第4章 制冷技术

1、第4章 制冷技术 1 制冷基本原理 v制冷的方法有液体汽化制冷、汽体膨胀制冷、涡流管制 冷及电热制冷等，其中液体汽化制冷应用最广。 v一、制冷基本原理 v液体汽化制冷是利用液体汽化时的吸热、冷凝时的放热 效应来实现制冷的。液体汽化形成蒸汽。当液体（制冷 工质）处在密闭的容器中时，此容器中除了液体及液体 本身所产生的蒸汽外，不存在其他任何气体，液体和蒸 汽将在某一压力下达到平衡，此时的汽体称为饱和蒸汽， 压力称为饱和压力，温度称为饱和温度。平衡时液体不 再汽化，这时如果将一部分蒸汽从容器中抽走，液体必 然要继续汽化产生一部分蒸汽来维持这一平衡。 v液体汽化时要吸收热量，此热量称为汽化潜热。汽化潜

2、 热来自被冷却对象，使被冷却对象变冷。为了使这一过 程连续进行，就必须从容器中不断地抽走蒸汽，并使其 凝结成液体后再回到容器中去。从容器中抽出的蒸汽如 直接冷凝成蒸汽，则所需冷却介质的温度比液体的蒸发 温度还要低，我们希望蒸汽的冷凝是在常温下进行，因 此需要将蒸汽的压力提高到常温下的饱和压力。 v制冷工质将在低温、低压下蒸发，产生冷效应；并在常 温、高压下冷凝，向周围环境或冷却介质放出热量。蒸 汽在常温、高压下冷凝后变为高压液体，还需要将其压 力降低到蒸发压力后才能进入容器。 v液体汽化制冷循环是由工质汽化、蒸汽升压、高压蒸汽 冷凝、高压液体降压四个过程组成。 压焓图为一热力状态图。图中纵坐标

3、表示 绝对压力的对数lnp，横坐标表示焓值h。 Lnp ht S P k = 0 = 1 h Lnp h 1 2 3 4 2 压焓图压焓图 Lnp ht S P k =0 =1 h 二、压焓图二、压焓图 v图中临界点k左边的粗实线为饱 和液体线，线上的任何一点代表 一个饱和液体状态，干度x=0； v右边的粗实线为干饱和蒸汽线， 线上任何一点代表一个饱和蒸汽 状态，干度x=1。 Lnp ht S P k = 0 = 1 h 这两条曲线将图形分为三个区域：饱和液体线的左边 是过冷液体区，该区域的液体称为过冷液体，过冷液 体的温度低于同一压力下饱和液体的温度；干饱和线 的右边是过热蒸汽区，该区域内的

4、蒸汽称为过热蒸汽， 过热蒸汽的温度高于同一压力下饱和蒸汽的温度；两 条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区域处于汽、 液混合状态（湿蒸汽状态）。 v图中共有六种等参数线簇： v等压线p水平线； v等焓线h铅垂线； v等温线t液态区几乎为铅垂线。 两相区内由于制冷剂的状态变化是 在等压等温下进行，与等压线重合， 为水平线。过热蒸汽区为向右下方 弯曲的倾斜线； v等熵线s向右上方倾斜的实线； v等容线v向右上方倾斜的虚线， 但比等熵线平坦 v等干度线x只存在于湿蒸汽区域 内，其方向大致与饱和液体线或饱 和蒸汽线相近，视干度大小而定。 L n p ht S P k = 0 = 1 h v对于理论循环，

5、离开蒸发器、进入压缩机的制冷剂蒸 汽是处于蒸发压力下的饱和蒸汽；离开冷凝器和进入 膨胀阀的液体是冷凝压力下的饱和液体； v等熵过程：制冷剂在压缩机中压缩是等熵过程； v等压过程：制冷剂在冷却及冷凝过程为等压过程 v等焓过程：制冷剂通过膨胀阀节流时，节流前后焓值 相等： v等温过程：制冷剂在蒸发器和冷凝器中没压力损失。 v点2表示表示制冷剂出压缩机、进 入冷凝器时的状态。过程线1-2表 示制冷剂蒸汽在压缩机中的等熵压 缩过程（s1=s2），压力由蒸发压 力p0压缩到冷凝压力pk。等熵线与 于压力为冷凝压力pk等压线的交点 为2点。压缩过程中外界对制冷剂 作功，使制冷剂温度增加，2点处 于过热蒸汽

6、状态。 Lnp ht S P k =0 =1 h Lnp h 1 2 3 4 2 v点1表示制冷剂出蒸发器、进入压缩机时的状态。对 应于蒸发温度t0的饱和蒸汽。根据压力和饱和温度的关 系，该点应处于与蒸发压力p0相对应的等压线与饱和 蒸汽线（x=0）的交点上。 点3表示制冷剂出冷凝器、进膨胀阀的状态，位于与 冷凝温度tk相对应的饱和液体线上。 v过程2-2-3表示制冷剂蒸汽在冷凝器 中冷却（2-2）和冷凝（2-3）的过程。 由于这个过程是在冷凝压力pk不变的 情况下进行的，为等压过程。进入冷 凝器的过热蒸汽首先将一部分热量放 给外界冷却介质，在等压下变成饱和 蒸汽（点2），然后再在等压、等温

7、下继续放出热量，直至最后冷凝成饱 和液体（点3）。压力为pk的等压线 与干度x=0的饱和液体线的交点即为 点3的状态。 L n p ht S P k = 0 = 1 h L n p h 1 2 3 4 2 点4表示制冷剂出节流阀、进蒸发器的状态。过程线3-4 表示制冷剂通过节流阀的节流过程。在这一过程中，制 冷剂的压力由冷凝压力pk降低到蒸发压力p0，温度由冷 凝温度tk降低到蒸发温度t0，并进入两相区。由于节流 前后制冷剂的焓值不变，过程3-4为等焓过程。 v由点3作等焓线与等压线p0的交 点即为点4的状态，由于节流过 程是不可逆的，所以用一虚线表 示。 L n p ht S P k = 0

8、 = 1 h L n p h 1 2 3 4 2 v过程4-1表示制冷剂在蒸发器中的 汽化过程。这一过程是在等温、 等压（温度为t0、压力为p0）下 进行的，液体制冷剂吸收被冷却 对象的热量而不断汽化，其状态 沿等压线p0向干度增大的方向变 化，直到全部变为饱和蒸汽为止。 制冷剂的状态又变回到进入压缩 机前的状态点1，完成了一个完整 的循环。 L n p ht S P k = 0 = 1 h L n p h 1 2 3 4 2 2 2 蒸气压缩式制冷系统的构成蒸气压缩式制冷系统的构成 压缩机压缩机 热交换设备热交换设备 节流机构节流机构 管道管道 各种控制阀各种控制阀 辅助部件辅助部件 膨胀阀

9、 3 冷凝器 水 2 压缩机 等熵 等压、等温 等焓 4 蒸发器 冷 媒 1 蒸气压缩式制蒸气压缩式制 冷系统的构成冷系统的构成 v单级蒸汽压缩式制冷系统由压缩机、 冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成，用 管道连接成一封闭系统， 制冷剂在系统中循环流动。 v制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象 的热量并沸腾汽化成蒸汽，与之相 对应的压力P0称为蒸发压力，温度 t0称为蒸发温度；压缩机不断地抽 吸蒸发器中产生的蒸汽并将其压缩 到冷凝压力Pk，然后送往冷凝器， 蒸汽压缩式制冷系统图在冷凝压力 下冷凝成液体，并将放出的热量传 给了冷却介质（水或空气）。 一、蒸气压缩式制冷系统的组成一、蒸气压缩式制冷系统的组成 膨

10、 胀 阀 3 冷 凝 器 水 2 压 缩 机 等熵 等 压 、 等 温 等焓 4 蒸 发 器冷 媒 1 压缩式制冷系统的心脏压缩式制冷系统的心脏主机主机 有用能的输入有用能的输入 制冷剂在系统中的循环流动制冷剂在系统中的循环流动 整机性能整机性能 可靠性可靠性 寿命寿命 噪声噪声 1.压缩机压缩机 v与冷凝压力相对应的温度tk称为冷凝温度，tk一定要 高于冷却介质的温度；冷凝后的高压液体通过膨胀阀 或节流元件使其压力从冷凝压力pk降低到蒸发压力p0， 使部分液体汽化，剩余液体温度降至t0；离开膨胀阀 的制冷剂变为温度为t0的汽液混合物。混合物中的液 体在蒸发器中从被冷却对象中吸收他所需要的蒸发

11、热， 使被冷却对象冷却；混合物中的蒸汽通常称为闪发蒸 汽，不起吸热作用。在整个循环过程中，压缩机起着 压缩和输送制冷剂蒸汽和造成蒸发器中低压的作用， 推动系统循环，是整个系统的心脏；节流阀对制冷剂 起着节流降压的作用，并用作调节进入蒸发器的制冷 剂流量；蒸发器是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器 中吸收被冷却对象的热量，达到制冷的目的；冷凝器 是输出热量的设备，制冷剂从蒸发器中吸收的热量连 同压缩机消耗的功所转化的热量在冷凝器中一起被冷 却介质带走。 冷媒进 冷媒出 蒸发器 放空气 冷凝器 放油 水 3 总调节站 贮氨器 膨胀阀 氨液分离器 4 均压管 分油器 压缩机 2 1 水 蒸汽压缩式制冷系

12、统根据热力学第二定律，压 缩机消耗的功起了补偿作用，使制冷剂不断从 低温热源吸取热量，并不断向高温热源放出热 量，从而完成整个制冷循环。 活塞式压缩机活塞式压缩机 机体（曲轴箱）机体（曲轴箱） 气缸气缸 活塞活塞 吸、排气阀吸、排气阀 曲轴连杆机构曲轴连杆机构 组成组成 活塞式压缩机有以下特点：活塞式压缩机有以下特点： 作往复运动，转速不宜太高作往复运动，转速不宜太高 气缸工作腔有余隙容积气缸工作腔有余隙容积 气缸工作腔必须设置吸、排气阀，气缸工作腔必须设置吸、排气阀， 使吸、排气过程产生阻力损失使吸、排气过程产生阻力损失 结构复杂，零部件多结构复杂，零部件多。 往复式压缩机不允许吸气带液往复

13、式压缩机不允许吸气带液 2.热交换设备热交换设备 制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器，制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器， 它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的 设备设备 1） 冷凝器冷凝器 用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量 及压缩后增加的热焓排放到高温热源。及压缩后增加的热焓排放到高温热源。 冷凝器按冷却方式冷凝器按冷却方式 空气冷却式冷凝器中空气冷却式冷凝器中 根据管外空气流动方式根据管外空气流动方式 空气冷却式空气冷却式 水冷式水冷式 蒸发冷却式蒸发冷却式 自然对流空气冷自然对流空气冷 却

14、式冷凝器却式冷凝器 强制对流空气冷强制对流空气冷 却式冷凝器却式冷凝器 自然对流空气冷却式冷凝器自然对流空气冷却式冷凝器 1-肋片肋片 2-传热管传热管 3-上封板上封板 4-左端板左端板 5-进气集管进气集管 6-弯头弯头 7-出液集管出液集管 8-下封板下封板 9-前封板前封板 10-通风机通风机 11-装配螺钉装配螺钉 空气强制对流冷凝器空气强制对流冷凝器 氨卧式壳管式冷凝器氨卧式壳管式冷凝器 氟利昂套管式冷凝器氟利昂套管式冷凝器 2）蒸发器）蒸发器 蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。 制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介

15、 质（水或空气）的热量，达到制冷的目的。质（水或空气）的热量，达到制冷的目的。 冷却空气的蒸发器冷却空气的蒸发器 空气自然对流时空气自然对流时 多采用光盘管结构多采用光盘管结构 空气强制对流时空气强制对流时 采用翅片管结构采用翅片管结构 壳管式壳管式 沉没式沉没式 冷却液体（水或其它液冷却液体（水或其它液 体载冷剂）的蒸发器体载冷剂）的蒸发器 卧式满液式蒸发器结构卧式满液式蒸发器结构 干式壳管蒸发器干式壳管蒸发器 空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式 a) 蒸发器蒸发器 b) 绕片管绕片管 c) 套片管套片管 1-传热管传热管 2-肋片肋片 3-挡板挡板 4-通

16、风机通风机 5-集气管集气管 6-分液器分液器 3.节流机构节流机构 节流机构是实现制冷循环系统必须节流机构是实现制冷循环系统必须 的四个基本组成部件之一，安装在冷的四个基本组成部件之一，安装在冷 凝器与蒸发器之间。作用为：凝器与蒸发器之间。作用为： 对制冷剂的流动起调节作用，使来自冷凝对制冷剂的流动起调节作用，使来自冷凝 器的高压液态制冷剂压力降低器的高压液态制冷剂压力降低 控制进入蒸发器的制冷剂质流率控制进入蒸发器的制冷剂质流率 1） 毛细管毛细管 毛细管用在小型而且不需要精确调毛细管用在小型而且不需要精确调 节流量的制冷装置。节流量的制冷装置。 家用冰箱家用冰箱 冷柜冷柜 房间空调器房间

17、空调器 简单简单 便宜便宜 便于大批量生产便于大批量生产 应用应用 特点特点 2） 手动膨胀阀手动膨胀阀 通常与其它控制元件配合使用，一般只在通常与其它控制元件配合使用，一般只在 短时期内使用，例如在冷冻初期辅助送液，或短时期内使用，例如在冷冻初期辅助送液，或 者在自动膨胀阀出故障时作为旁路备用阀。者在自动膨胀阀出故障时作为旁路备用阀。 3） 定压膨胀阀定压膨胀阀 从保持蒸发压力恒定为目的，自动调节蒸发器从保持蒸发压力恒定为目的，自动调节蒸发器 供液量。其结构原理是：由设定弹簧力和蒸发压力供液量。其结构原理是：由设定弹簧力和蒸发压力 产生的流体压力之差提供阀打开方向的驱动力。当产生的流体压力之

18、差提供阀打开方向的驱动力。当 蒸发压力降低时，阀开大，供液量增多，以补偿蒸蒸发压力降低时，阀开大，供液量增多，以补偿蒸 发压力的下降；当蒸发压力升高时，阀关小，供液发压力的下降；当蒸发压力升高时，阀关小，供液 量减少，抑制蒸发压力上升。量减少，抑制蒸发压力上升。 4） 浮球阀浮球阀 用液位控制供液量。以浮球用液位控制供液量。以浮球杠杆机构产杠杆机构产 生阀动作的驱动力。根据制冷机的情况，又分生阀动作的驱动力。根据制冷机的情况，又分 两种。对于制冷剂液体主要在高压侧（冷凝器两种。对于制冷剂液体主要在高压侧（冷凝器 或高压贮液器）的制冷机，采用高压浮球阀。或高压贮液器）的制冷机，采用高压浮球阀。

19、它的浮球感受冷凝器或高压贮液器的液位。它的浮球感受冷凝器或高压贮液器的液位。 当液位升高时，阀开大，增大蒸发器供液量；当液位升高时，阀开大，增大蒸发器供液量； 当液位降低时，阀关小，减少供液量。当液位降低时，阀关小，减少供液量。 4.管道管道 用管道将制冷机各组成部件连接成一个完整的用管道将制冷机各组成部件连接成一个完整的 制冷系统，使制冷剂在封闭的系统中循环。制冷剂制冷系统，使制冷剂在封闭的系统中循环。制冷剂 管道应考虑的问题：管道应考虑的问题： 管道的材质应与制冷剂相容管道的材质应与制冷剂相容 管道与管道、管道与设备连接处必须可靠密封，采用管道与管道、管道与设备连接处必须可靠密封，采用 焊

20、接或可拆连接（法兰或螺丝连接）焊接或可拆连接（法兰或螺丝连接） 连接处采用密封材料时，密封材料也必须与制冷剂相连接处采用密封材料时，密封材料也必须与制冷剂相 容管道与外界环境接触，将与管内制冷剂发生热交换容管道与外界环境接触，将与管内制冷剂发生热交换 制冷剂在管道中流动会产生管道压降制冷剂在管道中流动会产生管道压降 5.其它部件其它部件 四个主要部件四个主要部件 压缩机压缩机 冷凝器冷凝器 节流件节流件 蒸发器蒸发器 不可缺少不可缺少 管道管道 附加附加 净化净化 贮集贮集 分离设备分离设备 v过滤器过滤器 v干燥器干燥器 v贮液器贮液器 v集油器集油器 v油分离器油分离器 v空气分离器空气分

21、离器 v一、制冷剂的选用原则一、制冷剂的选用原则 v v 只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的 物质才有可能作为制冷剂使用。物质才有可能作为制冷剂使用。 1.1.制冷剂热力学性质制冷剂热力学性质 (1) (1) 工作温度范围内有合适的压力和压力比。工作温度范围内有合适的压力和压力比。 (2) (2) 单位制冷量单位制冷量q q0 0和单位容积制冷量和单位容积制冷量q qv v较大。较大。 (3) (3) 比功比功w w和单位容积压缩功和单位容积压缩功w wv v小，循环效率高。小，循环效率高。 蒸发压力蒸发压力大气压力大气压力 冷凝压力不要过高冷凝压力不要过

22、高 冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大 (4) (4) 等熵压缩终了温度等熵压缩终了温度t t2 2不能太高，以免润滑条件恶化不能太高，以免润滑条件恶化 或制冷剂自身在高温下分解。或制冷剂自身在高温下分解。 2.2.物理化学性质方面物理化学性质方面 (3) (3) 无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。 (4) (4) 化学稳定性和热稳定性好。化学稳定性和热稳定性好。 (5) (5) 对大气环境无破坏作用。对大气环境无破坏作用。 原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。 (1) (1) 粘度、密度尽量小。粘度

23、、密度尽量小。 (2)(2) 导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。 二、制冷剂二、制冷剂 制冷剂按其化学组成主要有三类制冷剂按其化学组成主要有三类 无机物无机物 氟里昂氟里昂 碳氢化合物碳氢化合物 字母字母“R”R”和它后面的一组数字或字和它后面的一组数字或字 母母 表示制冷剂表示制冷剂 根据制冷剂分子组成按一定规则编写根据制冷剂分子组成按一定规则编写 1.1.无机化合物无机化合物 2.2.氟里昂和烷烃类氟里昂和烷烃类 简写符号规定为简写符号规定为R7( )( )R7( )( ) 括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分。括号中填入的数字是该无

24、机物分子量的整数部分。 简写符号规定为简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)B(z) R(m-1)(n+1)(x)B(z) 数值为零时省略不写，同分异构体则在其最后加小数值为零时省略不写，同分异构体则在其最后加小 写英文字母以示区别。写英文字母以示区别。 编写规则编写规则 制冷剂的简写符号制冷剂的简写符号 三、制冷剂的物理化学性质及其应用三、制冷剂的物理化学性质及其应用 1.1.安全性安全性 (1) (1) 毒性毒性 虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或 火焰作用下会分解出极毒的光气。火焰作用下会分解出极毒的光气。 (2) (2) 燃烧性

25、和爆炸性燃烧性和爆炸性 在空气中发生燃烧或爆炸的体积百分比范围。在空气中发生燃烧或爆炸的体积百分比范围。 这一范围的下限值越小，表示越易燃；下限这一范围的下限值越小，表示越易燃；下限 值相同，则范围越宽越易燃。值相同，则范围越宽越易燃。 2.2.热稳定性热稳定性 制冷剂在正常运转条件下不发生裂解。在温度较高又制冷剂在正常运转条件下不发生裂解。在温度较高又 有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解。有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解。 爆炸极限爆炸极限 “冰堵现象冰堵现象” ” 当温度降到当温度降到00以下时，水结成冰而堵塞节流阀或以下时，水结成冰而堵塞节流阀或 毛细管的通道形

26、成毛细管的通道形成“冰堵冰堵”，致使制冷机不能正常工，致使制冷机不能正常工 作。作。 泄漏性泄漏性 氨有强烈臭气，靠嗅觉易判是否泄漏。易溶于水，氨有强烈臭气，靠嗅觉易判是否泄漏。易溶于水， 故不用肥皂水检漏，用酚酞试剂和试纸检漏故不用肥皂水检漏，用酚酞试剂和试纸检漏 氟利昂无色无臭，卤素喷灯和电子检漏仪检漏氟利昂无色无臭，卤素喷灯和电子检漏仪检漏 沸点沸点-33.3-33.3，凝固点，凝固点-77.9-77.9 单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小 毒性较大，有一定的可燃性毒性较大，有一定的可燃性 氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味氨蒸气无色，

27、具有强烈的刺激性臭味 氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤 氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀，同时减小制冷量氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀，同时减小制冷量 。 以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小 ， 系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气可能爆炸系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气可能爆炸 氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出 在氨制冷机中不用铜和铜合金材料在氨制冷机中不用铜和铜合金材料( (磷青铜除外磷青铜除外) ) 四、常用制冷剂四、常用制冷剂 1.

28、1.无机物无机物 氨氨 2.2.氟利昂氟利昂 (1) R12 (1) R12（二氟二氯甲烷（二氟二氯甲烷 CFCF2 2ClCl2 2） 沸点沸点-29.8-29.8，凝固点，凝固点-158-158。 无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。 系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过0.001% 0.001% 常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶 不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过2%2%铝镁合金。铝镁合金。 (2) R134a(2) R134a（四氟乙烷（四氟乙烷 CHCH2 2FCFFCF3 3） 毒性低，不可燃，安全。毒性低，不可燃，安全。 与矿物润滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯类。与矿物