制冷原理與技術(shù)課件

第一章

制冷與低溫的熱力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)第二節(jié)制冷與低溫工質(zhì)第三節(jié)制冷技術(shù)與學(xué)科交叉第一章

制冷與低溫的熱力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工1第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量的總量保持不變。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。1.1.1制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)1.熱力學(xué)第一定律第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界2用符號(hào)U表示，單位是焦耳（J）熱力學(xué)能1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能稱(chēng)比熱力學(xué)能用符號(hào)u表示，單位是焦耳/千克（J／kg）比熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)，與路徑無(wú)關(guān)。用符號(hào)U表示，單位是焦耳（J）熱力學(xué)能1kg物質(zhì)的熱力學(xué)3工質(zhì)的總儲(chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能總能動(dòng)能位能E－總能，Ek－動(dòng)能Ep－位能E=U+Ek+Ep

(1-2)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)能及位能的總和。若工質(zhì)質(zhì)量m，速度cf，重力場(chǎng)中高度z宏觀動(dòng)能

重力位能工質(zhì)的總能(1-3)工質(zhì)的總儲(chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能總能動(dòng)能位能4能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式作功借作功來(lái)傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。傳熱借傳熱來(lái)傳遞能量無(wú)需物體的宏觀移動(dòng)。推動(dòng)功因工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功。對(duì)開(kāi)口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時(shí)需要考慮這種功。推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用。力學(xué)參數(shù)cf和z只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度2.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化(1-4)比總能能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式作功借作功來(lái)傳遞能量5圖1-1a所示為工質(zhì)經(jīng)管道進(jìn)入氣缸的過(guò)程。工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)p、v、T，用p-v圖中點(diǎn)C表示。工質(zhì)作用于面積A的活塞上的力為pA，工質(zhì)流入氣缸時(shí)推動(dòng)活塞移動(dòng)距離，作功pA=pV=mpv。m表示進(jìn)入氣缸的工質(zhì)質(zhì)量，這一份功叫做推動(dòng)功。1kg工質(zhì)的推動(dòng)功等于pv如圖中矩形面積所示。圖1-1a所示為工質(zhì)經(jīng)管道進(jìn)入氣缸的過(guò)程。6圖1-1b所示考察開(kāi)口系統(tǒng)和外界之間功的交換。取一開(kāi)口系統(tǒng)，1kg工質(zhì)從截面1-1流入該熱力系，工質(zhì)帶入系統(tǒng)的推動(dòng)功p1v1，作膨脹功由狀態(tài)1到2，再?gòu)慕孛?-2流出，帶出系統(tǒng)的推動(dòng)功為p2v2。是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功，稱(chēng)為流動(dòng)功圖1-1b所示考察開(kāi)口系統(tǒng)和外界之間功的交換。7焓用符號(hào)H表示，單位是焦耳（J）H=U+pV

(1-5)比焓

(1-6)

用符號(hào)h表示，單位是焦耳/千克（J／kg）焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h=f(T,v)或h=f(p,T);h=f(p,v)(1-9)3．焓焓用符號(hào)H表示，單位是焦耳（J）比焓8進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開(kāi)系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加

(1-10)4.1閉口系統(tǒng)的能量平衡4．熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式工質(zhì)從外界吸熱Q后從狀態(tài)1變化到2，對(duì)外作功W。若工質(zhì)宏觀動(dòng)能和位能的變化忽略不計(jì)，則工質(zhì)儲(chǔ)存能的增加即為熱力學(xué)能的增加ΔU

(1-11)熱力學(xué)第一定律的解析式進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開(kāi)系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加4.19加給工質(zhì)的熱量一部分用于增加工質(zhì)的熱力學(xué)能儲(chǔ)存于工質(zhì)內(nèi)部，余下一部分以作功的方式傳遞至外界。對(duì)微元過(guò)程，第一定律解析式的微分形式(1-12a)對(duì)于1kg工質(zhì)，(1-12b)(1-12c)式(1-12)對(duì)閉口系普遍適用，適用于可逆過(guò)程也適用于不可逆過(guò)程，對(duì)工質(zhì)性質(zhì)也無(wú)限制。加給工質(zhì)的熱量一部分用于增加工質(zhì)的熱力學(xué)能儲(chǔ)存于工質(zhì)內(nèi)部，余10熱量Q熱力學(xué)能變量ΔU功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+

系統(tǒng)對(duì)外作功W+

系統(tǒng)熱力學(xué)能增大ΔU+可逆過(guò)程(1-13)(1-14)

完成一循環(huán)后，工質(zhì)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)(1-15)閉口系完成一循環(huán)后，循環(huán)中與外界交換的熱量等于與外界交換的凈功量(1-16)

熱量Q熱力學(xué)能變量ΔU功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+系統(tǒng)對(duì)外作功W114.2開(kāi)口系統(tǒng)的能量平衡由系統(tǒng)能量平衡的基本表達(dá)式有圖示開(kāi)口系統(tǒng)，dτ時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量的微元工質(zhì)流入截面1-1，質(zhì)量的微元工質(zhì)流出2-2，系統(tǒng)從外界得到熱量，對(duì)機(jī)器設(shè)備作功。過(guò)程完成后系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量增加dm,系統(tǒng)總能增加dECV

(1-17)圖1-2開(kāi)口系統(tǒng)流動(dòng)過(guò)程中的能量平衡

4.2開(kāi)口系統(tǒng)的能量平衡由系統(tǒng)能量平衡的基本表達(dá)式有12由E=me,V=mv,h=u+pv,得

(1-19)

穩(wěn)定流動(dòng)

系統(tǒng)只有單股流體進(jìn)出，(1-21)

微量形式

(1-22)

當(dāng)流入質(zhì)量為m的流體時(shí)，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程由E=me,V=mv,h=u+pv,得(1-19)穩(wěn)定流13工質(zhì)流經(jīng)壓縮機(jī)時(shí)，機(jī)器對(duì)工質(zhì)做功wc,使工質(zhì)升壓，工質(zhì)對(duì)外放熱q

每kg工質(zhì)需作功

(1-24)膨脹過(guò)程均采用絕熱過(guò)程圖1-3壓縮機(jī)能量平衡

圖1-4膨脹機(jī)能量平衡5.能量方程式的應(yīng)用(1-25)穩(wěn)定流動(dòng)能量平衡方程工質(zhì)流經(jīng)壓縮機(jī)時(shí)，機(jī)器對(duì)工質(zhì)做功wc,使工質(zhì)升壓，工質(zhì)對(duì)外放14圖1-6噴管能量轉(zhuǎn)換圖1-5換熱器能量平衡

工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)和外界有熱量交換而無(wú)功的交換，動(dòng)能差和位能差也可忽略不計(jì)

1kg的工質(zhì)吸熱量

1kg工質(zhì)動(dòng)能的增加工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴(kuò)壓管時(shí)不對(duì)設(shè)備作功，熱量交換可忽略不計(jì)

圖1-6噴管能量轉(zhuǎn)換圖1-5換熱器能量平衡工質(zhì)流經(jīng)換15工質(zhì)流過(guò)閥門(mén)時(shí)流動(dòng)截面突然收縮，壓力下降，這種流動(dòng)稱(chēng)為節(jié)流。

設(shè)流動(dòng)絕熱，前后兩截面間的動(dòng)能差和位能差忽略，因過(guò)程無(wú)對(duì)外做功，故節(jié)流前后的焓相等

該式只對(duì)節(jié)流前后穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過(guò)程段。

節(jié)流工質(zhì)流過(guò)閥門(mén)時(shí)流動(dòng)截面突然收縮，壓力下降，這種流動(dòng)稱(chēng)為節(jié)流。16研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過(guò)程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體1.制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析熱力學(xué)循環(huán)正向循環(huán)

熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功逆向循環(huán)消耗功循環(huán)除了一二個(gè)不可避免的不可逆過(guò)程外其余均為可逆過(guò)程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。理想循環(huán)2.熱力學(xué)第二定律研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過(guò)程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律熱不17熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K)

T=273.16+t

(1-29)

熵是熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，是判別實(shí)際過(guò)程的方向，提供過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)。定義式

(1-30)

qrev是可逆過(guò)程的換熱量，T為熱源溫度可逆過(guò)程1-2的熵增克勞修斯積分

=0可逆循環(huán)＜0不可逆循環(huán)＞0不可能實(shí)行的循環(huán)熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K)T=273.1618p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán)——逆卡諾循環(huán)當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過(guò)程的進(jìn)行溫度不變時(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過(guò)程和兩個(gè)等熵過(guò)程組成的逆向循環(huán)。在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因?yàn)樗鼪](méi)有任何不可逆損失。p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時(shí)的19卡諾制冷機(jī)是熱力理想的等溫制冷機(jī)卡諾制冷20過(guò)程1－2

壓縮工質(zhì)，同時(shí)放熱至熱源，維持制冷劑溫度恒定

過(guò)程2－3

工質(zhì)從熱源溫度Th可逆絕熱膨脹到冷源溫度Tc

過(guò)程3－4熱量從冷源轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中同時(shí)工質(zhì)做功以使制冷劑維持一定的溫度過(guò)程4－1

制冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓縮到熱源溫度過(guò)程1－2壓縮工質(zhì)，同時(shí)放熱至熱過(guò)程2－3工質(zhì)從熱源溫度21制冷工質(zhì)向高溫?zé)嵩捶艧崃?1-34)

制冷工質(zhì)從低溫?zé)嵩次鼰崃?/p>

(1-35)

系統(tǒng)所消耗的功

(1-36)卡諾制冷系數(shù)

(1-37)卡諾熱泵循環(huán)效率

(1-38)熱力完善度

(1-39)制冷工質(zhì)向高溫?zé)嵩捶艧崃?1-34)制冷工質(zhì)從低溫?zé)嵩次鼰?2溫

度T熵S圖1-10洛倫茲循環(huán)的T-s圖

3.熱源溫度可變時(shí)的逆向可逆循環(huán)—洛倫茲循環(huán)洛倫茲循環(huán)工作在二個(gè)變溫?zé)嵩撮g。與卡諾循環(huán)不同之處主要是蒸發(fā)吸熱和冷卻放熱均為變溫過(guò)程

溫度T熵S圖1-10洛倫茲循環(huán)的T-s圖23(假設(shè)制冷過(guò)程和冷卻過(guò)程傳熱溫差均為ΔT)制冷量

排熱量

耗功

(1-40)洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù)

(假設(shè)制冷過(guò)程和冷卻過(guò)程傳熱溫差均為ΔT)制冷量排熱量24

以卡諾循環(huán)作為比較依據(jù)，第一類(lèi)循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機(jī)，而第二類(lèi)循環(huán)則是理想的熱源驅(qū)動(dòng)逆向可逆循環(huán)——三熱源循環(huán)。

圖1-11兩類(lèi)制冷循環(huán)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

(a)以電能或機(jī)械能驅(qū)動(dòng)

(b)以熱能驅(qū)動(dòng)

4.熱源驅(qū)動(dòng)的逆向可逆循環(huán)——三熱源循環(huán)以卡諾循環(huán)作為比較依據(jù)，第一類(lèi)循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機(jī)25對(duì)可逆制冷機(jī)熱力系數(shù)(1-45)

1.1.2制冷與低溫的獲得方法1.焦耳湯姆遜效應(yīng)(1)節(jié)流過(guò)程的熱力學(xué)特征通過(guò)膨脹閥時(shí)焓不變，因閥中存在摩擦阻力損耗，所以它是個(gè)不可逆過(guò)程，節(jié)流后熵必定增加對(duì)可逆制冷機(jī)熱力系數(shù)(1-45)1.1.2制冷與低溫的獲26節(jié)流閥、毛細(xì)管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥等多種形式。焦耳－湯姆遜效應(yīng)理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù)，氣體節(jié)流時(shí)溫度保持不變，而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會(huì)發(fā)生變化。焦耳－湯姆遜系數(shù)

(1-46)制冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在小型制冷空調(diào)裝置中應(yīng)用廣泛節(jié)流閥、毛細(xì)管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥等多種形式。焦耳－湯姆27零效應(yīng)的連線稱(chēng)為轉(zhuǎn)化曲線，如圖上虛線所示。若節(jié)流后氣體溫度保持不變，這樣的溫度稱(chēng)為轉(zhuǎn)化溫度。焦耳－湯姆遜系數(shù)就是圖上等焓線的斜率

轉(zhuǎn)化曲線上節(jié)流后升溫節(jié)流后降溫圖1-12實(shí)際氣體的等焓節(jié)流膨脹

零效應(yīng)的連線稱(chēng)為轉(zhuǎn)化曲線，如圖上虛線所示。若節(jié)流后氣體溫度保28進(jìn)一步推導(dǎo)得(1-50)對(duì)理想氣體(2)節(jié)流過(guò)程的物理特征節(jié)流時(shí)溫度降低

節(jié)流時(shí)溫度不變節(jié)流時(shí)溫度升高

實(shí)際氣體表達(dá)式可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)建立(1-51)對(duì)空氣和氧在P＜15×103kPa進(jìn)一步推導(dǎo)得(1-50)對(duì)理想氣體(2)節(jié)流過(guò)程的物29(3)轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線轉(zhuǎn)化溫度(1-55)(1-56)轉(zhuǎn)化溫度與壓力的關(guān)系

在T－P圖上為一連續(xù)曲線，稱(chēng)為轉(zhuǎn)化曲線

針對(duì)范德瓦爾氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度

(此時(shí)或)(1-53)范德瓦爾狀態(tài)方程(3)轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線轉(zhuǎn)化溫度(1-55)(1-530表1-1最大轉(zhuǎn)化溫度列出了一部分氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度。氣體最高轉(zhuǎn)化溫度(K)氣體最高轉(zhuǎn)化溫度(K)He445CO652H2205Ar794Ne250O2761N2621CH4939空氣603CO21500NH31994表1-1最大轉(zhuǎn)化溫度列出了一部分氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度。氣體最312.絕熱膨脹氣體等熵膨脹時(shí)，壓力的微小變化所引起的溫度變化。微分等熵效應(yīng)(1-58)對(duì)理想氣體(

為絕熱指數(shù))(1-60)2.絕熱膨脹氣體等熵膨脹時(shí)，壓力的微小變化所引起的溫度變化32等熵膨脹過(guò)程的溫差，隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而增大，還隨初溫T1的提高而增大。3.絕熱放氣等熵膨脹過(guò)程的溫差，隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而33(1)假定放氣過(guò)程進(jìn)行很慢，活塞左側(cè)氣體始終處于平衡狀態(tài)而等熵膨脹，所作功按其本身壓力計(jì)算，因而對(duì)外作功最大，溫降也最大。(2)設(shè)想閥門(mén)打開(kāi)后活塞右側(cè)氣體立即從P1降到P2，因而當(dāng)活塞左側(cè)氣體膨脹時(shí)只針對(duì)一恒定不變壓力P2作功，對(duì)外作功最小，溫降也最小。(1-61)(1-62)(1)假定放氣過(guò)程進(jìn)行很慢，活塞左側(cè)氣體始終處于平衡狀態(tài)而等34實(shí)際放氣過(guò)程總是介于上述兩種極限情況之間，過(guò)程進(jìn)行得越慢，愈接近等熵膨脹過(guò)程。圖1-14放氣過(guò)程中溫度與壓力的變化關(guān)系

實(shí)際放氣過(guò)程總是介于上述兩種極限情況之間，過(guò)程進(jìn)行得35分析這兩種極限情況可得結(jié)論：

(1)氣體絕熱指數(shù)越大，則溫比T2/T1(P2/P1一定時(shí))越小，溫降越大，用單原子氣體可獲較大溫降。(2)隨壓比P1/P2增大，溫比T2/T1減少越來(lái)越慢，單級(jí)壓比不宜過(guò)大，一般取3到5。分析這兩種極限情況可得結(jié)論：(1)氣體絕熱指數(shù)越大，則溫比364.1熱力理想等溫源系統(tǒng)

“冷源”指需冷卻的空間“熱源”則指制冷機(jī)放熱的對(duì)象4.低溫氣體制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ)4.1熱力理想等溫源系統(tǒng)“冷源”指需冷卻的空間4.低溫氣37表1-2卡諾制冷機(jī)在300K和低溫Tc時(shí)的性能系數(shù)COP冷源溫度（K）COPi=-Q0/Wnet-Wnet/Q0111.70.59321.68677.40.34772.87620.30.0725813.7784.20.0142070.431.00.003344299.00.10.00033342,999.00.010.000033329,999.0表1-2卡諾制冷機(jī)在300K和低溫Tc時(shí)的性能系數(shù)COP冷384.2熱力理想等壓源系統(tǒng)在工質(zhì)未冷凝的氣體制冷機(jī)系統(tǒng)中，吸熱過(guò)程是變溫的，而不象在卡諾制冷機(jī)中那樣在等溫下吸熱。這樣，實(shí)際系統(tǒng)與卡諾系統(tǒng)比較是不公平的，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的冷源溫度不恒定。

沒(méi)有一個(gè)制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)可大于相同溫限下工作的卡諾制冷機(jī)，否則就可以制造第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)。要達(dá)到相同的制冷效應(yīng)，所有實(shí)際的制冷機(jī)都要比卡諾制冷機(jī)花費(fèi)更多的功。熱力學(xué)第二定律的推論之一4.2熱力理想等壓源系統(tǒng)在工質(zhì)未冷凝的氣體制冷機(jī)39制冷劑在T1和T2之間可逆等壓吸熱，放熱過(guò)程是可逆等溫過(guò)程。制冷劑在T1和T2之間可逆等壓吸熱，放熱過(guò)程是可逆等溫過(guò)程40對(duì)理想等壓源制冷機(jī)(1-66)上式對(duì)任何工質(zhì)都適用。對(duì)許多氣體制冷機(jī)而言，壓力足夠低時(shí)，工質(zhì)氣體可近似為理想氣體。對(duì)具有定壓比熱的理想氣體(1-70)COP與用作制冷劑的理想氣體無(wú)關(guān)。COPi僅與最高冷源溫度與最低冷源溫度之比和熱源溫度與最低冷源溫度之比有關(guān)。對(duì)理想等壓源制冷機(jī)(1-66)上式對(duì)任何工質(zhì)都適用41圖1-16理想等壓源制冷機(jī)的性能系數(shù)

性能系數(shù)COPT0是高溫?zé)嵩礈囟萒1和T2分別是低溫?zé)嵩吹淖罡吆妥畹蜏囟取D1-16理想等壓源制冷機(jī)的性能系數(shù)性能系421.1.3制冷與低溫溫區(qū)的劃分1.制冷與低溫溫區(qū)的劃分通過(guò)一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下。“冷”相對(duì)于環(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境溫度至絕對(duì)零度。通過(guò)123Ｋ來(lái)分界溫區(qū)制冷溫區(qū)

123K以上低溫溫區(qū)

123K以下制冷1.1.3制冷與低溫溫區(qū)的劃分1.制冷與低溫溫區(qū)的劃分43制冷的溫度范圍是從環(huán)境溫度開(kāi)始，一直可達(dá)接近絕對(duì)零度即0Ｋ圖1-17低溫溫度范圍

制冷的溫度范圖1-17低溫溫度范圍442.制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史(一)制冷技術(shù)的發(fā)展歷史人工制冷的方法是隨著工業(yè)革命而開(kāi)始的?？諝庵评錂C(jī)的發(fā)明比蒸氣壓縮式制冷機(jī)稍晚?？照{(diào)技術(shù)的應(yīng)用起始于1919年。2.制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史(一)制冷技術(shù)的發(fā)展歷史人工45第二節(jié)制冷與低溫工質(zhì)1.2.1制冷劑的發(fā)展、應(yīng)用與選用原則只有在工作溫度范圍內(nèi)能夠汽化和凝結(jié)的物質(zhì)才有可能作為制冷劑使用。

乙醚是最早使用的制冷劑。1866年威德豪森(Windhausen)提出使用CO2作制冷劑。1870年卡爾·林德(CartLinde)用NH3作制冷劑。1874年拉烏爾·皮克特(RaulPictel)采用SO2作制冷劑。SO2和CO2在歷史上曾經(jīng)是比較重要的制冷劑。SO2毒性大，但作為重要制冷劑曾有60年歷史。CO2在使用溫度范圍內(nèi)壓力特高，致使機(jī)器極為笨重，但它無(wú)毒使用安全。曾在船用冷藏裝置中作制冷劑達(dá)50年之久，1955年才被氟里昂所取代。第二節(jié)制冷與低溫工質(zhì)1.2.1制冷劑的發(fā)展、應(yīng)用與選461.熱力學(xué)性質(zhì)方面2.遷移性質(zhì)方面(1)工作溫度范圍內(nèi)有合適的壓力和壓力比。(2)單位制冷量q0和單位容積制冷量qv較大。(3)比功w和單位容積壓縮功wv小，循環(huán)效率高。蒸發(fā)壓力≧大氣壓力冷凝壓力不要過(guò)高冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過(guò)大(4)等熵壓縮終了溫度t2不能太高，以免潤(rùn)滑條件惡化或制冷劑自身在高溫下分解。(1)粘度、密度盡量小。(2)導(dǎo)熱系數(shù)大，可提高傳熱系數(shù)，減少傳熱面積。作為制冷劑應(yīng)符合的要求

1.熱力學(xué)性質(zhì)方面2.遷移性質(zhì)方面(1)工作溫度范圍內(nèi)473.物理化學(xué)性質(zhì)方面

4.其它

(1)無(wú)毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。(2)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。(3)對(duì)大氣環(huán)境無(wú)破壞作用。

原料來(lái)源充足，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。3.物理化學(xué)性質(zhì)方面4.其它(1)無(wú)毒、不燃燒、不爆炸481.2.2制冷劑命名制冷劑按其化學(xué)組成主要有三類(lèi)

無(wú)機(jī)物氟里昂碳?xì)浠衔?.2.2制冷劑命名制冷劑按其化學(xué)組成主要有三類(lèi)無(wú)機(jī)物49字母“R”和它后面的一組數(shù)字或字母表示制冷劑根據(jù)制冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫(xiě)1.無(wú)機(jī)化合物

2.氟里昂和烷烴類(lèi)簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)規(guī)定為R7()()括號(hào)中填入的數(shù)字是該無(wú)機(jī)物分子量的整數(shù)部分。簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)規(guī)定為R(m-1)(n+1)(x)B(z)數(shù)值為零時(shí)省去寫(xiě)，同分異構(gòu)體則在其最后加小寫(xiě)英文字母以示區(qū)別。正丁烷和異丁烷例外，用R600和R600a(或R601)表示編寫(xiě)規(guī)則制冷劑的簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)字母“R”和它后面的一組數(shù)字或字母表示制冷劑根據(jù)制冷劑分503.非共沸混合工質(zhì)簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)為R4()()括號(hào)中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先后順序號(hào)，從00開(kāi)始若構(gòu)成非共沸混合工質(zhì)的純物質(zhì)種類(lèi)相同，但成分含量不同，則分別在最后加上大寫(xiě)英文字母以示區(qū)別4.共沸混合工質(zhì)簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)為R5()()括號(hào)中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先后順序號(hào)，從00開(kāi)始5.環(huán)烷烴、鏈烯烴以及它們的鹵代物簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)規(guī)定：環(huán)烷烴及環(huán)烷烴的鹵代物用字母“RC”開(kāi)頭，鏈烯烴及鏈烯烴的鹵代物用字母“R1”開(kāi)頭，其后的數(shù)字排寫(xiě)規(guī)則與氟里昂及烷烴類(lèi)符號(hào)表示中的數(shù)字排寫(xiě)規(guī)則相同。3.非共沸混合工質(zhì)簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)為R4()()括號(hào)中的51表1-4制冷劑符號(hào)舉例

化合物名稱(chēng)分子式m、n、x、z值簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)一氟三氯甲烷CFCl3m=1,n=0,x=1R11二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1,n=0,x=2R12三氟一溴甲烷CF3Brm=1,n=0,x=3,z=1R13B1二氟一氯甲烷CHF2Clm=1,n=1,x=2R22二氟甲烷CH2F2m=1,n=2,x=2R32甲烷CH4m=1,n=4,x=0R50三氟二氯乙烷C2HF3Cl2m=2,n=1,x=3R123五氟乙烷C2HF5m=2,n=1,x=5R125四氟乙烷C2H2F4m=2,n=2,x=4R134a乙烷C2H6m=2,n=6,x=0R170丙烷C3H8m=3,n=8,x=0R290表1-4制冷劑符號(hào)舉例化合物名稱(chēng)分子式m、n、x、z值52此外，有機(jī)氧化物、脂肪族胺用R6開(kāi)頭，其后數(shù)字任選。詳細(xì)可從表1-5制冷劑標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示中查出。為簡(jiǎn)單定性判別制冷劑對(duì)臭氧層的破壞能力

將氯氟烴類(lèi)物質(zhì)代號(hào)中的R改用字母CFC氫氯氟烴類(lèi)物質(zhì)代號(hào)中的R改用字母HCFC氫氟烴類(lèi)物質(zhì)代號(hào)中的R改用字母HFC碳?xì)浠衔锎?hào)中的R改用字母HC，數(shù)字編號(hào)不變此外，有機(jī)氧化物、脂肪族胺用R6開(kāi)頭，其后數(shù)字任選。詳細(xì)可從531.2.3制冷劑的物理化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用1.安全性(1)毒性雖然一些氟里昂制冷劑其毒性都較低，但在高溫或火焰作用下會(huì)分解出極毒的光氣。1.2.3制冷劑的物理化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用1.安全性(1)毒54表1–6制冷劑的毒性指標(biāo)給出常用制冷劑TLVs或AEL值制冷劑代號(hào)TLVs或AELppm·hr制冷劑代號(hào)TLVs或AELppm·hr制冷劑代號(hào)TLVs或AELppm·hr111000124500290100012100012510005001000221000134a10005021000231000142b1000600a1000321000143a1000717112310152a10007181000表1–6制冷劑的毒性指標(biāo)給出常用制冷劑TLVs或AEL值55(2)燃燒性和爆炸性在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的體積百分比范圍。這一范圍的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，則范圍越寬越易燃。(3)安全分類(lèi)表1–8與表1–9分別給出了6個(gè)安全等級(jí)的劃分定義和一些制冷劑的安全分類(lèi)。

2.熱穩(wěn)定性制冷劑在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不發(fā)生裂解。在溫度較高又有油、鋼鐵、銅存在長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)發(fā)生變質(zhì)甚至熱解。爆炸極限(2)燃燒性和爆炸性在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的體積百分比范圍56表1–7一些制冷劑的易燃易爆特性制冷劑代號(hào)爆炸極限(容積%)制冷劑代號(hào)爆炸極限(容積%)制冷劑代號(hào)爆炸極限(容積%)11None124

None2902.3-7.312

None125

None500

None22

None134a

None502

None23

None142b6.7-14.9600a1.8-8.43214-31143a6.0-na71716.0-25.0123

None152a3.9-16.9718

None注：None表示不燃燒，na表示未知。

表1–7一些制冷劑的易燃易爆特性制冷劑爆炸制冷劑爆炸制冷劑57表1–8ASHRAE34-1992以毒性和可燃性為界限的安全分類(lèi)

毒性可燃性TLVs值確定或一定的系數(shù)，制冷劑體積分?jǐn)?shù)≥4×10-4TLVs值確定或一定的系數(shù)，制冷劑體積分?jǐn)?shù)<4×10-4無(wú)火焰?zhèn)鞑ゲ蝗糀1B1制冷劑LFL>0.1kg/m3,燃燒熱<19000kJ/kg低度可燃性A2B2制冷劑LFL≤0.1kg/m3,燃燒熱≥19000kJ/kg高度可燃性A3B3低毒性高毒性LFL燃燒下限表1–8ASHRAE34-1992以毒性和可燃性為界限的安58表1–9一些制冷劑的安全分類(lèi)

制冷劑代號(hào)安全分類(lèi)制冷劑代號(hào)安全分類(lèi)制冷劑代號(hào)安全分類(lèi)11A1124A1290A312A1125A1500A122A1134aA1502A123A1142bA2600aA332A2143aA2717B2123B1152aA2718A1表1–9一些制冷劑的安全分類(lèi)制冷劑安全制冷劑安全制冷劑安59(二)低溫技術(shù)的發(fā)展歷史1908年，Onnes最先液化了氦氣1911年，超導(dǎo)電性首次被發(fā)現(xiàn)1942年，德國(guó)V-2武器試驗(yàn)成功，低溫技術(shù)軍事應(yīng)用開(kāi)始1961年，土星V號(hào)是首個(gè)用液氫液氧混合推進(jìn)劑的飛行器我國(guó)的低溫研究工作從20世紀(jì)50年代開(kāi)始。制冷與低溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各個(gè)部門(mén)及一切科學(xué)領(lǐng)域(表1-3制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用)(二)低溫技術(shù)的發(fā)展歷史1908年，Onnes最先液化了氦603.對(duì)材料的作用正常情況下，鹵素化合物制冷劑與大多數(shù)常用金屬材料不起作用。只在某種情況例如水解作用、分解作用等下，一些材料才會(huì)和制冷劑發(fā)生作用。“鍍銅”現(xiàn)象當(dāng)制冷劑在系統(tǒng)中與銅或銅合金部件接觸時(shí)，銅溶解到混合物中，當(dāng)和鋼或鑄鐵部件接觸時(shí)，被溶解的銅離子析出并沉浸在鋼鐵部件上形成一層銅膜。制冷系統(tǒng)中應(yīng)盡量避免水分存在和銅鐵共用。氨制冷機(jī)中不能用黃銅、紫銅和其它銅合金（磷青銅除外），因?yàn)橛兴謺r(shí)要引起腐蝕。氟里昂對(duì)塑料等高分子化合物會(huì)起“膨潤(rùn)”作用(變軟、膨脹和起泡)，故在制冷系統(tǒng)中要選用特殊橡膠或塑料。3.對(duì)材料的作用正常情況下，鹵素化合物制冷劑與大多614.與潤(rùn)滑油的互溶性對(duì)每種氟利昂存在一個(gè)溶解臨界溫度，即溶解曲線最高點(diǎn)的溫度圖1-18制冷劑與潤(rùn)滑油的溶解曲線)4.與潤(rùn)滑油的互溶性對(duì)每種氟利昂存在一個(gè)溶解臨界溫度，即溶62制冷劑與油溶解會(huì)使?jié)櫥妥兿。绊憹?rùn)滑作用，且油會(huì)被帶入蒸發(fā)器中影響到傳熱效果。若制冷劑與油不相溶解，可以從冷凝器或貯液器將油分離出來(lái)，避免油帶入蒸發(fā)器中降低傳熱效果。常溫下氟利昂與礦物潤(rùn)滑油溶解關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式判別互溶(Z≤1/2)部分溶解(1/2≤Z≤2/3)微量溶解(Z>2/3)制冷劑與油溶解會(huì)使?jié)櫥妥兿。绊憹?rùn)滑作用，且油會(huì)被帶入蒸發(fā)635.與水的溶解性“冰堵現(xiàn)象”當(dāng)溫度降到0℃以下時(shí)，水結(jié)成冰而堵塞節(jié)流閥或毛細(xì)管的通道形成“冰堵”，致使制冷機(jī)不能正常工作。6.泄漏性氨有強(qiáng)烈臭氣，靠嗅覺(jué)易判是否泄漏。易溶于水故不用肥皂水檢漏，用酚酞試劑和試紙檢漏

氟利昂無(wú)色無(wú)臭，鹵素噴燈和電子檢漏儀檢漏5.與水的溶解性“冰堵現(xiàn)象”當(dāng)溫度降到0℃以下時(shí)，水結(jié)成冰64表1–10水分在一些制冷劑中的溶解度（25℃）

制冷劑代號(hào)溶解度(質(zhì)量%)制冷劑代號(hào)溶解度(質(zhì)量%)制冷劑代號(hào)溶解度(質(zhì)量%)110.00981240.07290na120.011250.075000.05220.13134a0.115020.06230.15142b0.05600ana320.12143a0.081230.08152a0.17注：na表示沒(méi)有找到可用的數(shù)據(jù)。表1–10水分在一些制冷劑中的溶解度（25℃）制冷劑溶解65沸點(diǎn)-33.3℃，凝固點(diǎn)-77.9℃單位容積制冷量大粘性小，傳熱性好，流動(dòng)阻力小毒性較大，有一定的可燃性，安全分類(lèi)為B2氨蒸氣無(wú)色，具有強(qiáng)烈的刺激性臭味氨液飛濺到皮膚上會(huì)引起腫脹甚至凍傷氨系統(tǒng)中有水分會(huì)加劇對(duì)金屬腐蝕同時(shí)減小制冷量以任意比與水互溶但在礦物潤(rùn)滑油中的溶解度很小系統(tǒng)中氨分離的游離氫積累至一定程度遇空氣爆炸氨液比重比礦物潤(rùn)滑油小，油沉積下部需定期放出在氨制冷機(jī)中不用銅和銅合金材料(磷青銅除外)

1.2.4常用制冷劑1.無(wú)機(jī)物氨沸點(diǎn)-33.3℃，凝固點(diǎn)-77.9℃1.2.4常用制冷劑662.氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸點(diǎn)-29.8℃，凝固點(diǎn)-158℃。無(wú)色，有較弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系統(tǒng)里應(yīng)嚴(yán)格限制含水量，一般規(guī)定不得超過(guò)0.001%常用溫度范圍內(nèi)能與礦物性潤(rùn)滑油以任意比互溶不腐蝕一般金屬但能腐蝕鎂及含鎂量超過(guò)2%鋁鎂合金。對(duì)天然橡膠和塑料有膨潤(rùn)作用。(2)R134a（四氟乙烷CH2FCF3）毒性非常低，不可燃，安全。與礦物潤(rùn)滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯類(lèi)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性很好，溶水性比R12強(qiáng)得多，對(duì)系統(tǒng)干燥和清潔性要求更高，用與R12不同的干燥劑。2.氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸點(diǎn)-67(3)R11（一氟三氯甲烷CFCl3）沸點(diǎn)23.8℃，凝固點(diǎn)-111℃。毒性比R12更小，安全。水在R11中的溶解能力與R12相接近。對(duì)金屬及礦物潤(rùn)滑油的作用關(guān)系也與R12大致相似。與明火接觸時(shí)，較R12更易分解出光氣。(4)R22（二氟一氯甲烷CHF2Cl）沸點(diǎn)-40.8℃，凝固點(diǎn)-160℃。毒性比R12略大，無(wú)色無(wú)味，不燃不爆，安全。屬于HCFC類(lèi)制冷劑，也要被限制和禁止使用。

對(duì)金屬與非金屬的作用以及泄漏特性都與R12相似?；瘜W(xué)性質(zhì)不如R12穩(wěn)定，對(duì)有機(jī)物的膨潤(rùn)作用更強(qiáng)。部分與礦物潤(rùn)滑油互溶。溶水性稍大于R12，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)裝設(shè)干燥器。(3)R11（一氟三氯甲烷CFCl3）沸點(diǎn)23.8℃，凝683.碳?xì)浠衔?1)R600a（異丁烷i-C4H10）(2)R290（丙烷C3H8）沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)比R600a低，蒸氣壓較高和容積制冷量比R600a大，其他制冷特性及安全特性均與R600a相似。沸點(diǎn)-11.73℃，凝固點(diǎn)-160℃。毒性非常低，在空氣中可燃，應(yīng)注意防火防爆。與礦物潤(rùn)滑油能很好互溶，與其他物質(zhì)的化學(xué)相溶性很好，與水的溶解性很差。3.碳?xì)浠衔?1)R600a（異丁烷i-C4H10）(694.混合制冷劑(1)共沸制冷劑共沸制冷劑特點(diǎn)：一定蒸發(fā)壓力下蒸發(fā)時(shí)具有幾乎不變的蒸發(fā)溫度，而且蒸發(fā)溫度一般比組成它的單組分的蒸發(fā)溫度低。一定蒸發(fā)溫度下，共沸制冷劑單位容積制冷量比組成它的單一制冷劑的容積制冷量要大。共沸制冷劑化學(xué)穩(wěn)定性較組成它的單一制冷劑好。在全封閉和半封閉壓縮機(jī)中，采用共沸制冷劑可使電機(jī)得到更好的冷卻，電機(jī)繞組溫升減小。4.混合制冷劑(1)共沸制冷劑共沸制冷劑特點(diǎn)：一定蒸發(fā)壓70表1–11幾種共沸制冷劑的組成和沸點(diǎn)

代號(hào)組分質(zhì)量成分分子量沸點(diǎn)(℃)共沸溫度各組分的沸點(diǎn)(℃)R500R12/152a73.8/26.299.3-33.50-29.8/-25R501R22/1284.5/15.593.1-41.5-41-40.8/-29.8R502R22/11548.8/51.2111.6-45.419-40.8/-38R503R23/1340.1/59.987.6-88.088-82.2/-81.5R504R32/11548.2/51.879.2-59.217-51.2/-38R505R12/3178.0/22.0103.5-30115-29.8/-9.8R506R31/11455.1/44.993.7-12.518-9.8/3.5R507R125/143a50.0/50.098.9-46.7－-48.8/-47.7表1–11幾種共沸制冷劑的組成和沸點(diǎn)代號(hào)組分質(zhì)量成分分子量71(2)非共沸制冷劑一定壓力下溶液加熱時(shí)，首先到達(dá)飽和液體點(diǎn)A(泡點(diǎn))，再加熱到達(dá)點(diǎn)B，即進(jìn)入兩相區(qū)，繼續(xù)加熱到點(diǎn)C(露點(diǎn))時(shí)全部蒸發(fā)完成為飽和蒸氣。泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度的溫差稱(chēng)之為溫度滑移

圖1–19非共沸制冷劑的T-ξ圖

(2)非共沸制冷劑一定壓力下溶液加熱時(shí)，首先到達(dá)飽72表1-12一些非共沸混合制冷劑顯示了目前應(yīng)用較多的非共沸制冷劑的種類(lèi)及組成。(3)常用混合制冷劑的特性沸點(diǎn)-33.5℃，ODP值較高。1)共沸制冷劑R500

可代替R12用于活塞式制冷機(jī)沸點(diǎn)-45.4℃，ODP值較高。溶水性比R12大1.5倍，在82℃以上有較好的溶油性。沸點(diǎn)-88℃，不燃燒，無(wú)毒無(wú)腐蝕性，ODP值較高。適用于復(fù)疊式制冷機(jī)的低溫級(jí)。沸點(diǎn)-46.7℃，ODP值為零。不溶于礦物油，但溶于聚酯類(lèi)潤(rùn)滑油。2)共沸制冷劑R502

可代替R22用于獲得低溫3)共沸制冷劑R503可代替R13使用4)共沸制冷劑R507用R502的場(chǎng)合都可用R507替代

表1-12一些非共沸混合制冷劑顯示了目前應(yīng)用較多的非共沸制735)非共沸制冷劑R401A和R401B性能與R12較接近。能溶于聚醇類(lèi)和聚酯類(lèi)潤(rùn)滑油。可作為過(guò)度性替代物

泡露點(diǎn)溫差大，使用時(shí)最好將熱交換器作成逆流形式不能與礦物潤(rùn)滑油互溶，但能溶于聚酯類(lèi)合成潤(rùn)滑油低溫工況下，容積制冷量比R22要低得多。不能與礦物潤(rùn)滑油互溶，但能溶于聚酯類(lèi)合成潤(rùn)滑油。泡露點(diǎn)溫差僅0.2℃，可稱(chēng)之為近共沸混合制冷劑。具有與共沸混合制冷劑類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)。不能直接用來(lái)替換R22的制冷系統(tǒng)。7)非共沸制冷劑R410A兩元混合制冷劑6)非共沸制冷劑R407C三元非共沸混合制冷劑5)非共沸制冷劑R401A和R401B性能與R12較接近。741.2.5低溫液體的性質(zhì)表1-13大氣壓下一些飽和低溫液體的性質(zhì)(1)常規(guī)氣體液氮純凈無(wú)色具有兩種穩(wěn)定的同素異形體。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在77.36K沸騰,63.2K凝固。液氧藍(lán)色，有輕微磁性。在0.1MPa大氣壓下在90.18K時(shí)沸騰，54.4K時(shí)凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氬純凈無(wú)色氬是無(wú)毒的惰性氣體。

在0.1MPa大氣壓下在87.3K沸騰,83.8K凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氖純凈無(wú)色氖是惰性氣體。在0.1MPa大氣壓下在27.09K沸騰,24.54K凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。1.2.5低溫液體的性質(zhì)表1-13大氣壓下一些飽和低溫液75液氟淡黃色，密度最大的低溫液體之一。通常狀態(tài)下沸點(diǎn)為85.24K，在0.1MPa,53.5K時(shí),液氟凝結(jié)成黃色固體,過(guò)冷到45.6K時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨腆w。氟有劇毒，化學(xué)性質(zhì)非?；顫?。甲烷純凈無(wú)色，天然氣的主要成分。在0.1MPa大氣壓下在111.7K沸騰,88.7K凝固。液態(tài)甲烷能裝在容器中大量運(yùn)輸。(2)氫液氫無(wú)色無(wú)味，不自燃，低溫液體中最輕之一。氫與氧氣或空氣混合時(shí),極易燃燒甚至爆炸。天然氫氣是兩種同素異形體的混合物：氫和氘。還存在第三種不穩(wěn)定的氫的同素異形體：氚。氫具有兩種不同的分子形態(tài):o-H2和p-H2液氟淡黃色，密度最大的低溫液體之一。通常狀態(tài)下沸點(diǎn)為85.76表1-14e-H2中p-H2的含量列出了e-H2中p-H2的平衡含量隨溫度的關(guān)系。

溫度(K)20.2730405060708090摩爾含量0.99800.97020.88730.77960.66810.55880.49880.4403溫度(K)100120140160180200250300摩爾含量0.39470.32960.29800.27960.26760.25970.25260.2507表1-14e-H2中p-H2的含量列出了e-H2中p-H277這兩種不同形式的氫的區(qū)別在于組成氫分子的粒子的相對(duì)自旋轉(zhuǎn)方向不同。這兩種不同形式的氫的區(qū)別在于組成氫分子的粒子的相對(duì)自旋轉(zhuǎn)方向78氘也有o-D2和p-D2存在，溫度降低時(shí)氘中的p-D2向o-D2轉(zhuǎn)變而氫在溫度降低時(shí)由o-H2向p-H2轉(zhuǎn)變(3)氦4氦有兩種同位素:He4和He3液氦4在其蒸氣壓下不會(huì)凝固。故不存在氦的固、液、氣三相點(diǎn),而其它物質(zhì)都存在三相點(diǎn)。

LHe有兩種不同液相液氦Ⅰ(HeI)正常液體液氦Ⅱ(HeII)超流體氘也有o-D2和p-D2存在，溫度降低時(shí)氘中的p-D2向o-79λ線與蒸汽壓曲線相交的點(diǎn)叫λ點(diǎn)λ點(diǎn)溫度為2.172K壓力為5.073kPa區(qū)分兩種液相的相轉(zhuǎn)變曲線叫λ線壓力固態(tài)臨界點(diǎn)λ點(diǎn)液氦Ⅰ

液氦II

溫

度(K)圖1-21氦4的相圖λ線與蒸汽壓曲線相交的點(diǎn)叫λ點(diǎn)區(qū)分兩種液相的相轉(zhuǎn)變曲線叫λ線80熱導(dǎo)率隨溫度的下降而下降。氦Ⅰ液氦Ⅱ熱導(dǎo)率非常大,在氣泡生成之前熱量已迅速傳到液體表面,使液體中無(wú)法生成氣泡，這種特性在自然界是獨(dú)一無(wú)二。在特定條件下,它表現(xiàn)為粘度為零。由常流體和超流體組成的混合物,其常流體成分和超流體成分比隨溫度的變化而變化。表1-15兩流體模型中常流體在HeⅡ中的質(zhì)量比熱導(dǎo)率隨溫度的下降而下降。氦Ⅰ液氦Ⅱ熱導(dǎo)率非常大,在氣泡生81當(dāng)溫度降低通過(guò)λ點(diǎn)時(shí)，液體比熱有一個(gè)大幅度跳躍。圖1-22飽和液態(tài)氦4的比熱

溫

度(K)

飽和液體的比熱KJ/Kg·K當(dāng)溫度降低通圖1-22飽和液態(tài)氦4的比熱溫度82噴泉效應(yīng)噴泉效應(yīng)83制冷原理與技術(shù)ppt課件84(4)氦3圖1-25氦3的相圖

溫

度

壓

力

氣態(tài)

液態(tài)

固態(tài)

臨界點(diǎn)(4)氦3圖1-25氦3的相圖溫度壓850.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自發(fā)分離為兩相，一種是超流體(富含氦4相)，另一種是常流體(富含氦3相)。這種相的分離現(xiàn)象成為氦稀釋制冷機(jī)的基礎(chǔ)。

無(wú)色無(wú)味液體,標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)3.19K液氦3在其蒸汽壓下即使降到絕對(duì)零度也保持為液態(tài)0.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自發(fā)分離為兩相，一86第三節(jié)制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷與低溫技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域舉例10.

火箭推力系統(tǒng)與高能物理1.

空氣調(diào)節(jié)2.

人工環(huán)境3.

食品冷凍與冷凍干燥4.

低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)5.

低溫電子技術(shù)6.

機(jī)械設(shè)計(jì)7.

紅外遙感技術(shù)8.

加工過(guò)程9.

材料回收第三節(jié)制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷與低溫技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域舉例87制冷在空調(diào)中的作用

(1)干式冷卻(2)減濕冷卻(3)減濕與干式冷卻混合方式1.空氣調(diào)節(jié)圖1-26制冷與空調(diào)的關(guān)系

制冷和空調(diào)的關(guān)系相互聯(lián)系又獨(dú)立制冷在空調(diào)中的作用(1)干式冷卻(2)減濕冷卻(3)減88用人工方法構(gòu)成各種人們所希望達(dá)到的環(huán)境條件，包括地面的各種氣候變化和高空宇宙及其它特殊的要求。2.人工環(huán)境與制冷有關(guān)的人工環(huán)境試驗(yàn)有以下幾種(1)低溫環(huán)境試驗(yàn)(2)濕熱試驗(yàn)(3)鹽霧試驗(yàn)(4)多種氣候試驗(yàn)(5)空間模擬試驗(yàn)用人工方法構(gòu)成各種人們所希望達(dá)到的環(huán)境條件，包括地面的各種氣89根據(jù)對(duì)食品處理方式不同，食品低溫處理工藝可分三類(lèi)：(1)食品的冷藏與冷卻(2)食品的凍結(jié)與凍藏(3)冷凍干燥3.食品冷凍與冷凍干燥根據(jù)對(duì)食品處理方式不同，食品低溫處理工藝可分三類(lèi)：(1)90研究低溫對(duì)生物體產(chǎn)生的影響及應(yīng)用的學(xué)科。低溫生物學(xué)研究溫度降低對(duì)人類(lèi)生命過(guò)程的影響，以及低溫技術(shù)在人類(lèi)同疾病作斗爭(zhēng)中的應(yīng)用的學(xué)科。低溫醫(yī)學(xué)低溫生物醫(yī)學(xué)低溫生物學(xué)和低溫醫(yī)學(xué)的統(tǒng)稱(chēng)。典型應(yīng)用例子

(1)細(xì)胞組織程序冷卻的低溫保存(2)超快速的玻璃化低溫保存方法(3)利用低溫器械使病灶細(xì)胞和組織低溫?fù)p傷而壞死的低溫外科。4.低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)研究低溫對(duì)生物體產(chǎn)生的影響及應(yīng)用的學(xué)科。低溫生物學(xué)研究溫度91微波激射器必須冷到液氮或液氦溫度,以使放大器元素原子的熱振蕩不至于嚴(yán)重干擾微波的吸收與發(fā)射。超導(dǎo)量子干涉器即SQUIDs,被用在相當(dāng)靈敏的數(shù)字式磁力計(jì)和伏安表上。在MHD系統(tǒng)、線性加速器和托克馬克裝置中，超導(dǎo)磁體被用來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。5.低溫電子技術(shù)微波激射器必須冷到液氮或液氦溫度,以使放大器元素原子的熱振蕩92運(yùn)用與超導(dǎo)電性有關(guān)的Meissner效應(yīng),用磁場(chǎng)代替油或空氣作潤(rùn)滑劑,可以制成無(wú)磨擦軸承。在船用推進(jìn)系統(tǒng)中,無(wú)電力損失的超導(dǎo)電機(jī)已獲得應(yīng)用。偏差極小的超導(dǎo)陀螺也已經(jīng)被研制出來(lái)。時(shí)速500km/h的低溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)已經(jīng)在日本投入試驗(yàn)運(yùn)行。6.機(jī)械設(shè)計(jì)運(yùn)用與超導(dǎo)電性有關(guān)的Meissner效應(yīng),用磁場(chǎng)代替93

采用紅外光學(xué)鏡頭可以拍攝熱源外形，并可以對(duì)熱源進(jìn)行跟蹤。一些紅外材料往往工作在120K以下的低溫下，使得熱源遙感信號(hào)更為清晰，為了拍攝高靈敏度的信號(hào)往往需要更低的溫度。

一般紅外衛(wèi)星需要70-120K的低溫，往往通過(guò)斯特林制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)、輻射制冷器來(lái)實(shí)現(xiàn)?？臻g遠(yuǎn)紅外觀測(cè)則需要2K以下的溫度，往往通過(guò)超流氦的冷卻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。7.紅外遙感技術(shù)采用紅外光學(xué)鏡頭可以拍攝熱源外形，并可以對(duì)熱源進(jìn)行跟94煉鋼時(shí)氧起到某些重要的作用。制取氨時(shí)也用到低溫系統(tǒng)。壓力容器加工時(shí),將預(yù)成形的圓柱體放在冷卻到液氮溫度的模具中,在容器中充入高壓氮?dú)?讓其擴(kuò)脹15%,然后容器被從模具中移開(kāi)并恢復(fù)到室溫。使用這個(gè)方法,材料的屈服強(qiáng)度能增加4至5倍。8.加工過(guò)程煉鋼時(shí)氧起到某些重要的作用。8.加工過(guò)程95目前低溫技術(shù)是回收鋼結(jié)構(gòu)輪胎中橡膠的唯一有效的方法，這種方法采用了低溫粉碎技術(shù)。利用材料在低溫狀態(tài)下的冷脆性能，對(duì)物料進(jìn)行粉粹。低溫粉碎技術(shù)材料溫度降低到一定程度，材料內(nèi)部原子間距顯著減小，結(jié)合緊密的原子無(wú)退讓余地，吸收外力使其變形的能力很差，失去彈性而顯示脆性。9.材料回收目前低溫技術(shù)是回收鋼結(jié)構(gòu)輪胎中橡膠的唯一有效的方法，這種方法96所有大型的發(fā)射的飛行器均使用液氧作氧化劑。宇宙飛船的推進(jìn)也使用液氧和液氫。觀察研究大型粒子加速器產(chǎn)生的粒子的氫泡室要用到液氫。10.火箭推力系統(tǒng)與高能物理LHC-CERN27km超導(dǎo)磁體過(guò)冷態(tài)超流氦冷卻所有大型的發(fā)射的飛行器均使用液氧作氧化劑。10.火箭推力系97第二章制冷原理與技術(shù)在講述制冷空調(diào)技術(shù)時(shí),開(kāi)利的故事更為人著迷.開(kāi)利博士于1903年發(fā)明了空調(diào),百年的歷史長(zhǎng)河中空調(diào)使人類(lèi)徹底改變了生活.

第二章制冷原理與技術(shù)在講述制冷98第二章制冷原理與技術(shù)第一節(jié)蒸汽壓縮式制冷第二節(jié)吸收和吸附式制冷第三節(jié)其它形式的制冷第二章制冷原理與技術(shù)第一節(jié)蒸汽壓縮式制冷99第一節(jié)

蒸氣壓縮式制冷

利用制冷劑液體在氣化時(shí)（蒸發(fā)時(shí)）產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)，達(dá)到制冷目的。

液體蒸發(fā)制冷的特征第一節(jié)

蒸氣壓縮式制冷利用制冷劑液體在氣100

液體蒸發(fā)制冷構(gòu)成循環(huán)的四個(gè)基本過(guò)程是：

①制冷劑液體在低壓（低溫）下蒸發(fā)，成為低壓蒸氣②將該低壓蒸氣提高壓在普通高壓蒸氣③將高壓蒸氣冷凝，使之成為高壓液體④高壓液體降低壓力重新變?yōu)榈蛪阂后w，返回到①?gòu)亩瓿裳h(huán)。液體蒸發(fā)制冷構(gòu)成循環(huán)的四個(gè)基本過(guò)程是：1012.1.1蒸氣壓縮式制冷循環(huán)(一)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)1．朗肯循環(huán)2．勞倫茨循環(huán)3．跨臨界循環(huán)雙筒型煤油燃燒器釜式燃燒器蒸發(fā)燃燒器燃油噴霧燃燒器

（二）多級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)2.1.1蒸氣壓縮式制冷循環(huán)(一)單級(jí)蒸氣1．朗肯循環(huán)雙1022.1.1蒸氣壓縮式制冷循環(huán)

制冷循環(huán)就是通過(guò)一定的能量補(bǔ)償，從低溫?zé)嵩次鼰?，向高溫?zé)嵩磁艧?。熱源的溫度決定制冷劑吸熱與排熱的溫度與壓力，相應(yīng)地決定了制冷循環(huán)中的高低壓側(cè)的壓力比。2.1.1蒸氣壓縮式制冷循環(huán)制冷103(一)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)

容積式壓縮機(jī)的單級(jí)壓比受壓縮機(jī)容積效率和壓縮終了溫度的制約通常被限制在8～10

離心式壓縮機(jī)的單級(jí)壓縮比受工質(zhì)分子量大小與葉輪的周邊速度制約通常被限制在2～4(一)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)1041．朗肯循環(huán)單級(jí)蒸氣壓縮制冷的典型循環(huán)

空調(diào)、制冷、食品冷藏溫度范圍大量使用的循環(huán)基本朗肯循環(huán)有回?zé)岬睦士涎h(huán)1．朗肯循環(huán)單級(jí)蒸氣壓縮制冷的典型循環(huán)空調(diào)、105圖2-1基本朗肯循環(huán)循環(huán)T—S圖：1—2壓縮過(guò)程2—3冷卻冷凝過(guò)程3—4節(jié)流過(guò)程4—1蒸發(fā)吸熱過(guò)程

朗肯循環(huán)圖例TS1243圖2-1基本朗肯循環(huán)朗肯循環(huán)圖例TS1243106圖2-2有回?zé)岬睦士涎h(huán)T—S圖：1‘—2壓縮過(guò)程2—3冷凝過(guò)程3—3’液體過(guò)冷過(guò)程3＇—4節(jié)流過(guò)程4—1蒸發(fā)過(guò)程1—1＇吸氣過(guò)熱過(guò)程TS1’243’31圖2-2有回?zé)岬睦士涎h(huán)TS1’243’31107制冷原理與技術(shù)ppt課件1082．勞倫茨循環(huán)

朗肯循環(huán)的主要特征

循環(huán)中的兩個(gè)相變過(guò)程變成伴隨有降溫的定壓凝結(jié)和伴隨有升溫的定壓蒸發(fā)。

有兩個(gè)定壓定溫的相變過(guò)程與純質(zhì)制冷劑及共沸混合制冷劑的壓力特性相適應(yīng)。勞倫茨循環(huán)2．勞倫茨循環(huán)朗肯循環(huán)的主要特征109

勞倫茨循環(huán)圖例圖2-3勞倫茨循環(huán)

TS1243勞倫茨循環(huán)圖例圖2-3勞倫茨循環(huán)TS12431103．跨臨界循環(huán)

將CO2作為制冷劑用于空調(diào)制冷的溫度范圍時(shí)，由于CO2的臨界溫度低（僅30℃），排熱將在超臨界區(qū)進(jìn)行。而吸熱則在臨界點(diǎn)以下進(jìn)行，整個(gè)循環(huán)跨越臨界點(diǎn)。

定義3．跨臨界循環(huán)將CO2作111圖2-4CO2跨臨界循環(huán)1—2壓縮過(guò)程；2—3氣體冷卻過(guò)程；3—4氣體冷卻過(guò)程；4—5節(jié)流過(guò)程；5—6蒸發(fā)過(guò)程；0—1氣體過(guò)熱過(guò)程。

TS1265304圖2-4CO2跨臨界循環(huán)TS1265304112制冷原理與技術(shù)ppt課件113（二）多級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)

單級(jí)蒸氣壓縮制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)制冷劑的冷凝壓力是由環(huán)境介質(zhì)（如空氣或水）溫度所決定。在一定的冷凝溫度下蒸發(fā)溫度的降低冷凝壓力和蒸發(fā)壓力之差（pk-po）增大壓縮比pk/po變大（二）多級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)單級(jí)蒸氣114單級(jí)壓縮循環(huán)所能達(dá)到的最低制冷溫度是有限的。通常，最低只能達(dá)到-40℃左右。原因:受單級(jí)活塞式壓縮機(jī)的極限使用條件的限制。

我國(guó)活塞式制冷壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)GB10875--89中規(guī)定了不同制冷機(jī)使用溫度在高溫、中溫和低溫的不同溫度范圍。單級(jí)壓縮循環(huán)所能達(dá)到的最低制冷溫度是有限的。115

單級(jí)蒸氣壓縮活塞式制冷機(jī)，壓縮比一般不超過(guò)10。當(dāng)蒸發(fā)溫度過(guò)低，超出極限使用條件時(shí)會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：

(1)壓縮比增大時(shí)壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)λ大為降低，壓縮機(jī)的輸氣量及效率顯著下降。(2)壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高，使?jié)櫥偷恼扯燃眲∠陆?，影響壓縮機(jī)的潤(rùn)滑。當(dāng)排氣溫度與潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)接近時(shí)，會(huì)使?jié)櫥吞蓟?，以致在閥片上產(chǎn)生結(jié)碳現(xiàn)象。單級(jí)蒸氣壓縮活塞式制冷機(jī)，壓縮116

所以，為了獲得比較低的溫度（－40～－70℃），同時(shí)又能使壓縮機(jī)的工作壓力控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，就要采用多級(jí)壓縮循環(huán)。(3)制冷劑節(jié)流損失增加，單位質(zhì)量制冷量及單位容積制冷量下降過(guò)大，經(jīng)濟(jì)性下降。(3)制冷劑節(jié)流損失增加，單位質(zhì)量制冷量117

采用哪一種型式有利則與制冷劑種類(lèi)、制冷劑容量及其它條件有關(guān)。常用的組成型式有：

1.一級(jí)節(jié)流、中間完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)（如圖2-5所示）

2.一級(jí)節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)（如圖2-6所示）

3.兩級(jí)節(jié)流、中間完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)

（如圖2-7所示）

4.兩級(jí)節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)（如圖2-8所示）

5.兩級(jí)節(jié)流、具有中溫蒸發(fā)器的中間完全冷卻兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)

（如圖2-9所示）采用哪一種型式有利則與制冷劑種類(lèi)118圖2-5一級(jí)節(jié)流、中間完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)(a)流程圖b)lgp-h圖圖2-5一級(jí)節(jié)流、中間完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)119制冷原理與技術(shù)ppt課件120圖2-6一級(jí)節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)(a)流程圖(b)lgp-h圖圖2-6一級(jí)節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)121制冷原理與技術(shù)ppt課件122圖2-7兩級(jí)節(jié)流、中間完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)(a)流程圖(b)lgp-h圖圖2-7兩級(jí)節(jié)流、中間完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)123制冷原理與技術(shù)ppt課件124圖2-8兩級(jí)節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)(a)流程圖(b)lgp-h圖圖2-8兩級(jí)節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)125制冷原理與技術(shù)ppt課件126圖2-9兩級(jí)節(jié)流、具有中溫蒸發(fā)器的中間完全冷卻兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)(a)流程圖(b)lgp-h圖圖2-9兩級(jí)節(jié)流、具有中溫蒸發(fā)器的中間完全冷卻兩級(jí)壓縮制127制冷原理與技術(shù)ppt課件128（四）復(fù)疊式蒸氣壓縮式制冷循環(huán)

由兩個(gè)（或數(shù)個(gè)）不同制冷劑工作的單級(jí)（也可以是多級(jí)）制冷系統(tǒng)組合而成。定義（四）復(fù)疊式蒸氣壓縮式制冷循環(huán)由兩個(gè)（129最低蒸發(fā)溫度制冷劑制冷循環(huán)型式-80℃R22-R23R22單級(jí)或兩級(jí)壓縮—R23單級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)R507-R23R507單級(jí)或兩級(jí)壓縮—R23單級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)R290-R23R290兩級(jí)壓縮—R23單級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)-100℃R22-R23R22兩級(jí)壓縮—R23單級(jí)或兩級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)R507-R23R507兩級(jí)壓縮—R23單級(jí)或兩級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)R22-R1150R22兩級(jí)壓縮—R1150單級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)R507-R1150R507兩級(jí)壓縮—R1150單級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)-120℃R22-R1150R22兩級(jí)壓縮—R1150兩級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)R507-R1150R507兩級(jí)壓縮—R1150兩級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)R22-R23-R50R22單級(jí)壓縮—R23單級(jí)壓縮—R50單級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)R507-R23-R50R507單級(jí)壓縮—R23單級(jí)壓縮—R50單級(jí)壓縮組合的復(fù)疊式循環(huán)最低蒸制冷劑制冷循環(huán)型式-80℃R22-R23R22單級(jí)或兩130

1.兩個(gè)單級(jí)壓縮循環(huán)組成的復(fù)疊式制冷機(jī)

高溫壓縮機(jī)冷凝器節(jié)流閥冷凝蒸發(fā)器高溫系統(tǒng)制冷劑R231.兩個(gè)單級(jí)壓縮循環(huán)組成的復(fù)疊式131壓縮機(jī)冷凝蒸發(fā)器回?zé)崞鞴?jié)流閥蒸發(fā)器膨脹容器組成低溫系統(tǒng)制冷劑R22壓縮機(jī)低溫系統(tǒng)制冷劑R22132圖2-10由兩個(gè)單級(jí)系統(tǒng)組成的復(fù)疊式制冷機(jī)a)制冷循環(huán)系統(tǒng)b)T-s圖圖2-10由兩個(gè)單級(jí)系統(tǒng)組成的復(fù)疊式制冷機(jī)133制冷原理與技術(shù)ppt課件134

2.一個(gè)兩級(jí)壓縮循環(huán)和一個(gè)單級(jí)壓縮循環(huán)組成的復(fù)疊式制冷機(jī)

高溫部分一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻節(jié)流前液體過(guò)冷帶回?zé)岬膬杉?jí)壓縮循環(huán)2.一個(gè)兩級(jí)壓縮循環(huán)和一個(gè)單級(jí)壓135R22或R507低溫部分帶回?zé)岬膯渭?jí)壓縮循環(huán)制冷劑低溫高溫最低蒸發(fā)溫度可達(dá)-110℃R23或R1150R22或R507低溫部分帶回?zé)岬膯渭?jí)壓縮循環(huán)制冷劑低溫高溫最136圖2-11高溫部分為兩級(jí)壓縮循環(huán)、低溫部分為單級(jí)壓縮循環(huán)組成的復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖a1—低溫部分壓縮機(jī)a2—高溫部分低壓級(jí)壓縮機(jī)a3—高溫部分高壓級(jí)壓縮機(jī)b—冷凝器c1、c2、c3—節(jié)流閥d—蒸發(fā)器d12冷凝-蒸發(fā)器e1—低溫部分氣-液熱交換器e2—高溫部分氣-液熱交換器f—高溫部分中間冷卻器圖2-11高溫部分為兩級(jí)壓縮循環(huán)、低溫部分為單級(jí)壓縮循環(huán)137圖2-12高溫部分為兩級(jí)壓縮循環(huán)、低溫部分為單級(jí)壓縮循環(huán)組成的復(fù)疊式制冷循環(huán)lgp-h圖(a)高溫部分(b)低溫部分圖2-12高溫部分為兩級(jí)壓縮循環(huán)、低溫部分為138

3.三個(gè)單級(jí)壓縮循環(huán)組成的復(fù)疊式制冷機(jī)

循環(huán)中溫高溫低溫中溫R23高溫R22或R507低溫R50、R1150或R170制冷劑最低蒸發(fā)溫度可達(dá)－120℃～－140℃3.三個(gè)單級(jí)壓縮循環(huán)組成的復(fù)疊式制冷機(jī)循環(huán)139制冷原理與技術(shù)ppt課件140制冷原理與技術(shù)ppt課件141開(kāi)式半開(kāi)式4.用CO2作為第二制冷劑的復(fù)疊式制冷機(jī)二氧化碳液體干冰冷凝節(jié)流降壓制冷機(jī)開(kāi)式4.用CO2作為第二制冷劑的復(fù)疊式制冷機(jī)二氧化碳液體干冰142圖2-14CO2的壓力—焓示意圖

圖2-14CO2的壓力—焓示意圖143圖2-15生產(chǎn)干冰的復(fù)疊式循環(huán)原理圖及溫熵圖(a)系統(tǒng)原理圖(b)T-S圖圖2-15生產(chǎn)干冰的復(fù)疊式循環(huán)原理圖及溫熵圖144制冷原理與技術(shù)ppt課件145（一）簡(jiǎn)單單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)計(jì)算單級(jí)理論循環(huán)是建立在以下一些假設(shè)的基礎(chǔ)上的：

（1）壓縮過(guò)程為等熵過(guò)程，即在壓縮過(guò)程中不存在任何不可逆損失

（2）在冷凝器和蒸發(fā)器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值（一）簡(jiǎn)單單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)計(jì)算單級(jí)理論循環(huán)是146

（4）制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒(méi)有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能變化，除了蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的管子外，制冷劑與管外介質(zhì)之間沒(méi)有熱交換

（5）制冷劑在流過(guò)節(jié)流裝置時(shí)，流速變化很小，可以忽略不計(jì)，且與外界環(huán)境沒(méi)有熱交換

（3）離開(kāi)蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開(kāi)冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體（4）制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒(méi)有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能147

圖2-16理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的表示

按照熱力學(xué)第一定律，對(duì)于在控制容積中進(jìn)行的狀態(tài)變化存在如下關(guān)系：（2-1）

圖2-16理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的148這里，把自外界傳入的功作為負(fù)值。對(duì)上式積分可以得到整個(gè)過(guò)程的表達(dá)式：（2-2）

按照式（2-1）和式（2-2），單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)循環(huán)的各個(gè)過(guò)程有如下關(guān)系：q0稱(chēng)為單位制冷量，習(xí)慣上取為正值，在T-s圖上用面積1-5-b-a-1代表，而在lgp-h圖上則用線段5-1表示。這里，把自外界傳入的功作為負(fù)值。對(duì)上式積分可以得到整個(gè)過(guò)程的149(2)冷凝過(guò)程：

dw=0dq=dhqk=h2-h4

（2-4）

(3)節(jié)流過(guò)程：

w=0q=0Δh=0h4=h5

（2-5）

（1）壓縮過(guò)程:dq=0,因而

dw=dhw=h2-h1

（2-3）

（4）蒸發(fā)過(guò)程：dw=0因而

dq=dhq0=h1-h5=h1-h4

（2-6）(2)冷凝過(guò)程：dw=0dq=dh（2-4）(3150單位制冷量q0壓縮蒸氣制冷循環(huán)單位制冷量可按式（2-6）計(jì)算。單位制冷量也可以表示成汽化潛熱r0和節(jié)流后的干度x5的關(guān)系：為了說(shuō)明單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的性能，采用下列一些性能指標(biāo)，這些性能指標(biāo)均可通過(guò)循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出來(lái)。

(2-7)

由式（3-7）可知，制冷劑的汽化潛熱越大，或節(jié)流所形成的蒸氣越少（x5越小）則循環(huán)的單位制冷量就越大。單位制冷量q0壓縮蒸氣制冷循環(huán)單位制冷量可按式（2-6）計(jì)算151(2)單位容積制冷量qv(2-8)(3)理論比功w0對(duì)于單級(jí)蒸氣壓縮制冷機(jī)的理論循環(huán)來(lái)說(shuō)，理論比功可表示為(2-9)單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的理論比功也是隨制冷劑的種類(lèi)和制冷機(jī)循環(huán)的工作溫度而變的。(2)單位容積制冷量qv(2-8)(3)理論比功w0對(duì)于單級(jí)152(4)單位冷凝熱qk單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱(chēng)為單位冷凝熱。單位冷凝熱包括顯熱和潛熱兩部分

(2-10)

比較式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，對(duì)于單級(jí)壓縮式蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，存在著下列關(guān)系(2-11)(4)單位冷凝熱qk單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的153(5)制冷系數(shù)

對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，制冷系數(shù)為

(2-12)

制冷系數(shù)愈大經(jīng)濟(jì)性愈好冷凝溫度越高制冷系數(shù)越小蒸發(fā)溫度越低(5)制冷系數(shù)對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)154(6)熱力完善度單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的熱力完善度按定義可表示為(2-13)這里εc為在蒸發(fā)溫度（T0）和壓縮機(jī)排氣溫度（T2）之間工作的逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。熱力完善度愈大，說(shuō)明該循環(huán)接近可逆循環(huán)的程度愈大。

(6)熱力完善度單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的熱力完善度按定義155（二）液體過(guò)冷、氣體過(guò)熱及回?zé)釋?duì)理想循環(huán)性能的影響

上面所述的循環(huán)，是單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的基本循環(huán)，也是最簡(jiǎn)單的循環(huán)。在實(shí)用上，根據(jù)實(shí)際條件對(duì)循環(huán)往往要作一些改進(jìn)，以便提高循環(huán)的熱力完善度。在單級(jí)制冷機(jī)循環(huán)中，這一改進(jìn)主要有液體過(guò)冷、吸氣過(guò)熱及由此而產(chǎn)生的回?zé)嵫h(huán)。（二）液體過(guò)冷、氣體過(guò)熱及回?zé)釋?duì)理想循環(huán)性能的影響上156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(chēng)為過(guò)冷。1.液體過(guò)冷帶有過(guò)冷的循環(huán)，叫做過(guò)冷循環(huán)。采用液體過(guò)冷對(duì)提高制冷量和制冷系數(shù)都是有利的將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱(chēng)為過(guò)冷。1.157圖2-17過(guò)冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示(2-14)與無(wú)過(guò)冷的循環(huán)1-2-3-4-5-1相比，過(guò)冷循環(huán)的單位制冷量的增加量為圖2-17過(guò)冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上158

在圖2-17（a）中，

q0以面積5‘-5-b-c表示，在圖2-17（b）中，q0以線段5’-5表示。因兩個(gè)循環(huán)的理論比功w0相同，過(guò)冷循環(huán)的制冷系數(shù)比無(wú)過(guò)冷循環(huán)的制冷系數(shù)要大。(2-15)在圖2-17（a）中，q0以面積5‘-5-1592.吸入蒸氣的過(guò)熱

壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力下制冷劑的飽和溫度時(shí)，稱(chēng)為過(guò)熱。具有吸氣過(guò)熱的循環(huán)，稱(chēng)為過(guò)熱循環(huán)。圖2-18示出了過(guò)熱循環(huán)1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s圖和lgp-h圖。圖中1-1‘是吸氣的過(guò)熱過(guò)程，其余與基本循環(huán)相同。

2.吸入蒸氣的過(guò)熱壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓160圖2-18過(guò)熱循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示

(2-16)圖2-18過(guò)熱循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表161

(2-17)有效過(guò)熱循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為

(2-18)由制冷劑的T-s圖我們可以得到，在過(guò)熱區(qū)，過(guò)熱度越大，其等熵線的斜率越大，根據(jù)式（2-17），得

（2-19）(2-162圖