2 冷热源工程 第二章 制冷基本知识

冷热源工程（第4版）普通高等教育建筑环境与能源应用工程系列教材重庆大学出版社主编：龙恩深

蒋星池

第二章制冷基本知识心系人间冷暖、服务国家战略制冷发展简史

我国早在三千年前的周朝就有了用冰的历史。据《艺文志》记载：“大秦国有五宫殿，以水晶位柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇夏开放”。这是我国最早的空调房间。

希腊人和罗马人早已知道建造地下雪窖，储藏压实的雪。印度人、埃及人把水放在浅的多孔陶器内，夜间放于地下洞穴中，利用水蒸发冷却空气。

1834年美国人帕金斯（Perkins）制成第一台用乙醚为工质的制冷机；1844年美国医生高里（Gorrie）用封闭循环的空气制冷机为发烧病人建立了一座空调站。威廉·西门斯（WilliamSiemens）在空气制冷机中确立了回热器原理。1860年法国人卡列（Carre）发明了氨水吸收式制冷系统；

到1874年林德（Linde）设计成功氨制冷机，被公认为制冷机的始祖，这些都对制冷技术的发展起了重大作用；

1913年美国工程师拉森制造出世界上第一台手操纵家用电冰箱；1918年美国开尔文纳特（Kelvinator）公司首次在市场上推出自动电冰箱；制冷基本知识1、了解相变制冷、温差电制冷及气体绝热膨胀制冷等物理制冷方法；2、掌握理想逆卡诺制冷循环组成、原理及评价指标；3、掌握蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算；4、了解CO2跨临界制冷的原理；5、熟悉制冷剂、载冷剂及润滑油在制冷中的作用及分类。本章学习目标：2.1制冷基本原理1、概述制冷的方法分为物理方法和化学方法。绝大多数的方法是物理方法。目前广泛应用的制冷方法有以下几种：（1）相变制冷融化制冷气化制冷升华制冷（2）气体绝热膨胀制冷（3）温差电制冷2.1制冷基本原理（1）相变制冷液体转变为气体、固体转变为液体、固体转变为气体都要吸收潜热，可以利用这个现象来实现制冷。融化制冷利用冰融化制冷气化制冷利用液体气化的制冷装置-70℃-78.9℃升华制冷利用固体升华实现制冷2.1制冷基本原理（2）气体绝热膨胀制冷一定状态的气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，它的温度降低，从而达到制冷的目的。气体绝热节流是通过节流阀来实现的。气体经过阀门时，流速大、时间短，来不及与外界进行热交换，可以近似地看成绝热过程。根据稳定流动能量方程，气体绝热节流后焓值不变。

利用物理现象的制冷方法很多，还有绝热放气制冷、涡流管制冷、绝热退磁制冷、氦稀释制冷等。（3）温差电制冷-帕尔贴效应2.1制冷基本原理制冷技术的分类：1、普通制冷（普冷）：低于环境温度至120K。冷库制冷技术和空调用制冷技术属于这一类。2、深度制冷（深冷）：120K至20K。空气分离的工艺用制冷技术属于这一类。3、超低温制冷（低温）：20K以下。4.2K是液氦的沸点。

2.1制冷基本原理2、理想制冷循环

理想制冷循环是在特定的条件下，系统消耗一定能源可实现最大制冷效果的循环。

理想制冷循环遵循热力学第二定律。

是判断和改善实际制冷系统节能减碳效果的依据。向空调区域供冷2.1制冷基本原理（1）逆卡诺循环

逆卡诺循环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成，循环沿逆时针方向进行，该循环过程的示意图和T-s图如下所示。（a）工作流程（b）理想循环2.1制冷基本原理（1）逆卡诺循环

在制冷循环中，制冷剂从被冷却物体中吸取的热量（即制冷量）与所消耗的机械功之比称为制冷系数，它是评价制冷循环经济性的指标之一。在逆卡诺循环中：此外，逆卡诺循环也可用来获得供热效果，例如冬季将大气环境作为低温热源，将供热房间作为高温热源进行供热。这样工作的装置称为热泵，也就是像泵那样把低位热源的热能转移至高位热源。供热系数为：

2.1制冷基本原理（2）有温差传热的逆卡诺循环

实际上，制冷剂在吸热过程中，它的温度总是低于被冷却物体的温度；在放热过程中，它的温度总是高于环境介质温度。具有恒定传热温差的逆卡诺循环的T-s图如下所示。

有温差传热时，循环所消耗的功比无温差传热时多消耗功

因此有温差传热时的制冷系数小于无温差传热时的制冷系数，即2.1制冷基本原理（2）有温差传热的逆卡诺循环

由此可见，无温差传热的逆卡诺循环是具有恒温热源时的理想循环，在给定的相同温度条件下，它具有最大的制冷系数

。实际的逆向循环具有外部和内部的不可逆损失，其不可逆程度可用制冷效率

来衡量。值越接近于1，说明实际循环越接近可逆循环，不可逆循环损失越小，经济性越好。2.1制冷基本原理（3）具有变温热源的理想制冷循环—劳伦兹循环

在制冷循环实际工作时，有时会遇到热源的温度是变化的。例如，利用窗式空调器向房间供冷时，随着时间的延续，房间温度会降低。2.1制冷基本原理（3）具有变温热源的理想制冷循环—劳伦兹循环

为了达到变温条件下耗功最小的目的，制冷剂的循环过程应为12341，让制冷剂在吸、放热过程中其温度也发生相应的变化，做到制冷剂与热源之间的热交换过程为无温差传热，不存在不可逆换热损失。1-2和3-4过程仍分别为可逆绝热压缩和可逆绝热膨胀过程。这样，1-2-3-4循环为一个变温条件下的可逆逆向循环—劳伦兹循环。实现这一循环所消耗的功为最小，制冷系数达到给定条件下的最大值。劳伦兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度Tkm和吸热平均温度Tom为高低温热源温度的等效逆卡诺循环的制冷系数，仅取决于被冷却物和冷却剂的温度状况，而与制冷剂性质无关。2.1制冷基本原理逆卡诺循环的特点：1、性能系数与制冷剂无关2、性能系数与低温热源T0、高温热源Tk的温度有关3、热泵的逆卡诺循环供热系数大于1，制冷系数通常也大于14、逆卡诺循环的性能系数最大5、所有热力过程可逆，无温差，无摩擦涡流扰动等引起的压力降2.2蒸气压缩式制冷循环及热力计算关于逆卡诺循环的工程应用：1、无温差传热在工程上行不通。2、等熵压缩过程1-2在湿蒸气区进行危害大。3、等熵膨胀的3-4过程，膨胀机很难制作。4、蒸发器中1点的状态难以控制，干度难以检测。蒸气压缩式制冷理论循环的特点：1）用膨胀阀代替膨胀机；2）压缩过程在过热区进行，而不是在湿蒸气区进行；3）两个传热过程均为等压过程，且热源和制冷剂之间具有传热温差。2.2蒸气压缩式制冷循环及热力计算蒸气压缩式制冷系统均由节流机构（如节流阀、膨胀阀、毛细管等）代替膨胀机。若压缩机吸入的是湿蒸气，在压缩过程中必然产生湿压缩。湿压缩会引起种种不良后果，严重时甚至毁坏压缩机，在实际运行中应严禁发生。单级蒸气压缩式理论循环蒸气压缩式理论循环由蒸发器、冷凝器、节流阀和压缩机四大部件构成。1、蒸气压缩式制冷的理论循环2.2蒸气压缩式制冷循环及热力计算2、蒸气压缩式制冷循环在温-熵图和压-焓图上的表示及热力计算1）压焓图一点：临界点二线：饱和液体线，饱和蒸气线三区：过冷液体区，湿蒸气区，过热蒸气区五种状态：未饱和水，饱和水，湿蒸气，干饱和蒸气，过热蒸气六条等参数线：等压线、等焓线、等温线、等熵线、等容线、等干度线2）制冷循环在温熵图和压焓图上的表示最简单的蒸气压缩式制冷循环是指离开蒸发器和进入压缩机的制冷工质为蒸发压力下的饱和蒸气；离开冷凝器和进入节流阀的液体是冷凝压力下的饱和液体；压缩机的压缩过程为等熵压缩；制冷工质的冷凝温度等于冷却介质的温度；制冷工质的蒸发温度等于被冷却物体的温度；系统管路中无任何损失，压力降仅在节流膨胀过程中产生。

2.2蒸气压缩式制冷循环及热力计算单级蒸气压缩式制冷理论循环T-s图和lgp-h图3）热力计算热力计算的主要内容有：单位质量制冷量、单位容积制冷量、单位功、冷凝器单位热负荷、制冷系数和制冷效率等。

2.2蒸气压缩式制冷循环及热力计算（1）单位质量制冷量表示每kg制冷剂在蒸发器内完成一次循环所制取的制冷量，等于制冷剂进出蒸发器时的焓差。（2）单位容积制冷量表示压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气（按吸气状态计）所制取的冷量。（3）质量流量和体积流量2.2蒸气压缩式制冷循环及热力计算（4）单位功压缩机压缩并输送1kg制冷剂所消耗的功，称为单位功，用

表示。（5）冷凝器单位热负荷表示1kg制冷剂在冷凝器中放给冷却介质的热量，可用制冷剂进出冷凝器的焓差表示。（6）制冷系数表示制冷循环的单位制冷量与单位功之比

。（7）制冷效率图中表示的理论循环仍是一个不可逆循环，它在制冷剂的节流过程中仍存在不可逆损失，其不可逆程度用制冷效率表示。2.2蒸气压缩式制冷循环及热力计算普通制冷范围内，制冷循环的冷凝压力远离临界压力称之为亚临界循环。低温制冷剂的制冷循环压缩机的排气压力位于制冷剂的临界压力之上，而蒸发压力位于临界压力之下，这种循环称为跨临界循环或超临界循环。2.3跨临界制冷循环1、跨临界CO2制冷循环基本流程CO2为制冷剂的空气源热泵及热水器就采用跨临界循环。CO2跨临界制冷循环仍属于蒸气压缩式制冷范畴。在蒸发器中换热过程是靠液体蒸发完成，压缩机的排气压力高于临界压力，冷凝器的换热过程在超临界区定压换热，依靠显热换热，所以冷凝器称为气体冷却器。2.3跨临界制冷循环（1）制冷剂优点（2）跨临界CO2制冷循环的能效较高（3）跨临界CO2制冷循环具有更佳排气压力（4）跨临界CO2制冷循环可以调热泵的效率2、跨临界CO2制冷循环的特点CO2跨临界制冷循环的热力计算CO2跨临界制冷循环的热力计算与常规亚临界循环的完全相同。2.4制冷剂及载冷剂

制冷剂是制冷循环中能够循环变化和发挥其冷却作用的工作介质。

载冷剂是在封闭系统里循环，把冷量输送到需要降温位置的工作介质。1、制冷剂制冷工质：制冷机中的工作介质，它在制冷机系统中循环流动，通过自身热力状态的变化与外界发生能量交换，从而实现制冷的目的。1）制冷剂的基本要求（1）热力学性质2.4制冷剂及载冷剂③单位容积制冷能力大。

④临界温度高：制冷剂的临界温度高，便于用一般冷却水或空气进行冷凝。此外，制冷循环的工作区越远离临界点，制冷循环一般越接近逆卡诺循环，节流损失小，制冷系数较高。①制冷效率：理论循环制冷系数与无传热温差的逆卡诺循环制冷系数之比

。不同制冷剂节流损失和过热损失的大小不同。

②压力适中：制冷剂是在大气压力下沸点较低的物质。同时，常温下制冷剂的冷凝压力也不应过高。一般不要超过2MPa。①与润滑油的互溶性②导热系数、放热系数高③密度、黏度小④相容性好（2）物理化学的性质2.4制冷剂及载冷剂制冷剂R11R22R32R123ODP1.00.03400.012GWP46001700550120制冷剂对人的生命和健康应无危害，不具有毒性、窒息性和刺激性。不燃烧不爆炸；制冷剂应易于购买，且价廉；对环境无害。（4）其他（3）环境友好性能对臭氧层的破坏作用用ODP，消耗臭氧层潜值。是一个相对值，规定R11的ODP=1，其他制冷剂为相对值。温室效应影响指标GWP，全球变暖潜能值。也是相对值，以CO2的GWP=1其他制冷剂为相对值。2）安全标准和分类命名制冷剂的安全性分类包括毒性和可燃性。（1）安全性分类2.4制冷剂及载冷剂目前使用的制冷剂有很多种，归纳起来可分四类，即无机化合物、烃类、氟利昂、混合溶液。为了书写方便，国际上统一规定用字母“R”和它后面的一组数字或字母作为制冷工质的简写符号。字母“R”表示制冷工质的一般前缀符号，后面的数字或字母则根据制冷工质的分子组成按一定的规则编写。（2）分类命名2、润滑油对于制冷压缩机而言，润滑油对保证制冷压缩机的运行可靠性和使用寿命起着重要作用，其作用主要表现以下三个方面：1）减少摩擦2）带走摩擦热3）减少泄漏2.4制冷剂及载冷剂3、载冷剂制冷装置间接冷却被冷却物体，或者将制冷装置产生的冷量远距离输送，此时用到的中间介质，在蒸发器内冷却降温，再到被冷却物体去冷却，中间物质称为载冷剂。冷水机组与空调机组间2.4制冷剂及载冷剂1）对载冷剂的要求在使用温度范围内不凝固，不气化无毒，化学稳定性好，对金属不腐蚀比热大密度小，黏度小导热系数大来源充裕，价格低廉（1）水水可用来作为蒸发温度高于0℃的制冷装置中的载冷剂。由于水价格低廉，易于获得，传热性能较好，因此在空调装置