制冷技术教材

1、第4章 制冷技术1 制冷基本原理v制冷的方法有液体汽化制冷、汽体膨胀制冷、涡流管制冷及电热制冷等，其中液体汽化制冷应用最广。v一、制冷基本原理v液体汽化制冷是利用液体汽化时的吸热、冷凝时的放热效应来实现制冷的。液体汽化形成蒸汽。当液体（制冷工质）处在密闭的容器中时，此容器中除了液体及液体本身所产生的蒸汽外，不存在其他任何气体，液体和蒸汽将在某一压力下达到平衡，此时的汽体称为饱和蒸汽，压力称为饱和压力，温度称为饱和温度。平衡时液体不再汽化，这时如果将一部分蒸汽从容器中抽走，液体必然要继续汽化产生一部分蒸汽来维持这一平衡。 v液体汽化时要吸收热量，此热量称为汽化潜热。汽化潜热来自被冷却对象，使被冷

2、却对象变冷。为了使这一过程连续进行，就必须从容器中不断地抽走蒸汽，并使其凝结成液体后再回到容器中去。从容器中抽出的蒸汽如直接冷凝成蒸汽，则所需冷却介质的温度比液体的蒸发温度还要低，我们希望蒸汽的冷凝是在常温下进行，因此需要将蒸汽的压力提高到常温下的饱和压力。v制冷工质将在低温、低压下蒸发，产生冷效应；并在常温、高压下冷凝，向周围环境或冷却介质放出热量。蒸汽在常温、高压下冷凝后变为高压液体，还需要将其压力降低到蒸发压力后才能进入容器。v液体汽化制冷循环是由工质汽化、蒸汽升压、高压蒸汽冷凝、高压液体降压四个过程组成。 压焓图为一热力状态图。图中纵坐标表示绝对压力的对数lnp，横坐标表示焓值h。Ln

3、phtSPk= 0= 1hLnph12342压焓图压焓图LnphtSPk=0=1h二、压焓图二、压焓图v图中临界点k左边的粗实线为饱和液体线，线上的任何一点代表一个饱和液体状态，干度x=0；v右边的粗实线为干饱和蒸汽线，线上任何一点代表一个饱和蒸汽状态，干度x=1。LnphtSPk= 0= 1h这两条曲线将图形分为三个区域：饱和液体线的左边是过冷液体区，该区域的液体称为过冷液体，过冷液体的温度低于同一压力下饱和液体的温度；干饱和线的右边是过热蒸汽区，该区域内的蒸汽称为过热蒸汽，过热蒸汽的温度高于同一压力下饱和蒸汽的温度；两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区域处于汽、液混合状态（湿蒸汽状态）。

4、v图中共有六种等参数线簇：v等压线p水平线；v等焓线h铅垂线；v等温线t液态区几乎为铅垂线。两相区内由于制冷剂的状态变化是在等压等温下进行，与等压线重合，为水平线。过热蒸汽区为向右下方弯曲的倾斜线；v等熵线s向右上方倾斜的实线；v等容线v向右上方倾斜的虚线，但比等熵线平坦v等干度线x只存在于湿蒸汽区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸汽线相近，视干度大小而定。L n phtSPk= 0= 1hv对于理论循环，离开蒸发器、进入压缩机的制冷剂蒸汽是处于蒸发压力下的饱和蒸汽；离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是冷凝压力下的饱和液体；v等熵过程：制冷剂在压缩机中压缩是等熵过程；v等压过程：制冷剂在冷却及冷凝

5、过程为等压过程v等焓过程：制冷剂通过膨胀阀节流时，节流前后焓值相等：v等温过程：制冷剂在蒸发器和冷凝器中没压力损失。v点2表示表示制冷剂出压缩机、进入冷凝器时的状态。过程线1-2表示制冷剂蒸汽在压缩机中的等熵压缩过程（s1=s2），压力由蒸发压力p0压缩到冷凝压力pk。等熵线与于压力为冷凝压力pk等压线的交点为2点。压缩过程中外界对制冷剂作功，使制冷剂温度增加，2点处于过热蒸汽状态。LnphtSPk=0=1hLnph12342v点1表示制冷剂出蒸发器、进入压缩机时的状态。对应于蒸发温度t0的饱和蒸汽。根据压力和饱和温度的关系，该点应处于与蒸发压力p0相对应的等压线与饱和蒸汽线（x=0）的交点上

6、。点3表示制冷剂出冷凝器、进膨胀阀的状态，位于与冷凝温度tk相对应的饱和液体线上。v过程2-2-3表示制冷剂蒸汽在冷凝器中冷却（2-2）和冷凝（2-3）的过程。由于这个过程是在冷凝压力pk不变的情况下进行的，为等压过程。进入冷凝器的过热蒸汽首先将一部分热量放给外界冷却介质，在等压下变成饱和蒸汽（点2），然后再在等压、等温下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体（点3）。压力为pk的等压线与干度x=0的饱和液体线的交点即为点3的状态。L n phtSPk= 0= 1hL n ph12342 点4表示制冷剂出节流阀、进蒸发器的状态。过程线3-4表示制冷剂通过节流阀的节流过程。在这一过程中，制冷剂的压

7、力由冷凝压力pk降低到蒸发压力p0，温度由冷凝温度tk降低到蒸发温度t0，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，过程3-4为等焓过程。v由点3作等焓线与等压线p0的交点即为点4的状态，由于节流过程是不可逆的，所以用一虚线表示。 L n phtSPk= 0= 1hL n ph12342 v过程4-1表示制冷剂在蒸发器中的汽化过程。这一过程是在等温、等压（温度为t0、压力为p0）下进行的，液体制冷剂吸收被冷却对象的热量而不断汽化，其状态沿等压线p0向干度增大的方向变化，直到全部变为饱和蒸汽为止。制冷剂的状态又变回到进入压缩机前的状态点1，完成了一个完整的循环。L n phtSPk= 0= 1

8、hL n ph12342 2 2 蒸气压缩式制冷系统的构成蒸气压缩式制冷系统的构成压缩机压缩机热交换设备热交换设备节流机构节流机构管道管道各种控制阀各种控制阀辅助部件辅助部件膨胀阀3冷凝器水2压缩机等熵等压、等温等焓4蒸发器冷媒1蒸气压缩式制蒸气压缩式制冷系统的构成冷系统的构成v单级蒸汽压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成，用管道连接成一封闭系统， 制冷剂在系统中循环流动。v制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量并沸腾汽化成蒸汽，与之相对应的压力P0称为蒸发压力，温度t0称为蒸发温度；压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸汽并将其压缩到冷凝压力Pk，然后送往冷凝器，蒸汽压缩式制冷系统图在

9、冷凝压力下冷凝成液体，并将放出的热量传给了冷却介质（水或空气）。一、蒸气压缩式制冷系统的组成一、蒸气压缩式制冷系统的组成膨 胀 阀3冷 凝 器水2压 缩 机等熵等 压 、 等 温等焓4蒸 发 器冷媒1压缩式制冷系统的心脏压缩式制冷系统的心脏主机主机有用能的输入有用能的输入制冷剂在系统中的循环流动制冷剂在系统中的循环流动整机性能整机性能可靠性可靠性寿命寿命噪声噪声1.压缩机压缩机v与冷凝压力相对应的温度tk称为冷凝温度，tk一定要高于冷却介质的温度；冷凝后的高压液体通过膨胀阀或节流元件使其压力从冷凝压力pk降低到蒸发压力p0，使部分液体汽化，剩余液体温度降至t0；离开膨胀阀的制冷剂变为温度为t0

10、的汽液混合物。混合物中的液体在蒸发器中从被冷却对象中吸收他所需要的蒸发热，使被冷却对象冷却；混合物中的蒸汽通常称为闪发蒸汽，不起吸热作用。在整个循环过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸汽和造成蒸发器中低压的作用，推动系统循环，是整个系统的心脏；节流阀对制冷剂起着节流降压的作用，并用作调节进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，制冷剂从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量在冷凝器中一起被冷却介质带走。 冷媒进冷媒出蒸发器放空气冷凝器放油水3总调节站贮氨器膨胀阀氨液分离器4均压管分油器压缩机21水蒸汽

11、压缩式制冷系统根据热力学第二定律，压缩机消耗的功起了补偿作用，使制冷剂不断从低温热源吸取热量，并不断向高温热源放出热量，从而完成整个制冷循环。 活塞式压缩机活塞式压缩机 机体（曲轴箱）机体（曲轴箱）气缸气缸活塞活塞吸、排气阀吸、排气阀曲轴连杆机构曲轴连杆机构组成组成活塞式压缩机有以下特点：活塞式压缩机有以下特点：作往复运动，转速不宜太高作往复运动，转速不宜太高气缸工作腔有余隙容积气缸工作腔有余隙容积气缸工作腔必须设置吸、排气阀，气缸工作腔必须设置吸、排气阀，使吸、排气过程产生阻力损失使吸、排气过程产生阻力损失结构复杂，零部件多结构复杂，零部件多。往复式压缩机不允许吸气带液往复式压缩机不允许吸气

12、带液2.热交换设备热交换设备 制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器，制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器，它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备设备 1） 冷凝器冷凝器 用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量及压缩后增加的热焓排放到高温热源。及压缩后增加的热焓排放到高温热源。冷凝器按冷却方式冷凝器按冷却方式空气冷却式冷凝器中空气冷却式冷凝器中根据管外空气流动方式根据管外空气流动方式空气冷却式空气冷却式水冷式水冷式蒸发冷却式蒸发冷却式自然对流空气冷自然对流空气冷却式冷凝器却式冷凝器强制对流空气冷强制对流空

13、气冷却式冷凝器却式冷凝器自然对流空气冷却式冷凝器自然对流空气冷却式冷凝器1-肋片肋片 2-传热管传热管 3-上封板上封板 4-左端板左端板 5-进气集管进气集管6-弯头弯头7-出液集管出液集管 8-下封板下封板 9-前封板前封板10-通风机通风机 11-装配螺钉装配螺钉空气强制对流冷凝器空气强制对流冷凝器氨卧式壳管式冷凝器氨卧式壳管式冷凝器氟利昂套管式冷凝器氟利昂套管式冷凝器2）蒸发器）蒸发器 蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介质（水或空气）的热量，达到制冷的目的。质（水或空气）的热量，达到制

14、冷的目的。 冷却空气的蒸发器冷却空气的蒸发器空气自然对流时空气自然对流时多采用光盘管结构多采用光盘管结构空气强制对流时空气强制对流时采用翅片管结构采用翅片管结构壳管式壳管式沉没式沉没式 冷却液体（水或其它液冷却液体（水或其它液体载冷剂）的蒸发器体载冷剂）的蒸发器卧式满液式蒸发器结构卧式满液式蒸发器结构干式壳管蒸发器干式壳管蒸发器空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式a) 蒸发器蒸发器 b) 绕片管绕片管 c) 套片管套片管1-传热管传热管 2-肋片肋片 3-挡板挡板 4-通风机通风机 5-集气管集气管 6-分液器分液器 3.节流机构节流机构 节流机构是实现制冷循环

15、系统必须节流机构是实现制冷循环系统必须的四个基本组成部件之一，安装在冷的四个基本组成部件之一，安装在冷凝器与蒸发器之间。作用为：凝器与蒸发器之间。作用为：对制冷剂的流动起调节作用，使来自冷凝对制冷剂的流动起调节作用，使来自冷凝器的高压液态制冷剂压力降低器的高压液态制冷剂压力降低控制进入蒸发器的制冷剂质流率控制进入蒸发器的制冷剂质流率1） 毛细管毛细管 毛细管用在小型而且不需要精确调毛细管用在小型而且不需要精确调节流量的制冷装置。节流量的制冷装置。家用冰箱家用冰箱冷柜冷柜房间空调器房间空调器 简单简单 便宜便宜 便于大批量生产便于大批量生产应用应用特点特点 2） 手动膨胀阀手动膨胀阀 通常与其它

16、控制元件配合使用，一般只在通常与其它控制元件配合使用，一般只在短时期内使用，例如在冷冻初期辅助送液，或短时期内使用，例如在冷冻初期辅助送液，或者在自动膨胀阀出故障时作为旁路备用阀。者在自动膨胀阀出故障时作为旁路备用阀。 3） 定压膨胀阀定压膨胀阀 从保持蒸发压力恒定为目的，自动调节蒸发器从保持蒸发压力恒定为目的，自动调节蒸发器供液量。其结构原理是：由设定弹簧力和蒸发压力供液量。其结构原理是：由设定弹簧力和蒸发压力产生的流体压力之差提供阀打开方向的驱动力。当产生的流体压力之差提供阀打开方向的驱动力。当蒸发压力降低时，阀开大，供液量增多，以补偿蒸蒸发压力降低时，阀开大，供液量增多，以补偿蒸发压力的

17、下降；当蒸发压力升高时，阀关小，供液发压力的下降；当蒸发压力升高时，阀关小，供液量减少，抑制蒸发压力上升。量减少，抑制蒸发压力上升。4） 浮球阀浮球阀 用液位控制供液量。以浮球用液位控制供液量。以浮球杠杆机构产杠杆机构产生阀动作的驱动力。根据制冷机的情况，又分生阀动作的驱动力。根据制冷机的情况，又分两种。对于制冷剂液体主要在高压侧（冷凝器两种。对于制冷剂液体主要在高压侧（冷凝器或高压贮液器）的制冷机，采用高压浮球阀。或高压贮液器）的制冷机，采用高压浮球阀。它的浮球感受冷凝器或高压贮液器的液位。它的浮球感受冷凝器或高压贮液器的液位。 当液位升高时，阀开大，增大蒸发器供液量；当液位升高时，阀开大，

18、增大蒸发器供液量；当液位降低时，阀关小，减少供液量。当液位降低时，阀关小，减少供液量。4.管道管道 用管道将制冷机各组成部件连接成一个完整的用管道将制冷机各组成部件连接成一个完整的制冷系统，使制冷剂在封闭的系统中循环。制冷剂制冷系统，使制冷剂在封闭的系统中循环。制冷剂管道应考虑的问题：管道应考虑的问题：管道的材质应与制冷剂相容管道的材质应与制冷剂相容管道与管道、管道与设备连接处必须可靠密封，采用管道与管道、管道与设备连接处必须可靠密封，采用焊接或可拆连接（法兰或螺丝连接）焊接或可拆连接（法兰或螺丝连接）连接处采用密封材料时，密封材料也必须与制冷剂相连接处采用密封材料时，密封材料也必须与制冷剂相

19、容管道与外界环境接触，将与管内制冷剂发生热交换容管道与外界环境接触，将与管内制冷剂发生热交换制冷剂在管道中流动会产生管道压降制冷剂在管道中流动会产生管道压降5.其它部件其它部件四个主要部件四个主要部件压缩机压缩机冷凝器冷凝器节流件节流件蒸发器蒸发器不可缺少不可缺少管道管道附加附加净化净化贮集贮集分离设备分离设备v过滤器过滤器 v干燥器干燥器v贮液器贮液器 v集油器集油器 v油分离器油分离器v空气分离器空气分离器v一、制冷剂的选用原则一、制冷剂的选用原则v v 只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的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。物质才有可能作为制冷剂使用。 1.1

20、.制冷剂热力学性质制冷剂热力学性质 (1) (1) 工作温度范围内有合适的压力和压力比。工作温度范围内有合适的压力和压力比。 (2) (2) 单位制冷量单位制冷量q q0 0和单位容积制冷量和单位容积制冷量q qv v较大。较大。(3) (3) 比功比功w w和单位容积压缩功和单位容积压缩功w wv v小，循环效率高。小，循环效率高。 蒸发压力蒸发压力大气压力大气压力冷凝压力不要过高冷凝压力不要过高冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大 (4) (4) 等熵压缩终了温度等熵压缩终了温度t t2 2不能太高，以免润滑条件恶化不能太高，以免润滑条件恶化或制冷剂自身在高温下分解

21、。或制冷剂自身在高温下分解。2.2.物理化学性质方面物理化学性质方面 (3) (3) 无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。 (4) (4) 化学稳定性和热稳定性好。化学稳定性和热稳定性好。 (5) (5) 对大气环境无破坏作用。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。原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。 (1) (1) 粘度、密度尽量小。粘度、密度尽量小。 (2)(2) 导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。 二、制冷剂二、制冷剂制冷剂按其化学组成主要有三类制冷剂按其化学组成主要有三类 无机物无机物

22、 氟里昂氟里昂 碳氢化合物碳氢化合物 字母字母“R”R”和它后面的一组数字或字和它后面的一组数字或字母母 表示制冷剂表示制冷剂 根据制冷剂分子组成按一定规则编写根据制冷剂分子组成按一定规则编写 1.1.无机化合物无机化合物 2.2.氟里昂和烷烃类氟里昂和烷烃类 简写符号规定为简写符号规定为R7( )( )R7( )( )括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分。括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分。简写符号规定为简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)B(z) R(m-1)(n+1)(x)B(z) 数值为零时省略不写，同分异构体则在其最后加小数值为零时省略不写，同分异构体则在其最后加

23、小写英文字母以示区别。写英文字母以示区别。编写规则编写规则制冷剂的简写符号制冷剂的简写符号三、制冷剂的物理化学性质及其应用三、制冷剂的物理化学性质及其应用1.1.安全性安全性(1) (1) 毒性毒性 虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或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。火焰作用下会分解出极毒的光气。 (2) (2) 燃烧性和爆炸性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。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。值相同，则范围越宽越易燃

24、。2.2.热稳定性热稳定性 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。有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解。 爆炸极限爆炸极限“冰堵现象冰堵现象” ” 当温度降到当温度降到00以下时，水结成冰而堵塞节流阀或以下时，水结成冰而堵塞节流阀或毛细管的通道形成毛细管的通道形成“冰堵冰堵”，致使制冷机不能正常工，致使制冷机不能正常工作。作。 泄漏性泄漏性氨有强烈臭气，靠嗅觉易判是否泄漏。易溶于水，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故不用肥皂水检漏，用

25、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氟利昂无色无臭，卤素喷灯和电子检漏仪检漏 沸点沸点-33.3-33.3，凝固点，凝固点-77.9-77.9 单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小 毒性较大，有一定的可燃性毒性较大，有一定的可燃性 氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味氨蒸气无色，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以任意比与水互

26、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可能爆炸系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气可能爆炸 氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出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在氨制冷机中不用铜和铜合金材料( (磷青铜除外磷青铜除外) ) 四、常用制冷剂四、常用制冷剂1.1.无机物无机物氨氨2.2.氟利昂氟利昂 (1) R12 (1) R12（二氟二氯甲烷（二氟二氯甲烷 CFCF2 2ClCl2 2）沸点沸点-29.8-29.8，凝固点，凝固点-158-158。 无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。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，一般规定不得超过系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过0.001% 0.001% 常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶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不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过2%2%铝镁合金。铝镁合金。 (2) R134a(2) R134a（四氟乙烷（四氟乙烷 CHCH2 2FCFFCF3 3）毒性低，不可燃，安全。毒性低，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。与矿物润滑油不