間一定空間內(nèi)將物體或流體冷卻使其溫度降到環(huán)境溫度以下，并保持這個(gè)低溫。 制冷技術(shù)就是一門研究采用人工方法制取低溫的原理、設(shè)備及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。1755年愛丁堡的化學(xué)教師庫(kù)侖利用乙醚蒸發(fā)使水結(jié)冰。他的學(xué)生布拉克，提出了潛熱的概念，標(biāo)志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開始。1834年發(fā)明家波爾金斯造出了第一臺(tái)以乙醚為工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)，并正式申請(qǐng)了英國(guó)第6662號(hào)專利。這是后來

3、所有蒸氣壓縮式制冷機(jī)的雛型，但使用的工質(zhì)是乙醚，容易燃燒。1844年，醫(yī)生高里用封閉循環(huán)的空氣制冷機(jī)為患者建立了一座空調(diào)站，空氣制冷機(jī)使他一舉成名。威廉西門斯在空氣制冷機(jī)中引入了回?zé)崞?，提高了制冷機(jī)的性能。1859年，卡列發(fā)明了氨水吸收式制冷系統(tǒng)，申請(qǐng)了原理專利。1875年卡利和林德用氨作制冷劑，從此蒸氣壓縮式制冷機(jī)開始占有統(tǒng)治地位20世紀(jì)，制冷技術(shù)有了更大發(fā)展。全封閉制冷壓縮機(jī)的研制成功（美國(guó)通用電器公司）；米里杰發(fā)現(xiàn)氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)以及混合制冷劑的應(yīng)用；伯寧頓發(fā)明回?zé)崾匠凉衿餮h(huán)以及熱泵的出現(xiàn)，均推動(dòng)了制冷技術(shù)的發(fā)展。1910年左右，馬利斯萊蘭克發(fā)明了蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)

4、。1922年左右，美國(guó)開利博士發(fā)明了離心式制冷機(jī)組。1960年左右，螺桿式壓縮機(jī)應(yīng)用于制冷機(jī)組。(一)按制冷溫度分類（1）普通制冷：120K以上（-153以上） （2）深度制冷：12020K以上（-153-253 ）（3）低溫制冷：200.3K以上（-253-272.85 ）（4）超低溫制冷：0.3K以下（-272.85）制冷和低溫兩個(gè)概念是以制取低溫的溫度來區(qū)分的，但并沒有嚴(yán)格的范圍。通常，從環(huán)境溫度到120K的范圍屬于制冷，而從120K以下到絕對(duì)零度（0K）的范圍屬于低溫。(二)按制冷方法分類（1 1）相變制冷：）相變制冷：利用液體在低溫下的蒸發(fā)過程或固體在低溫下的利用液體在低溫下的蒸發(fā)過

5、程或固體在低溫下的溶化或升華過程從被冷卻物體吸取熱量以制取冷量。在制冷技術(shù)中，溶化或升華過程從被冷卻物體吸取熱量以制取冷量。在制冷技術(shù)中，利用液化氣化制冷是最重要的制冷方法，當(dāng)前普遍應(yīng)用的壓縮蒸汽式利用液化氣化制冷是最重要的制冷方法，當(dāng)前普遍應(yīng)用的壓縮蒸汽式制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)都是采用這種制冷方式的。制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)都是采用這種制冷方式的。（2）氣體膨脹制冷：利用高壓氣體的絕熱膨脹以達(dá)到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過程來制取冷量的過程。（3）氣體渦流制冷：高壓氣體經(jīng)渦流管膨脹后，高速氣流產(chǎn)生漩渦分離出冷、熱兩股氣流，將分離出來的冷氣流復(fù)熱即可制取冷量。（4 4）熱電制冷：）熱電制

6、冷：熱電制冷是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，它熱電制冷是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，它是利用珀?duì)柼?yīng)的原理達(dá)到制冷的目的，即當(dāng)直流電通過兩種不同是利用珀?duì)柼?yīng)的原理達(dá)到制冷的目的，即當(dāng)直流電通過兩種不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，在其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象即制取冷量。導(dǎo)體組成的回路時(shí)，在其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象即制取冷量。由于半導(dǎo)體材料的熱電現(xiàn)象最為明顯，熱電制冷通常采用半導(dǎo)體材料，由于半導(dǎo)體材料的熱電現(xiàn)象最為明顯，熱電制冷通常采用半導(dǎo)體材料，因此熱電制冷又稱為溫差電制冷因此熱電制冷又稱為溫差電制冷、半導(dǎo)體制冷或電子制冷。、半導(dǎo)體制冷或電子制冷。(一)飽和壓力、飽和溫度（1）飽和壓力：當(dāng)液

7、體處于密閉容器時(shí)，若此容器內(nèi)除了液體及液體本身的蒸汽外，不存在其他任何氣體，那么液體和蒸汽在某一壓力下達(dá)到平衡，此時(shí)氣體的壓力稱為飽和壓力；（2）飽和溫度：此時(shí)的溫度及為飽和溫度。飽和壓力隨溫度的升高而升高！(二)汽化潛熱在飽和容器內(nèi)將部分蒸汽抽走，必然汽化另一部分液體為蒸汽來維持在飽和容器內(nèi)將部分蒸汽抽走，必然汽化另一部分液體為蒸汽來維持平衡，汽化時(shí)需要吸熱，此熱量稱為汽化潛熱。平衡，汽化時(shí)需要吸熱，此熱量稱為汽化潛熱。(三)蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和冷凝壓力、冷凝溫度（1）蒸發(fā)器蒸發(fā)過程中的壓力稱為蒸發(fā)壓力，此時(shí)溫度稱為蒸發(fā)溫度；（2）冷凝器冷凝過程中的壓力稱為冷凝壓力，此時(shí)溫度稱為冷凝溫度。(

8、四)干度和濕度（1）每千克濕蒸汽中含有干蒸氣的質(zhì)量百分比。（2）每千克濕蒸汽中含有飽和液體的質(zhì)量百分比。第二部分：蒸氣壓縮式制冷循環(huán)一、單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的基本原理二、單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)理論循環(huán)三、單級(jí)蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)實(shí)際循環(huán)2.1.1 制冷循環(huán)系統(tǒng)的基本組成2.1.2 制冷循環(huán)過程2.1.3 制冷劑的變化過程 利用制冷劑由利用制冷劑由液體狀態(tài)汽化為蒸氣狀態(tài)液體狀態(tài)汽化為蒸氣狀態(tài)過程中吸收熱量，被冷卻介質(zhì)因失去過程中吸收熱量，被冷卻介質(zhì)因失去熱量而降低溫度，達(dá)到制冷的目的。熱量而降低溫度，達(dá)到制冷的目的。 利用制冷劑由利用制冷劑由蒸氣狀態(tài)凝結(jié)為液體狀態(tài)蒸氣狀態(tài)凝結(jié)為液體狀態(tài)過

9、程中釋放熱量，被加熱介質(zhì)因獲得過程中釋放熱量，被加熱介質(zhì)因獲得熱量而升高溫度，達(dá)到供熱的目的。熱量而升高溫度，達(dá)到供熱的目的。2.1.12.1.1制冷循環(huán)系統(tǒng)的基本組成制冷循環(huán)系統(tǒng)的基本組成制冷循環(huán)系統(tǒng)：根據(jù)蒸氣壓縮式制冷原理構(gòu)成的單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)，是由不同直徑的管道和在其中制冷劑會(huì)發(fā)生狀態(tài)變化的部件組成，串接成一個(gè)封閉的循環(huán)回路，在系統(tǒng)回路中裝入制冷劑，制冷劑在這個(gè)循環(huán)回路中能夠不停地循環(huán)流動(dòng)。單級(jí)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)包含四大部件：l壓縮機(jī)壓縮過程l冷凝器冷凝過程l節(jié)流閥節(jié)流過程l蒸發(fā)器蒸發(fā)過程單級(jí)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)：l制冷劑2.1.22.1.2制冷循環(huán)過程制冷循環(huán)過程2.1

10、.32.1.3制冷劑的變化過程制冷劑的變化過程1.制冷劑在制冷壓縮機(jī)中的變化 制冷劑蒸氣由蒸發(fā)器的出口管路進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口時(shí)，壓力越高溫度越高，壓力越低溫度越低。 制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)中被絕熱壓縮成過熱蒸氣，壓力由蒸發(fā)壓力P0升高到冷凝壓力Pk。外界的能量對(duì)制冷劑做功，使得制冷劑蒸氣的溫度再進(jìn)一步升高，壓縮機(jī)排出的蒸氣溫度高于冷凝溫度2.制冷劑在冷凝器中的變化 過熱蒸氣進(jìn)入冷凝器后，在壓力不變的條件下，先是散發(fā)出一部分熱量，使制冷劑過熱蒸氣冷卻成飽和蒸氣。 飽和蒸氣在等溫條件下，繼續(xù)放出熱量而冷凝產(chǎn)生了飽和液體。3.制冷劑在節(jié)流元件中的變化 飽和液體制冷劑經(jīng)過節(jié)流元件，由冷凝壓力Pk降至蒸發(fā)壓力

11、P0，溫度由tk降至t0。為絕熱過程。4.制冷劑在蒸發(fā)器中的變化 以液體為主的的制冷劑，流入蒸發(fā)器不斷汽化，全部液體完全汽化時(shí)，又重新流回到壓縮機(jī)的吸氣口，進(jìn)入下一次循環(huán)。 理論循環(huán)的假設(shè)條件和壓焓圖理論循環(huán)的假設(shè)條件和壓焓圖u理論循環(huán)的假設(shè)條件壓縮過程為等熵過程；冷凝過程和蒸發(fā)過程是與冷、熱源直接換熱；出蒸發(fā)器的為飽和蒸氣，出冷凝器的為飽和液體；制冷劑流動(dòng)過程中沒有流動(dòng)阻力損失；節(jié)流過程中與外界沒有熱量交換。u 一點(diǎn)：臨界點(diǎn)Cu 三區(qū)：液相區(qū)，兩相區(qū)，氣相區(qū)。u 五態(tài)：過冷液狀態(tài)，飽和液狀態(tài)，濕蒸氣狀態(tài)，飽和蒸氣狀態(tài)，過熱蒸氣狀態(tài)。u 八線：等壓線p，等焓線h，飽和液線x=0，飽和蒸氣線x=

12、1，無(wú)數(shù)條等干度線x等熵線s，等比體積線v，等溫線t。液相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)兩相區(qū)氣相區(qū)氣相區(qū)u壓焓圖u理論循環(huán)過程在壓焓圖上的表示1）理論制冷循環(huán)壓縮過程理論制冷循環(huán)壓縮過程2）理論制冷循環(huán)冷凝過程）理論制冷循環(huán)冷凝過程 3）理論制冷循環(huán)節(jié)流過程）理論制冷循環(huán)節(jié)流過程 4）理論制冷循環(huán)蒸發(fā)過程）理論制冷循環(huán)蒸發(fā)過程 2.3.1 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的區(qū)別2.3.2 液體過冷、吸氣過熱及回?zé)嵫h(huán)2.3.3 熱交換及壓力損失對(duì)制冷循環(huán)的影響2.3.4 不凝性氣體對(duì)制冷循環(huán)的影響2.3.5 實(shí)際制冷循環(huán)在壓焓圖上的表示1）制冷壓縮機(jī)的壓縮過程不是等熵過程，且有摩擦損失。2）實(shí)際制冷循環(huán)

13、中壓縮機(jī)吸入的制冷劑往往是過熱蒸氣，節(jié)流前往往是過冷液體，即存在氣體過熱、液體過冷現(xiàn)象。3）熱交換過程中，存在著傳熱溫差，被冷卻介質(zhì)溫度高于制冷劑的蒸發(fā)溫度，環(huán)境冷卻介質(zhì)溫度低于制冷劑冷凝溫度。4）制冷劑在設(shè)備及管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，存在著流動(dòng)阻力損失，且與外界有熱量交換。5）實(shí)際節(jié)流過程不完全是絕熱的等焓過程，節(jié)流后的焓值有所增加。6）制冷系統(tǒng)中存在著不凝性氣體。 2.3.12.3.1單級(jí)蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的區(qū)別單級(jí)蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的區(qū)別2.3.22.3.2液體過冷、吸氣過熱及回?zé)嵫h(huán)液體過冷、吸氣過熱及回?zé)嵫h(huán)1.1.液體過冷循環(huán)液體過冷循環(huán)圖一為具有液體過冷的循環(huán)和

14、理論循環(huán)的對(duì)比圖，1-2-3-4-1為理論循環(huán)，1-2-3-4-1表示過冷循環(huán)。 將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱為液體過冷。兩個(gè)循環(huán)的比功相同，過冷循環(huán)中單位制冷量增加，從而導(dǎo)致過冷循環(huán)的制冷系數(shù)增加。2.2.吸氣過熱循環(huán)吸氣過熱循環(huán)圖二為具有氣體過熱的循環(huán)和理論循環(huán)的對(duì)比圖，1-2-3-4-1為理論循環(huán)，1-2-3-4-1表示過冷循環(huán)。制冷壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣溫度高于蒸發(fā)壓力下的飽和溫度時(shí)，稱為吸氣過熱，兩者溫度之差稱為過熱度。具有吸氣過熱的循環(huán)，稱為吸氣過熱循環(huán)。3.回?zé)嵫h(huán)回?zé)嵫h(huán)液體過冷對(duì)提高循環(huán)性能指標(biāo)有好處，但要實(shí)現(xiàn)液體過冷需要有溫度更低的冷卻介質(zhì)。利用回?zé)崾?/p>

15、節(jié)流前的制冷劑液體與壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，使液體過冷，氣體過熱，稱為回氣。具有回氣的制冷循環(huán)稱為回氣循環(huán)。過熱分為有效過熱和有害過熱兩種過熱分為有效過熱和有害過熱兩種1）蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積的選擇大于設(shè)計(jì)所需的蒸發(fā)面積，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻介質(zhì)的熱量而過熱，屬有效過熱。2）制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)的吸氣管路中吸收外界環(huán)境的熱量而過熱，屬有害過熱。3）在半封閉、全封閉制冷壓縮機(jī)中，低壓制冷劑蒸氣進(jìn)入壓縮以前，吸收電動(dòng)機(jī)繞組和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的熱量而過熱，屬有害過熱，但是必須的。4）制冷系統(tǒng)設(shè)置了回?zé)崞?，制冷劑蒸氣在回?zé)崞髦形罩评鋭┮后w的熱量而過熱，屬有害過熱，但有過冷過程伴隨。2.3.3

16、2.3.3熱交換及壓力損失對(duì)制冷循環(huán)的影響熱交換及壓力損失對(duì)制冷循環(huán)的影響1.吸氣管道1）壓縮機(jī)吸氣管道中，熱量由高溫空氣傳遞給低溫制冷劑，他會(huì)引起機(jī)組性能的惡化。2）吸氣管道中的壓力降始終是有害的，它使得吸氣比容增大，單位容積制冷量減少，壓縮機(jī)的壓力比增大，壓縮機(jī)容積效率降低，制冷系數(shù)下降。吸入管道對(duì)循環(huán)性能的影響最大。2.排氣管道在壓縮機(jī)的排出管道中，熱量由高溫制冷劑蒸氣傳給周圍空氣，它不會(huì)引起性能 的改變，僅僅是減少了冷凝器中的熱負(fù)荷。2）排氣管道中的壓力降始終是有害的，它使得排氣壓力和冷凝壓力之差增大，壓縮機(jī)的壓力比增大，壓縮機(jī)容積效率降低，制冷系數(shù)下降。1）如果假定不改變制冷劑出蒸發(fā)

17、器時(shí)的狀態(tài)，它僅使蒸發(fā)器中的傳熱溫差減小，要求傳熱面積增大；如果假定不改變蒸發(fā)過程中的平均傳熱溫差，其結(jié)果與吸氣管道阻力引起的結(jié)果一樣。2）假定出冷凝器的壓力不變，為克服冷凝器中的流動(dòng)阻力，必須提高冷凝器進(jìn)口壓力，這必須導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣壓力升高，制冷系數(shù)下降。l不凝性氣體往往積存在冷凝器上部，因?yàn)樗鼰o(wú)法通過冷凝器的液封。不凝性氣體的存在將使冷凝器內(nèi)的壓力增加，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力提高，壓縮機(jī)容積效率降低，制冷系數(shù)下降。不凝性氣體產(chǎn)生原因：1、充注制冷劑前機(jī)組內(nèi)部的真空度不夠高；2、負(fù)壓制冷劑機(jī)組存在泄漏點(diǎn)，空氣通過泄漏點(diǎn)流入系統(tǒng)。l水側(cè)污垢主要出現(xiàn)在冷凝器換熱管內(nèi)表面，蒸發(fā)器換熱管內(nèi)表面也會(huì)

18、結(jié)垢但是結(jié)垢速度較冷凝器緩慢，污垢厚度也沒有冷凝器后。水側(cè)污垢會(huì)升高冷凝壓力降低蒸發(fā)壓力，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)容積效率降低，制冷系數(shù)下降。水側(cè)污垢產(chǎn)生原因：1、水系統(tǒng)內(nèi)存在雜質(zhì)；2、水系統(tǒng)內(nèi)沒有加入防腐和防止軍團(tuán)菌和微生物生長(zhǎng)的添加劑；3、水系統(tǒng)載冷劑溫度較高。2.3.42.3.4不凝性氣體和水側(cè)污垢對(duì)制冷循環(huán)的影響不凝性氣體和水側(cè)污垢對(duì)制冷循環(huán)的影響2.3.52.3.5實(shí)際制冷循環(huán)在壓焓圖上的表示實(shí)際制冷循環(huán)在壓焓圖上的表示2-2表示壓縮機(jī)排出的制冷劑蒸氣經(jīng)過排氣管的壓降過程；2-3表示制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器后冷卻、冷凝和壓降過程；3-3表示制冷劑液體的過冷和壓降過程；3-4表示制冷劑液體的非絕熱節(jié)

19、流過程；4-1表示制冷劑在蒸發(fā)器汽化和壓降過程；1-1表示制冷劑蒸氣的過熱（有益或有害）和壓降過程；1-2表示制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)內(nèi)實(shí)際的非等熵壓縮過程；第三部分：制冷劑一、制冷劑的定義與種類二、制冷劑的要求三、R134a與R406A在制冷裝置內(nèi)完成熱力循環(huán)的工質(zhì)。(1) 無(wú)機(jī)化合物(2) 飽和烴的鹵化物(3) 碳?xì)浠衔?烴類)(4) 共沸制冷劑(5) 非共沸制冷劑如水、氨、二氧化碳等如R12、R22、R134a等如丙烷、異丁烷等如R502等如R407C等1.熱力學(xué)方面的要求：1)沸點(diǎn)要求低；2)臨界溫度要高、凝固溫度要低；3)具有適宜的工作壓力，(Pk/Po)?。?)汽化潛熱大；5)對(duì)于大型制冷系統(tǒng)，單位容積制冷量盡可能地大；6)絕