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制冷与空调作业1 邵国权 2013/11/3 什么是制冷？ 制冷：利用机械设备把降温对象降到所需温度的方法 叫制冷。 制冷过程中，热量由低温向高温转移是由于消耗了外 界的能量，既靠压缩机做功来实现的。 制冷的基本概念 在制冷与空调工程及其它热力学设备中，将实现热能 与机械能相互转换的媒介物称为工质（制冷剂、雪种 、冷媒）。 依靠工质在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功 ，而做功通过工质才能传递热。 工质要有好的流动性和受热后有显著的膨胀性，并有 较大的热容量及安全性。 工程中最适于充当工质的是气体或由液态过渡为气态 的蒸汽，比如制冷装置中的氨蒸汽等。 常用术语 物质、物质的三种状态； 温度、摄氏温度、热力学温度K、华氏温度F， T=t+273.15(K) F=1.8t+32 压力、大气压力、表压力、绝对压力、真空度； 压力的单位：P=F/S 帕(Pa、N/m2)、兆帕(MPa 、106N/m2)、标准大气压(atm) 、 工程大气压(at)， 1标准大气压(atm) =1.01x105 Pa 1工程大气压(at) =0.98x105 Pa=98kPa 常用术语 汽化：物质由液态转变为气态的过程称为汽化。 方式：蒸发 （任何温度下都能蒸发） 沸腾（在一定压强下，温度升高到一定程度） 特点：吸收周围介质热量；蒸发器； 冷凝：物质由气态转变成液态的过程称为冷凝。 液化；放热； 一定压力下，蒸汽的冷凝温度与液体的沸点相同，汽 化潜热与液化潜热的数值相同； 常用术语 饱和液体与饱和蒸汽 在一密闭容器中，同种物质的液相与气相达到动态平 衡时的状态称之为平衡状态，处于平衡状态下的液相 称为饱和液体、气相称为饱和蒸汽。 过冷液体与过热蒸汽 过冷液体是指液体的温度低于所处压力下饱和液体温 度的液体。 过热液体是指蒸汽的温度高于所处压力下饱和气体温 度的蒸汽。 常用术语 显热 在物质吸热或放热过程中，仅使物质分子的动能增加 或减少，即使物质的温度升高或降低，而其状态不变 时，所吸收或放出的热能称为显热。 潜热 在物质吸热或放热过程中，仅使物质分子的动能增加 或减少，即使物质状态改变，而其温度并不变化时， 所吸收或放出的热能称为潜热。 传热学基本概念 热量传递的三种基本方式：热传导、热对流、热辐射。 热传导 是物体各部分直接接触时发生的热量传递方式。 热对流 是指流体各部分或流体与固体壁面间发生相对位移引起的热 量传递。 热辐射 是以电磁波的形式传递热量。（能在真空中传播） 传热学基本概念 热导率：表示某种材料传导热量能力的一个物理量。 表面传热系数：表示不同物质（如固体与气体）之间在不同状态下换热 能力的物理量。 传热系数 热扩散率 饱和状态、饱和蒸汽、饱和液体、饱和温度、饱和压力。 过冷：在饱和压力的条件下，继续对饱和蒸汽加热，使其温度高于饱和 温度，这种状态称为过热，这种蒸气称为过热蒸汽。饱和液体在饱和压 力不变的条件下，继续冷却到饱和温度一下称为过冷，这种液体称为过 热液体。 如果物质气化后，继续吸热，使该气体温度升高，升高后的温度称为过 热温度，过热温度与饱和温度之差称为过热度。 如果物质液化后，继续放热，使该液体温度下降，下降后的温度称为过 冷温度，过冷温度与饱和温度之差称为过冷度。 单级压缩制冷循环基本组成要件 最简单的制冷系统由四大要件组成：压缩机；冷 凝器；节流阀；蒸发器； 制冷循环的蒸发过程 蒸发过程 通过膨胀阀截流后的低压湿蒸汽，在蒸发器中从周围介质吸热制冷，并 逐渐增加其干度。这样，从蒸发器出来的气体就已经成为干饱和蒸汽或 稍有过热度的过热蒸汽了。在蒸发过程中，制冷剂的温度和压力保持不 变。 制冷循环的压缩过程 压缩过程 完成制冷作用后从蒸发器出来的蒸汽经制冷压缩机压缩后，温度和 压力急剧升高。压缩机排出的气体就变成了过热度较大的热蒸汽。 压缩气体时，压缩机要消耗一定的压缩功，但制冷剂熵值不变。 制冷循环的冷凝过程 冷凝过程 从制冷机排出的高温高压过热蒸汽，进入冷凝器与冷却水或空气进行热 交换，使过热蒸汽逐渐变成饱和蒸汽，进而变成饱和液体。当用冷却水 冷却时，饱和液体的温度继续降低，出现过冷。冷凝过程中压力保持不 变。 制冷循环的四个过程 节流过程 从冷凝器出来的液体经过膨胀阀被节流，成为低温低压的湿蒸汽。节流 过程制冷剂焓值不变。 上述四个过程依次不断循环，进而达到制冷目的。 PI TI 制冷过程综述 制冷剂工质以液态在蒸发器中吸热制冷，低温液体吸 收汽化潜热变成制冷剂气体被压缩机吸入并压缩，被 压缩的气体压力和温度都增高，之后流进冷凝器，冷 凝器以风冷水冷等形式对制冷剂气体进行冷凝，冷凝 后的高温高压液体储存在冷凝器底部及储液器中，冷 凝时放出的热量通过风机、水泵等设备带出并散到环 境中，当高温高压的液体流经膨胀阀后，以低温低压 的液体状态再进入蒸发器吸收汽化潜热而制冷，如此 完成制冷循环。 电冰箱的制冷原理 制冷系统主要由压缩机 冷凝器 干燥器 毛细管和蒸发器所组成。 这些部件都是互相焊接，并安装在箱体内的。制冷剂是非常容易 蒸发的东西，及使是微小的孔也会漏，就影响冷却系统。 电冰箱的制冷原理 一般制冷机的绝大多数都是压缩型，吸收型属于少数。压缩型制 冷机中的液体制冷剂在蒸发器中蒸发，变成制冷剂气体。这气体 被活塞和气缸组成的压缩机压缩后导入冷凝器中，在这里气体再 被冷凝器成为液体制冷剂。压缩机中电动机的旋转运动转换为往 复运动，气缸中的制冷剂被往复运动所压缩。也就是说压缩机相 当于人体的心脏，起到了循环血液的作用。 封闭型压缩机的电动机是直接和压缩部分相连接的。压缩机全体 成为一个整体装起来，另外为了避免产生热量，以致温度上升， 电动机用制冷机油和制冷气体进行冷却，由过负荷防止器进行电 路上的保护。 封闭式压缩机 单级制冷机理论循环原理图 1压缩机 2 冷凝器 3 蒸发器 4 节流阀 1 2 3 4 1 2 34 5 Pk tk P0 t0 tgP h 单级压缩制冷循环的压焓图 0点蒸发器出口；1点压缩机吸气口；2点压缩机排气口 5点节流装置入口；6点蒸发器入口 6-0段：等温等压吸热汽化过程。 P0 与t0为相对应。两点间的焓差大小主要看蒸 发温度的高低。在不影响要求的条件下，应尽量提高蒸发温度以提高制冷量。 0-1段：蒸发压力下的吸气过程。这段过热是为压缩机安全运行所必需的。 1-2段：等熵压缩过程。2点的温度就是压缩机的排气温度，这两点的焓差是压缩 机作功大小的主要参数值。因此应尽量减少两点间的距离才能节约能源。如蒸发 温度不变时，尽量降低冷凝压力，可减少功耗。 2-3段：等压放热过程。制冷剂气体放出显热，由排气温度t2降至tk ，仍为气体。 3-4段：制冷剂放出潜热被液化， Pk、tk恒定。此段占冷凝段放热量的80%以上。 4-5段：制冷剂液体继续散热（显热）, tk降至过冷温度t5，无相态变化，过冷是 提高制冷量的重要措施。 5-6段：等焓节流过程。制冷机通过节流装置， Pk降至P0，由过冷液体变为汽液共 存状态，即湿蒸汽状态。 1 2 34 6 Pk tk P0 t0 tgP h 5 0 X=0 X=1 Pk ：冷凝压力 tk ：冷凝温度 P0 ：蒸发压力 t0 ：蒸发温度 活塞式压缩机 当曲轴转动，装在曲轴上的连杆也跟着动，这连杆顶部 的活塞就在气缸内进行往复活动。 活塞到达下端图2(a)时，吸气阀开，制冷剂气体通过 阀门而进入，制冷剂气体充满汽缸时，吸气阀关闭，活 塞到达上端时被压缩机的高温高压的制冷剂气体通过打 开后的排气阀而排出。这两个阀门是为了防止制冷剂气 体逆流而用的，气体只能单方面流动。 旋转式压缩机 旋转式压缩机也使用在一部分家用电冰箱中。如上图所 示它是通过旋转活塞（转子）和一块固定的叶片与气缸 内面相接触而产生的压缩作用。旋转式压缩机由于其优 点是能量效率高，小型轻量，所以往往使用于蒸发压力 比较高也能发挥能力的家用空调器中。 冷凝器 冷凝器的作用是将通过压缩机而形成的高温高压气体状 制冷剂冷却后变成液体制冷剂。 家用电冰箱在电冰箱的背后装有携带方便的小型小容 量冷凝器，它用是自然通风来降低温度的方式，但是有 些形式的电冰箱却是风扇强迫排风来降低冷凝器的温度 。 冷凝器在工作时温度会升高，为使电冰箱能够高效率地 运转，冷凝器的通风必须良好，以便冷却。为此电冰箱 的安放位置一定良好，要和墙壁之间留出适当的距离。 新一代的电冰箱采用了内藏式冷凝器，布置在箱体两侧 壁的内侧，内藏在隔热层的外侧。因此工作时两侧板会 发热，为此应使电冰箱两侧留有适当空间 制冷剂 制冷剂是在制冷设备中完成制冷循环的工作介质， 也称工质。 对制冷剂的要求是：价格便宜、无毒、制冷效果好 、物理化学性质稳定。其特性： 标准大气压下，沸点要低。一般要在-20以下。如:R12 为-29.8，R22为-40.8，R717为-33.4。冷凝压力低 。一般冷凝压力不超过1.17MPa-1.47MPa。可以减少容器 耐压强度、减少泄漏、降低压缩机功耗。 蒸发潜热大。即单位容积的制冷量大，循环量小。有利于 缩小制冷系统规模。 化学性质稳定，腐蚀性小。特别是与润滑油不起化学反应 。 无毒、不易燃、不易爆、粘性小、传热性能好、安全可靠 等。 制冷剂 制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相 变来传递热量，既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝 结时放热。当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、 氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。 制冷剂应具有一定的吸水性，这样就不致在制冷系统中形成“冰 塞”，影响正常运行。 制冷剂具有化学稳定性：不燃烧、不爆炸，使用中不分解，不变 质。同时制冷剂本身或与油、水等相混时，对金属不应有显著的 腐蚀作用，对密封材料的溶胀作用应小。 由于制冷剂在运行中可能泄漏，故要求工质对人身健康无损害、 无毒性、无刺激作用。 在压缩式制冷剂中广泛使用的制冷剂是氨、氟里昂和烃类。按照 化学成分，制冷剂可分为五类：无机化合物制冷剂、氟里昂、饱 和碳氢化合物制冷剂、不饱和碳氢化合物制冷剂和共沸混合物制 冷剂。根据冷凝压力，制冷剂可分为三类：高温（低压）制冷剂 、中温（中压）制冷剂和低温（高压）制冷剂。 几个重要概念 闪发气体，液氨从钢瓶中一放到大气中，立即会降到33.3， 我们首先可观察到，液氨出瓶后立即沸腾，即使外界没有提供热 量它也沸腾，为什么？查氨的物理性能表，一公斤液氨，在一个 大气压下的温度是33.3，它的焓值是83.57大卡；假设钢瓶中 的液氨温度是25，对应的绝对压力是10 g/cm2，它的焓是 147大卡，这里相差了63.4大卡，这63.4大卡自身热量就使液氨 沸腾，蒸发掉63.4大卡热量后，它的物理性能就平衡了，这蒸发 后产生的气体，就叫闪发气体，因为沸腾在液氨全体积内产生， 而且速度象闪电一样快，所以叫闪发气体。 上面的讲述中冷库温度与蒸发温度总是相差10，冷凝温度与冷 却水温总是相差5，这是我们国家制冷规范所定，它是由经济合 理的热交换面积所决定的。 讲了这么多，是想说明一点，我们是用机械能，将热量从温度低 的物体中取出，向温度高的物体中输送，使我们的工作对象温度 下降到所需的要求。 制冷剂 无机化合物制冷剂：这类制冷剂使用得比较早，如氨（NH3）、 水（H2O）、空气、二氧化碳（CO2）和二氧化硫（SO2）等。对于 无机化合物制冷剂，国际上规定的代号为R及后面的三位数字， 其中第一位为“7”后两位数字为分子量。如水R718.等。 氟里昂（卤碳化合物制冷剂）：氟里昂是饱和碳氢化合物中全部 或部分氢元素（CL）、氟（F）和溴（Br）代替后衍生物的总称 。国际规定用“R”作为这类制冷剂的代号，如R22.等。 饱和碳氢化合物：这类制冷剂中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷 和环状有机化合物等。代号与氟里昂一样采用“R”，这类制冷 剂易燃易爆，安全性很差。如R50、R170、R290.等。 不饱和碳氢化合物制冷剂：这类制冷剂中主要是乙烯（C2H4）、 丙烯（C3H6）和它们的卤族元素衍生物，它们的R后的数字多为 “1”，如R113、R1150.等 共沸混合物制冷剂：这类制冷剂是由两种以上不同制冷剂以一定 比例混合而成的共沸混合物，这类制冷剂在一定压力下能保持一 定的蒸发温度，其气相或液相始终保持组成比例不变，但它们的 热力性质却不同于混合前的物质，利用共沸混合物可以改善制冷 剂的特性。如R500、R502.等。 制冷剂 制冷剂分子式分子量u 正常蒸发 温度 ts() 凝固点 tf() 临界温度 tkp() 临界压力PKP 绝对压力 绝热指 数K 水（ R718） H2O18.02+1000+374.1225.61.33 氨（ R717） NH317.03-33.4-77.7+132.4115.21.31 R11CFCL3137.39+23.7-111+19844.61.17 R12CF2CL2120.92-29.8-155+111.540.861.15 R13CF3CL104.47-81.5-180+28.839.4- R22CHF2CL88.48-40.8-180+9650.31.19 R115C2F5CL154.48-38-106+80331 制冷剂 高温、中温及低温制冷剂：是按制冷剂的标准蒸发温度和常温下冷凝压 力来分的。 制冷剂使用温度范围压缩机类型用途备注 R717（氨）中、低温活塞式、离心式冷藏、制冰在普通制冷领域 R11高温离心式空调 R12高、中、低温 活塞式、回转式 、离心式 冷藏、空调高温为：10-0 R13超低温活塞式、回转式超低温 R22高、中、低温 活塞式、回转式 、离心式 空调、冷藏、低 温 中温为：0- 20 R114高温活塞式特殊空调 低温为：-20- 60 R500高、中温 活塞式、回转式 、离心式 空调、冷藏 超低温为：-60- -120 R502高、中、低温活塞式、回转式 空调、冷藏、低 温 制冷剂氨 氨（R717、NH3）是中温制冷剂之一，使用范围是+5到-70。标准大气压 下蒸发温度ts为-33.4，凝固温度为-77.7 。当冷却水温度高达30时， 冷凝器中的工作压力一般不超过1.5MPa。 氨的临界温度较高（tkr=132），汽化潜热大，在大气压力下为1164KJ/Kg， 标准工况下的单位容积制冷量也大，氨压缩机尺寸可以较小。 NH3:2196kJ/m3 ； R12:1274kJ/m3 ； R22:2070kJ/m3 ； 纯氨对润滑油无不良影响，但有水分时，会降低冷冻油的润滑作用。氨在润 滑油中不易溶解，故要在装置中设置油分离器，减少润滑油进入冷凝器和蒸 发器，防止热交换表面被油污染后传热性能降低。 纯氨对钢铁无腐蚀作用，但当氨中含有水分时将腐蚀铜和铜合金（磷青铜除 外），故在氨制冷系统中对管道及阀件均不采用铜和铜合金。 液氨透明无色，氨蒸气无色，有强烈的刺激臭味。氨对人体有较大的毒性， 当氨液飞溅到皮肤上时会引起冻伤。当空气中氨蒸气的容积达到0.5-0.6%时 可引起爆炸。故机房内空气中氨的浓度不得超过0.02mg/L。 氨在常温下不易燃烧，加热至350时，分解为氮和氢气，氢气与空气中的氧 气混合后会发生爆炸。与空气混合的体积分数在11%-14%时即可燃烧。在16%- 25%时遇明火可能爆炸。在0.5%-0.6%时，人在其中停留半小时就会中毒。 氨极溶于水，0时每升水能溶解130升氨气。一般规定液氨中含水量低于 0.2%。 制冷剂 氟里昂是一种透明、无味、无毒、不易燃烧、爆炸和化学性稳定 的制冷剂。不同的化学组成和结构的氟里昂制冷剂热力性质相差 很大，可适用于高温、中温和低温制冷机，以适应不同制冷温度 的要求。 氟里昂对水的溶解度小，制冷装置中进入水分后会产生酸性物质 ，并容易造成低温系统的“冰堵”，堵塞节流阀或管道。另外避 免氟里昂与天然橡胶起作用，其装置应采用丁晴橡胶作垫片或密 封圈。 常用的氟里昂制冷剂有R12、R22、R502及R1341a，由于其他型号 的制冷剂现在已经停用或禁用。在此不做说明。 氟里昂12（CF2CL2，R12）：是氟里昂制冷剂中应用较多的一种， 主要以中、小型食品库、家用电冰箱以及水、路冷藏运输等制冷 装置中被广泛采用。R12具有较好的热力学性能，冷藏压力较低 ，采用风冷或自然冷凝压力约0.8-1.2KPa。R12的标准蒸发温度 为-29，属中温制冷剂，用于中、小型活塞式压缩机可获得- 70的低温。而对大型离心式压缩机可获得-80的低温。近年 来电冰箱的代替冷媒为R134a。 制冷剂 氟里昂22（CHF2CL，R22）：是氟里昂制冷剂中应用较多的一种，主 要以家用空调和低温冰箱中采用。R22的热力学性能与氨相近。标 准沸点为-40.8，标准凝固点为-160通常冷凝压力不超过 1.6MPa。R22不燃、不爆，使用中比氨安全可靠。R22的单位容积比 R12约高60%，其低温时单位容积制冷量和饱和压力均高于R12和氨 。近年来对大型空调冷水机组的冷媒大都采用R134a来代替。 氟里昂502（R502）：R502是由R12、R22以51.2%和48.8%的百分比 混合而成的共沸溶液。R502与R115、R22相比具有更好的热力学性 能，更适用于低温。R502的标准蒸发温度为-45.6，正常工作压 力与R22相近。在相同的工况下的单位容积制冷量比R22大，但排气 温度却比R22低。R502用于全封闭、半封闭或某些中、小制冷装置 ，其蒸发温度可低达-55。R502在冷藏柜中使用较多。 氟里昂134a（C2H2F4，R134a）：是一种较新型的制冷剂，其蒸发温 度为-26.5。它的主要热力学性质与R12相似，不会破坏空气中的 臭氧层，是近年来鼓吹的环保冷媒，但会造成温室效应。是比较理 想的R12替代制冷剂。 制冷剂 氟里昂和水几乎完全相互不溶解，对水分的溶解度极小。 从低温侧进入装置的水分呈水蒸气状态，它和氟里昂蒸气 一起被压缩而进入冷凝器，再冷凝成液态水，水以液滴状 混于氟里昂液体中，在膨胀阀处因低温而冻结成冰，堵塞 阀门，使制冷装置不能正常工作。水分还能使氟里昂发生 水解而产生酸，使制冷系统内发生“镀铜”现象。 氟里昂与润滑油的关系：一般是易溶于冷冻油的，但在高 温时，氟里昂就会从冷冻油内分解出来。所以在大型冷水 机组中的油箱里都有加热器，保持在一定的温度来防止氟 里昂的溶解。 使用制冷剂的注意事项 制冷剂钢瓶应放在阴凉通风处，防止高温和太阳曝晒。搬运中续小心 轻放，禁止敲击。 制冷剂在保存时，钢瓶阀门处绝对不应有慢性泄漏现象。 发现制冷剂有大量泄漏现象时，必须打开门窗通风，防止引起人参中 毒和窒息。 制冷剂钢瓶须经严格检验合格后才能使用。氨瓶为黄色，氟利昂瓶为 银灰色。 使用时严禁明火加热，但可用热水或热布贴敷。 向机组内添加制冷剂时应远离火源。空气中含有制冷剂时严禁明火。 从系统中将制冷剂抽出压入钢瓶时应加以冷却。一般以装满钢瓶的 60%为宜。 在分装或充加制冷剂时，室内必须空气畅通，操作人员要戴手套、眼 镜，防止意外冻伤。 蒙特利尔协议书 1987年9月在加拿大的蒙特利尔市召开了专门性 的国际会议，并签署了关于消耗臭氧层的蒙 特利尔协议书，于1989年1月1日起生效，对 氟里昂在的R11、R12、R113、R114、R115、 R502及R22等CFC类的生产进行限制。1990年6月 在伦敦召开了该议定书缔约国的第二次会议， 增加了对全部CFC、四氯化碳（CCL4）和甲基氯 仿（C2H3CL3）生产的限制，要求缔约国中的发 达国家在2000年完全停止生产以上物质，发展 中国家可推迟