第3章制冷剂、载冷剂和润滑油

1、制冷原理与装置制冷原理与装置制冷剂又称制冷工质，它是在制冷系统中不断循环并通制冷剂又称制冷工质，它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂在过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质（水或空气等）的热量而汽化蒸发器内吸收被冷却介质（水或空气等）的热量而汽化，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。它的，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。它的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理，因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽视及运行管理，因而对制冷剂性质要求的了解是不容

2、忽视的。的。3.1 制冷剂制冷剂 制冷原理与装置3.1.1 对制冷剂的要求对制冷剂的要求1.1.热力学方面的要求：热力学方面的要求：l1)1)沸点要求低沸点要求低l2)2)临界温度要高、凝固温度要低临界温度要高、凝固温度要低l3)3)具有适宜的工作压力，具有适宜的工作压力， (Pk/P0)(Pk/P0)小小l4)4)汽化潜热大汽化潜热大l5)5)对于大型制冷系统，单位容积制冷量尽对于大型制冷系统，单位容积制冷量尽 可能地大可能地大l6)6)绝热指数小些绝热指数小些l7)7)对于离心式制冷压缩机应采用分子量大的制冷对于离心式制冷压缩机应采用分子量大的制冷剂剂制冷原理与装置2.物理化学方面的要求：

3、物理化学方面的要求：l1 1）粘度尽可能小粘度尽可能小l2）热导率要求高）热导率要求高l3）纯度高）纯度高l4）热化学稳定性好，）热化学稳定性好，l5）良好的电绝缘性。）良好的电绝缘性。l6）溶解于油的不同性质表现出不同的特点。）溶解于油的不同性质表现出不同的特点。 制冷剂在润滑油中的溶解性可分为完全溶解、制冷剂在润滑油中的溶解性可分为完全溶解、微溶解和完全不溶解。一般可认为微溶解和完全不溶解。一般可认为R717、R13、R14等是不溶于油的制冷剂；等是不溶于油的制冷剂；R22、R114等是等是微溶于油的；微溶于油的；R11、R12、R21、R113等是完全等是完全溶于油的。溶于油的。制冷原理

4、与装置3.安全性方面的要求：安全性方面的要求：1 1）在工作温度范围内不燃烧、不爆炸。）在工作温度范围内不燃烧、不爆炸。2 2）无毒或低毒，相对安全性好）无毒或低毒，相对安全性好3 3）具有易检漏的特点）具有易检漏的特点4 4）制冷剂无毒）制冷剂无毒4.经济性方面的要求经济性方面的要求 制冷剂的生产工艺简单，价廉、易得。制冷剂的生产工艺简单，价廉、易得。制冷原理与装置ts0Pc0.20.3MPa0ts-60, 0.3MPaPc2.0MPats-60注：注：ts为制冷剂的标准蒸发温度，即在标准大气压力下的沸腾温度为制冷剂的标准蒸发温度，即在标准大气压力下的沸腾温度3.1.2 制冷剂的种类与编号制

5、冷剂的种类与编号按照制冷剂的标准按照制冷剂的标准蒸发温度，蒸发温度，可将制冷剂分为三类可将制冷剂分为三类制冷原理与装置(1) 无机化合物无机化合物(2) 饱和烃的卤化物饱和烃的卤化物(氟利昂氟利昂)(3) 碳氢化合物碳氢化合物(烃类烃类)(4) 共沸制冷剂共沸制冷剂(5) 非共沸制冷剂非共沸制冷剂如水、氨、二氧化碳等如R12、R22、R134a等如丙烷、异丁烷等如R502等如R407C等制冷原理与装置无机化合物R717R744R718R7XX无机化合物的分子量编号氨二氧化碳水举例制冷剂的编号表示方法制冷剂的编号表示方法 制冷原理与装置R22分子式CmHnFxClyBrz n+ x+ y+ z

6、= 2m+2编号同分异构体溴分子数，为0，B可省略R(m1)(n+1)x(a,b)Bz举例二氟一氯甲烷(CHClF2)二氟二氯甲烷(CCl2F2)R12卤代烃卤代烃制冷原理与装置 碳氢化合物碳氢化合物(烃类烃类) 不饱和碳氢化合物和卤代烯不饱和碳氢化合物和卤代烯 R50R170R1150R1270编号 与氟利昂编号方法相同举例甲烷(CH4)乙烷 (C2H6)R1+氟利昂编号方法编号举例乙烯 (C2H4)丙烯 (C3H6)烷烃类烯烃类制冷原理与装置 共沸共沸(液体液体)制冷剂制冷剂= R152a/R12(26.2/73.8)= R22/R115 (48.8/51.2)质量百分比组成由两种或两种以

7、上的制冷剂按一定的比例混合而成，在气化或液化过程中，蒸气成分与溶液成分始终保持相同；在既定压力下，发生相变时对应的温度保持不变。编号R5XX举例R500R502已经商品化的共沸混合物，依应用先后在500序号中顺次地规定其识别编号。制冷原理与装置 非共沸非共沸(液体液体)制冷剂制冷剂组成由两种或两种以上的制冷剂按一定的比例混合而成。在定压下气化或液化过程中，蒸气成分与溶液成分不断变化，对应的温度也不断变化。编号R4XX举例R407cR404a已经商品化的非共沸混合物，依应用先后在400序号中顺次地规定其识别编号。R32/R125/R134a(23:25:52(%)R125/R143a/R134a

8、(44:52:4(%)制冷原理与装置3.1.3 常用制冷剂的性质常用制冷剂的性质1.水的特性（R718）l属于无机物类制冷剂，来源最广，最为安全而便宜的工质。l水不宜在压缩式制冷机中使用，适合在空调用的吸收式和蒸汽喷射式制冷机中。2.氨的特性（R717） l氨的压力适中，单位容积制冷量大，流动阻力小，热导率大，价格低廉，对大气臭氧层无破坏作用。l氨的主要缺点是毒性较大、可燃、可爆、有强烈的刺激性臭味、等熵指数较大，若系统中含有较多空气时，遇火会引起爆炸。l氨制冷系统中应设有空气分离器，及时排除系统内的空气及其它不凝性气体。l氨系统中不必设置干燥器，含水量仍限制在0.2的范围内。l氨制冷系统中往

9、往设有油分离器。l氨制冷系统中，不允许使用铜及其铜合金材料。制冷原理与装置3.氟利昂的特性 1）R12 对大气臭氧层有严重破坏作用，并产生温室效应，因此它已受到限用与禁用。但它目前仍是国内应用较广的中温制冷剂之一，2010年1月1日起将在我国完全停止生产和消费。南极臭氧空洞的变化制冷原理与装置 2）R22 对大气臭氧层有轻微破坏作用，并产生温室效应。它是第二批被列入限用与禁用的制冷剂之一。我国将在2040年1月1日起禁止生产和使用。R22是最为广泛使用的中温制冷剂R22属安全性制冷剂。R22化学性质不如R12稳定。R22 能部分地与润滑油互溶，R22对金属的作用、泄漏性与R12相同。R22广泛

10、用于冷藏、空调、低温设备中。在活塞式、离心式、压缩机系统中均有采用。由于它对大气臭氧层仅有微弱的破坏作用，故可作为R12的近期、过渡性替代制冷剂。制冷原理与装置3）R13 属低温制冷剂，毒性比R12更小，不燃烧、不爆炸。只应用于复叠式制冷系统的低温级。R13微溶于水，系统中也应设干燥器。它不溶于油，对金属和有机物的作用、泄漏性与R12相同，可用来制取-70-100的低温。R13对大气臭氧层也有破坏作用，但因其用量很少，直到1990年伦敦会议上才被列入增加的受控物质，要求发展中国家在2010年1月1日起停止生产和消费。4）R11 属高温制冷剂，适用于离心式压缩机制冷系统。 R11毒性比R12大，

11、与明火接触时更易分解出剧毒光气。Rll的溶水性、溶油性、对金属及有机物的作用均与R12相似。Rll由于标准蒸发温度较高，故广泛用于空调系统或热泵装置中，制取10-5的低温。它对大气臭氧层有严重破坏作用，属限用与禁用之列。制冷原理与装置6）R134a 属中温制冷剂。它的特性与R12相近，目前是R12的替代工质之一。7）R600a 属中温制冷剂。它对大气臭氧层无破坏作用，无温室效应。可燃、可爆，不允许采用气焊或电焊。价格便宜。由于具有极好的环境特性，目前广泛被采用，作为R12的替代工质之一。8）R123 属高温制冷剂。适用于离心式制冷压缩机。具有一定毒性。具有优良的大气环境特性（ODP=0.02，

12、GWP=0.02)，是目前替代R11的理想制冷剂之一。制冷原理与装置4.碳氢化合物的特性 丙烷（R290）是较多采用的碳氢化合物。属中温制冷剂。难溶于水。大气环境特性优良（ODP=O，GWP=0.03），是目前被研究的替代工质之一。 除丙烷外，通常用作制冷剂的碳氢化合物还有乙烷（R170）、丙烯（R1270）、乙烯( R1150)。制冷原理与装置1. 1. 问题的提出问题的提出 CFC又称氯氟烃，是氟利昂制冷剂家族中的一员 研究表明，当CFCs受强烈紫外线照射后，将产生下列反应（以CFC12为例）: CF2Cl2- CF2ClCl；ClO3-ClOO2 ；ClOO- ClO2 循环反应产生的氯

13、原子不断地与臭氧分子作用，使一个氯氟烃分子，可以破坏成千上万个臭氧分子，使臭氧层出现“空洞”，这一现象已被英国南极考察队和卫星观测所证实。据UNEP（联合国环境规划署）提供的资料，臭氧每减少1,紫外线辐射量约增加2。3.1.4 CFCS、HCFCS的限制与替代臭氧层的破坏将导致：危及人类健康，可使皮肤癌、白内障的发病率增加，破坏人体免疫系统；危及植物及海洋生物，使农作物减产，不利于海洋生物的生长与繁殖；产生附加温室效应，从而加剧全球气候转暖过程；加速聚合物（如塑料等）的老化。因此保护臭氧层已成为当前一项全球性的紧迫因此保护臭氧层已成为当前一项全球性的紧迫任务任务。制冷原理与装置2000年臭氧空

14、洞的形状 2002年臭氧空洞变形了 制冷原理与装置2. CFCS、HCFCS的限用与禁用的限用与禁用表3-3 HCFC禁用时间表（发达国家）（蒙特利尔议（蒙特利尔议定书）缔约国定书）缔约国1996.1.1：以：以1989年的年的HCFC消费量加消费量加2.8%CFC消费量的总和（折合到消费量的总和（折合到ODS吨）吨）作为基准加以冻结；作为基准加以冻结；2004.1.1：消减：消减35%；2010.1.1：消减：消减65%；2015.1.1：消减：消减95%；2020.1.1：消减：消减95.5%(0.5%仅用于现有设备的维修仅用于现有设备的维修)；2030.1.1：消减：消减100%美国美国

15、2003.1.1：禁止：禁止HCFC141b用于发泡剂；用于发泡剂；2010.1.1：冻结：冻结HCFC22和和HCFC142b的生产；不再制造使用的生产；不再制造使用HCFC22新设备；新设备；2015.1.1：冻结：冻结HCFC123和和HCFC124的生产；的生产；2020.1.1：禁用：禁用HCFC22和和HCFC141b；不再制造使用；不再制造使用HCFC123和和HCFC124的新的新设备；设备；2030.1.1：禁用：禁用HCFC123和和HCFC124欧共体国家欧共体国家2000.1.1：消减：消减50%；2004.1.1：消减：消减75%；2007.1.1：消减：消减90%；

16、2015.1.1：消减：消减100%；瑞士、意大利瑞士、意大利2000.1.1禁用禁用HCFC德国德国2000.1.1禁用禁用HCFC22瑞典，加拿大瑞典，加拿大2010.1.1禁用禁用HCFC制冷原理与装置表3-4 中国制冷空调和化工行业最终淘汰消耗臭氧层物质时间表行行 业业 消耗臭氧层物质消耗臭氧层物质完全淘汰时间（年）完全淘汰时间（年）家用制冷设备家用制冷设备CFC11CFC1120102010CFC12CFC1220102010汽车空调器汽车空调器CFC12 2002 工商业制冷设备工商业制冷设备CFC11 2002 CFC12 2006 化工生产化工生产CFC112010CFC122

17、010CFC1132006 注：允许维修使用到2010年。 制冷原理与装置要求(1) 比热大(2) 导热系数大(3) 粘度低(4) 凝固点与使用温度范围相适应(5) 腐蚀性小(6) 无毒、不燃、不爆(7) 化学稳定性好(8) 价格低廉3.2 载冷剂载冷剂 载冷剂：在间接制冷系统中用以传递冷量的中间介质在蒸发器中被制冷剂冷却并送到冷却设备中吸收被冷却系统的热量，然后返回蒸发器将吸收的热量传递给制冷剂，而载冷剂重新被冷却。如此循环不止，以达到连续制冷的目的。3.2.1载冷剂的作用及选用原则载冷剂的作用及选用原则制冷原理与装置选择方法选择方法使用目的温度范围蒸发温度在5以上的载冷剂系统，一般都采用水

18、作载冷剂 蒸发温度在5-50的范围内，一般可采用氯化钠或氯化钙盐水溶液 蒸发温度低于-50时，采用三氯乙烯、二氯甲烷、三氯氟甲烷、乙醇、丙酮等 3.2.1载冷剂的作用及选用原则载冷剂的作用及选用原则制冷原理与装置3.2.2 常用载冷剂的特性常用载冷剂的特性常用的载冷剂有空气、水、盐水和有机物等 1空气 在冷库及空调中多有采用。空气比热容较小，所需传热面积较大 2水 水作为载冷剂只适用于载冷温度在O 以上的场合，空调系统中多有采用 3盐水溶液 盐水是最常用的载冷剂，由盐溶于水制成。常用的盐水主要有氯 化钠水溶液和氯化钙水溶液。 盐水的性质于溶液中含盐量的多少有关。特别需要指出，盐水的凝固点取决于

19、盐水的浓度。图2-1中的曲线表示盐水溶液的凝固点与浓度的关系。 制冷原理与装置 图中曲线图中曲线（实线）为氯化钠盐（实线）为氯化钠盐 水的凝固曲线，水的凝固曲线，曲线曲线（虚线）为氯（虚线）为氯 化钙盐水的凝固曲线。化钙盐水的凝固曲线。由这两条曲线由这两条曲线可知可知 ,无论哪一种盐水，无论哪一种盐水，当盐水的浓当盐水的浓度小于某一定值时，其凝固温度随浓度小于某一定值时，其凝固温度随浓度的增加而降低，当浓度大于这一定度的增加而降低，当浓度大于这一定值以后，值以后，凝固温度随浓度的增加反而凝固温度随浓度的增加反而升高。升高。此转折点称为冰盐共晶点此转折点称为冰盐共晶点，对对应的浓度称共晶浓度。该

20、点相当于全应的浓度称共晶浓度。该点相当于全 部盐水溶液冻结成一块冰盐结晶体，部盐水溶液冻结成一块冰盐结晶体，它是最低的凝固点。它是最低的凝固点。0-10-10-20-20-30-30-40-40-50-50-60-60液体液体冰冰+液体液体盐盐+液体液体固体固体氯化钠盐水：共晶点氯化钠盐水：共晶点-21.2、共晶浓度、共晶浓度22.4氯化钙盐水：共晶点氯化钙盐水：共晶点-55、共晶浓度、共晶浓度29.929.9盐水的凝固点与浓度的关系盐水的凝固点与浓度的关系制冷原理与装置在共晶点的左侧，如果盐水的浓在共晶点的左侧，如果盐水的浓度不变，而温度降低，当低于该度不变，而温度降低，当低于该浓度所对应的

21、凝固点时，则有冰浓度所对应的凝固点时，则有冰从盐水中析出，所以共晶点左面从盐水中析出，所以共晶点左面的曲线称为析冰线。当盐水的浓的曲线称为析冰线。当盐水的浓度超过共晶浓度时（即在共晶点度超过共晶浓度时（即在共晶点的右面），如果盐水的浓度不变的右面），如果盐水的浓度不变，而当温度降低到该浓度所对应，而当温度降低到该浓度所对应的凝固点以下时，从溶液中析出的凝固点以下时，从溶液中析出的不再是冰而是结晶盐，因此共的不再是冰而是结晶盐，因此共晶点右面的曲线称为析盐线。晶点右面的曲线称为析盐线。 不同的盐水溶液其共晶点是不不同的盐水溶液其共晶点是不同的，如氯化钠盐水的共晶温度同的，如氯化钠盐水的共晶温度为

22、为21.2，共晶浓度为，共晶浓度为22.4；而氯化钙盐水的共晶温度为而氯化钙盐水的共晶温度为55，共晶浓度为，共晶浓度为 29.9。 0-10-10-20-20-30-30-40-40-50-50-60-60液体液体冰冰+液体液体盐盐+液体液体固体固体析冰线析冰线析盐线析盐线氯化钠盐水氯化钠盐水实线实线氯化钙盐水氯化钙盐水虚线虚线制冷原理与装置在在共晶点的左侧共晶点的左侧，如果盐水的浓度不变，如果盐水的浓度不变，而温度降低，当低于该浓度所对应的，而温度降低，当低于该浓度所对应的凝固点时，则有冰从盐水中析出，所以凝固点时，则有冰从盐水中析出，所以共晶点左面的曲线称为析冰线共晶点左面的曲线称为析冰

23、线。当盐水的浓度超过共晶浓度时，即在当盐水的浓度超过共晶浓度时，即在共共晶点的右面晶点的右面，如果盐水的浓度不变，而，如果盐水的浓度不变，而当温度降低到该浓度所对应的凝固点以当温度降低到该浓度所对应的凝固点以下时，从溶液中析出的不再是冰而是结下时，从溶液中析出的不再是冰而是结晶盐，因此晶盐，因此共晶点右面的曲线称为析盐共晶点右面的曲线称为析盐线线。 不同的盐水溶液其共晶点是不同的。不同的盐水溶液其共晶点是不同的。氯化钠盐水氯化钠盐水的共晶温度为的共晶温度为21.2，共，共晶浓度为晶浓度为22.4；氯化钙盐水氯化钙盐水的共晶温度为的共晶温度为55，共晶，共晶浓度为浓度为 29.9。 0-10-1

24、0-20-20-30-30-40-40-50-50-60-60液体液体冰冰+液体液体盐盐+液体液体固体固体析冰线析冰线析盐线析盐线氯化钠盐水氯化钠盐水实线实线氯化钙盐水氯化钙盐水虚线虚线制冷原理与装置4有机物载冷剂 常用的有机物载冷剂有l乙醇（CH3-CH2OH）、l乙二醇（CH2OH-CH2OH）、l丙二醇（CH2OH-CHOH-CH3）、l丙三醇（CH2OH-CHOH-CH2OH）、l二氯甲烷（CH2Cl2）及三氯乙烯（CHCl-CCl2）等。l它们都具有较低的凝固温度。l有机物载冷剂标准蒸发温度均较低。制冷原理与装置3.3 润滑油润滑油 润滑油在制冷工程上通常称为冷冻机油，它在制冷压缩机

25、的运行中起着重要作用。主要有如下几方面： 1.起润滑作用 减小机器运动部件的摩擦和磨损，延长使用寿命。 2.降低温度 冷冻机油在制冷压缩机内不断循环，能够带走制冷压缩机工作过程中产生的许多热量，使机器保持较低的温度，从而提高制冷压缩机的效率和使用可靠性。 3.起密封作用 冷冻机油在轴封及汽缸与活塞间起密封作用，防止制冷剂泄漏。 4.提供卸载机构的动力 带有卸载装置的制冷压缩机中，利用冷冻机油的油压作为卸载机构的动力。3.3.1 润滑油的作用润滑油的作用制冷原理与装置3.3.2 润滑油的性能指标及选用润滑油的性能指标及选用(一一) 润滑油的性能指标润滑油的性能指标1.粘度粘度 粘度是润滑油的一个

26、主要性能指标，不同制冷剂对粘度有不同要求，如R12与润滑油能相互溶解，会使润滑油粘度降低，故应选用粘度较高的润滑油。压缩机中润滑油的粘度过大和过小都不好。粘度过大会使压缩机摩擦功率和摩擦发热量增加，启动力矩增大，机器效率降低;粘度过小，则因不能建立起所需油膜而加速轴承等处的磨损。因此粘度必须适中。润滑油的粘度随温度变化而有很大变化(例如温度由50升高到100时，矿物油的粘度值降低到原来值的1/31/6)。故应选用温度对粘度影响小的润滑油。2.浊点浊点 润滑油的浊点是表示当温度降低到某一数值时，润滑油中开始析出石蜡(即润滑油变得混浊)时的温度。制冷压缩机中所使用的润滑油，其浊点应低于制冷剂的蒸发

27、温度。特别在氟系统中，一部分润滑油溶解于制冷剂中而随制冷剂流到制冷系统各处，若油中有石蜡析出，它会积存在节流阀处引起堵塞，或积存在蒸发器的传热表面，减弱传热效果。 制冷原理与装置3.凝固点凝固点 润滑油在试验条件下，冷却到停止流动的温度，称为凝固点。用于制冷压缩机的润滑油，凝固点应越低越好。一般凝固点应低于-40。当润滑油与制冷剂互相溶解时，凝固点将会降低。4.闪点闪点 润滑油(在开口盛油器内)加热到它的蒸汽与火焰接触时，发生闪火的最低温度称为闪点。制冷压缩机所用的润滑油其闪点应比排汽温度高2535，以免引起润滑油的燃烧与结焦。通常对氨、R12和R22用的润滑油，其闪点应在160170以上。5.学稳定性及抗氧化性学稳定性及抗氧化性 润滑油应具有良好的化学稳定性和抗氧化，否则在高温或金属的催化作用下，与制冷剂等接触反应，会生成焦炭、酸性物等有害物质。 制冷原理与装置6.含水量与机械杂质含水量与机械杂质 润滑油中不应含有水分，因为水分不但会使蒸发压力下降，蒸发温度升润滑油中不应含有水分，因为水分不但会使蒸发压力下降，蒸发温度升高，而且会加剧油的化学变化及腐蚀金属的作用。水分在氟利昂压缩机中还高，而且会加剧油的化学变化及腐蚀金属的作用。水分在氟利昂压缩机中还会引起会引起“镀铜现象镀铜现象”，使铜零件与氟利昂发生作用而分解出铜，并积聚在轴，使铜零件与氟利昂发生作用而