设备管理_制冷技术及设备培训教案

第一章 绪论1-1 制冷慨述一、何谓制冷冷和热是同一范畴的两个物理概念，都是物质分子运动平均动能的标志。日常生活中常说的“热”或“冷”是指温度高低的相对概念，是人体对温度高低感觉的反应。在制冷技术中所说的冷，是指某空间内物体的温度低于周围环境介质（如水或空气）温度而言。因此“制冷”就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并连续维持这样一个温度的过程。二、何谓人工制冷 我们都知道，热量传递终是从高温物体传向低温物体，直至二者温度相等。热量决不可能自发地从低温物体传向高温物体，这是自然界的客观规律。然而，现代人类的生活与生产经常需要某个物体或空间的温度低于环境温度，甚至低得很多。例如，储藏食品需要把食品冷却到左右或-15左右，甚至更低；合金钢在-70-90低温下处理后可以提高硬度和强度。而这种低温要求天然冷却是达不到的，要实现这一要求必须有另外的补偿过程（如消耗一定的功作为补偿过程）进行制冷。这种借助于一种专门装置，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体或空间转移到温度较高的周围环境中去，得到人们所需要的各种低温，称谓人工制冷。而这种装置就称谓制冷装置或制冷机。三、实现制冷的途径制冷的方法很多，可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目前人工制冷的方法主要有相变制冷、气体绝热膨胀制冷和半导体制冷三种。、相变制冷 即利用物质相变的吸热效应实现制冷。如冰融化时要吸取80 kcal/kg的熔解热；氨在标准大气压下气化时要吸取327kcal/kg的气化潜热；干冰在标准大气压下升华要吸取137kcal/kg的热量，其升华温度为-78.9。目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗上。、气体绝热膨胀制冷 利用气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，对外输出膨胀功，同时温度降低，达到制冷的目的。、半导体制冷 珀尔帖效应告诉我们：两种不同金属组成的闭合电路中接上一个直流电源时，则一个接合点变冷，另一个接合点变热。但是纯金属的珀尔帖效应很弱，且热量通过导线对冷热端有相互干扰，而用两种半导体（型和型）组成的直流闭合电路，则有明显的珀尔帖效应且冷热端无相互干扰。因此，半导体制冷就是利用半导体的温差电效应实现制冷地。目前温差电制冷只用在小型制冷器中，如电子计算机恒温冷却、精密测量仪器的冷源及精密机床的油箱冷却器等等，都是温差电制冷。利用物理现象制冷的方法还有很多，我们不一一介绍。目前生产实际中广泛应用的制冷方法是：利用液体的气化实现制冷，这种制冷常称为蒸气制冷。它的类型有：蒸汽压缩式制冷（消耗机械能）、吸收式制冷（消耗热能）和蒸汽喷射式制冷（消耗热能）三种。四、制冷体系的划分 制冷服务对象不同，要求的制冷温度也不同。在工业生产和科学研究上，人们通常根据制冷温度的不同把人工制冷分为“普冷”和“深冷”两个体系。一般把制取温度高于-120的称为“普冷”、低于-120的称为“深冷”。其中深冷又可分为深度制冷、低温制冷与超低温制冷。由于低温范围的不同，制冷系统的组成也不同，因此，根据食品制冷要求，本课程我们只介绍普通制冷温度范围内的蒸气压缩制冷。1-2 制冷的发展简史及应用一、我国制冷的发展简史人类最早的制冷方法是利用自然界存在的冷物质-冰、深井水等。我国早在周朝就有了用冰的历史。到了秦汉，冰的使用就更进了一步，据艺文志记载：大秦国有五宫殿，以水晶为柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇夏开发。”这实质是我国最早的空调房间。到了唐朝已生产冰镇饮料并已有了冰商。冰酪、奶冰也发源于中国，是冰淇淋的雏形，在元朝时由意大利著名旅行家马可波罗带到了欧洲。人工制冷至今在世界上才有100多年的历史。旧中国制冷工业基本上是空白，解放前上海只有几家很小的“冰箱厂”且只搞维修业务，全国冷库也仅有几座。解放后，制冷工业得到飞速发展，特别是八十年代通过引进国外先进技术，使我国的制冷、空调产品打入了国际市场。二、制冷技术的应用随着制冷工业的发展，制冷技术的应用也日益广泛，现已渗透到人们生活和生产活动的各个领域，从日常的衣、食、住、行，到尖端科学技术都离不开制冷技术。、空调工程空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。光学仪器仪表、精密计量量具、纺织等生产车间及计算机房等，都要求对环境的温度、湿度、洁净度进行不同程度的控制；体育馆、大会堂、宾馆等公共建筑和小汽车、飞机、大型客车等交通工具也都需有舒适的空调系统。、食品工程易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输到销售的全部流通过程中，都必须保持稳定的低温环境，才能延长和提高食品的质量、经济寿命与价值。这就需有各种制冷设施，如冷加工设备、冷冻冷藏库、冷藏运输车或船、冷藏售货柜台等。、机械与电子工业精密机床油压系统利用制冷来控制油温，可稳定油膜刚度，使机床能正常工作。对钢进行低温处理可改善钢的性能，提高钢的硬度和强度，延长工件的使用寿命。多路通讯、雷达、卫星地面站等电子设备也都需要在低温下工作。、医疗卫生事业血浆、疫苗及某些特殊药品需要低温保存。低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温等也需制冷技术。、国防工业和现代科学在高寒地区使用的发动机、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能需要作环境模拟试验，火箭、航天器也需要在模拟高空条件下进行试验，这些都需要人工制冷技术。人工降雨也需要制冷。、家用冰箱及空调等日常生活方面也是制冷技术的应用。7、水利工程水利工程中大坝浇注的混凝土降温，有一次风冷、二次风冷、片冰生产等。8、煤矿矿井施工及地铁施工煤矿矿井施工及地铁施工采用冻结法施工工艺。总之，制冷技术的应用是很广泛的，随着国民经济的发展，科学技术的进步，人民生活水平的不断提高，制冷技术的发展与应用将会走向新的领域。第二章 制冷技术的热力学基础2-1 制冷工质的热力状态参数在制冷循环中，工质不断地进行着热力状态变化。描述工质所处热力状态的物理量称为工质的热力状态参数，简称状态参数。一定的状态，其状态参数有确定的数值。工质状态变化时，初、终状态参数之间的差值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的过程无关。制冷技术中常见的状态参数有：温度、压力、比容、内能、焓与熵等。这些参数对于进行制冷循环的分析和热力计算，都是非常重要的。一、温度 温度是描述热力系统冷热状态的物理量，是标志物体冷热程度的参数。物体的温度可采用测温仪表来测定。为了使温度的测量准确一致，就要有一个衡量温度的标尺，简称温标，工程上常用的温标有：1、摄氏温标 又叫国际百度温标，常用符号t表示，单位为。2、绝对温标 常用符号T表示，单位为开尔文（代号为K）。绝对温标与摄氏温标仅是起点不同而已（t=0时，T=273.16K），它们每度的温度间隔确是一致的。在工程上其关系可表示为： T=273+t（K）二、压力 压力是单位面积上所承受的垂直作用力，常用符号P表示。压力可用压力表来测定。在国际单位制中，压力单位为帕斯卡（Pa），实际应用时也可用兆帕斯卡（MPa）或巴（bar）表示,1MPa=106Pa而1bar=105 Pa。压力的标记有绝对压力、表压力和真空度三种情况。绝对压力是指容器中气体的实际压力，用符号P表示；表压力（PB）是指压力表（或真空表）所指示的压力；而当气体的绝对压力比大气压力（B）还低时，容器内的绝对压力比大气压力低的数值，称为真空度（PK）。三者之间的关系是： P=PB+B 或 P=B-PK 作为工质的状态参数应该是绝对压力，而不是表压力或真空度。 三、比容 比容是指单位质量工质所占有的容积，用符号表示。比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。比容的倒数为工质的密度，即单位容积工质所具有的质量，用符号表示。比容和密度之间互为倒数关系。 四、内能 内能是工质内部所具有的分子动能和分子位能的总和，用符号表示。分子动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动能和分子内部振动能三项，其大小与气体的温度有关。而分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与工质的比容有关。既然气体的内动能决定于气体的温度、内位能决定于气体的比容，所以气体的内能是其温度和比容的函数。也就是说内能是一个状态参数。五、焓 焓是一个复合的热力状态参数，表征系统中所有的总能量，它是内能与压力之和。对kg工质而言，可表示为： P （kJ/kg）或（kcal/kg）式中 焓或称比焓（kJ/kg或kcal/kg） 比容（m3/kg） 内能（kJ/kg或kcal/kg） P 绝对压力（N/m2或wqp1wqp2Pa） 在工程单位制中，压力单位常用工程气压、物理大气压和毫米水柱等单位。 由于内能和压力位能都是温度的参数，所以焓也是状态参数。确切地说，焓是一定质量的流体，从某一初始状态变为任一热力状态所加入的总热量。六、熵 熵是一个导出的热力状态参数，熵的中文意义是热量被温度除所得的商，熵的外文原名意义是“转变”，指热量可以转变为功的程度，它表征工质状态变化时，与外界热交换的程度。熵是通过其他可以直接测量的数量间接计算出来的。2-2 热力学第二定律与理想制冷循环一、热力学第二定律在热量传递和热、功转换时，热力学第一定律只能说明它们之间的数量关系，的确不能揭示热功转换的条件和方向性。对于能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度则是由热力学第二定律来揭示的，它指出：“热量能自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体”。这正像石头或水不可能自发的从低处向高处运动一样。但这并不是说石头和水在任何条件下都不可能由低处移向高处，只要外界给它们足够大的作用力，在这个力的作用下石头或水就能由低处移向高处，这个外界作用力称为补偿。同样，不能把热力学第二定律的说法理解为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体”。而是只要有一个补偿过程，热量就能自低温物体传到高温物体。制冷装置就是以消耗一定的外间功作为补偿过程而实现人工制冷的。二、循环与理想制冷循环 1、正循环及热效率 膨胀-压缩循环按顺时针方向进行的，称为正循环。在P图上，正循环的膨胀线123位于压缩线341之上。正循环的单位质量净功w0 为正值，若设高温热源加给工质的热量为q1，工质放给低温热源的热量为q2，则： (一)循环 热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了持续不断地将热转换为功,工程上是通过热机来实现的。但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。为了能重复地进行膨胀，工质在每次膨胀之后必须进行压缩，以便使其回到初态。我们把工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循环”。循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。如下图所示： 评价正循环的好坏，通常用循环热效率t来衡量，循环热效率是指工质在整个热力循环中，对外界所作的净功w0 与循环中外界所加给工质的热量q1的比值。即：q1q2q1=q1w0t=q1-q2=1- 2.逆循环及性能系数 膨胀-压缩循环按逆时针方向进行的，称为逆循环。如图2-1所示。逆循环的压缩线321位于膨胀线143 之上。其循环的净功为负值。若用q1表示工质向高温热源放出的热量，用q2表示工质从低温热源吸收的热量，则有：w0=q1-q2 或q1=q2+w0 上式说明，外界对工质做功，且热量的传递方向也全部改变。也就是说，逆循环的效果是消耗外界的功，将热量从低温物体传递给高温物体。如逆循环的目的是从低温物体中吸收热量，则称为制冷循环。如逆循环的目的是给高温物体供热，则称为热泵循环。 逆循环的好坏通常用性能系数来衡量。对于制冷机来说，是指从冷源吸收的热量q2与消耗的循环净功w0的比值1称为制冷系数。对于热泵来说，是指供给热源的热量q1与消耗的循环净功w0的比值2称为供热系数。则有：1=q2/ w0w02= q1/ w0=q2+ w0=1+1 从上述分析可见，伴随着低温热源把一部分热量q2传送到高温热源中去的同时, 循环的净功w0也将转变为热量并流向高温热源，这就是使热量从低温热源传给高温热源所必需的补偿条件。没有这个补偿条件，热量是不可能从低温热源传给高温热源的。 （二）理想制冷循环理想制冷循环可通过逆卡诺循环来说明。逆卡诺循环如图2-2所示，它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）的温度为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行 的。其循环过程为： 首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。 对于逆卡诺循环来说，由图2-2可知： q0=T0(S1-S4） qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4） w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）则逆卡诺循环制冷系数k 为：T0 (S1S4）(TkT0) (S1S4）k=q0w0=TkT0T0 由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T0和热源（即环境介质）的温度Tk；降低Tk，提高T0，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。总上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数k之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号表示。即： =/k热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个技术经济指标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。2-3 制冷剂的相态变化及其状态图一、制冷剂的相态变化众所周知，物质有三种状态，就是固态、液态和气态。通常我们把固态的物体叫固体，液态的物体叫液体，气态的物体叫气体。物质的三种状态，在一定的压力和温度条件下是可以相互转化的。其转化过程分别称为： 1.汽化 物质从液态转变为气态的过程称为汽化。汽化有蒸发和沸腾两种形式。其中，在液体表面进行的汽化过程叫蒸发，在液体内部产生气泡的剧烈汽化过程叫沸腾。在一定压力下，蒸发在任何温度下都可进行，而沸腾只有液体被加热到一定温度才开始进行。当汽液两相共存并且保持平衡状态时称为饱和状态。此时的蒸汽和液体分别叫做饱和蒸汽和饱和液体，处于饱和状态的压力与温度称为饱和压力与饱和温度。饱和压力与饱和温度总是相互对应的，即一定的饱和压力对应着一定的饱和温度，反之亦然。二者之间的对应关系是：饱和温度愈高，饱和压力也愈高。反之，饱和压力愈高，饱和温度也愈高。这是饱和状态的一个重要特点。 2.冷凝 物质从汽态转变为液态的过程称为冷凝或叫做液化。汽体的液化温度与压力有关，增大压力，可使汽体在较高的温度下液化。液化的基本方法是降低温度和增加压力。3.升华 物质由固态直接转变为气态的过程称为升华。4.凝华 物质由气态直接转变为固态的过程称为凝华。例如空气中的水蒸汽在膨胀阀上结霜时发生的过程。 二、制冷剂的压焓图及热力性质表制冷剂的热力状态可以用其热力性质表来说明(常用制冷剂的饱和热力性质表见附表)，也可以用压焓图来表示。压焓图(lgPh图)是一种以绝对压力的对数值lgP为纵坐标，焓值为横坐标的热工图表。采用对数值lgP（而不采用P）为纵坐标的目的是为了缩小图的尺寸，提高低压区域的精确度，但在使用时仍然直接从图上读出P的数值即可。1.1. 压焓图(lgPh图)的结构压焓图中有两条比较粗的曲线，左边一条为饱和液体线(干度=0)，右边一条为干饱和蒸汽线(干度=1)，两线交于一点K，且将图分成了三个区域。其中K称为临界点，饱和液体线左侧为过冷液体区，干饱和蒸汽线右侧为过热蒸汽区，两线之间为湿蒸汽区。压焓图中有六种等状态参数线，如图23所示：等压线P：水平细直线。等焓线h：竖直细直线。等温线t：点划线，其在过冷液体区为竖直线，在湿蒸汽区为水平线，在过热蒸汽区为稍微向右下方弯曲的曲线。等熵线S：为从左到右稍向上弯曲的实线。 等比容线：在湿蒸汽区和过热蒸汽 图23 压焓图区中，为从左到右稍向上弯曲的虚线，但比等熵线平坦，液体区无等比容线，因为不同压力下的液体容积变化不大。 等干度线：只存在于湿蒸汽区和过热蒸汽区域内，走向与饱含液体线或干饱和蒸汽线基本一致。压焓图上每一点都代表制冷剂的某一状态，在温度、压力、比容、焓、熵、干度六个状态参数中，只要知道其中任意两个独立的状态参数，就可以在图中确定其状态点，从而查出其它几个状态参数。制冷工程中，高压区和湿蒸汽区的中间部分很少用到，所以有些压一焓图中往往将这两部分删去不画。不同的制冷剂，其压焓图(lgPh图)的形状也有所不同，常用制冷剂R717、R12及R22的饱和热力性质表见附表。在工程计算中，根据需要可以查取制冷剂的饱和热力性质表，根据一个状态参数，再查取制冷剂的饱和液体或干饱和蒸汽的其它状态参数。 2.压焓图(lgPh图)的应用压焓图(lgPh图)是进行制冷循环分析和计算的重要工具，在进行制冷循环的热力分析和计算之前，必须首先确定循环的工作参数，以便利用压焓图再来确定循环的各有关状态点的参数值，如图24所示。点1：为制冷剂蒸汽进入压缩机的状态。如不考虑管路的冷量损失，则压缩机的吸汽温度t1即为制冷剂出蒸发器时的温度t0，即t1t0，在理想情况下，进压缩机的制冷剂蒸汽为饱和状态。如已知蒸发温度t0，便能知道制冷剂蒸发压力P0，这样便能根据P0C的等压线和干饱和蒸汽线的交点得出点1。点2：为制冷剂出压缩机的状态，也是进冷凝器的状态。过程l2为制冷剂在压缩机中绝热压缩过程。绝热过程中熵不变，即S1S2，该过程沿点1的等墒线进行，它与Pk=C的等压线的交点即为点2。 点5：为制冷剂在冷凝器中凝结成饱和液体的状态。它可由Pk=C的等压线与饱和液体线相交得到。点3：为制冷剂液体过冷后的状态。因为制冷剂液体在过冷过程中的等于冷凝压力Pk，它的温度低于冷凝温度，所以Pk=C的等压线和tg=C的等温线交点即为点3。 点4：为制冷剂出节流阀(膨胀阀)的状态，也是进蒸发器的初态。因为节流前后的焓值不变，而压力降低至蒸发压力P0，温度为蒸发温度t0，所以由点3作垂线（即等焓线）与t0=C的等温线相交即得点4。 41：为制冷剂在蒸发器中的汽化吸热过程。这样根据图上所得的状态点，即可查得各状态点的热力参数值。 例21 绝对压力为2bar，比容为0.7m3kg的氨呈何种状态? 解: 所求的状态是1gP一h图上P2bar的水平线和0.7 m3kg的等比容线的交点A(见图24)。因为A点在过热区内，所以这时氨的状态是过热蒸汽，该状态点的温度为20，焓值约为1470 kJkg。例22 绝对压力为10bar，温度为20的氟利昂22呈何种状态? 解: 所求状态可由10bar的等压线和20等温线的交点B来表示(见图25)。因为B点在过冷区内，所以这时氟利昂22的状态为过冷液体，其焓值为224.08 kJkg。例23 氟利昂22压缩机吸入的汽体为-5的干饱和蒸汽，如将其绝热压缩到PK为12bar时，其压缩终态的温度是多少?解: 压缩机吸入状态可由-5等温线与干饱和蒸汽线的交点C来确定(见图26)。点C的熵值S=1.76 kJkgK，因其为绝热压缩过程，故压缩过程熵值不变。因此压缩终点D是压力PK=12 bar的等压线与S=1.76 kJkgK的等熵线的交点。由图上查得此点的温度Td=47即为所求压缩终态温度。 综上所述，压一焓图不仅可以简便地确定制冷剂的状态参数，并且能表示出制冷循环及过程中参数的变化和能量变化，它可以用线段的长短来表示能量多少。由于制冷剂在蒸发器和冷凝器中的吸热和放热过程都是在定压下进行，而定压过程中热量的变化以及压缩机在绝热压缩过程中所消耗的功都可以用焓差来计算，并且制冷剂在节流阀前后的焓值又保持不变，所以利用1gP一h图来分析制冷循环及进行热力计算最为方便。第三章 制冷剂与载冷剂3-1 制 冷 剂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的。 一、对制冷剂性质的要求 .临界温度要高，凝固温度要低。这是对制冷剂性质的基本要求。临界温度高，便于用一般的冷却水或空气进行冷凝；凝固温度低，以免其在蒸发温度下凝固，便于满足较低温度的制冷要求。 .在大气压力下的蒸发温度要低。这是低温制冷的一个必要条件。 .压力要适中。蒸发压力最好与大气压相近并稍高于大气压力，以防空气渗入制冷系统中，从而降低制冷能力。冷凝压力不宜过高（一般1215绝对大气压），以减少制冷设备承受的压力，以免压缩功耗过大并可降低高压系统渗漏的可能性。 .单位容积制冷量v要大。这样在制冷量一定时，可以减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的尺寸。 .导热系数要高，粘度和密度要小。以提高各换热器的传热系数，降低其在系统中的流动阻力损失。 .绝热指数要小。由绝热过程中参数间关系式可知，在初温和压缩比相同的情况下，KT2。可见，小可降低排气温度。 .具有化学稳定性。不燃烧、不爆炸、高温下不分解、对金属不腐蚀、与润滑油不起化学反应、对人身健康无损无害。.价格便宜，易于购得。且应具有一定的吸水性，以免当制冷系统中渗进极少量的水分时，产生“冰塞”而影响正常运行。 二、制冷剂的一般分类 根据制冷剂常温下在冷凝器中冷凝时饱和压力Pk和正常蒸发温度T0的高低，一般分为三大类： .低压高温制冷剂 冷凝压力PkKg/cm2（绝对），T0 如11（CFCl3），其T023.7。这类制冷剂适用于空调系统的离心式制冷压缩机中。通常时，Pk3.06Kg/cm2 。 .中压中温制冷剂 冷凝压力Pk 20Kg/cm2（绝对），-60。 如717、12、22等，这类制冷剂一般用于普通单级压缩和双级压缩的活塞式制冷压缩机中。 .高压低温制冷剂 冷凝压力Pk20Kg/cm2（绝对），T0-70。如13（CF3Cl）、14（CF4）、二氧化碳、乙烷、乙烯等，这类制冷剂适用于复迭式制冷装置的低温部分或-以下的低温装置中。 三、常用制冷剂的特性 目前使用的制冷剂已达7080种，并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷的仅十多种。其中被广泛采用的只有以下几种： .氨（代号：717） 氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂。氨的凝固温度为-77.7，标准蒸发温度为-33.3，在常温下冷凝压力一般为1.11.3MPa，即使当夏季冷却水温高达时也决不可能超过1.5MPa 。氨的单位标准容积制冷量大约为520kcal/3。 氨有很好的吸水性，即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结，故系统内不会发生“冰塞”现象。氨对钢铁不起腐蚀作用，但氨液中含有水分后，对铜及铜合金有腐蚀作用，且使蒸发温度稍许提高。因此，氨制冷装置中不能使用铜及铜合金材料，并规定氨中含水量不应超过0.2。 氨的比重和粘度小，放热系数高，价格便宜，易于获得。但是，氨有较强的毒性和可燃性。若以容积计，当空气中氨的含量达到0.50.6时，人在其中停留半个小时即可中毒，达到1113时即可点燃，达到16时遇明火就会爆炸。因此，氨制冷机房必须注意通风排气，并需经常排除系统中的空气及其它不凝性气体。 总上所述，氨作为制冷剂的优点是：易于获得、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小，泄漏时易发现。其缺点是：有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸，对铜及铜合金有腐蚀作用。 .氟利昂-12（代号：12） 12为烷烃的卤代物，学名二氟二氯甲烷。它是我国中小型制冷装置中使用较为广泛的中压中温制冷剂。12的标准蒸发温度为-29.8，冷凝压力一般为0.780.98MPa，凝固温度为-155，单位容积标准制冷量约为288kcal/3。 12是一种无色、透明、没有气味，几乎无毒性、不燃烧、不爆炸，很安全的制冷剂。只有在空气中容积浓度超过80时才会使人窒息。但与明火接触或温度达400以上时，则分解出对人体有害的气体。 12能与任意比例的润滑油互溶且能溶解各种有机物，但其吸水性极弱。因此，在小型氟利昂制冷装置中不设分油器，而装设干燥器。同时规定12中含水量不得大于0.0025，系统中不能用一般天然橡胶作密封垫片，而应采用丁晴橡胶或氯乙醇等人造橡胶。否则，会造成密封垫片的膨胀引起制冷剂的泄漏。 .氟利昂-22（代号：） 22也是烷烃的卤代物，学名二氟一氯甲烷，标准蒸发温度约为-41，凝固温度约为-160，冷凝压力同氨相似，单位容积标准制冷量约为454kcal/3。 22的许多性质与12相似，但化学稳定性不如12，毒性也比12稍大。但是，22的单位容积制冷量却比12大的多，接近于氨。当要求-40-70的低温时，利用22比12适宜，故目前22被广泛应用于-40-60的双级压缩或空调制冷系统中。3-2 载 冷 剂载冷剂是用来先接受制冷剂的冷量而后去冷却其它物质的媒介物质，又称冷媒。它在间接制冷系统中起着传递制冷剂冷量的作用。 一、对载冷剂的要求 选择载冷剂时应考虑因素有：冰点、比热、对金属腐蚀性和价格等。 .比热要大 比热大，载冷量就大，从而可减小载冷剂的循环量。 .粘度低、导热系数高。 .凝固点低且要适宜，因凝固点过低将导致比热减小、粘度增大。 .无臭、无毒、使用安全，且对金属的腐蚀性要小。.价格低廉，易于购得。 二、常用载冷剂及性质 载冷剂的种类较多，可以是气体、液体或固体。常用载冷剂有空气、水和盐水溶液。 .空气和水 空气或水是最廉价、最易获得的载冷剂。都具有密度小、安全无害、对设备几乎无腐蚀性等优点。但空气的比热小，所以只有利用空气直接冷却时才采用空气作载冷剂。水虽有比热大的优点，但水的冰点高，所以水仅能用作制出以上的载冷剂。以下应采用盐水作载冷剂。 .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。 图中曲线（实线）为氯化钠盐 水的凝固曲线，曲线（虚线）为氯 0 化钙盐水的凝固曲线。由这两条曲线 -10可知 ,无论哪一种盐水，当盐水的浓 -20度小于某一定值时，其凝固温度随浓 -30度的增加而降低，当浓度大于这一定 -40值以后，凝固温度随浓度的增加反而 -50升高。此转折点称为冰盐共晶点，对 -60应的浓度称共晶浓度。该点相当于全 0 10 20 30 40 50部盐水溶液冻结成一块冰盐结晶体，它是最低的凝固点。 图3-1 盐水的凝固点与浓度的关系 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同的，如氯化钠盐水的共晶温度为-21.2，共晶浓度为22.4；而氯化钙盐水的共晶温度为-55，共晶浓度为 29.9。 盐水虽具有原料充沛、成本低、凝固点可调等优点，但由于盐水的浓度对盐水溶液的性质具有很大影响，故盐水作为载冷剂时应注意以下问题： （）要合理地选择盐水的浓度。盐水的浓度增高，虽可降低凝固点，但使盐水密度加大、比热减小。而盐水密度加大与比热减小，都会使输液泵的功率消耗增大。因此，不应选择过高的盐水浓度，而应根据使盐水的凝固点低于载冷剂系统中可能出现的最低温度为原则来选择盐水的浓度。目前一般在选择盐水浓度时，使其凝固温度比制冷剂的蒸发温度低为宜。 （）注意盐水对设备及管道的腐蚀问题。盐水对金属的腐蚀随溶液中含氧量的减少而变慢。为此，最好采用闭式盐水系统，以减少盐水与空气接触机会，从而降低对设备及管道的腐蚀。此外，盐水的含氧量随盐水浓度的降低而增高。因而，从含氧量与腐蚀性来要求，盐水浓度不可太低。另外，为了减轻盐水的腐蚀性，还应在盐水中加入一定量的防腐剂并使其具有合适的酸碱性。一般3氯化钠水溶液中应加3.2kg重铬酸钠和0.88kg氢氧化钠；3氯化钙水溶液中应加1.6kg重铬酸钠和0.44kg氢氧化钠。加入防腐剂后，必须使盐水呈弱碱性（p=7.58.5），这可通过氢氧化钠的加入量进行调整。添加防腐剂时应特别小心并注意毒性。 （）盐水载冷剂在使用过程中，会因吸收空气中的水分而使其浓度降低。为了防止盐水的浓度降低，引起凝固点温度升高，必须定期检测盐水的比重。若浓度降低，应适当补充盐量，以保持在适当的浓度。3-3 润 滑 油一、润滑油的作用润滑油在制冷工程上通常称为冷冻机油，它在制冷压缩机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。 二、润滑油的性能指标及选用 (一) 润滑油的性能指标 1.粘度 粘度是润滑油的一个主要性能指标，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 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。3.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 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 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。 6.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“镀钢现象”，使铜零件与氟利昂发生作用而分解出铜，并积聚在轴承、阀门等零件的钢质表面上。结果使这些表的厚度增加，破坏了轴承的间隙，使机器运转不良。这种现象出现在封闭式和半封闭式压缩机中较多。 一般新油中不含有水分和机械杂质，因为用于制冷机的润滑油，在生产过程中都经过了严格的脱水处理。但脱水润滑油具有很强的吸湿性，所以在储运、加油时，应尽量避免和空气接触。 用汽油或苯将润滑油溶解稀释，并用滤纸过滤后所残存的物质称为润滑油的机械杂质。润滑油中的机械杂质会加速零件的磨损和油的绝缘性能的降低、堵塞润滑油通道，所以杂质也是越少越好，一般规定不超过0.01。 7.击穿电压 击穿电压是一个表示润滑油绝缘性能的指标，纯润滑油绝缘性能很好，但当其含有水分、纤维、灰尘等杂质时，绝缘性能就会降低。半封闭式和全封闭式压缩机,一般要求润滑油的击穿电压在25kV以上。因为润滑油直接和电机绕组接触。 （二）国产冷冻机油的规格及选用我国目前冷冻机油规格是按照石油化工总公司颁布的ZBE3400386的标准生产的，本标准的产品，按40时运动粘度中心值分为N15、N22、N32、N46和N68五个粘度等级，都可用于以氨为制冷剂的冷冻机。其主要性能指标如表21所示。但是以前颁布的冷冻机油规格是按50时的运动粘度值而分为13、18、25和30四个牌号。选用时可参考冷冻机油新旧粘度等级对照表。 实践中，一般R12压缩机选用N32(18号)，R22压缩机选用N46(25号)，氨压缩机选用N22（13号)或N46(25号)。 表21 国产冷冻机油的规格及主要性能指标项 目质 量 指 标粘 度 等 级N15N22N32N46N68运动粘度(mm2/s)13.5-16.519.8-24.228.8-35.241.4-50.661.2-74.8闪点()150160160170180凝点()-40-35酸值(mgKOH/g)0.020.030.05氧化后酸值氧化沉淀物0.050.005%0.20.02%0.050.005%0.10.02%水分无机械杂质无第四章 蒸气压缩式制冷循环4-1 压缩式制冷循环原理 前面我们讲过，液体气化的吸热作用可用来制冷，如氨液气化、氟利昂气化都有良好的吸热制冷能力。但是，如果液体气化后排放到大气中，则既浪费又污染环境，且制冷效应只能维持到液体全部气化为止。为了解决上述问题，必需设法将气化后的蒸汽恢复到液体状态重复利用。这就需要通过压缩机和冷凝器等来完成。以下我们以氨为例来说明蒸气压缩式制冷循环原理。 理论上，最简单的压缩式制冷循环系统由：蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成，如图所示。 从蒸发器出来的氨的低温低压蒸气（状态）被吸入压缩机内，压缩成高压高温的过热蒸气（状态），然后进入冷凝器。由于高压高温过热氨气的温度高于其环境介质的温度，且其压力使氨气能在常温下冷凝成液体状态，因而排至冷凝器时，经冷却、冷凝成高压常温的氨液（状态）。高压常温的氨液通过膨胀崐时，因节流而降压，在压力降低的同时，氨液因沸腾蒸发吸热使其本身的温度也相应下降，从而变成了低压低温的氨液（状态）。把这种低压低温的氨液引入蒸发器吸热蒸发，即可使其周围空气及物料的温度下降而达到制冷的目的。从蒸发器出来的低压低温氨气重新进入压缩机，从而完成一个制冷循环。然后重复上述过程。4-2 单级压缩制冷循环一、单级压缩制冷循环的基本组成 如前所述，蒸气压缩式制冷，是由压缩机、冷凝器、膨胀阀（或毛细管）和蒸发器四大部件组成的。实际上，单级压缩制冷循环的组成，除上述四大部件外，一般还有分油器、贮液器、汽液分离器及各种控制阀等部件，如下图所示。 图4-1 单级压缩制冷循环示意图 二、单级压缩制冷机的工作过程 来自蒸发器内的低温低压蒸气，经汽液分离器后，被压缩机吸入气缸内压缩成高压高温的过热蒸气。然后，经氨油分离器使其中所携带的润滑油分离出来，再进入冷凝器与冷却水进行热交换后凝结成高压中温的氨液并流入贮液器。该高压液体通过调节站经膨胀阀节流降压后，再次进入汽液分离器。从汽液分离器出来的低压低温液体，进入蒸发器吸热蒸发产生冷效应，使库房内的空气及物料的温度下降，从而完成一个制冷循环。 这里需要说明一点，上述两次提到了汽液分离器，这说明该部件在制冷循环中有很重要的作用。关于这一点，我们后面再讲。 三、单级压缩制冷循环的性能指标 .单位制冷量q0 即kg制冷剂在蒸发器中所能制取的冷量。 .单位容积制冷量v 指压缩机吸入每立方米制冷剂蒸气所能制取冷量。 .单位理论功。 指压缩机压缩每公斤制冷剂所消耗的功。 .单位冷凝热负荷K 指kg制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量。 .理论制冷系数0即单位制冷量与单位理论功之比。4-3 双级压缩制冷循环一、采用两级压缩的原因 制冷系统的冷凝温度（或冷凝压力）决定于冷却剂（或环境）的温度，而蒸发温度（或蒸发压力）取决于制冷要求。由于生产的发展，对制冷温度的要求越来越低，因此，在很多制冷实际应用中，压缩机要在高压端压力（冷凝压力）对低压端压力（蒸发压力)的比值（即压缩比）很高的条件下进行工作。由理想气体的状态方程P/T可知，此时若采用单级压缩制冷循环，则压缩终了过热蒸气的温度必然会很高(一定，），于是就会产生以下许多问题。 .压缩机的输气系数大大降低，且当压缩比20时，0 。 .压缩机的单位制冷量和单位容积制冷量都大为降低。 .压缩机的功耗增加，制冷系数下降。 .必须采用高着火点的润滑油，因为润滑油的粘度随温度升高而降低。 .被高温过热蒸气带出的润滑油增多，增加了油分离器的负荷，且降低了冷凝器的传热性能。 总上所述，当压缩比过高时，采用单级压缩循环，不仅是不经济的，而且甚至是不可能的。为了解决上述问题，满足生产要求，实际中常采用带有中间冷却器的双级压缩制冷循环。但是，双级压缩制冷循环所需的设备投资较单级压缩大的多，且操作也较复杂。因此，采用双级压缩制冷循环并非在任何情况下都是有利的，一般当压缩比时，采用双级压缩较为经济合理。二、双级压缩制冷循环的组成及常见形式 两级压缩制冷循环，是指来自蒸发器的制冷剂蒸气要经过低压与高压压缩机两次压缩后，才进入冷凝器。并在两次压缩中间设置中间冷却器。两级压缩制冷循环系统可以是由两台压缩机组成的双机（其中一台为低压级压缩机，另一台为高压级压缩机）两级系统，也可以是由一台压缩机组成的单机两级系统，其中一个或两个汽缸作为高压缸，其余