制冷与低温原理02第二章课件

1、制冷与低温原理配套教材制冷原理部分制冷与低温原理配套教材第二章 制冷与低温工质特性 制冷原理Properties of refrigerant and cryogenic fluids制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids目录第一节 概述第二节 流体物性计算的热力学基础第三节 工质的热力性质及计算方法 第四节 工质的物理化学性质第五节 常用制冷与低温工质第六节 载冷剂第七节 工质与润滑油制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第一节 概述热力性质方面在工作温度范围内有合适的压力和压力比通常希望单位制冷量q0和单位容积制冷量qv比

2、较大比功W和单位容积压缩功Wv小，循环效率高等熵压缩终了温度不能太高迁移性质方面 粘度、密度尽量小 热导率尽量 制冷与低温工质的选用原则制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids物理化学性质方面 无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全化学稳定性和热稳定性好，制冷工质要经得起蒸发和冷凝的循环变化对大气环境无破坏作用，即不破坏大气臭氧层，没有温室效应其他方面 原料来源充足，制造工艺简单价格便宜等制冷与低温工质的选用原则制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids无机化合物无机化合物的简写符号规定为R7( )。括号代表一组数字，这组数字是该无机物相对

3、分子质量的整数部分。例如：He-4，O-H2，NH3，符号表示R704，R702，R717。氟利昂和烷烃类烷烃类化合物的分子通式为CmH2m+2氟利昂的分子通式为CmHnFxClyBrz (n+x+y+z=2m+2)，它们的简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)B(z)，每个括号是一个数字，该数字数值为零时省去写，同分异构体则在其最后加小写英文字母以示区别。制冷与低温工质命名制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids非共沸混合制冷工质非共沸混合制冷工质的简写符号为R4( )。括号代表一组数字，这组数字为该制冷工质命名的先后顺序号，从00开始。构成非共沸混合制冷

4、工质的纯物质种类相同，但成分不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别。例如，最早命名的非共沸混合制冷工质写作R400，以后命名的按先后次序分别用R401、R402、R407A，R407B，R407C等表示。 共沸混合制冷工质 共沸混合制冷工质的简写符号为R5( )。括号代表一组数字，这组数字为该制冷工质命名的先后顺序号，从00开始。例如最早命名的共沸制冷工质写作R500，以后命名的按先后次序分别用R501、R502、R507表示。 制冷与低温工质命名制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids环状有机物其简写符号用字母“RC”开头，其后的数字排写规则与氟利昂及烷烃

5、类符号表示中的数字排写规则相同。 不饱和有机化合物 其简写符号用字母“R1”开头，其后的数字排写规则与氟利昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同。此外，有机氧化物，脂肪族胺，他们用R6开头，其后的数字是任选的。例如，乙醚为R610，甲酸甲酯为R611，甲胺为R630，乙胺为R631。 制冷与低温工质命名制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第二节 流体物性计算的热力学基础范德华(Van der Waals)系状态方程 范德华方程式（VDW方程）是第一个最著名的实际气体解析型状态方程式，其形式为：根据我国童景山的分析，许多后来发展起来的状态方程都是改进了范德华方

6、程的引力项，并把a改写成T的函数。它们的共同基本形式为雷德里希邝(Redlichkwong)方程（RK方程）m=1,n=0彭罗宾逊(PengRobinson)方程（PR方程）李厄尔巴爱德密斯特方程(简称LEE方程) 基本热力学关系式制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids维里(Virial)系状态方程1901年奥尼斯（Onnes）首先用幂级数展开式来表达流体的P-V-T关系式为：后来从统计力学的角度严格证明了这一方程在“力的”方面的物理意义，因此上式被称为维里方程，B、C、D等常数就被称为第二、第三、第四维里系数。维里截断式：使用较为广泛的是二次截断式 基本热力

7、学关系式制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids维里(Virial)系状态方程巴纳尔阿特勒(BarnerAdler)方程马丁侯(MartinHou)方程（简称为MH方程）本尼迪特韦勃鲁宾(BenedictWebbRubin)方程（简称为BWR方程） BWR方程也源于维里方程，它的形式为 基本热力学关系式)制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids热力学函数 有了精确的状态方程，我们就可以利用热力学关系式来计算导出热力性质，如比焓和比熵。由热力学的余函数理论可知，只要求得了自由能的余函数，其他余函数都可以从自由能的余函数经过简单求导或

8、加减运算就可以得到。自由能的余函数公式为:余熵则可通过余自由能微分得到余焓、余内能、余自由焓等均可通过余自由能和余熵得到。 基本热力学关系式制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第二节 流体物性计算的热力学基础基本概念 溶质质量分数：分别用w1和w2表示二元溶液中两种组分的质量分数, m1,m2是它们的质量, 则 摩尔分数：若以M表示摩尔质量， 表示摩尔数，则 溶液热力学基本概念与基本定律 ，表 制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids基本概念 溶解热、溶液的比焓：假如溶解前的压力和温度与溶解后的压力和温度相同，则溶解过程所需加

9、入的热量等于溶液的比焓减去溶解前各组分的质量分数与其比焓乘积的和。对于二元溶液，有：如果已知溶解热,则可以直接确定溶液的比焓为 式中，h为溶液的比焓， 分别为组分1组分2在给定温度下的比焓。 在恒温下1kg纯组分溶于大量溶液时吸收或放出的热量叫微分溶解热。纯组分1及2的微分溶解热各以q1及q2表示。溶解热是温度与溶液中各组分摩尔分数的函数。积分溶解热与微分溶解热存在着下列关系 溶液热力学基本概念与基本定律 ，制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids基本概念 利用下图，求解任意w时的h值更加方便 溶液热力学基本概念与基本定律 ，制冷与低温原理配套教材 Proper

10、ties of R&C fluids溶液的基本定律 理想溶液： 理想溶液由性质相近的物质构成，两者分子间的相互作用力与纯物质分子间的相互作用力相同，因而混合成理想溶液时无热效应，也无容积变化。实际上理想溶液几乎没有，只有当溶液中溶质的摩尔分数很小时才接近于理想溶液。无限稀释的任何溶液都可看作理想溶液。拉乌尔定律：在给定温度下，溶液液面上的蒸气混合物中每一个组分的分压，等于该组分呈纯净状态并在同一温度下的饱和蒸气压力与该组分在溶液中的摩尔分数的乘积。严格地说，拉乌尔定律只适用于理想溶液实际溶液对拉乌尔定律存在偏差。溶液热力学基本概念与基本定律 ，制冷与低温原理配套教材 Properties of

11、 R&C fluids溶液的基本定律 亨利定律：在一定温度和平衡条件下，气体溶质的分压力与它在溶液中的摩尔分数成正比。即康诺瓦罗夫第一定律：如果不同蒸汽压的两种纯液体，在给定温度下混合成二元溶液，在气相中的摩尔分数和液相中的摩尔分数并不相同。对较高蒸汽压的组分，其在气相中的摩尔分数大于它在液相中的摩尔分数。康诺瓦罗夫第二定律：如果在二元溶液的相平衡曲线中存在极值，则在该极值点上液相和气相中各组分的摩尔分数相同。共沸溶液不能用精馏法进行组分分离。要把共沸溶液加以精馏，必须通过改变总压力，使共沸点发生移动（偏离共沸区）。因此，大气压下不能分离的共沸溶液，往往在受压或真空条件下可以使其分离。 溶液热

12、力学基本概念与基本定律 ，制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids溶液相平衡条件热力学上将每种聚集态内部均匀的部分称为相。单组分工质（一元物系）的相平衡条件为： 系统的自由焓最小，或物系中各相的化学势相等，即 =0 或 1=2 对由多个组分组成的溶液，其相平衡条件为：由此不难推知，对由Nc个组分组成的具有Np个相的多相物系，当处于相平衡时，除各相的温度和压力相互一致外，还需具备以下条件 溶液相平衡，制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids吉布斯相律一个多相多元物系达到平衡时，其独立变量数或自由度数由吉布斯(Gibbs)相律来表示

13、。吉布斯相律的文字描述为：只受到外界温度和压力等影响的物系处于相平衡时，其自由度数等于物系的组分数减去相数，再加上2。它的数学表达式为当我们讨论的平衡体系不包含气相时，我们称这种体系为凝聚体系。由于压力对这种平衡体系影响不大，可予以忽略，此时相律又可写成 ，Nf = Nc-Np+2溶液相平衡制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids平衡常数在讨论低温分离系统时常用到比值yi/xi,有时把该比值称作平衡常数Ki或组分i的分离因子,对于理想溶液，有:式中pi是组分i的蒸汽分压力,p为系统总压力。针对较易分离的二元混合物，引入相对挥发度的概念。相对挥发度定义如下对于非理

14、想的蒸汽或液体混合物，必须用实验方法确定平衡常数。由于这时平衡常数是温度和压力的函数，所有的平衡常数数据表必需包括温度和压力两个参数 ，溶液相平衡制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids对于二元两相混合物，由吉布斯相律可知，该平衡系统的自由度为2，即只需要两个参数就可以确定混合物(系统)的状态，一般选择下列组合作为已知参数，画出相应的相平衡图，即压力-摩尔分数图(p-x图)，压力-质量分数图(p-图)，温度-摩尔分数图(T-x图)，温度-质量分数(T-)T-x图 ，二元溶液的相平衡图制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluidsh-w图

15、 ，二元溶液的相平衡图制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluidsh-w图 ，二元溶液的相平衡图制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluidsH-x图 ，二元溶液的相平衡图制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第三节 工质的热力性质及计算方法 制冷与低温工质的常用热力学性质包括压力、温度、比体积、比内能、比焓、比熵、比热容、声速等 。常用的热力学性质图有lgp-h图和T-s图，在普冷范围内lgp-h图用得较广 。压缩性系数：对于制冷与低温工质过热蒸气，如引入压缩性系数Z，也称压缩因子，其状态方程可表示为：在

16、低于临界密度的范围内，压缩性系数可近似按下式计算： 热力性质表示方法 ，制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids饱和蒸气压：在没有精确的饱和蒸气压公式可用时，可采用如下的近似式计算饱和蒸气压。 式中，pr是对比压力，Tr是对比温度。是偏心因子，由下式计算气化热：制冷工质的气化热与单位质量制冷量有关系。气化热大，则单位制冷量也大。制冷工质的气化热可用下述式子计算 热力性质表示方法 ，制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids比热容：一般由实验测得，然后拟合成如下关系式：液体的密度：由于液体可压缩性很小，可认为过冷液体的密度等于饱和液体

17、的密度。饱和液体的密度与温度有关，可按下式计算 式中 ， 是临界密度， 是正常沸点时的密度，Zcr是临界压缩因子，Tr是对比温度，Tbr是正常沸点对比温度。 热力性质表示方法 ， ， 制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids气相热力性质计算由马丁和侯提出的MH方程，是一多参数的状态方程，但它又是一个通用状态方程，将它用于制冷与低温工质热力性质计算具有相当高的精度。 液相热力性质计算 过冷液体的比焓和比熵可近似取与饱和液体相等的值，如果压力特别高或计算精度要求很高的话，则可用下述式子近似计算 热力性质计算机计算， ， 制冷与低温原理配套教材 Properties

18、of R&C fluids第四节 工质的物理化学性质毒性：毒性通常是根据对动物的试验和对人的影响的资料来确定的。美国工业与环境卫生专家大会用TLVs（Threshold Limit Values）指标作为毒性标准，美国杜邦公司用AEL（Allowable Exposure Limit）指标作为毒性标准，这两个指标在数量上非常接近。它们都反映了人们在较长时间内接触制冷与低温工质而不至于产生不良反应。如果这些指标的数值为1000或1000以上，则可认为这种制冷与低温工质是无毒的。燃烧性和爆炸性：各种制冷与低温工质的燃烧性和爆炸性差别很大。易燃的制冷与低温工质在空气中的含量达到一定范围时，遇明火就会

19、产生爆炸。因此，应尽量避免使用易燃和易爆炸的工质。万一必须使用时，必须要有防火防爆安全措施。 安全分类：以前对制冷与低温工质的安全性分别以毒性和可燃性作出规定，最近国际标准ISO5149-93和美国标准ANSI/ASHRAE34-92对制冷与低温工质的安全分类作了较大的调整，将毒性与可燃性合在一起，规定了6个安全等级，表2-10给出了这6个等级的划分定义。表2-11给出了一些制冷与低温工质的安全分类。 ，制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第四节 工质的物理化学性质热稳定性：通常，制冷与低温工质因受热而发生化学分解的温度大大高于其工作温度，因此在正常运转条件

20、下，工质是不会发生裂解的。对材料的作用：在正常情况下，卤素化合物制冷工质与大多数常用金属材料不起作用。但在某种情况下，一些材料将会和制冷工质发生作用。对润滑油的互溶性：对水的溶解性 泄漏性氟利昂是无色无臭的物质，泄漏时不易发觉。检漏的方法有卤素喷灯和电子检漏仪两种。 与大气环境友好性 ODP值（Ozone Depletion Potential）表示对大气臭氧层消耗的潜能值 GWP全球变暖潜能（Global Warming Potential），制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第五节 常用低温工质，氨：氨是应用较广的中温制冷工质。沸点-33.3，凝固点-

21、77.9。氨具有较好的热力学性质和热物理性质，在常温和普通低温范围内压力比较适中。单位容积制冷量大，粘性小，流动阻力小，传热性能好。氧 ：氧是常用的低温气体，正常沸点为-182.9，凝固点温度-218.8。液氧略带兰色，在沸点下液体密度为1141kg/m3。液态时，有时氧分子会生成聚合体或长链分子O4，这是液氧和固氧呈现兰色的原因。与其他不带磁性的低温流体相比较，液氧略带磁性，所以用磁体能吸引液氧。氮：在低温工程中，氮是一种非常重要的制冷剂，因为它在使用时很安全，在氢和氦液化循环中，液氮是一种非常理想的预冷剂。氮的正常沸点为-198.8，凝固点温度为-210。液氮是无色透明的液体，在沸点下液体

22、密度为1141kg/m3。液氮的气化热很小，仅198.3kJ/kg。无机物制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第五节 常用低温工质，空气：当空气液化时，通常都已去除了CO2、水分等杂质，于是液空中仅含有约78%氮，21%氧和1%氩，其他的杂质可忽略不计。有时为了计算方便，把液空看成是79%的氮和21%的氧。由于氩的沸点位于氧和氮之间，这一假设对于某些场合是可行的。 氢 ：氢也是一种重要的低温气体。它的正常沸点为-252.8，凝固点温度为-259.2。液氢无色无味，沸点下液体密度为70.79kg/m3，是最轻的液体。在氢单独存在时，它不会燃烧和爆炸，但在氧或空

23、气存在时，氢是非常容易燃烧和爆炸的。 氦：氦是一种极其重要的低温工质，它的沸点为-268.936，是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。氦在大气中含量极低，只有510-6体积分数左右，现代工业用氦主要从天然气中提取。 无机物制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第五节 常用低温工质，R12 ：R12（二氟二氯甲烷，CF2Cl2)曾经是应用最广的中温制冷工质，沸点-29.8，凝固点-158；R12无色，气味很弱，有芳香味，毒性小，不燃烧，不爆炸，是一种很安全的制冷工质。 R134a ：R134a（1，3-四氟乙烷，CH2FCF3）作为R12的替代制冷工质而提

24、出，它的许多特性与R12很接近。 R134a的压比要略高于R12，但它的排气温度比R12低 。R134a的毒性非常低，在空气中不可燃，安全类别与R12一样为A1，是很安全的制冷工质。 R22 ：R22(二氟一氯甲烷，CHF2Cl)也是较常用的中温制冷工质，在相同的蒸发温度和冷凝温度下，R22比R12的压力要高65%左右。R22的沸点为-40.8，凝固点-160。 R22无色，无味，不燃烧，不爆炸，毒性比R12略大，但仍然是安全的制冷工质，安全分类为A1。 氟利昂 制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第五节 常用低温工质，R600a：R600a（异丁烷，.i-

25、C4H10）的沸点为-11.73，凝固点-160，曾在1920-1930年作为小型制冷装置的制冷工质，后由于可燃性等原因，被氟利昂制冷工质取代了。在CFCs制冷工质会破坏大气臭氧层的问题出来后，作为自然制冷工质的R600a又重新得到重视。 R290：R290（丙烷，C3H8）除了沸点和凝固点比R600a低，蒸气压较高和容积制冷量比R600a大以外，其他制冷特性及安全特性均与R600a相似，且同样工况下制冷系数比R600a小 R50：R50(甲烷，CH4)是一种常用的较低温区的制冷工质，它的沸点为-161.5，凝固点温度为-182.2，临界温度为-82.5。R50通常被用来制取-160以上的低温

26、，但由于它的临界温度较低，环境温度下已经是超临界状态， R50具有很强的可燃性，在使用时要特别注意。 碳氢化合物 制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第五节 常用低温工质，共沸混合制冷工质有下列特点(1)在一定的蒸发压力下蒸发时，具有几乎不变的蒸发温度，而且蒸发温度一般比组成它的单组分的蒸发温度低。(2)在一定的蒸发温度下，共沸制冷工质的单位容积制冷量比组成它的单一制冷工质的容积制冷量要大。这是因为在相同的蒸发温度和吸气温度下，共沸制冷工质比组成它的单一制冷工质的压力高、比体积小的缘故。 (3)共沸制冷工质的化学稳定性较组成它的单一制冷工质好。 混合工质 制

27、冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第五节 常用低温工质，非共沸混合制冷工质有下列特点(1)非共沸混合制冷工质没有共沸点。在定压下蒸发或凝结时，气相和液相的成分不同，温度也在不断变化。 (2)非共沸混合制冷工质在定压相变时其温度要发生变化，定压蒸发时温度从泡点温度变化到露点温度，定压凝结则相反。非共沸混合制冷工质的这一特性被广泛用在变温热源的温差匹配场合，实现近似的洛伦兹循环，以达到节能的目的。(3)与其他混合物类似，混合制冷工质的性质与构成它的各纯质制冷工质的性质有着紧密的关系。我们可以利用混合制冷工质的这一特性，实现各纯质制冷工质的优势互补。 混合工质 制

28、冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第五节 常用低温工质，共沸制冷工质R502：R502的沸点为-45.4，是性能良好的中温制冷工质，可代替R22用于获得低温。当在相同的吸气温度和压比下，使用R502时压缩机的排气温度比使用R22时低1025。 共沸制冷工质R503：R503的沸点为-88，比R23和R13的沸点都低。它不燃烧，无毒，无腐蚀性。适用于复叠式制冷机的低温级，制取-70-85的低温，可代替R13使用。由于它含有R13，ODP值较高，在发达国家已经禁止使用。 共沸制冷工质R507：R507是一种新的制冷工质，是作为R502的替代物提出来的。其ODP值

29、为零。它的沸点为-46.7，与R502的沸点非常接近。 非共沸混合制冷工质R401A和R401B R401A和R401B这两种制冷工质是作为R12替代物提出来的，它们虽然ODP值还不是零，但已经比R12小得多，而且易于获得 常用混合制冷工质的特性制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第五节 常用低温工质，非共沸混合制冷工质R407C：R407C是一种三元非共沸混合制冷工质，它是作为R22的替代物而提出的。研究表明，在空调工况（蒸发温度7）下，R407C容积制冷量以及制冷系数比R22略低（约5%）。因此，将R22的空调系统换成R407C，只要将润滑油和制冷工质改

30、换就可以了，而不需要更换制冷压缩机，这是R407C作为R22替代物的最大优点。非共沸混合制冷工质R410A：R410A是一种两元混合制冷工质，它的泡露点温差仅0.2，可称之为近共沸混合制冷工质。它具有与共沸混合制冷工质类似的优点，它的容积制冷量在低温工况时比R22还要高约，制冷系数也比R22高约；在空调工况时，容积制冷量和制冷系数均与R22差不多。 常用混合制冷工质的特性制冷与低温原理配套教材 Properties of R&C fluids第六节 载冷剂，在间接冷却的制冷装置中，被冷却物体或空间中的热量是通过一种中间介质传给制冷工质。这种中间介质在制冷工程中称之为载冷剂或第二制冷工质。选择载冷剂时，应考虑下列一些因素：(1)载冷剂在工作温度下应处于液体状态；其凝固温度应低于工作温度，沸点应高于工作温度。(2)比热容要大。在传递一定的冷量时，可使流量减小，因而可以提