制冷原理与基础

1、制冷原理与基础第三部分：制冷剂第三部分：制冷剂第二部分：第二部分：蒸气压缩式制冷循环蒸气压缩式制冷循环目目 录录第一部分：制冷绪论一、制冷原理和传热学的几个误区二、制冷的定义及人工制冷技术发展史三、制冷的分类四、制冷原理中常用的概念(一)热量能自发的从热量多的物体向热量少的物体传递 热量只能自发的从高温物体向低温物体传递。热量只能自发的从高温物体向低温物体传递。 （热力学第二定律） (二)物体吸收或释放热量后温度一定会发生变化 可能压力变化；可能压力变化； 可能容积变化；可能容积变化； 可能聚集状态变化；可能聚集状态变化； 或上述全部或部份出现。或上述全部或部份出现。(三)制冷机组的作用是制造

2、（创造）冷量 能量不可能创造或消亡，它只能从一种型式转换为另能量不可能创造或消亡，它只能从一种型式转换为另一种型式；也只能从一个物体转移到另一个物体。一种型式；也只能从一个物体转移到另一个物体。 （热力学第一定律）采用人工方法在一定时间一定空间内将物体或流体冷却使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。 制冷技术就是一门研究采用人工方法制取低温的原理、设备及其应用的科学技术。1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克，提出了潜热的概念，标志着现代制冷技术的开始。1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，并正式申请了英国第6662号专利。这是后来

3、所有蒸气压缩式制冷机的雏型，但使用的工质是乙醚，容易燃烧。1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制冷机使他一举成名。威廉西门斯在空气制冷机中引入了回热器，提高了制冷机的性能。1859年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统，申请了原理专利。1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位20世纪，制冷技术有了更大发展。全封闭制冷压缩机的研制成功（美国通用电器公司）；米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环以及混合制冷剂的应用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。1910年左右，马利斯莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统

4、。1922年左右，美国开利博士发明了离心式制冷机组。1960年左右，螺杆式压缩机应用于制冷机组。(一)按制冷温度分类（1）普通制冷：120K以上（-153以上） （2）深度制冷：12020K以上（-153-253 ）（3）低温制冷：200.3K以上（-253-272.85 ）（4）超低温制冷：0.3K以下（-272.85）制冷和低温两个概念是以制取低温的温度来区分的，但并没有严格的范围。通常，从环境温度到120K的范围属于制冷，而从120K以下到绝对零度（0K）的范围属于低温。(二)按制冷方法分类（1 1）相变制冷：）相变制冷：利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低温下的利用液体在低温下的蒸发过

5、程或固体在低温下的溶化或升华过程从被冷却物体吸取热量以制取冷量。在制冷技术中，溶化或升华过程从被冷却物体吸取热量以制取冷量。在制冷技术中，利用液化气化制冷是最重要的制冷方法，当前普遍应用的压缩蒸汽式利用液化气化制冷是最重要的制冷方法，当前普遍应用的压缩蒸汽式制冷机和吸收式制冷机都是采用这种制冷方式的。制冷机和吸收式制冷机都是采用这种制冷方式的。（2）气体膨胀制冷：利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制取冷量的过程。（3）气体涡流制冷：高压气体经涡流管膨胀后，高速气流产生漩涡分离出冷、热两股气流，将分离出来的冷气流复热即可制取冷量。（4 4）热电制冷：）热电制

6、冷：热电制冷是以温差电现象为基础的制冷方法，它热电制冷是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用珀尔帖效应的原理达到制冷的目的，即当直流电通过两种不同是利用珀尔帖效应的原理达到制冷的目的，即当直流电通过两种不同导体组成的回路时，在其中一个结点上将产生吸热现象即制取冷量。导体组成的回路时，在其中一个结点上将产生吸热现象即制取冷量。由于半导体材料的热电现象最为明显，热电制冷通常采用半导体材料，由于半导体材料的热电现象最为明显，热电制冷通常采用半导体材料，因此热电制冷又称为温差电制冷因此热电制冷又称为温差电制冷、半导体制冷或电子制冷。、半导体制冷或电子制冷。(一)饱和压力、饱和温度（1）饱和压力：当液

7、体处于密闭容器时，若此容器内除了液体及液体本身的蒸汽外，不存在其他任何气体，那么液体和蒸汽在某一压力下达到平衡，此时气体的压力称为饱和压力；（2）饱和温度：此时的温度及为饱和温度。饱和压力随温度的升高而升高！(二)汽化潜热在饱和容器内将部分蒸汽抽走，必然汽化另一部分液体为蒸汽来维持在饱和容器内将部分蒸汽抽走，必然汽化另一部分液体为蒸汽来维持平衡，汽化时需要吸热，此热量称为汽化潜热。平衡，汽化时需要吸热，此热量称为汽化潜热。(三)蒸发压力、蒸发温度和冷凝压力、冷凝温度（1）蒸发器蒸发过程中的压力称为蒸发压力，此时温度称为蒸发温度；（2）冷凝器冷凝过程中的压力称为冷凝压力，此时温度称为冷凝温度。(

8、四)干度和湿度（1）每千克湿蒸汽中含有干蒸气的质量百分比。（2）每千克湿蒸汽中含有饱和液体的质量百分比。第二部分：蒸气压缩式制冷循环一、单级蒸气压缩式制冷循环的基本原理二、单级蒸气压缩式制冷理论循环理论循环三、单级蒸气压缩式制冷实际循环实际循环2.1.1 制冷循环系统的基本组成2.1.2 制冷循环过程2.1.3 制冷剂的变化过程 利用制冷剂由利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态液体状态汽化为蒸气状态过程中吸收热量，被冷却介质因失去过程中吸收热量，被冷却介质因失去热量而降低温度，达到制冷的目的。热量而降低温度，达到制冷的目的。 利用制冷剂由利用制冷剂由蒸气状态凝结为液体状态蒸气状态凝结为液体状态过

9、程中释放热量，被加热介质因获得过程中释放热量，被加热介质因获得热量而升高温度，达到供热的目的。热量而升高温度，达到供热的目的。2.1.12.1.1制冷循环系统的基本组成制冷循环系统的基本组成制冷循环系统：根据蒸气压缩式制冷原理构成的单级蒸气压缩式制冷循环系统，是由不同直径的管道和在其中制冷剂会发生状态变化的部件组成，串接成一个封闭的循环回路，在系统回路中装入制冷剂，制冷剂在这个循环回路中能够不停地循环流动。单级蒸气压缩式制冷系统包含四大部件：l压缩机压缩过程l冷凝器冷凝过程l节流阀节流过程l蒸发器蒸发过程单级蒸气压缩式制冷系统循环工质：l制冷剂2.1.22.1.2制冷循环过程制冷循环过程2.1

10、.32.1.3制冷剂的变化过程制冷剂的变化过程1.制冷剂在制冷压缩机中的变化 制冷剂蒸气由蒸发器的出口管路进入压缩机吸气口时，压力越高温度越高，压力越低温度越低。 制冷剂蒸气在压缩机中被绝热压缩成过热蒸气，压力由蒸发压力P0升高到冷凝压力Pk。外界的能量对制冷剂做功，使得制冷剂蒸气的温度再进一步升高，压缩机排出的蒸气温度高于冷凝温度2.制冷剂在冷凝器中的变化 过热蒸气进入冷凝器后，在压力不变的条件下，先是散发出一部分热量，使制冷剂过热蒸气冷却成饱和蒸气。 饱和蒸气在等温条件下，继续放出热量而冷凝产生了饱和液体。3.制冷剂在节流元件中的变化 饱和液体制冷剂经过节流元件，由冷凝压力Pk降至蒸发压力

11、P0，温度由tk降至t0。为绝热过程。4.制冷剂在蒸发器中的变化 以液体为主的的制冷剂，流入蒸发器不断汽化，全部液体完全汽化时，又重新流回到压缩机的吸气口，进入下一次循环。 理论循环的假设条件和压焓图理论循环的假设条件和压焓图u理论循环的假设条件压缩过程为等熵过程；冷凝过程和蒸发过程是与冷、热源直接换热；出蒸发器的为饱和蒸气，出冷凝器的为饱和液体；制冷剂流动过程中没有流动阻力损失；节流过程中与外界没有热量交换。u 一点：临界点Cu 三区：液相区，两相区，气相区。u 五态：过冷液状态，饱和液状态，湿蒸气状态，饱和蒸气状态，过热蒸气状态。u 八线：等压线p，等焓线h，饱和液线x=0，饱和蒸气线x=

12、1，无数条等干度线x等熵线s，等比体积线v，等温线t。液相区液相区两相区两相区气相区气相区u压焓图u理论循环过程在压焓图上的表示1）理论制冷循环压缩过程理论制冷循环压缩过程2）理论制冷循环冷凝过程）理论制冷循环冷凝过程 3）理论制冷循环节流过程）理论制冷循环节流过程 4）理论制冷循环蒸发过程）理论制冷循环蒸发过程 2.3.1 单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别2.3.2 液体过冷、吸气过热及回热循环2.3.3 热交换及压力损失对制冷循环的影响2.3.4 不凝性气体对制冷循环的影响2.3.5 实际制冷循环在压焓图上的表示1）制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程，且有摩擦损失。2）实际制冷循环

13、中压缩机吸入的制冷剂往往是过热蒸气，节流前往往是过冷液体，即存在气体过热、液体过冷现象。3）热交换过程中，存在着传热温差，被冷却介质温度高于制冷剂的蒸发温度，环境冷却介质温度低于制冷剂冷凝温度。4）制冷剂在设备及管道内流动时，存在着流动阻力损失，且与外界有热量交换。5）实际节流过程不完全是绝热的等焓过程，节流后的焓值有所增加。6）制冷系统中存在着不凝性气体。 2.3.12.3.1单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别2.3.22.3.2液体过冷、吸气过热及回热循环液体过冷、吸气过热及回热循环1.1.液体过冷循环液体过冷循环图一为具有液体过冷的循环和

14、理论循环的对比图，1-2-3-4-1为理论循环，1-2-3-4-1表示过冷循环。 将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为液体过冷。两个循环的比功相同，过冷循环中单位制冷量增加，从而导致过冷循环的制冷系数增加。2.2.吸气过热循环吸气过热循环图二为具有气体过热的循环和理论循环的对比图，1-2-3-4-1为理论循环，1-2-3-4-1表示过冷循环。制冷压缩机吸入前的制冷剂蒸气温度高于蒸发压力下的饱和温度时，称为吸气过热，两者温度之差称为过热度。具有吸气过热的循环，称为吸气过热循环。3.回热循环回热循环液体过冷对提高循环性能指标有好处，但要实现液体过冷需要有温度更低的冷却介质。利用回热使

15、节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷，气体过热，称为回气。具有回气的制冷循环称为回气循环。过热分为有效过热和有害过热两种过热分为有效过热和有害过热两种1）蒸发器的蒸发面积的选择大于设计所需的蒸发面积，制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质的热量而过热，属有效过热。2）制冷剂蒸气在压缩机的吸气管路中吸收外界环境的热量而过热，属有害过热。3）在半封闭、全封闭制冷压缩机中，低压制冷剂蒸气进入压缩以前，吸收电动机绕组和运转时所产生的热量而过热，属有害过热，但是必须的。4）制冷系统设置了回热器，制冷剂蒸气在回热器中吸收制冷剂液体的热量而过热，属有害过热，但有过冷过程伴随。2.3.3

16、2.3.3热交换及压力损失对制冷循环的影响热交换及压力损失对制冷循环的影响1.吸气管道1）压缩机吸气管道中，热量由高温空气传递给低温制冷剂，他会引起机组性能的恶化。2）吸气管道中的压力降始终是有害的，它使得吸气比容增大，单位容积制冷量减少，压缩机的压力比增大，压缩机容积效率降低，制冷系数下降。吸入管道对循环性能的影响最大。2.排气管道在压缩机的排出管道中，热量由高温制冷剂蒸气传给周围空气，它不会引起性能 的改变，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。2）排气管道中的压力降始终是有害的，它使得排气压力和冷凝压力之差增大，压缩机的压力比增大，压缩机容积效率降低，制冷系数下降。1）如果假定不改变制冷剂出蒸发

17、器时的状态，它仅使蒸发器中的传热温差减小，要求传热面积增大；如果假定不改变蒸发过程中的平均传热温差，其结果与吸气管道阻力引起的结果一样。2）假定出冷凝器的压力不变，为克服冷凝器中的流动阻力，必须提高冷凝器进口压力，这必须导致压缩机的排气压力升高，制冷系数下降。l不凝性气体往往积存在冷凝器上部，因为它无法通过冷凝器的液封。不凝性气体的存在将使冷凝器内的压力增加，从而导致压缩机排气压力提高，压缩机容积效率降低，制冷系数下降。不凝性气体产生原因：1、充注制冷剂前机组内部的真空度不够高；2、负压制冷剂机组存在泄漏点，空气通过泄漏点流入系统。l水侧污垢主要出现在冷凝器换热管内表面，蒸发器换热管内表面也会

18、结垢但是结垢速度较冷凝器缓慢，污垢厚度也没有冷凝器后。水侧污垢会升高冷凝压力降低蒸发压力，从而导致压缩机容积效率降低，制冷系数下降。水侧污垢产生原因：1、水系统内存在杂质；2、水系统内没有加入防腐和防止军团菌和微生物生长的添加剂；3、水系统载冷剂温度较高。2.3.42.3.4不凝性气体和水侧污垢对制冷循环的影响不凝性气体和水侧污垢对制冷循环的影响2.3.52.3.5实际制冷循环在压焓图上的表示实际制冷循环在压焓图上的表示2-2表示压缩机排出的制冷剂蒸气经过排气管的压降过程；2-3表示制冷剂蒸气进入冷凝器后冷却、冷凝和压降过程；3-3表示制冷剂液体的过冷和压降过程；3-4表示制冷剂液体的非绝热节

19、流过程；4-1表示制冷剂在蒸发器汽化和压降过程；1-1表示制冷剂蒸气的过热（有益或有害）和压降过程；1-2表示制冷剂蒸气在压缩机内实际的非等熵压缩过程；第三部分：制冷剂一、制冷剂的定义与种类二、制冷剂的要求三、R134a与R406A在制冷装置内完成热力循环的工质。(1) 无机化合物(2) 饱和烃的卤化物(3) 碳氢化合物(烃类)(4) 共沸制冷剂(5) 非共沸制冷剂如水、氨、二氧化碳等如R12、R22、R134a等如丙烷、异丁烷等如R502等如R407C等1.热力学方面的要求：1)沸点要求低；2)临界温度要高、凝固温度要低；3)具有适宜的工作压力，(Pk/Po)小；4)汽化潜热大；5)对于大型制冷系统，单位容积制冷量尽可能地大；6)绝