第二章 制冷技术

第二章制冷技术第1页，课件共47页，创作于2023年2月第二节制冷工质一、制冷剂的发展、应用与选用原则只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。

乙醚是最早使用的制冷剂。1866年威德豪森(Windhausen)提出使用CO2作制冷剂。1870年卡尔·林德(CartLinde)用NH3作制冷剂。1874年拉乌尔·皮克特(RaulPictel)采用SO2作制冷剂。SO2和CO2在历史上曾经是比较重要的制冷剂。SO2毒性大，但作为重要制冷剂曾有60年历史。CO2在使用温度范围内压力特高，致使机器极为笨重，但它无毒使用安全。曾在船用冷藏装置中作制冷剂达50年之久，1955年才被氟里昂所取代。第2页，课件共47页，创作于2023年2月1.热力学性质方面2.迁移性质方面(1)工作温度范围内有合适的压力和压力比。(2)单位制冷量q0和单位容积制冷量qv较大。(3)比功w和单位容积压缩功wv小，循环效率高。蒸发压力≧大气压力冷凝压力不要过高冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大

(4)等熵压缩终了温度t2不能太高，以免润滑条件恶化或制冷剂自身在高温下分解。(1)粘度、密度尽量小。(2)导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。制冷剂的要求第3页，课件共47页，创作于2023年2月3.物理化学性质方面4.其它(1)无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。(2)化学稳定性和热稳定性好。(3)对大气环境无破坏作用。原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。第4页，课件共47页，创作于2023年2月二、制冷剂命名制冷剂按其化学组成主要有三类无机物氟里昂碳氢化合物第5页，课件共47页，创作于2023年2月字母“R”和它后面的一组数字或字母表示制冷剂根据制冷剂分子组成按一定规则编写1.无机化合物2.氟里昂和烷烃类简写符号规定为R7()()括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分。简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)B(z)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。正丁烷和异丁烷例外，用R600和R600a(或R601)表示编写规则制冷剂的简写符号第6页，课件共47页，创作于2023年2月3.非共沸混合工质简写符号为R4()()括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从00开始若构成非共沸混合工质的纯物质种类相同，但成分含量不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别4.共沸混合工质简写符号为R5()()括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从00开始5.环烷烃、链烯烃以及它们的卤代物简写符号规定：环烷烃及环烷烃的卤代物用字母“RC”开头，链烯烃及链烯烃的卤代物用字母“R1”开头，其后的数字排写规则与氟里昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同。第7页，课件共47页，创作于2023年2月表1制冷剂符号举例

化合物名称分子式m、n、x、z值简写符号一氟三氯甲烷CFCl3m=1,n=0,x=1R11二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1,n=0,x=2R12三氟一溴甲烷CF3Brm=1,n=0,x=3,z=1R13B1二氟一氯甲烷CHF2Clm=1,n=1,x=2R22二氟甲烷CH2F2m=1,n=2,x=2R32甲烷CH4m=1,n=4,x=0R50三氟二氯乙烷C2HF3Cl2m=2,n=1,x=3R123五氟乙烷C2HF5m=2,n=1,x=5R125四氟乙烷C2H2F4m=2,n=2,x=4R134a乙烷C2H6m=2,n=6,x=0R170丙烷C3H8m=3,n=8,x=0R290第8页，课件共47页，创作于2023年2月为简单定性判别制冷剂对臭氧层的破坏能力

将氯氟烃类物质代号中的R改用字母CFC氢氯氟烃类物质代号中的R改用字母HCFC氢氟烃类物质代号中的R改用字母HFC碳氢化合物代号中的R改用字母HC，数字编号不变第9页，课件共47页，创作于2023年2月三、制冷剂的物理化学性质及其应用1.安全性(1)毒性虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或火焰作用下会分解出极毒的光气。第10页，课件共47页，创作于2023年2月表2制冷剂的毒性指标给出常用制冷剂TLVs或AEL值制冷剂代号TLVs或AELppm·hr制冷剂代号TLVs或AELppm·hr制冷剂代号TLVs或AELppm·hr111000124500290100012100012510005001000221000134a10005021000231000142b1000600a1000321000143a1000717112310152a10007181000第11页，课件共47页，创作于2023年2月(2)燃烧性和爆炸性

在空气中发生燃烧或爆炸的体积百分比范围。这一范围的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，则范围越宽越易燃。(3)安全分类表4与表5分别给出了6个安全等级的划分定义和一些制冷剂的安全分类。2.热稳定性制冷剂在正常运转条件下不发生裂解。在温度较高又有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解。爆炸极限第12页，课件共47页，创作于2023年2月表3一些制冷剂的易燃易爆特性制冷剂代号爆炸极限(容积%)制冷剂代号爆炸极限(容积%)制冷剂代号爆炸极限(容积%)11None124

None2902.3-7.312

None125

None500

None22

None134a

None502

None23

None142b6.7-14.9600a1.8-8.43214-31143a6.0-na71716.0-25.0123

None152a3.9-16.9718

None注：None表示不燃烧，na表示未知。

第13页，课件共47页，创作于2023年2月表4ASHRAE34-1992以毒性和可燃性为界限的安全分类

毒性可燃性TLVs值确定或一定的系数，制冷剂体积分数≥4×10-4TLVs值确定或一定的系数，制冷剂体积分数<4×10-4无火焰传播不燃A1B1制冷剂LFL>0.1kg/m3,燃烧热<19000kJ/kg低度可燃性

A2

B2制冷剂LFL≤0.1kg/m3,燃烧热≥19000kJ/kg高度可燃性

A3

B3低毒性高毒性LFL燃烧下限第14页，课件共47页，创作于2023年2月表5一些制冷剂的安全分类

制冷剂代号安全分类制冷剂代号安全分类制冷剂代号安全分类11A1124

A1290

A312

A1125

A1500

A122

A1134a

A1502

A123

A1142b

A2600a

A332

A2143a

A2717

B2123B1152a

A2718

A1第15页，课件共47页，创作于2023年2月3.对材料的作用正常情况下，卤素化合物制冷剂与大多数常用金属材料不起作用。只在某种情况例如水解作用、分解作用等下，一些材料才会和制冷剂发生作用。“镀铜”现象当制冷剂在系统中与铜或铜合金部件接触时，铜溶解到混合物中，当和钢或铸铁部件接触时，被溶解的铜离子析出并沉浸在钢铁部件上形成一层铜膜。制冷系统中应尽量避免水分存在和铜铁共用。氨制冷机中不能用黄铜、紫铜和其它铜合金(磷青铜除外)，因为有水分时要引起腐蚀。氟里昂对塑料等高分子化合物会起“膨润”作用(变软、膨胀和起泡)，制冷系统要选用特殊橡胶或塑料。第16页，课件共47页，创作于2023年2月4.与润滑油的互溶性对每种氟利昂存在一个溶解临界温度，即溶解曲线最高点的温度制冷剂与润滑油的溶解曲线)第17页，课件共47页，创作于2023年2月5.与水的溶解性“冰堵现象”当温度降到0℃以下时，水结成冰而堵塞节流阀或毛细管的通道形成“冰堵”，致使制冷机不能正常工作。6.泄漏性氨有强烈臭气，靠嗅觉易判是否泄漏。易溶于水故不用肥皂水检漏，用酚酞试剂和试纸检漏氟利昂无色无臭，卤素喷灯和电子检漏仪检漏第18页，课件共47页，创作于2023年2月制冷剂与油溶解会使润滑油变稀，影响润滑作用，且油会被带入蒸发器中影响到传热效果。若制冷剂与油不相溶解，可以从冷凝器或贮液器将油分离出来，避免油带入蒸发器中降低传热效果。常温下氟利昂与矿物润滑油溶解关系可用经验公式判别互溶(Z≤1/2)部分溶解(1/2≤Z≤2/3)微量溶解(Z>2/3)第19页，课件共47页，创作于2023年2月表6水分在一些制冷剂中的溶解度（25℃）

制冷剂代号溶解度(质量%)制冷剂代号溶解度(质量%)制冷剂代号溶解度(质量%)110.00981240.07290na120.011250.075000.05220.13134a0.115020.06230.15142b0.05600ana320.12143a0.081230.08152a0.17注：na表示没有找到可用的数据。第20页，课件共47页，创作于2023年2月沸点-33.3℃，凝固点-77.9℃

单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小毒性较大，有一定的可燃性，安全分类为B2

氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀同时减小制冷量以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气爆炸氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出在氨制冷机中不用铜和铜合金材料(磷青铜除外)

四、常用制冷剂1.无机物氨第21页，课件共47页，创作于2023年2月2.氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸点-29.8℃，凝固点-158℃。无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过0.001%常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过2%铝镁合金。对天然橡胶和塑料有膨润作用。(2)R134a（四氟乙烷CH2FCF3）毒性非常低，不可燃，安全。与矿物润滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯类。化学稳定性很好，溶水性比R12强得多，对系统干燥和清洁性要求更高，用与R12不同的干燥剂。第22页，课件共47页，创作于2023年2月(3)R11（一氟三氯甲烷CFCl3）沸点23.8℃，凝固点-111℃。毒性比R12更小，安全。水在R11中的溶解能力与R12相接近。对金属及矿物润滑油的作用关系也与R12大致相似。与明火接触时，较R12更易分解出光气。(4)R22（二氟一氯甲烷CHF2Cl）沸点-40.8℃，凝固点-160℃。毒性比R12略大，无色无味，不燃不爆，安全。属于HCFC类制冷剂，也要被限制和禁止使用。

对金属与非金属的作用以及泄漏特性都与R12相似。化学性质不如R12稳定，对有机物的膨润作用更强。部分与矿物润滑油互溶。溶水性稍大于R12，系统内应装设干燥器。第23页，课件共47页，创作于2023年2月3.碳氢化合物(1)R600a（异丁烷i-C4H10）(2)R290（丙烷C3H8）沸点和凝固点比R600a低，蒸气压较高和容积制冷量比R600a大，其他制冷特性及安全特性均与R600a相似。沸点-11.73℃，凝固点-160℃。毒性非常低，在空气中可燃，应注意防火防爆。与矿物润滑油能很好互溶，与其他物质的化学相溶性很好，与水的溶解性很差。第24页，课件共47页，创作于2023年2月4.混合制冷剂(1)共沸制冷剂共沸制冷剂特点：一定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。一定蒸发温度下，共沸制冷剂单位容积制冷量比组成它的单一制冷剂的容积制冷量要大。共沸制冷剂化学稳定性较组成它的单一制冷剂好。在全封闭和半封闭压缩机中，采用共沸制冷剂可使电机得到更好的冷却，电机绕组温升减小。

第25页，课件共47页，创作于2023年2月表7几种共沸制冷剂的组成和沸点

代号组分质量成分分子量沸点(℃)共沸温度各组分的沸点(℃)R500R12/152a73.8/26.299.3-33.50-29.8/-25R501R22/1284.5/15.593.1-41.5-41-40.8/-29.8R502R22/11548.8/51.2111.6-45.419-40.8/-38R503R23/1340.1/59.987.6-88.088-82.2/-81.5R504R32/11548.2/51.879.2-59.217-51.2/-38R505R12/3178.0/22.0103.5-30115-29.8/-9.8R506R31/11455.1/44.993.7-12.518-9.8/3.5R507R125/143a50.0/50.098.9-46.7－-48.8/-47.7第26页，课件共47页，创作于2023年2月(2)非共沸制冷剂一定压力下溶液加热时，首先到达饱和液体点A(泡点)，再加热到达点B，即进入两相区，继续加热到点C(露点)时全部蒸发完成为饱和蒸气。泡点温度和露点温度的温差称之为温度滑移图1–19非共沸制冷剂的T-ξ图

第27页，课件共47页，创作于2023年2月(3)常用混合制冷剂的特性沸点-33.5℃，ODP值较高。1)共沸制冷剂R500

可代替R12用于活塞式制冷机沸点-45.4℃，ODP值较高。溶水性比R12大1.5倍，在82℃以上有较好的溶油性。沸点-88℃，不燃烧，无毒无腐蚀性，ODP值较高。适用于复叠式制冷机的低温级。沸点-46.7℃，ODP值为零。不溶于矿物油，但溶于聚酯类润滑油。2)共沸制冷剂R502

可代替R22用于获得低温3)共沸制冷剂R503可代替R13使用4)共沸制冷剂R507用R502的场合都可用R507替代第28页，课件共47页，创作于2023年2月5)非共沸制冷剂R401A和R401B性能与R12较接近。能溶于聚醇类和聚酯类润滑油。可作为过度性替代物泡露点温差大，使用时最好将热交换器作成逆流形式不能与矿物润滑油互溶，但能溶于聚酯类合成润滑油低温工况下，容积制冷量比R22要低得多。不能与矿物润滑油互溶，但能溶于聚酯类合成润滑油。泡露点温差仅0.2℃，可称之为近共沸混合制冷剂。具有与共沸混合制冷剂类似的优点。不能直接用来替换R22的制冷系统。7)非共沸制冷剂R410A两元混合制冷剂

6)非共沸制冷剂R407C三元非共沸混合制冷剂

第29页，课件共47页，创作于2023年2月5.氟里昂与臭氧层离地球表面高度大约15-25km处，集中了大气中的70％的臭氧，这一层大气圈称为臭氧层。几乎全部吸收了对人体有害的太阳紫外线，形成了地球上生物和人类生存繁衍的保护伞，是一道天然屏障。

(1)臭氧层第30页，课件共47页，创作于2023年2月1974年，罗兰教授和莫利纳博士在《自然》杂志上发表文章指出，紫外线照射使氯氟烃化合物分解出氯原子，与臭氧进行连锁反应，是臭氧层遭到破坏，危及人类的健康和生态平衡。

CF2Cl2→CF2Cl+ClCl+O3→ClO＋O2ClO＋O→Cl＋O2第31页，课件共47页，创作于2023年2月近年来，人们还发现卤代烃分子中如同时存在氢原子与氯原子，则氢原子能减弱氯原子对臭氧层的破坏。从代号上直接反映对臭氧层破坏，将卤代烃分成CFC、HCFC、HFC、HC、及FC等五类。CFCChloro－Fluoro－Carbon

对大气臭氧层破坏最大的一类。R11(CCl3F)R12(CCl2F2)HCFC，是对大气层有一定破坏的一类，属于过渡性使用物质。R22(CHClF2)HFC、HC、及FC均不含氯原子，不存在对臭氧层的破坏问题。R134a(CF3CHF2)R14(CF4)R290(C3H8)第32页，课件共47页，创作于2023年2月(2)ODP与GWPODP表示消耗臭氧层潜能值。GWP表示全球变暖潜能值。ODP及GWP值越小，则制冷剂对环境的影响越小。ODP值小于或等于0.05和GWP值小于或等于0.5的制冷剂是可以接受。

R111.0/1.0R220.04/0.32R134a0/0.25第33页，课件共47页，创作于2023年2月(3)制冷剂TEWI

评价某种制冷剂在制冷系统运行若干年而造成对全球变暖的影响。英文TotalEquivalentWarmingImpact的缩写，总体温室效应。造成温室原因制冷剂泄漏所致制冷剂回收不彻底所致制冷装置耗电所致(火力发电造成的CO2排放)。第34页，课件共47页，创作于2023年2月采用GWP值低的制冷剂力求减少制冷系统的泄漏降低制冷系统的制冷剂充注量在制冷装置维修或废弃时提高制冷剂的回收率提高制冷系统的COP值已降低能耗提高火力发电厂的效率以降低单位发电量的CO2的排放(4)降低TEWI的方法第35页，课件共47页，创作于2023年2月指间接冷却系统中传递热量的物质。(制冰池中的盐水，就是常用的载冷剂)五、载冷剂1.载冷剂定义无毒、无腐蚀性比热容大粘度小、密度小凝固点低在使用温度范围内呈液态化学稳定性好，价格低廉,容易获得2.作为载冷剂物质的要求第36页，课件共47页，创作于2023年2月H2ONaClCaCl2乙二醇（CH2OH-CH2OH）丙二醇（CH2OH.CHOH.CH3）甲醇（CH3OH）乙醇（CH3CH2OH）3.常用的载冷剂第37页，课件共47页，创作于2023年2月质量浓度10％20％30％40％50％60％凝固温度-3.2℃-7.8℃-14.1℃-22.3℃-33.8℃-48.3℃

(1)乙二醇溶液的浓度与凝固点的关系质量浓度10％20％30％40％50％60％凝固温度-3.3℃-7.1℃-12.7℃-21.1℃-33.5℃-51.1℃(2)丙二醇溶液的浓度与凝固点的关系凝固点-97℃，乙醇的凝固点为-117℃。(3)甲醇第38页，课件共47页，创作于2023年2月六、润滑油1.制冷系统对润滑油的要求(1)润滑油的粘度粘度决定滑动轴承中油膜的承载能力、摩擦功耗及密封能力；粘度大，则承载力强，密封性好，但流动阻力较大；汽车空调润滑油粘度较高，电冰箱等固定式系统润滑油粘度较低；高粘度润滑油可能在毛细管内形成“蜡堵”或油“弹”现象，影响毛细管的正常工作；润滑油的粘度对压缩机的能耗也有影响，考核参数取决于润滑油与制冷剂混合物的粘度。(2)与制冷剂的互溶性互溶性好，在换热器传热管内表面不易形成油膜，对换热有利，否则会造成蒸发温度降低(蒸发压力不变时)，制冷效果下降；互溶性好，在换热器内不会发生“池积”现象，有利于压缩机回油。但互溶使油变稀，降低油的粘度，导致压缩机内油膜过薄，影响压缩机润滑。第39页，课件共47页，创作于2023年2月(3)热化学稳定性制冷系统中，制冷剂、油、金属共存；高温会使润滑油发生化学反应，导致油分解、劣化，生成沉积物和焦炭；分解后产生的酸会腐蚀电气绝缘材料。(4)吸水性润滑油具有强亲水性，会给系统带入水分；水在毛细管中形成冰晶，造成“冰堵”现象；采用亲水性润滑油必须安装干燥过滤器。第40页，课件共47页，创作于2023年2月2.润滑油对制冷系统的影响(1)润滑油对压缩机的影响含油量超过4%时，气阀处流动阻力增加，实际吸气压力降低，使实际吸气比容增加；制冷剂含油还会影响气阀工作过程，改变制冷剂热力性质等，从而导致压缩机的制冷量和性能系数下降；压缩机功耗随含油量的增加而增加，而排气温度正好相反，随着含油量的增加而降低；此外压缩机排气管道中的润滑油内会溶解一定量制冷剂，使压缩机的实际排气量减少；由于在压缩机进气口处润滑油中溶解有一定量制冷剂，润滑油的粘度会降低，导致润滑效果下降，容易造成压缩机机械部件损坏；润滑油溶解了制冷剂而导致体积增大，在压缩机启动过程中，曲轴箱中的压力下降，引起溶解于润滑油中的制冷剂沸腾，产生大量泡沫，有可能将大量的油从曲轴箱带人气缸，产生液击，损坏设备；压缩机排气管道中的润滑油中溶解有较多的制冷剂(约32.5%-40%)，如果使用油分离器，会使油中溶解的制冷剂不能进入循环，导致制冷剂质量流量减小，制冷量降低，故不宜使用油分离器；制冷剂与润滑油不能互溶的制冷系统，会有大量的润滑油进入循环。第41页，课件共47页，创作于2023年2月(2)润滑油对冷凝器的影响制冷剂中润滑油含量非常低时(约为0.01%)，冷凝器内换热系数达到最大值，但与纯制冷剂时相比增幅不大；总体上，换热系数随着润滑油含量的增加而降低；由于润滑油溶于制冷剂，会导致制冷剂粘度增大，从而使压降增大；总体而言，润滑油的存在会削弱冷凝换热，使冷凝器传热温差增大，冷凝压力升高。(3)润滑油对毛细管的影响含油制冷剂在毛细管中的质量流量比纯制冷剂小，液相长度短；含油量较高时，制冷剂的流量减小；当含油量很小时，油的存在对制冷剂的流量没有明显的影响；润滑油的存在，使闪蒸温度升高，液体段长度减小；制冷剂含油影响毛细管流量的原因主要有两个方面：

1)油的粘度远高于制冷剂，制冷剂中含少量油会增加混合物的粘度及流动阻力，使制冷剂提前达到饱和状态，使得流量减小。

2)油的表面张力远高于制冷剂，制冷剂中含油会使混合物的表面张力增大，阻碍制冷剂蒸发，使汽化欠压增大，延缓制冷剂蒸发，而增加毛细管的流量。第42页，课件共47页，创作于2023年2月(4)润滑油对蒸发器的影响

1)对传热和压降的影响润滑油对制冷系统的蒸发器受润滑油的影响最大；管内含少量润滑油，可强化蒸发传热，含油较多时则弱化蒸发传热；制冷剂中溶有少量润滑油可增加制冷剂的表面张力，改变其对管壁的表面浸润性；还会在管内产生泡沫，增加管内液体与管壁的浸润面积，同时将液膜拉薄，沿管壁分布更均匀，强化传热效果，从而提高蒸发换热系数；含油较多时，蒸发器中的蒸气基本是纯制冷剂气体，油成分极少，随着蒸发的进行，液相中的含油量逐步增加，会在换热器内表面形成油膜，降低换热系数，使蒸发曲线下降，传热温差增大；蒸发器出口处润滑油中溶有部分未蒸发