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上德教育苏州制冷培训考证讲义苏州制冷培训考证讲义一、概述 制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。 这里所说的“冷”是指相对于环境温度而言的。一桶开水置于空气中，逐渐冷却成常温水，这个过程是自发的传热降温，属于自然冷却，不是制冷。只有通过一定的方式将水冷却到环境温度以下，才可称为制冷。因此，制冷就是从物体或流体中取出热量，并将热量排放到环境介质中去，以产生低于环境温度的过程，也即从低于环境温度的物体中吸取热量，将其转移给环境介质。由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体，因此实现制冷必须消耗能量，该能量可以是机械能、电能、热能、太阳能及其他形式的能量。 机械制冷中所需机器和设备的总和称为制冷机。例如，单级蒸气压缩式制冷机包括压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀；单级吸收式制冷机包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和节流阀等。在制冷机中，除转动的压缩机、泵等机器以外，其余是换热器及各种辅助设备，统称为制冷设备。而将制冷机同使用冷量的设施结合在一起的装置称为制冷装置，如冰箱、冷库、空调机等。制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动，并且不断地与外界发生能量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境介质排放热量。制冷剂一系列状态变化过程的综合称为制冷循环。“制冷原理”主要是从热力学的观点来分析和研究制冷循环的理论和应用。二、一些基本的制冷概念2.1热力学热力学是研究热的机械运动的一门科学。自然界中存在着某些基本原理，我们称之为热力学定律。这些定律与我们地球的生存休戚相关，而其中的一些正是研究制冷的基础。热力学第一定律，也是这些定律中最重要的一条。它的定义是能量既不能被创造，也不能被消灭，但是可以由一种形式转化为另一种形式。2.2热量热量是能量的一种形式，最初由其他形式的能量转化为热能而得。例如，转动的轮子所含的机械能因摩擦转化为热。热量经常被定义为传递中的能量，这是因为它从不满足于静止，而从一个较热的物体转移到另一个较冷的物体。所谓“较热的”和“较冷的”都是相对的。在绝对零度以上的任何温度，热量都是存在的，哪怕是只有极小的量。绝对零度是科学家用于描述可能达到的最低理论温度。处于绝对零度时，热量不再存在。绝对零度大约是华氏零下460度（-273.15）。2.3温度 温度是用于测量热的强度的度量，也是决定热能以何种方式移动的指示器。在美国，温度通常以华氏温度（F），但摄氏温标（）在世界其他地区广泛使用。两种温标有两个相同的基准点，即在海平面处于水的冰点和沸点。在海平面处，水在32F即0时冻结，在212F即100是沸腾。在华氏温标中，上述两点之间的温差被均分成180等分，每一等分称为1F。与之相对应，在摄氏温标中，上述两点之间的温差被均分成100等分，每一等分称为1。华氏温标和摄氏温标之间的关系可以用如下的公式表示：华氏度 = 9/5 摄氏度 + 32摄氏度 = 5/9（华氏度 32）2.4热量测量 温度的测量和热量无关。火柴的火焰与篝火的温度可能是一样的，但是显而易见两者所释放的热量差别极大。热量的国际单位为焦耳（J）。2.5传热 热力学第二定律指出热总是从高温物体传向低温物体。传热的速率正比于两个物体之间的温差。 热能够以下列三种方式中的任何一种传播：辐射，传导和对流。热辐射是指热以波的方式传递，就像光波或无线电波。例如，太阳能就是以辐射的方式传到地球的。在温度较低和温差较小的情况下，热辐射是较小的。因此，在实际的制冷过程中，热辐射的影响并不重要。然而，对于直接受外界太阳辐射的制冷空间或者产品，辐射热也许是影响制冷负荷的一个主要因素。 热传导是热在物体中的流动。若要在两个物体间通过这种方式发生热传递，则两个物体必须有实际的物理接触。热传导是一种高效的传热方式，任何人只要触摸一下发烫的金属物体就可以感觉到这一点。 对流是热通过流体介质进行传递的方式。流体介质可以是气体或液体，通常是空气或水。 在一个典型的制冷应用中，热的传递通常是一个复合过程。一件设备的传热能力为各种热传递方式的总和。虽然没有温差时传热不会发生，但是不同材料的导热能力是不同的，金属是热的良导体，而石棉由于热阻很大而被视为热绝缘体。2.6状态变化 绝大部分物质以固体、液体或气体的形式存在。这取决于他们所处的温度和压力。热可以改变物质的温度，因而也能够改变物质的状态。当物质由固态变为液态或液态变为气态时，尽管没有发生温度变化，但是热量依然被吸收。当物质有气态变回液态或由液态变回固态时，等量的热量会被释放。上述过程最常见的例子是水的三态变化。2.7显热 显热是物质温度发生变化时所应的那部分热量。物质比热的定义是单位质量的物质温度升高1度所需的热量。不同的物质的比热是不同的。2.8熔解潜热 物质由固态变为液态或由液态变为固态的过程中吸收或释放的热量称为熔解潜热。有时也称为融化潜热或凝固潜热。2.9蒸发潜热 物质由液态变成气态，或者有气态变成液态的过程中吸收或释放的热量称为蒸发潜热。由于沸腾只是一个快速的蒸发过程，所以蒸发潜热也可以称为沸腾潜热，汽化潜热或者对于蒸发的逆过程而言，称作冷潜热。 由于在蒸发和冷凝是有大量的潜热吸收或释放，因此在此过程中热传递是非常高效的。尽管所处的温度和压力会有所不同，但是像水这样的状态变化规律同样适合于任何液体。 由液态转化为气态时吸热和由气态转化为液态的放热是整个机械制冷过程的重点，其中潜热的转移时制冷的基本方法。2.10升华潜热 在一些物质的状态变化过程中，物质可以不经过液态而直接由固态转化为气态。升华潜热等于熔解潜热和蒸发潜热的总和。2.11饱和温度 在一定的温度和压力下，物质的气液两相可以同时存在，这种情况称为饱和。饱和的液体或气体是指处于沸点温度下的液体或气体，对于海平面处的水而言，其饱和温度是100。压力升高时，饱和温度会随之升高；而压力降低时，饱和温度会随之下降。2.12过热蒸汽 在液态变成蒸汽后，在压力不变的情况下任何额外的热量加给蒸汽都会使得蒸汽的温度升高。过热蒸汽这一术语被用于描述温度高于其沸点或饱和点的气体。我们周围的空气就是由过热蒸汽组成的。2.13过冷液体 任何一种液体，当其温度低于其同等压力下的饱和温度时称之为过冷，低于其沸点（在海平面处是100）温度的任何温度的水都是过冷的。2.14大气压 包围地球的大气层是由气体构成的。其主要的成分是氧气和氮气。大气层覆盖在地表上空厚达数英里。大气层的重量作用在地球上就产生了我们生活中的大气压。在一固定位置，除了由天气变化引起的微小变化，大气压是相对不变的常数。为了标准化和作为比较是选用的一个基本参考值，在海平面处的大气压被普遍接受为标准大气压。2.15绝对压力 绝对压力，通常定义为完全真空的压力。因此，对于围绕我们的空气而言，绝对压力和大气压是一回事。2.16表压 一个压力表在没有与压力源连通之前的读数被标定为0帕（Pa）。因此，一个封闭系统的绝对压力总是等于表压加上大气压。在压力表上，低于0帕的压力读数是负的，被定义为真空度。一个制冷压力表是通过与表上负读数相平衡的水银柱的高度来标定的。还有一点很重要，就是表压是相对绝对压力而言的。2.17液体压力和温度的关系 液体沸腾的温度取决于施加在其上的压力。液体的蒸汽压，即由液体中逃逸出来而成为蒸汽的微小分子所施加的压力，随着温度的升高而升高，直至蒸汽压等于外界压力而发生沸腾。 水在海平面处的沸点是100，但是在海拔5000英尺处的沸点是95，这是由于大气压降低的缘故。如果通过某一方法，比如压缩机，使得施加在密闭内水表面的压力可以改变，则我们可以随意改变水的沸点。 由于所有的液体有相同的变化特性，尽管它们在不同的温度和压力条件下，但是压力改变提供了调节制冷温度的一种方法。如果一组冷却盘管是与大气隔离的一个封闭系统的一部分，在所需的冷却温度下，将压力维持在对应的盘管液体饱和温度下，然后只要液体吸收热量，就会在那个温度下沸腾这样就实现了制冷。2.18气体压力和温度的关系 热力学的一条基本原理叫做“理想气体定律”。该定律描述控制气体变化的三个基本参数压力（P），容积（V）和温度（T）之间的关系。在实际的应用中，空气和高度过热的制冷剂气体可以看作是理想气体，他们的变化遵循下面的关系：P1V1/T1=P2V2/T2尽管理想气体关系式实际上并不准确，但是它为估计气体的三个基础参数值已发生变化时的影响提供了基础。制冷的问题之一是怎样处理冷却过程中吸收的热量。一种实际有效的解决方法是升高制冷剂气体的压力，使其饱和温度即冷凝温度高于冷却介质（空气或水）的温度以保证有效的热传递。当较低饱和温度小的低压制冷剂被吸入压缩机的汽缸,气体的容积由于压缩机活塞的运动而缩小，在排气时得到高压气体，由于其较高的饱和温度而变得容易冷凝。2.19比容 物质的比容被定义为单位质量的物质所占据的容积数。对于液体和气体而言，比容随着流体所受的压力和温度的变化而变化。按照理想气体定律，气体的比容随着温度和压力的变化而变化。但是，在实际的制冷过程中制冷剂液体可以认为是不可压缩的，因此液体的比容随温度的变化而变化。2.20密度 物质的密度被定义为单位容积的质量。2.21压力和流体压头 我们很有必要知道这样一个事实，压力由一柱液体产生，或者压力可能使一柱制冷剂在垂直方向向上流动一定的距离。无论垂直液体的截面积是多少，高度和压力间的关系总是正确的。 流体压头是一个一般的术语，用于指明由流体产生的任何种类的压力可以用一柱给定的液体的高度来表示。2.22流体流动 为了使流体从一点流向另一点，两点之间必须有压差以引起流动。如果没有压差，流动就不会发生。流体可以是液体的，也可以是气体的，在制冷中液体和气体的流动都是很重要的。 流体在管子中的流动受诸多因素的控制，如作用在流体上的压力，因管道垂直上升或下降而受到的重力影响，管道阻力的限制和流体自身的阻力等。 例如，虽然水总管的压力维持不变且水龙头的出口无阻力，但是，当水龙头打开时，流动会增强。显然是阀的阻力影响了流量。由于流体有一种特性叫粘度，所以水的流动比蜜要自由的多。粘度是用以描述流体流动阻力的。对于油而言，粘度受温度的影响，当温度下降时粘度增加。 当流体流经管子时，流体与管壁的接触引起摩擦，从而产生了流动阻力，因此管路系统的基本设计就是确定所需的压力从而获得要求的流量。 在一个包含流体流动的封闭管道系统中，两个给定点之间的压差取决于流体流动的速度、粘度和流体的密度。如果流动增强，那么压差将增大，因为流体流速的增加引起了更多的摩擦。上述压差称为压损或压降。 由于蒸发和冷凝压力的控制在机械制冷是很严格的，所以通过连接管的压降会对系统的性能产生重大影响，大的压降是必须避免的。2.23流体流动对传热的影响 流体流过管壁或金属翅片时传热明显的受到流体与金属表面接触作用的影响。作为一个通用的准则，流速越大，流动越紊乱，则传热量越大。蒸发液体的快速沸也会增加换热量。另一方面，平稳的液体流动有助于在金属表面形成绝热膜而阻止热的传递，从而降低传热量。三、机组制冷工作原理 在车辆上，如果要使客室中的温度低于环境温度，必须不断地将客室中的热量转移到周围介质中去，这个过程是依靠蒸汽压缩式制冷循环来实现的。该循环主要是利用制冷剂液体气化、气体液化的相变过程来吸收室内空气的热量，并将此部分热量输送到室外大气的过程。 在一定压力下，液体吸收热量温度升高到沸点（即饱和温度）就会沸腾。在制冷技术中，将这一饱和温度称为蒸发温度。 与吸热气化的过程相反，在冷凝温度下蒸汽放热会凝结成液体。如果用环境介质（空气或水）来冷凝制冷剂蒸汽，蒸气的冷凝温度要比环境介质的温度要高。只要用压缩机压缩到所需的冷凝温度相对应的饱和压力，就能利用环境介质来冷却，使吸热气化的制冷剂蒸汽重新冷凝成液体，再让制冷剂液体在低温下又吸热气化，这样制冷剂在一个封闭的系统中，只消耗压缩机的功就能反复地实现制冷剂由液体变蒸汽，再由蒸汽变液体的相变过程，并通过这种相变将低温处的热量转移到高温处去。这就是蒸汽压缩式制冷机的工作原理。结合现有的客车空调机组，制冷系统主要由压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器四大主要部件组成，用铜管焊接成一个全封闭的制冷系统，其原理图见附图1，工作过程如下：图1 典型制冷系统图 低温低压的制冷剂蒸汽经压缩机压缩成为高温高压的蒸汽，进入风冷式冷凝器，通过室外冷凝风机的连续工作，将制冷剂携带的热量传给室外空气，同时制冷剂本身被冷凝成常温高压的液体，进入毛细管节流降压，变成低温低压的气液混合体，然后进入蒸发器，通过机组内通风机的连续运转，吸收流过蒸发器的室内空气的热量，蒸发成为低温低压的蒸汽，再被压缩机吸入，完成一个制冷循环。压缩机不断的工作，达到连续制冷的效果。 车内空气通过蒸发器时，因为蒸发器表面温度低于空气的露点温度，空气中的水分被冷凝成水滴形成凝结水，由排水孔将水排到车外起到除湿作用。四、单级蒸汽压缩式制冷机的理论循环 为了能应用热力学理论对蒸汽制冷机的实际过程进行分析，提出一种简化的循环，称为理论循环。单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失；（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却物体的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值；（3）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，与管外介质之间也没有热交换；（4）制冷剂在流过节流阀时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换。图2在温熵图和压焓图上示出单级蒸气制冷机的理论循环，压缩机吸入的是以点1表示的饱和蒸气，1-2表示制冷剂在压缩机中的等熵压缩过程。2-3-4表示制冷剂在冷凝器中的冷却和冷凝过程，在冷却过程（2-3）中制冷剂与环境介质有温差，在冷凝过程（3-4）中制冷剂与环境介质无温差，在冷却和冷凝过程中制冷剂的压力保持不变，且等于冷凝温度tk下的饱和蒸气压力pk。4-5表示节流过程，制冷剂在节流过程中压力和温度都降低，但焓值保持不变，且进入两相区。5-1表示制冷剂在蒸发器中的蒸发过程，制冷剂在温度T0饱和压力p0保持不变的情况下蒸发，而被冷却物体或载冷剂的温度得以降低，制冷剂的蒸发温度与被冷却物体间无温差。 a) T-s 图 b) p-h图 图2 单级制冷机理论循环的温熵图和压焓图 按照热力学第一定律，单级蒸气压缩式制冷循环的各个过程可表示如下： 压缩机单位理论功 w=h2-h1 冷凝器单位热负荷 qk=h2-h4 单位质量制冷量 q0=h1-h4 单位容积制冷量 qv=q0/v1 制冷系数 0=q0/w=(h1-h4)/(h2-h1) 制冷系数是制冷循环的一个重要经济指标。在冷凝温度和蒸发温度给定的情况下，制冷系数愈大，表示循环的经济性愈好。q0和w0都随循环的工作温度而变。冷凝温度越高，蒸发温度越低，则制冷系数越小。四、液体过冷及吸气过热对循环性能的影响1 液体过冷 将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷。实际循环中，制冷剂液体离开冷凝器进入节流阀之前具有一定的过冷度，过冷度的大小取决于冷凝系统的设计和制冷剂与冷却介质之间的温差。 图3表示了过冷循环1-2-3-4-4-5-1的lgp-h图。图中4-4为制冷液体在过冷器中的过冷过程，4-5为节流过程，其余过程与基本循环相同。由图可知，节流前液体的过冷度愈大，则节流后的干度x就愈小，循环的单位制冷量就愈大。可见，采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的。 与无过冷的循环1-2-3-4-5-1相比，过冷循环的单位制冷量的增加量为 q0=h5-h5=h4-h4 因两个循环的单位理论功w0相同，过冷循环的制冷系数比无过冷循环的制冷系数要大。 =(h1-h4)+(h4-h4)/(h2-h1)= +(h4-h4)/(h2-h1)可见，采用过冷循环可以使循环的制冷系数提高。 a) T-s 图 b) p-h图图3 过冷循环的lgp-h图 2 吸入蒸气的过热压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。实际循环中，压缩机吸入饱和蒸气的情况是很少的。为了不将液滴带入压缩机，通常制冷剂液体在蒸发器中完全蒸发后仍然要继续吸收一部分热量，这样，在它到达压缩机之前已处于过热状态，如图4所示。a) T-s 图 b) p-h图图4 过热循环的lgp-h图 与无过热循环相比，过热循环的单位制冷量增大了 q0=h1-h1 而循环的理论单位功也增大了w0，因而过热循环的制冷系数可表示为 =q0/w=(q0+q0)/(w0+w0) 过热循环的制冷系数是大于还是小于无过热循环的制冷系数0（=q0/w0），仅取决于比值q0/w0是大于还是小于0，如果q0/w00，则过热有利，如果q0/w00约300R11, R113, R114空调，热泵中温制冷剂-600约在3002000R717,R12,R22,R502制冰，冷藏低温制冷剂2000R13, R14, R503 乙烷，乙烯复叠式制冷机的低温级在制冷机内，不希望低压侧在真空状态下工作，因此，制冷剂的沸点就反映出较合理的蒸发温度的高低。习惯上按照沸点的高低将制冷剂分成高温制冷剂、中温制冷剂和低温制冷剂三类（见表1）。常用制冷剂 R22 R22属HCFC类工质。它无色、无味、不燃、不爆，对臭氧层的破坏作用较小，且单位容积制冷量比R12要大得