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第一章第一章 制冷技术基本知识制冷技术基本知识 1-11-1 概述概述 一、何谓制冷一、何谓制冷 日常生活中常说的“热”或“冷”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 界的可观规律。 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。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，称谓人工制冷人工制冷。而这种装置就称谓制冷装置或 制冷机制冷机。 三、人工制冷的方法三、人工制冷的方法 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。 .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、制冷体系的划分四、制冷体系的划分 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” 。 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，我们只介绍普通制冷温度范围内的蒸气压缩制冷。 1-21-2 制冷技术的热力学基础制冷技术的热力学基础 一、制冷工质的热力状态参数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。 1 1、温度：、温度：温度是描述热力系统冷热状态的物理量。 制冷工程上常用的温标有：摄氏温标和绝对温标。二者的区别仅 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。 其关系可表示为： t=273+t（k） 2 2、压力：、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。 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。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。 3 3、比容：、比容：比容是指单位质量工质所占有的容积。 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。 4 4、内能：、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。 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能、 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。 5 5、焓：、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） 绝对压力（n/m2或 pa） 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。 6 6、熵：、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。 二、热力学第二定律与理想制冷循环热力学第二定律与理想制冷循环 1 1、热力学第二定律、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，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” 。这正象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。 2 2、循环与理想制冷循环、循环与理想制冷循环 (1)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： 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： b.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。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： q2 q1q1 = q1 w0 t= q1-q2 =1- -w0 q1 2 4 q2 q2 q1 4 2 w0 p 3 56 1 p 3 56 1 正循环逆循环 图 1-1 压容图上的任意循环 w0=q1-q2 或 q1=q2+w0 a.正循环及热效率 膨胀-压缩循环按瞬时针 方向进行的，称为正循环。 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 w0=q1-q2 评价正循环的好坏， 通常用循环热效率 t来 上式说明，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： 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。 （2）理想制冷循环 理想制冷循环可通过逆卡诺循环说明。 逆卡诺循环如图 1-2 所示，它由两个等温 过程和两个绝热过程组成。假设低温热源的温 1=q2/ w0 w0 2= q1/ w0= q2+ w0 =1+1 q0 qk 4 3 2 tk t0 t s 1 w0 图 1-2 逆卡诺循环 ts 图 度为 t0，高温热源的温度为 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 说工质在吸热和放热过程中是在等温下进行的， 压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行。 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 1-2 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： 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 t0 (s1s4） (tkt0) (s1s4） k= q0 w0 = tkt0 t0 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循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的 经济性，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。 1-31-3 制冷剂的相态变化及其状态图制冷剂的相态变化及其状态图 一、制冷剂的相态变化一、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。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： 1.1.汽化汽化 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：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。 2.2.冷凝冷凝 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。 3.3.升华升华 物质由固态直接转变为气态的过程称为升华。 4.4.凝华凝华 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、制冷剂的压二、制冷剂的压焓图及热力性质表焓图及热力性质表 制冷剂的热力状态可以用其热力性质表来说明，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.压压焓图焓图(lgp(lgph h 图图) )的结构的结构 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 13 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。 图 13 压焓图 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。 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。 2.2.压压焓图焓图(lgp(lgph h 图图) )的应用的应用 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 1 4 所示。 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 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 5 tktgt0 1 4 3 2 h lgp 图 14 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。 例例 1 11 1 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 15)。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。 例例 1 12 2 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 16)。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。 例例 1 13 3 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 17)。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。 c d 1470kj/kg 20 a 2.0 bar h lgp =0.7m3/kg b 224.08kj/kg 20 10 bar h lgp 47 s=1.76 12 bar 5 h lgp 图 15图 16图 17 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。 第二章第二章 制冷剂与载冷剂制冷剂与载冷剂 2-12-1 制制 冷冷 剂剂 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。 一、对制冷剂性质的要求一、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-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） ，t070。 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、常用制冷剂的特性三、常用制冷剂的特性 用于食品工业和空调制冷的有十多种。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 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，从而引起制冷剂的泄漏。 .氟利昂22（代号：） 22 也是烷烃的卤代物，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4070的低温时，利用22 比12 适宜，故目 前22 被广泛应用于4060的双级压缩或空调制冷系统中。 2-22-2 载载 冷冷 剂剂 载冷剂是用来先接受制冷剂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 0 盐水的凝固曲线，曲线（虚线） -10 为氯化钙盐水的凝固曲线。由这两 -20 条曲线可知 ,无论哪一种盐水，当 -30 盐水的浓度小于某一定值时，其凝 -40 固温度随浓度的增加而降低，而当 -50 浓度大于这一定值以后，凝固温度 -60 随浓度的增加反而升高。该临界点 0 10 20 30 40 50 对应浓度称共晶浓度。该点相当于 图 2-1 盐水的凝固点与浓度 的关系 全部盐水溶液冻结成一块冰盐结晶体，它是最低的凝固点。 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。 2-32-3 润润 滑滑 油油 一、润滑油的作用一、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（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- 16.5 19.8- 24.2 28.8- 35.2 41.4- 50.6 61.2-74.8 闪点(),不低 于 150160160170 180 凝点(),不高 于 4035 酸值(mgkoh/g) 不大于 0.020.030.05 氧化后酸值不 大于 氧化沉淀物不 大于 0.05 0.005% 0.2 0.02% 0.05 0.005% 0.1 0.02% 水 分无 机 械 杂 质无 第三章第三章 蒸气压缩式制冷循环蒸气压缩式制冷循环 3-13-1 单级压缩制冷循环单级压缩制冷循环 一、单级压缩制冷循环的基本组成一、单级压缩制冷循环的基本组成 理论上，最简单的压缩式制冷循环系统由：压缩机、冷凝器、膨 胀阀(或毛细管)和蒸发器四大部件组成。实际上，单级压缩制冷循环 的组成，除上述四大部件外，还有辅助部件，如图 31 所示。 水 膨胀阀 压缩机 放油 放空气 水 均压管 放油 分油器 冷凝器 贮液器 汽液分离器 蒸发器蒸发器 3 1 2 4 4 3 1 2 1 lgp h 图 3-1 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(状态)，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(状态 2)。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，由于高压高 温过热氨气的温度高于其环境介质(如冷却水)的温度，且其压力使氨 气能在常温下冷凝成液体状态，因而被凝结成高压常温的氨液(状态 3)并 流入贮液器。该高压常温的氨液通过调节站经膨胀阀节流降压变成了 低压低温的氨液(状态 4)，然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。然后重复上述过程。 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。那么汽液分离器的作用是什么？这一 点我们后面再讲。 三、单级压缩制冷循环的性能指标三、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。 3-23-2 液体过冷及吸汽过热对循环的影响液体过冷及吸汽过热对循环的影响 一、液体过冷一、液体过冷 所谓液体过冷，就是指在冷凝压力下将节流阀前液态制冷剂进行 再冷却，使其温度低于冷凝压力下的饱和温度。通常带有过冷的循环， 称做过冷循环。 假如能使制冷剂液体经节流阀后产生的闪发汽体量减少，则循环 的单位制冷量必然增大。而节流阀后产生的闪发蒸汽量不仅与制冷剂 4 q0q0 3 lgp tk 4 3 1 2 h t0 图 32 过冷循环 2 1 q0 lgp tk 4 3 1 2 h t0 图 33 吸入蒸汽过热循环 q0 的种类有关，而且与节流前后的温度有关。图 32 为具有液体过冷 循环的 1gph 图。由图可知，将节流前的液体制冷剂进行过冷，可 减少节流后产生“闪发汽体”的量即减少节流损失，从而增大单位制 冷量。易求得其增加量为： 。 h3h3，可见过冷循环增加的制 冷量就是过冷液体制冷剂放出的热量。显然节流前的液体制冷剂温度 越低，即过冷度 tg=tk-tg越大，节流后产生的闪发蒸汽量就越少， 从而使制冷量越大，但单位压缩功 w0不变，制冷剂的循环量 g 也不变。 综上所述，对节流阀前制冷剂进行过冷，可使节流损失减少，制冷量 q0增大，从而使制冷系数提高。 二、吸入蒸汽的过热二、吸入蒸汽的过热 压缩机吸入前制冷剂蒸汽的温度高于吸汽压力下的饱和温度时， 称为吸汽过热。具有吸汽过热的循环，称为过热循环。 图 33 为具有蒸汽过热循环的 1gph 图。在此循环中压缩机吸 入的蒸汽不是点1 的饱和蒸汽，而是点1的过热蒸汽，则压缩机的 压缩过程将沿12进行。单位压缩功则由w0=h2-h1变为 w0=h2- h1，由于压缩机吸汽温度的微少增大，将引起排汽温度的较大增加， 从而使 w0w0，也就是说吸入蒸汽的过热将引起单位耗功量增加。 单位制冷量的增减则要看 11过热过程中增加的吸热量 q0是否有 效，如果这部分吸热量 q0是在制冷剂离开蒸发器后流经吸汽管道时， 向环境介质吸收的热量，则称为“有害过热” 。 如果这部分吸热量 q0是在蒸发器内向被冷却介质吸收的热量，则应计算在制冷量内， 称为“有效过热” 。显然，有害过热的制冷系数降低，且过热度越大， 制冷系数降低得越多。 总之，过热循环使进入压缩机的蒸汽温度升高，吸汽比容增加， 单位容积制冷量减少，使制冷量减少，制冷系数降低；同时，过热循 环还会使压缩机排汽温度升高，冷凝器的热负荷 qk增大。尽管如此， 实际使用时，大多数循环还是希望压缩机吸汽有适当的过热度。因为 过热可以防止液滴带入汽缸，从而可避免压缩机产生液击。通常氨压 缩机一般取 5的过热度，氟利昂压缩机的过热度一般可取大一些。 这是因为氨过热后排汽温度上升较大，而氟利昂压缩机因其绝热指数 k 值较低，排汽温度也不致于过高。另外，氟利昂制冷系统中需利用 制冷剂在蒸发器中的的过热度，来调节热力膨胀阀的开启度，以自动 控制制冷剂的供液量。 三、回热循环三、回热循环 为了减轻吸汽管道的有害过热以提高制冷循环的经济性，可以采 用回热循环。所谓的回热循环，就是利用一个热交换器(称为回热器) 使节流前的液体制冷剂和来自蒸发器的低温蒸汽进行热交换，使液体 过冷蒸汽过热。这种在使蒸汽过热的同时使液体过冷的循环，称为回 热循环。如图 34 所示。 由图 34 可知，回热循环单位制冷量增大了 。 h3h3， 单位压缩功增大了 w0=(h2-h1)-(h2-h1)。而采用回热循环后制冷 系数是增大还是减少，则很难直接看出来。可通过下式进行分析： 回热器 4 q0 3 2 1 q0 lgp tk 4 3 1 2 h t0 图 34 回热循环 q0 冷凝器 节流阀 压缩机 0 0 0 q 00 00 0 qq h 对于无回热循环对于回热循环 显然，回热循环制冷系数提高的条件是： w0q0-q0w00，即：q0/q0w0/w0 上式表明，只有单位制冷量的相对增加量大于单位压缩功的相对 增大量时，采用回热循环后制冷系数才能提高。然而，这一条件并非 对所有的制冷剂都符合，而对于大多数制冷剂来说，则不满足上式条 件。根据计算，在正常情况下的普通制冷温度范围内，只有 r12、r290 和 r502 制冷剂，采用回热循环是有利的；而 r11、r717 和 r22 等制冷剂，采用回热循环则是不利的。 但是，根据制冷系数是否提高来判断应用回热循环是否有利，这 只是问题的一个方面。因为制冷系数的提高，决不是采用回热循环的 唯一目的，事实上应用回热循环还有如下优点：(1)可以防止低压蒸 汽中夹带的液滴进入压缩机中，因而避免发生液击；（2)可以提高低 压蒸汽的温度，减轻或避免在回汽管道中的有害过热；同时还可以减 轻吸入蒸汽与汽缸壁之间的热交换，使压缩机的输汽系数提高；(3) 对于在低压下工作的压缩机(多级压缩制冷循环的低压级压缩机)，可 000 0000 0 0 00 00 00 qqqqq h 则 以改善其润滑条件。所以是否采用回热循环，需要从许多方面综合考虑。 在单级压缩制冷机中，以 r12 为制冷剂的制冷装置都可采用回热 循环。 例例 3 311某单级氨制冷压缩机，在环境介质温度 t=30，蒸发 t0=-10且无吸汽过热设计工况下，制冷量 q0=200kw。若冷凝器的传 热温差取 t=5(但节流阀前的液体无过冷)，试计算其制冷系数。 若取过冷度 tg=5，再计算其制冷系数并加以比较。 解：根据已知条件确定工作温度 h4=h5=662.67 kj/kg 1=0.4177 m3/kg 有关热力性能指标计算结果如下有关热力性能指标计算结果如下： 1、单位制冷量 q0=h1-h5=1749.72-662.67=1087.05 kj/kg 2、单位理论功 w0=h2-h1=1990-1749.72=240.28 kj/kg lgp -10 35 4 3 0 2 h 5 图 35 例 31 压焓图 蒸发温度 t0=-10 冷凝温度 tk=t+t=35 根据工况参数绘出该循环的 lgph 图， 如图 35 所示。查氨的热力性质表及图得各 主要点的参数如下： h0=1749.72 kj/kg h2=1990 kj/kg 3、理论制冷系数 0=q0/w0=1087.05/240.28=4.524 若取过冷度 tg=5，则 理论制冷系数 0=q0/w0=1110.71/240.28=4.622 则有：(4.62-4.524)/4.524=2.17，二者比较可见，过冷循环 与饱和循环相比可以提高制冷系数。 例例 3 322设某制冷系统，采用 r22 过热循环，其工况为蒸发温度 t0=-15，吸汽温度t0=-5，冷凝温度tk=35。试计算其制冷系数并 与饱和循环加以比较。 h1=399.17kj/kg h2=438kj/kg h4=h5=242.93kj/kg h1=405.5kj/kg h2=448.5kj/kg 1=82 l/kg 则：1、单位制冷量 q0=h1-h5=399.17-242.93=156.24 kj/kg 2、单位理论功 w0=h2-h1=448.5-405.5=43 kj/kg 3、理论制冷系数 0=q0/w0=156.24/43=3.6335 2 1 lgp -15 35 4 3 1 2 h 5 图 36 例 32 压焓图 -5 解：根据题设已知 蒸发温度 t0=-15 冷凝温度 tk= =35 吸汽温度 t1=-5 根据以上工况参数绘出该循环的 lgph 图， 如图 516 所示。查 r22 的热力性质表及图得 各主要点的参数如下： 而饱和循环： 1、单位制冷量 q0b=h1-h