2023年制冷原理知识点总结

制冷原理及设备期末复习

有不全的大家互相补充

题型：填空20分;选择10分;判断10分；简答45分（5道）；计算1道，带计算器。

绪论

・实现人工制冷的方法（4大类，简朴了解原理）

1.运用物质的相变来吸热制冷；

融化（固体一液体），气化（液体一气体），升华（固体一气体）

气化制冷（蒸气制冷）：

涉及蒸气压缩式制冷、吸取式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷。

2.运用气体膨胀产生低温

气体等端膨胀时温度总是减少的,产生冷效应。

3.气体涡流制冷

高压气体经涡流管膨胀后,可分为冷热两股气流；

4.热电制冷（半导体制冷）

运用半导体的温差电效应实现的制冷。

・根据制冷温度的不同，制冷技术可大体上划分三大类：

・普通冷冻：＞120K【我们只考普冷】

•深度冷冻：120K~20K

•低温和超低温：＜2OKo

t=T-273.15(t,℃;T,Kelvin开)T=273+t

常用制冷的方法有:液体蒸发制冷循环必须具有以下四个基本过程：

液体气化制冷制冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气，

气体膨胀制冷将低压蒸气抽出并提高压力变成高压气,

涡流管制冷将高压气冷凝成高压液体，

热电制冷高压液体再减少压力回到初始的低压状态。

按照实现循环所采用的方式之不同，液体蒸发制冷有

蒸气压缩式制冷蒸气吸取式制冷蒸气喷射式制冷吸附式制冷等

蒸气压缩式制冷

系统组成：

1-压缩机2-冷凝器3-膨胀阀4-蒸发器组成的密闭系统。

工作原理:。制冷剂在蒸发器中吸取被冷却对象的热量而蒸发，产生的低压蒸气被压缩机吸

入,经压缩机压缩后制冷剂压力升高，压缩机排出的高压蒸气在冷凝器中被常温冷却介质冷

却，凝结成高压液体。高压液体经膨胀阀节流，变成低压、低温湿蒸气，进入蒸发器，低压

液体在蒸发器中再次汽化蒸发。如此周而复始。

蒸气吸取式制冷

系统组成：

发生器、吸取器、冷凝器、蒸发器、溶液热互换器、溶液泵、冷剂泵等

工质对:制冷剂与吸取剂常用：氨一水溶液漠化锂一水溶液

工作原理：I.溟化锂溶液在发生器中被热源加热沸腾,产生出制冷剂蒸汽在冷凝器被冷凝

成冷剂水。冷剂水经U型管节流进入蒸发器，在低压下蒸发，产生制冷效应。

II.发生器中出来的浓溶液，经热互换器降温、降压后进入吸取器，与吸取器中的稀溶液混

合为中间浓度的溶液。中间热度的溶液被吸取器泵输送并喷淋，吸取从蒸发器中产生的冷

剂蒸汽，形成稀溶液。稀溶液由发生器泵输送到发生器，重新被热源加热,形成浓溶液。

冷触器

氨水吸取式制冷循环工作原理:

■在发生器中的氨水浓溶液被热源加热至沸腾，产生的蒸气（氨气中具有一小部分水蒸汽）

经精储塔精储后（得到几乎是纯氨的蒸气），进入冷凝器放出热量后被冷凝成液体，经

节流机构节流，进入蒸发器，低压液体制冷剂，吸取被冷却物体的热量而蒸发，达成制

冷的目的，产生的低压蒸气进入吸取器。而发生器中发生后的稀溶液，降压后也进入吸取

器，吸取由蒸发器来的制冷剂蒸气，浓溶液经溶液泵加压后送入发生器。如此不断循环。

热电制冷

令直流电通过半导体热电堆，即可在一端产生冷效应，另一端产生热效应。

半导体热电堆:一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联接成的热电偶。

原理：原理:运用热电效应的一种制冷方法。

无回热气体制冷机循环

图1无回热气体制冷机系统图

图2无网热气体制冷机理论循环P-V图与T-S图

［一压缩机.U—冷却器IU一膨胀机IV—冷箱

现在进行理论循环的性能计算。单位制冷量K及单位热负荷牝分别是

q0=hi-h=Cp（Ti-TJ（1）

%=/?2也=Cp（「2T）（2）

单位压缩功暝和膨胀功叫分别是

%=h-h产Cp(T「TJ(.3)

1-4=j区-与(4)

从而可以计算出循环消耗的单位功W及性能系数cop

W=此-w；=^（7；-7；）-^（7；-7；）(5)

呼=迎=—也田—6)

wCpdQ-Cpk-Q

气体按理想气体处理时

则上式可简化为

(7)

Po

因为热源温度是恒值，此时可逆卡诺循环的性能系数为:

因此上述理论循环的循环效率n为

copT\、乃FTC-TQ

7=~7'乂-u--不一7~

7_/l7-7(5-20)

eopc2l\2O

定压回热气体制冷机循环

所谓回热就是把由冷箱返回的冷气流引入一个热互换器一回热器,用来冷却从冷却器来的高压

常温气流，使其温度进一步减少，而从冷箱返回的气流则被加热，温度升高。这样就使压缩机

的吸气温度升高,而膨胀机的进气温度减少,因而循环的工作参数和特性发生了变化。

(a)系统(6)循环的Js图

图5—10定压回热气体制冷机

I-冷箱II一透平压缩机III-冷却器IV-透平膨胀机V一回热器

图5-10为定压回热式气体制冷机的系统图及其理论循环的T-s图。图中1-2和

4-5是压缩和膨胀过程;2-3和5-6是在冷却器中的冷却过程及冷箱中的吸热过程；3-4

和6-1是在回热器中的回热过程。

为了区别于无回热的制冷循环，在心、外、缘、叽和⑷等符合上加上下标则

每―八)%/HF

Rh=Cp(T「TJ叫万=。户(北~T5)=qch

^=cF（r2-r1）-c/,（r4-r1）

理论回热循环性能系数

(5-21)

因为

C0Ph=-----匚i—(5—22)

第二章单级蒸气压缩式制冷循环

【重点看压培图、温端图，各个状态点，过程描述】

§2-1单级蒸气压缩式制冷理论循环

【各点含义,计算】

・与逆卡诺循环比较

各过程的热力过程:逆卡诺循环有两个等温过程、两个绝热过程（等燧过程）。

理论循环与逆卡诺循环的区别：A①热力过程为绝热压缩（干压缩）；

②凝结过程为等压过程

③节流过程为等焰过程

④蒸发过程为等压过程。

压缩机2-冷凝器3-膨胀阀4-蒸发器

图2-5单级蒸气压缩式制冷系统

①压缩机吸入的是饱和蒸气；

②节流前的液体是饱和液体；

③压缩过程是等烟压缩；

④制冷剂在蒸发和凝结过程及流动过程中没有阻力损失；

・工作过程：

蒸发器中的制冷剂液体在低压、低温下吸取了被冷却物体的热量而蒸发，产生的低压

制冷剂蒸气被压缩机吸入，经压缩后成为高压气体进入冷凝器，在冷凝器中制冷剂放出热量被

凝结为液体,高压液体经膨胀阀节流降压,成为湿蒸气后进入蒸发器。

压缩机的作用:压缩和输送制冷剂蒸气并导致蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用。

节流阀的作用：对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量。

蒸发器的作用：制冷剂在蒸发器中吸取被冷却物体的热量从而达成制取冷量的目的。

冷凝器的作用:将蒸发器中吸取的热量与压缩机中消耗的功所转化的热量在冷凝器中被冷却介

质带走

点1:制冷剂出蒸发器、进压缩机的状态，是蒸发压力下的饱和蒸气。

点2：制冷剂出压缩机、进冷凝器的状态，压力为与冷凝温度tk相应的饱和压力，且sl=s2。

1-2是压缩机的压缩过程（等燧）。

点4：制冷剂出冷凝器、进膨胀阀的状态，是冷凝压力下的饱和液体，Pk与饱和液体线的交

点。2-3-4是制冷剂在冷凝器中的等压（Pk）冷却冷凝过程。

点5:制冷剂出膨胀阀的状态。4-5表达制冷剂通过膨胀阀的节流过程。压力有Pk-PO,温度

由tk-tO,进入两相区。5-1表达制冷剂在蒸发器中的等压（P0）蒸发过程。

・理论循环的热力计算

单位制冷量q。：每公斤制冷剂在蒸发器中从被冷却物体中吸气的热量。

例：假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环,蒸发温度t冷凝温度tk=35℃,制冷

剂为R22,循环的制冷量Qo=55kw,试对该循环进行热力计算。

解:1.将循环表达在lgp—h图上,并拟定各状态参数

状态点参数数值状态点参数数值

蒸发压力3.543bar2hzkJ/kg435.2

冷凝压力

13.548bart2℃57

1hikJ/kg401.5554h4kJ/kg243.114

3

vim/kg0.06535h5kJ/kg243.114

2.热力计算

①单位制冷量qo=hi—hs=158.441kJ/kg

②单位容积制冷量qv=qo/Vi=2426kJ/m

③制冷剂循环量Qm=Qo/Qo=0.3471kg/s

④理论比功Wo=h2-h1=33.645kJ/kg

⑤压缩机消耗的理论功率Po=q>nWo=11.68kw

⑥压缩机吸入的容积流量V=qVi=O.0227m3/s

⑦理论循环制冷系数Eo=qo/wo=4.71

⑧冷凝器单位热负荷qk=hz-h4=192.086kJ/kg

⑨冷凝器热负荷Qk=qmqk=66.67kw

⑩热力完善度n=eo/ec=O.8O6

§2.3单级蒸气压缩式制冷的实际循环

・实际循环中：

①制冷剂进入压缩机不一定是饱和蒸气,在管路流动中及进入压缩机中吸热使之成为过热蒸气;

②出冷凝器的制冷剂状态不一定是饱和液体,会有过冷；

③制冷剂在流动过程中会有阻力损失；

④实际压缩过程不是等燧过程,而是多变过程；

⑤系统中会存在不凝性气体等。

・液体过冷对制冷循环性能的影响

具有液体过冷的循环在压熔图上的表达如图示。图中

124-5-1是理论循环，1-2-4'-5'；是过冷循环。

过冷循环比较结论：

①采用过冷循环在理论上是有利的,且Atg越大，越有利：

②过冷度获得的方法：

a.运用冷凝器自身，过冷度有一定限制；

b.采用再冷却器，可加大Atg,但需要温度低的冷却介质；

C.采用回热器。

③过冷循环一般不单独采用。

采用过冷循环理论上总是有利的，并且过冷度越大，对循环越有利。

依靠冷凝器自身来使液体过冷，其过冷度是有一定限度的,假如规定获得更大的过冷度，

通常需要增长一个单独的热互换设备，称为再冷却器。

在再冷却器中单独通入温度更低的冷却介质（如深井水）或将冷却介质先通过该再冷却器,

然后再进入冷凝器。

・蒸气过热对循环性能的影响

为了防止压缩机液击,一般希望制冷剂出蒸发器后有一些过热，使制冷剂成

为过热蒸气。

循环1'-2'-3-4-1'表达蒸气过热循环。压缩机吸入状态为1',假如忽略制冷剂在管路的流

动阻力损失，则1-1'的过热过程为等压过程。

1.过热没有产生有用的制冷效果

从蒸发器出来的制冷剂蒸气的温度很低，在进入压缩机之前，在管路中吸取了外界的热

量，使制冷剂蒸气过热。

V单位制冷剂在蒸发器中的吸热量不变,即q。不变，而wor>w。

£or=Qo/wor<£o=q<>/wo

循环的经济性下降。此过热称有害过热，对循环不利。应减小有害过热。

2.过热自身产生有用的制冷效果

制冷剂过热吸取的热量来自被冷却空间,产生了有用的制冷效果,称为“有效"过热。

增长了Aqr=h1'-hl,同时v1'>vl,所以qv'也许增长也也许减小。qv'=q0r/v

1'与制冷剂的性质有关。

结论：A①即使是有效过热，也不是对所有工质都有利。氨、R22过热不利的

②由于吸气温度的升高会引起排气温度的升高，t2应不超过140℃。A③吸入蒸气的过热会

对往复式压缩机的容积效率有所改善。

・回热循环【图是重点】

A-压缩机B-冷凝器C-节流阀D-回热器E-蒸发器

图2-6回热循环的系统图

氨、R22不利的

鉴定回热循环制冷系数是否提高的判据:

ToCpo>qo

Cp。、q。是与工质有关的,所以，上式并非所有工质都成立。

不同制冷剂采用回热循环是否有利，与制冷剂采用有效过热循环时同样。

有一些工质不能用上式进行判断,其T-S图中蒸气线向左下方倾斜，压缩机等嫡压缩后

进入两相区，因此必须采用回热循环。

2.2.5不凝性气体的存在对循环性能的影响

系统中的不凝性气体（如空气等）往往积存在冷凝器上部，由于它不能通过冷凝器（或贮

液器）的液封。不凝性气体的存在将使冷凝器内的压力增长，从而导致压缩机排气压力提高，比

功增长，制冷系数下降，压缩机容积效率减少。

2.2.6单级压缩制冷的实际循环【温差、损失、多变】

实际循环与理论循环的区别

①制冷剂在压缩机中的压缩过程不是等嫡过程，引起内部的不可逆；

②制冷剂的冷凝温度及蒸发温度不等于热源温度,存在传热温差，引起了外部不可逆；

③制冷剂流动过程及流经吸气阀与排气阀时有损失。

2.3单级蒸气压缩式制冷机的性能

1.蒸发温度T。为定值，冷凝温度变化的情况T尸c,Vi=c

①TKfPKt

对循环的影响：

循环单位制冷量q0减小了，qo'<qo；单位容积制冷量减小了qv'<q»；

循环压缩功增大了，Wo'>w0,：

单位容积压缩功增大了Wv'>Wv；

由于qvI、Wvt,导致:QoI,PetO

结论：当To不变而TK升高时,制冷机的制冷量减少而功率增大。

制冷系数减小了。

0'—q0r/w<i'<Eo

②.TKIPKI

结论:当To不变而TK减少时，制冷机的制冷量Q“增大，而功率Pe减少。

制冷系数增大。Eo'=qj/Wo'>£o

③.绘出T0=C,TK变化时制冷机的Qo、Pe与TK的关系曲线。

Igp

2.冷凝温度TK为定值,蒸发温度变化的情况:

®.ToIPoI

对循环的影响:循环单位制冷量qo减小了，qo'<q»；

吸气比容增大了V/>”；

单位容积制冷量减小了qv'<qv；Qo8qv,所以Qo|；

循环压缩功增大了，wo'>w°;

单位容积压缩功不能直接比较。

‘引«3

Jp0=ma

对于不同的工质即：

各种制冷剂其压比大约等于3时，功率最大。

结论：当Tk不变而TO减少时，制冷机的制冷量减少，而功率有一最大值存在。

制冷系数减小了。

EO'=qO'/wO'<E0

实际循环参考书上例题2-6

第三章制冷剂

【这一章重要概念】

制冷剂又称制冷工质，是制冷装置中的工作介质，用于制冷循环的热量传递。

它以低温、低压的状态自蒸发器吸取热量，并且在高温、高压下从冷凝器向外界放出热

量。因而规定制冷剂的蒸发温度必须低于用冷场合的温度，而其冷凝温度必然高于环境介质的

温度。

一、制冷剂种类：

无机物：NH3、CO2、H20等；

氟里(利)昂：R22、R134a、RI52a等；

碳氢化合物：甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等。

饱和碳氢化合物、烯燃、卤代烯在空调制冷及一般制冷中并不采用，它们只用在石

油化工工业中的制冷系统中。

二、制冷剂的符号

国际上统一规定用字母"R"(refrigeration)和它后面的一组数字或字母作为制

冷剂的简写符号。

1.无机化合物：R7()()括号中填入的数字是该无机化合物的狂量。

例：水R718NH3R717

2.氟里昂:烷煌化合物的分子式CmH2m+2

氟里昂的分子式CmHnFxCLyBrz(n+x+y+z=2m+2)

符号规定R(m-l)(n+1)(x)B(z)

例：CH2F-CF2四氟乙烯RI34a

CHF2CL二氟一氯甲烷R22

3.共沸混合工质:R5()()括号内的数字为该工质命名的顺序号，从00开始。

R500R501R502.......R506

4.非共沸混合工质:R4()()括号内的数字为该工质命名的顺序号，从00开始。

5.饱和碳氢化合物(烷煌)：碳氢化合物称烧，其中饱和碳氢化合物称为烷烧，烷烧中有

甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、…。这些制冷剂的编号法则是这样的，甲烷、乙烷、丙烷同

卤代崎；其他按600序号依次编号。

该系列编号的最后两位数，并无特殊含义,例如,丁烷为R600,乙醛为R610。

三.对制冷剂的规定【参考书P593.1.2]

(-)热力学方面

(1)蒸发温度下的压力不太低，冷凝温度下的压力不太高；

(2)冷凝压力与蒸发压力之差小，冷凝压力与蒸发压力之比小；

(3)单位制冷量和单位容积制冷量较大；

(4)理论比功和单位容积压缩功小；

(5)制冷剂的凝固温度要低，临界温度要高；

(6)绝热指数应小。

(~)物理化学方面

(1)无毒，无刺激性臭味,无燃烧爆炸的危险：

(2)化学稳定性和热稳定性好，不腐蚀制冷剂的结构材料，与润滑油不发生化学反映,高温下

不分解；

(3)比重小，粘度小；

(4)导热系数大，汽化潜热大。

(三)其它方面

(1)制冷剂的臭氧破坏指数(ODP)和温室效应指数(GWP)应为零或尽也许小，具有环境可接受

性；

(2)价格低廉，容易制取，不含水分及机械杂质。

3.2制冷剂的性质

标准(正常)蒸发温度：制冷剂在标准大气压(1.0132bar)下的沸腾温度，称为标准蒸发

温度或沸点。用ts表达

物质对臭氧层的危害限度用臭氧衰减指数ODP(OzoneDepleti。nPotential消耗臭氧

潜能值)表达：物质导致温室效应危害的限度用温室指数GWP(GlobalWarmingPotent!

al全球变暖潜能值)表达。

为了评估各种制冷剂对臭氧层的消耗能力和对全球温室效应的作用能力，提出了消耗臭氧

潜能值(OzoneDepletionPotential)简称ODP值

全球变暖潜能值(GlobaIWarmingPotentiaI)简称GWP值

ODP值以Rll为基准比较物，设定Rll的ODP值为1.0,其它物质的ODP值按损耗臭氧能力比

R11大或小的分数值表达。

GWP值的参照物也是R11,即R11的GWP值为1.0,其他物质的GWP值按导致全球变暖的

能力比RI1大或小的分数值来表达。(GWP尚有按照C02为1.0来拟定的)

选择制冷剂时须考虑这两个值,显然制冷剂的。DP值和GWP值越小越好。

・特鲁顿定律

大多数物质在沸点下蒸发时，其摩尔燃增的数值都大体相等。

AS=276〜88kJ/（kmolK）

结论:①标准蒸发温度（标准沸点）相近的物质，分子量大的，汽化潜热小;分子量小的,汽化潜

热大。②各种制冷剂在一个大气压力下汽化时,单位容积汽化潜热rs/vs大体相等。

3.2.4制冷剂与润滑油的溶解性【看书】

制冷剂与油的溶解性分为有限溶解和完全溶解两种情况。各自的优缺陷

•溶油性：①溶油性好（完全溶解）

・在传热表面不会形成油膜，传热效果好,但会使油变稀，润滑表面的油膜太薄或形

不成油膜,与润滑油溶解性好的制冷剂应采用粘度高的润滑油。制冷剂与油形成溶

液，相同压力下会使蒸发温度升高,蒸发器的制冷效果下降。

•②溶油性差（有限溶解）

・在传热表面会形成油膜,影响传热效果,制冷剂与润滑油出现分层现象。假如制冷剂

比油重，如采用满液式蒸发器，会出现回油困难。

溶解度与温度有关，两者可以互相转化。

制冷剂的溶水性【看书】

•溶水性：

・①难溶于水（如氟里昂）当含水量超过其溶解度时,游离态的水会在低温下结冰，发

生冰堵现象。

②溶于水（如氨）制冷剂会发生水解作用，生成的物质对材料具有腐蚀性危害。

3.3混合制冷剂【看书】

■共沸混合工质有两种（或两种以上）不同制冷剂按一定比例互相溶解而成的一种溶合

物。共沸混合工质几乎具有纯工质的所有特性，可以向纯工质同样使用。

■优点：①共沸混合工质的标准蒸发温度比构成它的纯组分的标准蒸发温度低；

■②在相同工况下，单位容积制冷量比构成它的纯组分的单位容积制冷量大；

■③采用共沸混合工质可以使压缩终温减少；

■④采用共沸混合工质可以改善制冷剂的物理、化学性质。

■非共沸混合工质

■由T—X图可知，不存在共沸点，在定压下蒸发或凝结时,汽相与液相的组成成分不同

■在相变过程中，工质的温度是变化的。

■优点：减小冷凝器和蒸发器的传热不可逆损失。

■缺陷：系统泄漏后可以引起制冷剂混合成分的变化。

氨

对锌铜青铜以及其他铜合金具有强腐蚀性,磷青铜除外

3.4.4氟利昂

对金属材料的腐蚀性很小，但对天然橡胶、树脂、塑料等非金属材料有腐蚀（膨润）作用

3.5第二制冷剂

■一•采用载冷剂的优缺陷：

■优点：1.可以将制冷剂系统集中在机房内,使制冷系统的连接管路短，减少了制冷剂

泄漏的也许性，减少了制冷剂的充灌量；

■2.载冷剂的热容量大，被冷却对象的温度易于保持恒定；

■3.易于解决用冷场合的冷量控制和分派问题；

■4.便于机组的运营管理；

■5.便于安装。

■缺陷:1.系统比较复杂；2.增大了被冷却物和制冷剂间的温差。

载冷剂的性质：（书P76页）

（1）载冷剂在工作温度下应处在液体状态。其凝固温度应低于工作温度，沸点应高于工作温

度。

（2）比热要大；（QO=mcZ\t,当Q0一定期，c大可以使载冷剂量m小,减小输送泵的功率。

（3）比重小、粘度小；

（4）化学稳定性好;载冷剂应在工作温度下不分解,不与空气中的氧气起化学变化,不发生物理

化学性质的变化。

（5）不腐蚀设备与管道；

（6）不燃烧、不爆炸，无毒，对人体无害；

（7）价格低廉，易于获得

常用载冷剂

1.盐水（氯化钙、氯化钠、氯化镁等）

■E点称冰盐共晶点，CaCL2-55"C,NaCL-21℃,MgCL2-34'C,WE-析

冰线,EG-析盐线,tE—共晶温度,gE—共晶浓度。

■盐水溶液的性质与溶液中盐的浓度有关。

■低于共晶浓度的溶液，随着浓度的增长，起始凝固温度不断减少,对于高于共晶浓度的

溶液，随着浓度的增长，起始凝固温度不断升高

■

■配置盐水溶液时，浓度不易大于共晶浓度。浓度过高，则①耗盐量增大；②比重增大；

③阻力增大;④泵的功率增大；⑤凝固温度升高。

■在所使用的浓度下，其析冰温度应比制冷剂的蒸发温度低5~8℃。

■盐水对金属材料有腐蚀作用，使用中应添加缓蚀剂，使PH值达成7.0~8.5。

■缓蚀剂：Na2Cr2O7-2H2O（重铝酸钠）

2.水

用于空调系统。

制冷机组产生出的冷水，送到空调房间的终端设备中，与房间的空气进行热互换，使房

间的温度减少。

3.有机载冷剂

■甲醇、乙醇、丙三醇、乙二醇、丙二醇、氟里昂等

■甲醇:冰点-97七，乙醇：冰点-117使用温度低，流动性比较好，有挥发性和

可燃性,使用中应注意安全。

■丙三醇（甘油）：稳定性好，水溶液对金属无腐蚀。无毒，可以和食品直接接触。

■乙二醇、丙二醇水溶液:比重和比热容较大;溶液粘度高；略有毒，但无害。

■氟里昂等：比重大、比热容小、粘度小，工作温度较低。