制冷技术及设备培训讲义

PAGEPAGE120第一章绪论§1-1制冷慨述何谓制冷制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定的时间和一定的空间内将物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。冷和热是同一范畴的两个物理概念，都是物质分子运动平均动能的标志。日常生活中常说的“热”或“冷”是指温度高低的相对概念，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，这是自然界的客观规律。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０℃左右或-15℃左右，甚至更低；合金钢在-70℃～-90℃低温下处理后可以提高硬度和强度。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。而这种装置就称谓制冷装置或制冷机。三、实现制冷的途径制冷的方法很多，可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目前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。１、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80kcal/kg的熔解热；氨在１标准大气压下气化时要吸取327kcal/kg的气化潜热；干冰在１标准大气压下升华要吸取137kcal/kg的热量，其升华温度为-78.9℃。目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗上。２、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。３、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（Ｎ型和Ｐ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。目前温差电制冷只用在小型制冷器中，如电子计算机恒温冷却、精密测量仪器的冷源及精密机床的油箱冷却器等等，都是温差电制冷。利用物理现象制冷的方法还有很多，我们不一一介绍。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、制冷体系的划分制冷服务对象不同，要求的制冷温度也不同。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”。其中深冷又可分为深度制冷（120－20K）、低温制冷(20-0.3K)与超低温制冷(0.3K以下)。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，本课程我们只介绍普通制冷温度范围内的蒸气压缩制冷。§1-2制冷的发展简史及应用一、我国制冷的发展简史人类最早的制冷方法是利用自然界存在的冷物质-冰、深井水等。我国早在周朝就有了用冰的历史。到了秦汉，冰的使用就更进了一步，据《艺文志》记载：大秦国有五宫殿，以水晶为柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇夏开发。”这实质是我国最早的空调房间。到了唐朝已生产冰镇饮料并已有了冰商。冰酪、奶冰也发源于中国，是冰淇淋的雏形，在元朝时由意大利著名旅行家马可·波罗带到了欧洲。人工制冷至今在世界上才有100多年的历史。旧中国制冷工业基本上是空白，解放前上海只有几家很小的“冰箱厂”且只搞维修业务，全国冷库也仅有几座。解放后，制冷工业得到飞速发展，特别是八十年代通过引进国外先进技术，使我国的制冷、空调产品打入了国际市场。二、制冷技术的应用随着制冷工业的发展，制冷技术的应用也日益广泛，现已渗透到人们生活和生产活动的各个领域，从日常的衣、食、住、行，到尖端科学技术都离不开制冷技术。１、空调工程空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。光学仪器仪表、精密计量量具、纺织、药品等生产车间及计算机房等，都要求对环境的温度、湿度、洁净度进行不同程度的控制；大型建筑、公共场所、车站、机场、体育馆、大会堂、宾馆、商厦、影剧院、游乐厅、办公楼等公共建筑使用的中央空调系统；小汽车、飞机、大型客车、火车、轮船等交通工具使用的空调设施；家庭、办公室等使用的局部空调装置或房间空调器。２、食品工程易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输到销售的全部流通过程中，都必须保持稳定的低温环境，才能延长和提高食品的质量、经济寿命与价值。这就需有各种制冷设施，如冷加工设备、冷冻冷藏库、冷藏运输车或船、冷藏列车、分配性冷库、供食品零售商店、食堂、餐厅使用的小型装配式冷库、冷藏柜、各类冷饮设备、冷藏售货柜及家庭用的电冰箱等。食品工程另外的应用制冰，目前有大块冰、管冰、片冰等，应用于冷库、渔船、冷藏运输、食用等领域。３、工业生产及农牧业在化学工业中，借助制冷使气体液化、混合气分离带走化学反应中的反应热；盐类结晶、润滑油脱脂需要制冷；石油裂解，合成橡胶、合成树脂、燃料生产、化肥生产需要制冷；天然气液化、脱水、贮运也需要制冷。精密机床油压系统利用制冷来控制油温，可稳定油膜刚度，使机床能正常工作。在机械制造中，对钢进行低温处理（-70℃―-90℃）可改善钢的性能，提高钢的硬度和强度，延长工件的使用寿命。在机器的装配过程当中，利用低温方便地进行零件间的过盈配合。在钢铁工业中，高炉鼓风需要用制冷的方法先将其除湿，然后再送入高炉，以降低铁水的焦化比，保证铁水的质量。多路通讯、雷达、卫星地面站等电子设备也都需要在低温下工作。在农牧业中，制冷用于对农业种子进行低温处理；建造人工气候育种室；保存良种畜的精液，以便进行人工配种。４、建筑工程利用制冷实现冻土法开采土方。在挖掘矿井、隧道、建筑江河堤坝时或者在泥沼、沙水中掘进时，采用冻土法保持工作面，避免坍塌和保证施工安全。在水利大坝的施工和大型混凝土构件施工中，拌合混凝土时，用冰代替水，借冰的熔化热补偿水泥的固化反应热。在中国的大型水利工程三峡工程施工工程当中，就采用了很多制冷工艺来保证拌合好的混凝土为7℃（一次风冷、二次风冷冷却石头、加冰冷却等），同时在浇注完后一段时间内，再用低温的冷却水冷却。5、医疗卫生事业制冷在医疗卫生方面发挥日益重要的作用。冷冻医疗是可靠、安全、有效易行和经济的治疗方法，特别是用于治疗恶性肿瘤。血浆、疫苗及某些特殊药品需要低温保存。低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温等也需制冷技术。6、国防工业和现代科学实验在高寒地区使用的发动机、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能需要作环境模拟试验，航空、航天仪表、火箭、导弹、航天器中的控制仪也需要在模拟高空条件下进行试验，这些都需要人工制冷技术。在气象科学中，综合云雾室的制冷系统提供＋30－-45℃的温度条件，主要用于研究雨滴、冰雹的增长过程、冷暖催化剂，各种催化方法，及扰动对云雾的宏观、微观影响、模拟云的物理现象，人工降雨也需要制冷。除此以外，在尖端科学领域，如：微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发、生物技术等，低温制冷技术也有十分重要的作用。总之，制冷技术的应用是很广泛的，随着国民经济的发展，科学技术的进步，人民生活水平的不断提高，制冷技术的发展与应用将会走向新的领域。第二章制冷技术的热力学基础§2-1基本定义及概念一、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、温度温度是描述热力系统冷热状态的物理量，它的高低反映物体内部分子无规则运动的剧烈程度，是标志物体冷热程度的参数，是物体状态基本参数之一。物体的温度可采用测温仪表来测定。为了使温度的测量准确一致，就要有一个衡量温度的标尺，简称温标，工程上常用的温标有：1、摄氏温标又叫国际百度温标，常用符号t表示，单位为℃。2、绝对温标常用符号T表示，单位为开尔文（代号为K）。3、华氏温度常用℉表示，它是欧美习惯用的一种温标，它规定纯水冰点为32℉，沸点为212℉，两定点之间为180等分，每一等分为华氏1℉。绝对温标与摄氏温标仅是起点不同而已（t=0℃时，T=273.16K），它们每度的温度间隔确是一致的。在工程上其关系可表示为：T=273+t（K）华氏温标与摄氏温标关系表示为：F=t℃＋32（℉）例：摄氏20℃，相当于多少绝对温度及华氏温度？解：T=t+273=20+273=293KF=t℃＋32=*20+32=68℉2、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。压力的大小取决于分子热运动情况，在一定的容积内，分子运动剧烈，压力就高，反之就低。压力也是物体重要的状态参数。压力可用压力表来测定。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=105Pa。在工程上，压力的单位也用kgf/cm2或mmHg表示。压力的标记有绝对压力、表压力和真空度三种情况。绝对压力是指容器中气体的实际压力，用符号P表示；表压力（PB）是指压力表（或真空表）所指示的压力；而当气体的绝对压力比大气压力（B）还低时，容器内的绝对压力比大气压力低的数值，称为真空度（PK）。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。制冷系统的计算需用绝对压力，在查阅制冷技术有关的图表时，其图表所注明的压力一般为绝对压力。制冷系统中压力表所测得的读数必须经过换算。3、比容比容是指单位质量工质所占有的容积，用符号υ表示，常用单位为m3/kg。比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。比容这个参数，在选取蒸发器和贮液器的大小以及计算压缩机的排汽量时，都要用到它，也是基本参数。比容的大小与压力、温度有关。压力一定时，温度不同比容不同。温度一定时，压力不同比容也不同。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ρ表示，单位为kg/m3。比容和密度之间互为倒数关系。4、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，用符号ｕ表示。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部振动能三项，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、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１kg工质而言，可表示为：ｈ＝ｕ＋Pυ（kJ/kg）或（kcal/kg）式中ｈ—焓或称比焓（kJ/kg或kcal/kg）υ—比容（m3/kg）ｕ—内能（kJ/kg或kcal/kg）P—绝对压力（N/m2或Pa）在工程单位制中，压力单位常用工程气压、物理大气压和毫米水柱等单位。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、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。熵是通过其他可以直接测量的数量间接计算出来的。热力学第二定律说明：热量不能自发地，不付代价地从低温物体传向高温物体。要使热量全部而且连续地转变为机械功是不可能的。制冷是使热量从低温物体转移到高温物体，根据热力学第二定律，必需消耗一定的外界功，这个功就是压缩机所耗的动力。关于熵的含义：热力学第二定律说明热量的传递有方向性，对于具有一定温度T的一系统，有热量q可以交换，但这个热量是从系统放出还是向系统中加入，希望有一个数学方式表示传递的方向，由此引出熵的概念，用符号S表示，其表达式为S=△q/T。因为绝对温度T值总是大于零的，故熵值的增加，表示对系统加热，熵值减少，表示系统放热，熵值为零，侧说明系统没有与外界进行热交换，并称这个过程为绝热过程。绝热压缩就是等熵过程。在理想制冷循环中，我们一般把压缩机的压缩作为绝热压缩。二、制冷的一些基本定义1、比热任何物质当加进热量，它的温度会升高。但相同质量的不同物质，升高同样温度时，其所加进的热量是不一样的。为相互比较，把1kg水温度升高1℃所需的热量定为4.19KJ。如把1kg水温度升高1℃需4.19KJ热量，我们把水的比热值定为4.19KJ/kg℃作为标准，其它物质所需的热量与其质量和温度的比值称为比热。例如：1kg铜温度升高1℃所需的热量为0.39KJ，即铜的比热为0.39KJ/kg℃。比热一般用C表示，单位为KJ/kg℃。2、导热系数导热系数是表示一种材料传导热量能力的一个物理量，如二块同样厚的材料，一块是铜块，一块是软木块，把它们放在比本身温度高的环境中，铜块立刻感觉到温度升高，而软木块在短时间内感觉不到。这说明二种材料对热量传导的能力不同，把这种材料对热量的不同传导的能力以一个数值表示称为导热系数，其数值等于：当材料厚度为1m，二边温差为1℃，在1h内通过1m2表面积所传导的热量，以符号λ表示，单位为w/m.k。不同材料有不同的导热系数，它与材料的成分、密度。分子结构等因数有关。同一种材料影响导热系数的主要因数是密度和湿度，密度大则导热系数大，湿度大则导热系数亦大。3、放热系数当冻结一块实物时，如在表面吹风则它的冻结速度比不吹风时快，表示这种不同物质（如实物是固体、空气是流体）之间在不同状态下换热能力的物理量称为放热系数。其数值等于1h、每1m2面积上，当流体和固体壁之间的温度差为1℃是传递的热量。用符号α表示，单位为w/m2.k。4、传热系数热量从高温侧流体透过平壁转移到低温侧流体，这种热量传递的能力除与二侧温差、传热面积的大小有关外，还与平壁的导热系数、平壁的厚度及壁面两侧的放热系数有关。通过平壁的传递的热量可以用公式表示为：Q＝KF△t(KJ/h)式中：Q--传递的热量F—平壁的表面积△t--温差（平壁两侧温差）、△t＝t1-t2K—传热系数K＝式中：α1、α2—平壁两侧放热系数δ—平壁的厚度λ—平壁的导热系数5、湿度空气的潮湿程度以湿度表示。潮湿度的大小随空气中水汽含量而定。按用途不同，湿度有三种表示方法：⑴绝对湿度每立方米湿空气中含有水汽的质量称为空气的绝对湿度。设湿空气的体积为Vm3，其中水汽的质量为GCkg，则绝对湿度Z=GC/V（kg/m3）含湿量湿空气在状态变化过程当中，由于水份的蒸发和凝结，其体积和质量是变化的，即使湿空气中水汽含量不变，由于温度变化其体积亦随着改变。绝对湿度是以体积V作为参数的，这样绝对湿度也随着变化，所以用它不能反映湿空气中水汽含量的多少。干空气在状态变化过程当中其质量是不变的。以1kg干空气中带有的水汽量（一般用g）表示湿空气的湿度，称为含湿量，用符号d表示：d＝1000GC/Gg(g/kg)公式中表示1kg干空气中带有dg的水汽。在空调中含湿量是重要的参数，它反映了空气中水汽含量的多少。任何的空气状态变化过程都可用含湿量的增减来判断空气是加湿还是干燥处理，在计算中要经常用到它。由含湿量d和焓h制成的湿焓图是空调计算的基本线图。相对湿度（φ）空气在容纳水汽方面具有这样一种物理性质：即在一定温度下，一定量的空气中只能容纳一定限度的水汽量，如果超过这一限度，多余的水汽就在空气中凝结成雾。这种一定限量的水汽量称为饱和湿度。在饱和湿度下相应的有饱和水汽分压PCB、饱和绝对湿度ZB与饱和含湿量dB，它们随空气湿度的高低而不同。一定温度下的空气所带有的水汽量，达到该温度下的最大值时称为饱和空气。能接受一定量水汽的空气称为未饱和空气。未饱和空气的绝对湿度Z小于同温度下的饱和绝对湿度ZB。相对湿度即Z和ZB的比值，用它反映空气的潮湿程度。φ＝Z/ZB*100％空调中相对湿度是衡量空气潮湿程度对人和生产是否适宜的一个指标。6、湿球温度当温度计的感温球与空气直接接触，测出的空气温度称为空气的干球温度。如果用带有水份的湿纱布包在温度计的感温球上，所测的温度称为湿球温度。湿球温度是纱布中的水在与周围空气进行热、湿交换达到最终稳定状态时的温度。在一定空气温度下，空气的相对湿度越小，空气的吸湿能力越大，此时纱布中的水份蒸发越快，水份蒸发所需的汽化热越多，湿球温度降得越低，此时干球温度和湿球温度之差越大。反之，温差越小。因此干湿温度差可以确定空气相对湿度的大小。7、露点温度某物体被降温时，在其表面会出现凝结水，这是由于临近这些表面的空气含湿量超过了饱和含湿量，空气中的水汽就凝结出来。对应于水汽凝结出来时饱和含湿量的温度称为露点温度。这样只要知道空气的含湿量d，根据空气性质表查出饱和含湿量dB等于这个d值时所对应的温度，就是这时空气的露点温度。8、饱和温度及饱和压力在密闭容器中的液体，其表面不断产生汽化现象，由于蒸气相互作用以及容器壁面、液体表面碰撞，在气体开始时，其中的一部分蒸气又变为液体。汽化时产生的蒸气大于由蒸气变为液体的数量。经过一段时间后，从液体变为气体的量等于气体变为液体的量，这时的状态称为饱和状态。处于饱和状态下的蒸气（液体）称为饱和蒸气（液体），所表现的温度、压力称为饱和温度和饱和压力。在制冷系统中，同一制冷剂，一个饱和温度对应一个饱和压力，在制冷剂热力性质表中可以查到。例如：当氨的冷凝温度为30℃时，对应的冷凝压力为1.67MPa，当氨的蒸发压力为0.1MPa时，其蒸发温度为-33.4℃。9、过热蒸气在一定压力下，温度高于饱和饱和温度的蒸气，称为过热蒸气。制冷压缩机排气管处的蒸气温度，一般高于饱和温度，是过热蒸气，过热蒸气的温度与压力没有对应关系。如氨压缩机的排气压力为1.167MPa，测得其温度为78℃。从氨的热力性质表上查得，当压力为1.167MPa时对应的饱和温度为30℃。因此排气管的蒸气为过热蒸气。过热蒸气的温度超过饱和温度的数值称为过热度。制冷压缩机吸入的蒸气一般都是过热蒸气，即蒸气的温度高于相应压力下的饱和温度。在制冷压缩机的操作中，一般要求压缩机的吸入过热度为5～10℃。10、蒸发蒸发是指液体表面分子汽化变成蒸气分子的过程。在自然界，所有液体都具有蒸发能力。蒸发过程的快慢与蒸发的条件有很大关系。实践证明同一蒸发液体蒸发面积愈大，蒸发就快；当液体温度升高时，蒸发过程也快；液体表面上方的气体排走得愈快，蒸发也快；当液体蒸发压力与周围空间压力形成压差，其压差愈大，蒸发也快。由于物质不同，液体分子克服的引力也不同，所以蒸发的快慢还与物质的性质有关。如氨液比水蒸发的快，水又比油蒸发的快。液体被加热到某一温度时，其内部气泡上升到表面破裂而放出蒸汽，这种液体表面的强烈汽化现象叫做沸腾。沸腾的液体温度叫沸点。沸腾与蒸发是有区别的。沸腾是在一定压力下，只有达到与此压力相对应的一定温度时才能进行。而蒸发是在任何温度、任何压力下都可能发生。在制冷工程当中，往往把蒸发与沸腾理解为一回事，统称为蒸发。三、传热学基本概念制冷过程实质上是一个热量传递的过程，因此了解传热学的知识极为重要。制冷系统中的传热可分为两种类型：一种是力求增加传热的过程，如蒸发器、冷凝器等热交换器。在这些设备中增强传热过程可以缩小设备尺寸或提高它的效率；另一种是力求减弱传热过程，如冷库和管道的隔热层，减弱传热过程可减少冷量损耗，节约能源。1、热量传递的基本方式不同物体或物体不同部位之间产生热量传递，其原因是它们之间存在温差，所以温差是产生热流的动力。所有热传递的现象可以归纳为三种基本方式，即热传导、热对流和热辐射。实际工程中的传热往往是综合作用，但其中某项是主要的。(1)热传导由于物体内部分子和原子的微观运动，使热量从高温部分转向低温部分，这种能量传递过程称为热传导。其特点是传热过程中物体各部分之间不发生宏观的位移。固体、液体和汽体都会发生导热现象，但单纯的导热只有在固体中才能发生。导热又分为平壁导热和圆管壁导热。通过一个平壁的导热，导热面积F越大，传递的热量越多，平壁两侧温度差△t越大，传递的热量越多。但平壁厚度越厚，则越不易传递热量。它们的之间的关系可表示为Q＝F△t(kJ／h)式中：F——垂直于导热方向面积，m2；δ——壁厚度，m；△t—平壁两侧的温差，℃；入——材料的导热系数，kJ／(m．h．℃)在热交换器中，如蒸发器、冷凝器的计算中，常常遇到圆管壁导热，其热量传导可表示为Q＝．△t(kJ／h)式中：δ——为(d2-d1)／2，是圆壁的厚度，m；d——为(d2+d1)／2，是圆筒壁的平均直径，m；——形状系数，可查有关资料。(2)对流换热由于流体(液体和汽体)不同部分之间的相对位移，而把热量从一处传到另一处的现象称为热对流。由于热对流过程中，热量传递是依靠流体的迁移流动而进行的，所以只有液体和汽体才能产生热对流。热对流的流体与固体壁面之间的热量交换称为对流换热。对流换热可分为二种情况。即自然对流和强制对流换热。自然对流换热是由于流体温度不同，其重度亦不同，流体中热的部分因密度小而上升，冷的部分则因密度大而下降，由此自然地产生流体相对运动。冷库内空气和排管之间的热交换就属于这一种换热。强制对流换热是用机械方法使流体强迫流动，并与壁面之间产生换热。如冻结间中，风机使空气强迫流动，它们彼此之间的换热就属于强制对流换热。对流换热是由对流作用引起的热量转移和流体的移动结合在一起，因此，它是个复杂过程，与很多因素有关，如流体种类及状态、运动状况，与流体接触的表面形状及表面光洁度等。用放热系数来表明这种流体和物体表面之间的热交换强度，对流换热可表示为Q=αF(tw2－t2)(kJ／h)式中：α——放热系数，KJ／m2．h．℃；F——放热面的面积，m2；Tw2—t2——物体壁面与周围流体温度差，℃；(3)辐射换热物体因备种原因会发出辐射能，并在空间以电碰波的方式传播。这种由于物质分子热运动的原因而发出的辐射能称为热辐射。物体除不断发出热幅射外，也从周围环境吸收来自其它物体的辐射能。这种以辐射方式进行的能量转移辐射换热。显然，热辐射是不同于传导和对流的一种热量传递方式。热辐射可在真空中传播，而传导和对流仅在固体、流体、气体等物质内进行，若物体内部不存在温差则传导和对流换热就能进行。在温度较低的情况下，由于热辐射很小，一般可忽略不计。但对于100℃或几百度的高温，则热幅射则不能忽视。制冷系统中出现的温度都比较低，因此与辐射有关的换热较小，只有在压缩机汽缸盖和高压汽体排出管上才有明显辐射热产生。2、传热温差传热温差是指传热壁两侧的二种流体之间的温度差。它是传热过程的推动力。在制冷设备的换热过程中，间壁二侧的温度不是固定不变的，而是随流体的位置及换热的时间而变。如蒸发器中，冷流体(制冷剂)的温度保持不变，但热流体(空气)的温度在传热过程中逐步降低。又如冷凝器中，热流体(制冷剂)的温度保持不变，但冷流体(水或空气)的温度在传热的过程中逐步升高，冷热流体之间的相对流动方向不同，传热温差也不同。冷、热流体间的相对流动方向，大致有以下几种：1、顺流――冷热流体在两侧以相同方向流动；2、逆流――冷热流体在两侧以相对方向流动；3、错流――冷热流体在两侧彼此呈直角交叉方向流动；4、折流――冷热流体在两侧以顺流或逆流交替方向流动；顺流和逆流，冷热流体沿传热壁面的温度变化是不一样的。顺流时，最高温度的热流体和最低温度的冷流体，在换热器入口端的传热面两侧相遇，此时两者温差最大，此后，热流体的温度逐渐下降，冷流体的温度逐步上升。在出口端以热流体的最低温度和冷流体的最高温度结束换热过程。这种传热方式，热流体的最低温度不可能降到冷流体的最高温度之下，传热效率较低。逆流时，热流体的最低温度和冷流体的最低温度相遇，这样流体的最终温度比顺流时低，传热效果也好。不管是顺流还是逆流，由于在整个传热过程中两种流体和温度都在变化。因此用对数平均温差来较真实地反映两者之间的温差。关于对数平均温差计算公式在后面换热器再讲。四、流体力学基本概念制冷是靠制冷剂在一个闭合系统中循环流动，不断改变它的状态，从而获的低温。流体在管内和换热器中的流速、流量、压力、阻力等对整个冷系统的制冷效率影响很大。气体和液体同属流体，它们的共性是都可以流动；其区别是气体具有很大的可压缩性，在加压之下，其比容减小，压力升高，而液体是不可压缩的流体。1、稳定流动在流体通过导管或设备的任一截面时，该截面上流体的物理量如流速、压力等不随时间而变，仅随流体的位置而变，这种流动情况称为稳定流动。在连续操作的过程中，如制冷系统中低压蒸汽不断地被吸入压缩机，同时经压缩后被排到冷凝器。在冷凝器内被冷凝成液体，液体又经节流阀进入蒸发器。因而流体在这些设备中进行流动属于稳定流过程。2、伯努利方程流体在流动时有四种能量可发生转化。它们是位能、动能、静压能和内能。位能、动能和静压能属于机械能，而内能是流体内部大量分子运动能与分子间相互作用的位能之和。内能随流体的温度和密度的改变而改变。它们之间的关系可用一个方程——伯努利方程式来表达为△Z++=0△Z——截面1和2处位能的增量；――截面1和2处动能的增量——截面1和2处静压能的增量；上式公式说明，流体从截面1，流到截面2．三项能量均有变化，但其总能量保持不变，只是静压能转化为动能和位能。液体具有粘性，在流动过程中会产生阻力，从而消耗能量。此外，为保证流量，通常加入泵等外加输送机械，这样就对流体输入了外加能量。考虑该因素后1kg工质实际伯努利方程为Z1+＋＋he＝Z2＋＋+式中：he——外加能量；——克服实际阻力而消耗的能量。例：有一个重力供液系统，氨液分离器内的液面与蒸发器内的液面相差为1．6m。蒸发器管内流动损失经计算为1．5m氨液柱。求蒸发器内(φ38×2．5mm钢管)氨液的流量。解：取氨液分离器内的液面作为1—1截面，蒸发器内的液面作为2—2截面，把2—2截面作为基础面，则Z2＝0，Z1＝1.6m氨液分离器与蒸发排管相通，故P2＝P1＝P。，系统中无机械功加入，则he＝0，1—1截面处液面不变，w1＝0，＝1.5m(已知)，将上述数值代入公式，得＝0.1,w2＝＝1.4m/s每分钟氨液的流量为V＝60××d2×w2＝60××（）2×1.4＝0.072m/min§2-2热力学第二定律与理想制冷循环一、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，的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”。这正像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。制冷装置就是以消耗一定的外间功作为补偿过程而实现人工制冷的。二、循环与理想制冷循环1、正循环及热效率膨胀--压缩循环按顺时针方向进行的，称为正循环。在P—υ图上，正循环的膨胀线1、正循环及热效率膨胀--压缩循环按顺时针方向进行的，称为正循环。在P—υ图上，正循环的膨胀线1—2—3位于压缩线3—4—1之上。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：

评价正循环的好坏，通常用循环热效率ηt来衡量，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：q1q1q2q1=q1w0ηt=q1-q2=1-2.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。如图2-1所示。逆循环的压缩线3—2—1位于膨胀线1—4—3之上。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：w0=q1-q2或q1=q2+w0上式说明，外界对工质做功，且热量的传递方向也全部改变。也就是说，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ε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ε1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ε2称为供热系数。则有：ε1=ε1=q2/w0w0ε2=q1/w0=q2+w0=ε1+1

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。（二）理想制冷循环理想制冷循环可通过逆卡诺循环来说明。逆卡诺循环如图2-2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（即被冷却物体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）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,就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。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2-2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εk为：T0T0(S1—S4）(Tk—T0)(S1—S4）εk=q0w0==Tk—T0T0

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ε与逆卡诺循环制冷系数εk之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号η表示。即：η=ε/εk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机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。§2-3制冷剂的相态变化及其状态图一、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。通常我们把固态的物体叫固体，固体物质内部的分子成有规则的布置，并在一定的晶格节点上振动。液态的物体叫液体，液态物质的分子彼此密集，相对地说是不可压缩，并具有相互移动位置的趋势。气态的物体叫气体，气态物质的分子处于不规则的运动中，其密度甚小，分子之间有一定的空隙，可以压缩，又能均匀地充满任何形状的空间。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.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是：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.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.升华物质由固态直接转变为气态的过程称为升华。4.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—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(常用制冷剂的饱和热力性质表见附表)，也可以用压—焓图来表示。压—焓图(lgP—h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。压—焓图(lgP—h图)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χ=0)，右边一条为干饱和蒸汽线(干度χ=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2—3所示：①等压线P：水平细直线。②压—焓图中有六种等状态参数线，如图2—3所示：①等压线P：水平细直线。②等焓线h：竖直细直线。③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。④等熵线S：为从左到右稍向上弯曲的实线。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。⑥等干度线χ：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。制冷工程中，高压区和湿蒸汽区的中间部分很少用到，所以有些压一焓图中往往将这两部分删去不画。不同的制冷剂，其压—焓图(lgP—h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.压—焓图(lgP—h图)的应用压—焓图(lgP—h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2—4所示。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t1＝t0，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P0＝C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，也是进冷凝器的状态。过程l—2为制冷剂在压缩机中绝热压缩过程。绝热过程中熵不变，即S1＝S2，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。4—1：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2—1绝对压力为2bar，比容为0.7m3／kg的氨呈何种状态?解:所求的状态是1gP一h图上P＝2bar的水平线和υ＝0.7m3／kg的等比容线的交点A(见图2—4)。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1470kJ／kg。例2—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2—5)。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224.08kJ／kg。例2—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2—6)。点C的熵值S=1.76kJ／kg·K，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=12bar的等压线与S=1.76kJ／kg·K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。

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。第三章制冷剂载冷剂与润滑油§3-1制冷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，因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽视的。一、对制冷剂性质的要求１.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。２.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。３.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≯12～15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。４.单位容积制冷量ｑv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。５.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。６.绝热指数ｋ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，K↑→T2↑。可见，ｋ小可降低排气温度。７.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。８.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：１.低压高温制冷剂冷凝压力Pk≤２～３Kg/cm2（绝对），T0>０℃如Ｒ11（CFCl3），其T0＝23.7℃。这类制冷剂适用于空调系统的离心式制冷压缩机中。通常３０℃时，Pk≤3.06Kg/cm2。２.中压中温制冷剂冷凝压力Pk<20Kg/cm2（绝对），０℃<T0>-60℃。如Ｒ717、Ｒ12、Ｒ22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。３.高压低温制冷剂冷凝压力Pk≥20Kg/cm2（绝对），T0≤-70℃。如Ｒ13（CF3Cl）、Ｒ14（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-７０℃以下的低温装置中。三、常用制冷剂的特性目前使用的制冷剂已达70～80种，并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷的仅十多种。其中被广泛采用的只有以下几种：１.氨（代号：Ｒ717）氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂。氨蒸汽无色、具有强烈的刺激性臭味。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1.1～1.3MPa，即使当夏季冷却水温高达３０℃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/ｍ3。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0.5％～0.6％时，人在其中停留半个小时即可中毒，达到11％～13％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。氨在260℃以上可以分解成氢和氮。氨在润滑油中的溶解度是很小的，因此氨制冷机的管道及热交换器的传热表面上会积有油膜，影响传热效果。在运行中润滑油也会积存在贮液器及蒸发器的下部（因润滑油的比重比氨液的比重大），应定期放出。氨和湿酚酞试纸相遇时会使试纸变成深红的颜色，由此可以用来检查氨泄漏的部位。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。２.氟利昂-12（代号：Ｒ12）R12臭氧衰减指数ODP为1.0，温室指数GWP为2.8～3.4Ｒ12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。Ｒ12的标准蒸发温度为-29.8℃，冷凝压力一般为0.78～0.98MPa，凝固温度为-155℃，单位容积标准制冷量约为288kcal/ｍ3。Ｒ12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。Ｒ12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Ｒ12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引起制冷剂的泄漏。R12可以用肥皂水、卤素喷灯或电子卤素检漏仪进行系统检漏。R12由于破坏大气层中的臭氧层，目前在中国已被禁止生产和使用。目前认为可替代产品为：R134a、R152a。３.氟利昂-22（代号：Ｒ２２）R22臭氧衰减指数ODP为0.05，温室指数GWP为0.35Ｒ22也是烷烃的卤代物，学名二氟一氯甲烷，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/ｍ3。Ｒ22的许多性质与Ｒ12相似，Ｒ22也是一种无色、透明、没有气味，几乎无毒性、不燃烧、不爆炸，对金属无腐蚀、很安全的制冷剂。但化学稳定性不如Ｒ12，毒性也比Ｒ12稍大。但是，Ｒ22的单位容积制冷量却比Ｒ12大的多，接近于氨。当要求-40～-70℃的低温时，利用Ｒ22比Ｒ12适宜，故目前Ｒ22被广泛应用于-40～-60℃的双级压缩或空调制冷系统中。R22与水的互溶性很差，在0℃时水在R22中的溶解度仅为0.06%(Wt)。系统中水的含量超标可能发生冰堵和镀铜腐蚀。故规定Ｒ22中含水量不得大于0.0025％（JB453-64）。R22与润滑油有限溶解。在系统高温侧部分（冷凝器、贮液器）R22与油完全溶解；在低温侧，R22与油混合物处于溶解临界温度以下时，蒸发器和低压贮液器中液体将出现分层。油在上层，R22在下层。在中国R22将在2035年禁止生产和使用。现在混合制冷剂R23/R152a可以替代R22。4．R134a（HFC-134a，C2H2F4）R134a臭氧衰减指数ODP为0，温室指数GWP为0.24～0.29R134a被认为是最有可能替代R12的新制冷剂。标准蒸发温度-26.2℃，凝固点为-101.0℃。R134a的制冷循环特性与R12接近，但不如R12（容积制冷量和COP都小于R12）。R134a分子量大，流动阻力损失比R12大，传热性能比R12好。R134a的分子极性大，在非极性油中的溶解度极小。R134a的分子直径比R12小，比R12更容易泄漏。R134a的热分解温度远高于压缩机和系统可能出现的温度。R134a对非金属材料的膨润作用比R12略强。可以通用的材料为氢化丁晴橡胶和氯化橡胶。目前R134a的生产必须通过二级合成和完全分离的方法才能得到满足纯度指标要求的制冷剂。生产该制冷剂原料贵，产量小，还要消耗太多的催化剂，因此价格昂贵。R134a的温室效应指标是个令人耽心的问题。§3-2载冷剂载冷剂是用来先接受制冷剂的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。１.比热要大比热大，载冷量就大，从而可减小载冷剂的循环量。２.粘度低、导热系数高。３.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。４.无臭、无毒、使用安全，且对金属的腐蚀性要小。５.价格低廉，易于购得。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。１.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０℃以上的载冷剂。０℃以下应采用盐水作载冷剂。２.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Ⅰ（实线）为氯化钠盐水的凝固曲线，曲线Ⅱ（虚线）为氯0℃化钙盐水的凝固曲线。由这两条曲线-10可知,无论哪一种盐水，当盐水的浓-20度小于某一定值时，其凝固温度随浓-30度的增加而降低，当浓度大于这一定-40值以后，凝固温度随浓度的增加反而-50升高。此转折点称为冰盐共晶点，对-60应的浓度称共晶浓度。该点相当于全01020304050％部盐水溶液冻结成一块冰盐结晶体，它是最低的凝固点。图3-1盐水的凝固点与浓度的关系在共晶点的左侧，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：（１）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５～８℃为宜。（２）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１ｍ3氯化钠水溶液中应加3.2kg重铬酸钠和0.88kg氢氧化钠；１ｍ3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（pＨ=7.5～8.5），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。（３）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。一般情况是当蒸发温度高于－16℃时，采用氯化钠盐水溶液。当蒸发温度低于－16℃时而高于－55℃时，采用氯化钙盐水溶液作为载冷剂。例：作冰棍时，通常使用-16℃的盐水，盐水与蒸发器的传热温差取5℃，则蒸发温度为-21℃，为了不至于出现结冰现象，取盐水的凝固温度比蒸发温度低7℃，即所配制盐水的凝固温度应不高于-28℃。因为蒸发温度低于-16℃，所以选用氯化钙溶液，由特性表可知，当凝固温度为-28℃（取-28.3℃）时，溶液的比重为1.23kg/L，百分比浓度24.7%。3．有机载冷剂⑴甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H6OH）和它们的水溶液甲醇的冰点为-97℃，乙醇的冰点为-117℃。它们的纯液体比重和比热容都比盐水低，故可以在更低的温度下载冷。甲醇比乙醇的水溶液粘性稍大一些。它们的流动性都比较好。甲醇和乙醇都有挥发性和可燃性，所以使用中要注意防火，特别是当机器停止运行，系统处于室温时，更需格外当心。乙二醇、丙二醇和丙三醇水溶液丙三醇（甘油）是极稳定的化合物，其水溶液对金属无腐蚀。无毒，可以和食品直接接触，是良好的载冷剂。乙二醇和丙二醇水溶液的特性相似，它们的共晶温度可达-60℃左右（对应的共晶浓度为0.6左右）。它们的比重和比热容较大。溶液粘度高。略有毒性，但无危害。在-20℃以下工艺制冷使用中，为了降低溶液的粘度，往往在乙二醇的溶液中加入乙醇，变成三元混合溶液，一般配方为乙二醇：乙醇：水＝40：20：40，溶液的凝固点为-64℃，比重1，比热为3.14Kj/(kgK)，在-35℃时运动粘度为45×10－6m2/s。纯有机液体纯有机液体如二氯甲烷R30（CH2CL2）、三氯乙烯R1120（C2HCL3）和其它氟利昂液体。它们的凝固点很低(在-100℃左右或更低)。特点是比重大、粘性小、比热容小。可以用来得到更低的载冷温度。§3-3润滑油一、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(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1/3—1/6)。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。用于制冷压缩机的润滑油，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25—35℃，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160—170℃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我国目前冷冻机油规格是按照石油化工总公司颁布的《ZBE34003—86》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2—1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2—1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)13.5-16.519.8-24.228.8-35.241.4-50.661.2-74.8闪点(℃)≤150160160170180凝点(℃)≤-40-35酸值(mgKOH/g)≤0.020.030.05氧化后酸值≤氧化沉淀物≤0.050.005%0.20.02%0.050.005%0.10.02%水分无机械杂质无㈢矿物油和武冷润滑油介矿物油是从奈及高粘性指数的石蜡基础油精炼出的，这些矿物油通过-30℃左右的低温脱去蜡，以便去除与工质不溶的物质（或降低凝絮点），同时改进与制冷剂的化学稳定性。这些石油基润滑油属于环烷烃类，精制程度较低，组分较复杂，物理性质、化学结构都不稳定，而这些会影响在制冷应用时的性能。一般粘温性不好，粘度指数低，温度越低粘度越大，系统能耗增加，同时易在蒸发器中沉积使用矿物油，用制冷剂通过匹配压缩机和系统来达到最优性能是十分困难的，有时候是不可能的。矿物油由于价格便宜而大量在制冷系统中采用。尽管如此，我们建议其使用极限温度为蒸发温度-30℃左右，这是因为：1、一旦吸气温度达到-30℃左右，在压缩机吸气过滤网上将析出大量蜡，堵塞过滤网，减少吸气量，大大降低制冷量；2、矿物油在蒸发器中长期积累，严重影响传热，造成更低的蒸发温度，降低制冷量；3、在氨系统中，矿物油在蒸发器中形成油泥，呈牙膏状，无法通过集油器顺利排油；4、机组油温较高，喷油粘度较低，影响润滑，缩短轴承寿命；5、含碳量高，容易析出产生油渣，堵塞过滤网；6、挥发性高，降低油分效果；7、通过测定，以上几项可减少制冷量10%～60%。武冷润滑油介绍－WL1冷冻机油（半合成油）挥发性小，与氨的溶解度低，油分效果好，可减少60%冷冻机油的消耗，使油分分离精度提高到5ppm以上；使用温度：15～-40℃；对压缩机有良好的润滑性：减少磨损，延长轴承寿命；产生更清洁的系统，没有油渣；允许从老系统中的油慢慢被更换；与所有的常用在氨制冷系统其他的油及橡胶材料兼容；含蜡量极低，低温下不会析出蜡，不会吸附在过滤网上，充分发挥压缩机性能；倾点低，容易从蒸发器中排油；较好的抗氧化稳定性，换油周期较N46冷冻机油延长3～6倍；具有极性，有自清洁作用，可将换热器中的污垢带回来，提高换热效率。－WL2冷冻机油（半合成油）专为R717应用而开发，以半合成油为基础，价格相对较低廉；采用了特殊的无酸添加剂，可防止脂肪酸铵盐的生成，与氨制冷系统适应性优良；优异的热稳定性—延长油品使用寿命，延长维护周期和减少换油次数较好，换油周期较N46冷冻机油延长2～5倍；杜绝漆膜、胶质和油泥形成—提高设备可靠性和效率；与氨的互溶性很小，挥发性小，提高油分效果50％，油分离精度提高到5ppm以上；高粘度指数和低温流动性—提高蒸发器效率；制冷剂存在下油膜厚度高—提高压缩机油抗剪切性能，延长压缩机寿命，密封性能好；使用温度：15~-40℃。－WL4冷冻机油（PAO合成油）具有WL1油的所有特性；使用温度更低，范围更广：15~-60℃。－WL5冷冻机油（烷基苯冷冻机油）（氟系统用油）挥发性小，油分效果好，可减少50%冷冻机油的消耗，使油分分离精度提高到5ppm以上；使用温度：15～-45℃；对压缩机有良好的润滑性：减少磨损，延长轴承寿命；产生更清洁的系统，没有油渣；允许从老系统中的油慢慢被更换；与所有的常用在氨制冷系统其他的油及橡胶材料兼容。－WL8冷冻机油（合成油）（丙烷/丙烯制冷系统专用）挥发性小，油分效果好；使用温度：15～-45℃；对压缩机有良好的润滑性：减少磨损，延长轴承寿命；产生更清洁的系统，没有油渣；与所有的常用在氨制冷系统其他的油及橡胶材料兼容。丙烷/丙烯制冷系统专用此油，寿命较矿物油延长5倍。N46VSWL1&WL2性能比较:武冷用1台LG20IIIA在试验站上做了数月的对比试验，试验结果是惊人的，以下仅以常用工况-15/＋35℃为例：也就是采用WL2之后，不仅制冷量提高了9.7%，功耗反而降低了5％！这还不包括对换热器的强化作用。1台LG20IIIA，按年运行8000h计算，制冷量提高姑且不算，年节省耗电7.5万度，按0.5元/度计算，年节省电费3.75万元！第四章蒸气压缩式制冷循环§4-1压缩式制冷循环原理前面我们讲过，液体气化的吸热作用可用来制冷，如氨液气化、氟利昂气化都有良好的吸热制冷能力。但是，如果液体气化后排放到大气中，则既浪费又污染环境，且制冷效应只能维持到液体全部气化为止。为了解决上述问题，必需设法将气化后的蒸汽恢复到液体状态重复利用。这就需要通过压缩机和冷凝器等来完成。以下我们以氨为例来说明蒸气压缩式制冷循环原理。理论上，最简单的压缩式制冷循环系统由：蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成，如图所示。

从蒸发器出来的氨的低温低压蒸气（状态１）被吸入压缩机内，压缩成高压高温的过热蒸气（状态２），然后进入冷凝器。由于高压高温过热氨气的温度高于其环境介质的温度，且其压力使氨气能在常温下冷凝成液体状态，因而排至冷凝器时，经冷却、冷凝成高压常温的氨液（状态３）。高压常温的氨液通过膨胀崐时，因节流而降压，在压力降低的同时，氨液因沸腾蒸发吸热使其本身的温度也相应下降，从而变成了低压低温的氨液（状态４）。把这种低压低温的氨液引入蒸发器吸热蒸发，即可使其周围空气及物料的温度下降而达到制冷的目的。从蒸发器出来的低压低温氨气重新进入压缩机，从而完成一个制冷循环。然后重复上述过程。§4-2单级压缩制冷循环一、单级压缩制冷循环的基本组成如前所述，蒸气压缩式制冷，是由压缩机、冷凝器、膨胀阀（或毛细管）和蒸发器四大部件组成的。实际上，单级压缩制冷循环的组成，除上述四大部件外，一般还有分油器、贮液器、汽液分离器及各种控制阀等部件，如下图所示。