大学课件《空气调节用制冷技术（第五版）》全章节

“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材

高校建筑环境与能源应用工程学科专业指导委员会规划推荐教材

空气调节用制冷技术

（第五版）

RefrigerationTechnologyforAirConditioning

石文星田长青王宝龙编著

中阳山统工叱底板社

CHINAARCHITECTURE&BUILDINGPRESS

第一章蒸气压缩式制冷的热力学原理

7Y

兀'

图1-1液体气化制冷原理图图1-2逆卡诺循环

第一节理想制冷循环

一、逆卡诺循环

卡诺循环（CarnotCycle）是在两个温度不相同的定温热源之间进行的理想热力循环。

图1-2所示的i2f3f4fl是逆卡诺循环（ReverseCarnotCycle）,也是理想循环。

%=%+>(1-1)

「一q。(1-2)

于

Z卬=叱,—吗=（£’一甯）G"一.）

qo=1；（S"-Sb）

£二工(1-3)

c

叫GF?

闻—戛

初（看-"）2

因此

热泵的经济性用供热系数〃表示，供热系数为单位耗功量所获取的热量，即

(1-4)

二、劳仑兹循环

劳仑兹循环（LorenzCycle）是由两个等燧绝热过程和两个可逆多变过程组成的理想制

冷循环。

从冷源（被冷却物）吸收的热量

向热源（冷却剂）放出的热量

%=—11如=T：m（Sb-Sc）

劳仑兹循环的制冷系数

(1-5)

LW%一%九一几

(l-3a)

£二兀

或(l-5a)

1几一几

第二节蒸气压缩式制冷的理论循环

一、蒸气压缩式制冷的理论循环

实际采用的蒸气压缩式制冷的理论循环是由两个等压过程、一个绝热压缩过程和一个绝

热节流过程组成，如图1-4所示。它与理想制冷循环相比，有以下三个特点：

(1)用膨胀阀代替膨胀机；

(2)蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行；

(3)两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差。

图1-4蒸气压缩式制冷的理论循环

(a)工作过程；(b)理论循环

二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算

(一)压焰图的应用

图1-5压焰图图1-6蒸气压缩式制冷理论循环

图1-6是压熔图上表示的蒸气压缩式制冷的理论循环。

%=九一4kJ/kg(1-6)

qk=饱一4kJ/kg(1-7)

wc=hy-l^kJ/kg(1-8)

%=kJ/kg(1-9)

叫=/一％kJ/kg(l-8a)

(二)蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算

单位容积制冷能力是指压缩机吸入InP制冷剂所产生的冷量：

kJ/m3(1-10)

v,v,

M,.=%■kg/s(1-11)

q。

K=m3/s(1-12)

q、,

(/)k=Mrqk=Mr(h2-h3)kW(1-13)

&=M「乂=M「(h2-％)kW(1-14)

制冷效率,/R是理论循环制冷系数碗与考虑了传热温差的理想制冷循环的制冷系数

久(£,7；))或之比，即

(1-16)

用板可以评价一个制冷循环与工作温度完全相同的理想制冷循环的接近程度；还可以

评价制冷剂热力性能对制冷系数的影响程度。

对于采用蒸气压缩式制冷循环进行供热的热泵系统而言，热泵循环的理论供热系数阿

(通常称为热泵的性能系数)是指单位理论耗功率的供热量，即

„一%一%“一4

(l-4a)

"1P*wc区-4

可也简化为

〃山=1+4,(l-4b)

图1-7例题1-1图图1-8例题1-3图

第三节蒸气压缩式制冷循环的改善

一、膨胀阀前液态制冷剂再冷却

为了使膨胀阀前液态制冷剂得到再冷却，可以采用再冷却器或回热循环。

(一)设置再冷却器

图1-9(a)为具有再冷却器的单级蒸气压缩式制冷的工作流程。图1-9(b)的3—3,就

是高压液态制冷剂再冷却过程线，其所达到的温度7；.c称为再冷温度，冷凝温度几与它的差

值/做称为再冷度。

(b)

图1-9具有再冷却器的蒸气压缩式制冷循环

(a)工作流程；(b)理论循环

(二)蒸气回热循环

图1-10回热式蒸气压缩式制冷循环

(a)工作流程；(b)理论循环

二、回收膨胀功

单位质量制冷能力增大

压缩机理论耗功率减小叱,,=吗-吗＜叱.

理论制冷系数提高Sllle=纽=%+皈＞£„,

WW

叱Ze-e

(a)(b)

图1-11采用膨胀机的蒸气压缩式制冷循环

(a)工作过程；(b)理论循环

三、多级压缩制冷循环

多级压缩制冷循环常采用闪发蒸气分离器和中间冷却器两种形式。

图1-12多级压缩制冷循环

(一)双级压缩制冷循环

1.采用中间冷却器的双级压缩制冷循环

高压级压缩机低压级压缩机

冷

却冷

水水

7膨胀阀②

图1-13一次节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环

(a)工作流程；(b)理论循环

高压级压缩机低压级压缩机lgP

图1-14带回热器的一次节流不完全中间冷却的双级压缩制冷循环

(a)工作流程；(b)理论循环

2.采用闪发蒸汽分离器的双级压缩制冷循环

(a)(b)

图1-15带闪发蒸气分离器的双级压缩制冷循环

(a)工作流程；(b)理论循环

(二)双级压缩制冷循环的热力计算

1.双级蒸气压缩制冷的中间压力

(1-17)

2.关于制冷剂质量流量

Mri=(1-18)

4—4

4)+(%-4)=MM4(1-19)

他一Mrl一砧

3)+7)

电一〃仇一。%

也2(1-20)

为一〃6

M=M^M11国―。）M『置M”

rrr2小一儿

(1-21)

h-,—hj,..

-------=-----------kg/s

(4-砧(…产

M

%=乩+----—(/?,-/<)(1-22)

用“+%2-

1+上当必=——比4——4

M,=Mr^Mr2(1-23)

I%-儿)(居-4)(4-4)

四、复叠式制冷循环

复叠式制冷循环有两种类型，其一是由中温制冷剂和低温制冷剂两套独立制冷循环嵌套

而成的双系统复叠式制冷循环（RefrigerationCascadesystem,简称复叠式制冷循环），另一

类则是采用非共沸混合制冷剂的单系统内复叠制冷循环（Aulo-RefrigerationCascade

system）o图1-16（a）是（双系统）复叠式蒸气压缩制冷的工作流程图。

高温级R22低温级R23Igp

-

2,A/4

蒸4=-25。。

发

$蒸

冷Pk

冷

发

凝pj

器

»凝

fo'=-30°C

器器

/：/0=-80℃//

高温级节流阀低温级节流阀的/4----一"ri

/卜23

8

(a)（b）

图1-16复叠式蒸气压缩制冷循环

（a）工作过程：（b）理论循环的lgp-〃图

内复叠制冷循环系统是一种采用多元非共沸混合制冷剂（如R134a/R23等）的制冷系统,

如图1/7所示「

Y

s

\

图1-17内复叠制冷循环系统原理图

A-压缩机；B-冷凝器；C1-高沸点制冷剂贮液器；C2-低沸点制冷剂贮液器;

D-气液分离器；E-蒸发冷凝器：F-蒸发器；G-回热器；JI、J2-节流装置

121彦启森主编.制冷技术及其应用[M],北京：中国建筑工业出版社，2006.

第四节跨临界制冷循环

对于高温与中温制冷剂，在普通制冷范围内，由于制冷循环的冷凝压力远离制冷剂的临

界压力，故称之为亚临界循环。亚临界循环是目前制冷、空调领域广泛应用的循环形式。然

而，一些低温制冷剂在普通制冷范围内，利用冷却水或室外空气作为冷却介质时，压缩机的

排气压力位于制冷剂临界压力之上，而蒸发压力位于临界压力之下，故将此类循环称为跨临

界循环(TranscriticalCycle)或超临界循环(SupercriticalCycle)⑶。目前出现的以CO2(R744)

为制冷剂的空气源热泵热水器就采用跨临界循环。

一、C02跨临界制冷循环

制冷剂高压端热交换器不再称为冷凝器(Condenser),而称为气体冷却器(GasCooler)。

(a)(b)

图1一18简单单级CO?跨临界制冷循环

(a)工作流程；(b)理论循环

q产加一%kJ/kg(16。)

wc=:-4kJ/kg(1-80

%=饱一%kJ/kg(1-70

勿=为kJ/kg(1-99

%=纵一%kJ/kg

一生一,一%

(1-159

上儿一儿

当蒸发温度如气体冷却器出口温度必保持恒定时，随着高压侧压力〃(或压缩比pdp\)

的升高，单位质量耗功量呈直线规律上升，而单位质量制冷量的上升幅度却有逐渐减小的趋

势，二者综合作用的结果使得制冷系数£山先逐渐升高再逐渐下降，在某压力心下出现最大

值fc-thm，对应于£thm的压力称之为最优高压侧压力P2opt。

141NeksaRRekstalH.ZakeriGR.CO2-heatpumpwaterheater,characteristics,systemdesignandexperimentalresults.International

JournalRefrigeration[J].1998,21(3):pl72-179.

°跨临界制冷循环与前述的常规亚临界循环的计算公式相同，为区别亚临界循环，在相同编号公式上加注

(1-24)

(l-24a)

〃2的=(2.778—0.0150兑+(0.38%-9.34)(1-25)

二、CO2跨临界循环的改善

(一)蒸气回热循环

f务

AAAA

热

回

VW^-

(a)(b)

图1-19带回热器的CO2跨临界制冷循环

(a)工作流程；(b)理论循环

=4一%=%,一八kJ/kg(1-26)

_%_4,一力4

bthre~一一：7~(l/5'a)

此"一4

(二)双级压缩回热循环

Tqk

y।------------------1气体冷却器

回热器

3

膨胀阀

图1-20带回热器的CO2跨临界双级压缩制冷循环

(a)工作流程；(b)理论循环

与单级压缩相似，中间压力取吸、排气压力的比例中项

PT=1Pi，P2

(三)用膨胀机回收膨胀功

(a)

图1-21采用膨胀机的单级CO?跨临界制冷循环

(fl)工作流程；S理论循环

采用蒸气回热、双级压缩以及用膨胀机回收膨胀功，均能有效地改善CO2跨临界制冷

循环的性能，特别是采用带膨胀机的双级压缩蒸气回热循环，系统性能将得到明显改善。

3-

凝

用

B变

原

一

块

图1-22四种CO2跨临界制冷循环的实际

制冷系数与随蒸发温度的变化关系

第五节蒸气压缩式制冷的实际循环

前面讨论了亚临界与跨临界蒸气压缩式制冷的理论循环及其性能改善途径，而理论循环

与实际循环相比，忽略了以下三方面问题：

(1)在压缩机中，气体内部、气体与气缸壁之间的摩擦，气体与外部的热交换。

(2)制冷剂流经压缩机进、排气阀时的压力损失。

(3)制冷剂流经管道、冷凝器(或气体冷却器)和蒸发器等设备时，制冷剂与管壁或

器壁之间的摩擦，以及与外部的热交换。

一、实际循环过程分析

图蒸气压缩式制冷的实际循环\gp-h图

图1-23蒸气压缩式制冷的实际循环1-24

二'实际循环的制冷性能

压缩机的实际输气量

匕.=〃Mm3/s(1-27)

理论输气量党与压缩机的结构参数和转速有关，而与制冷剂的种类和工况条件无关,

对于确定的压缩机而言，％为一定值。

==%(4_%•)kW(1-28)

吸=Mamp=F;kg/s(1-lla)

:Msremp(%-A')kW(l-14a)

p,h=wc=M

&=AkW(1-29)

亿/

式中小I一一压缩机的电效率，/尸次］几,是压缩机的理论耗功率与压缩机输入功

率%之比，因封闭式和开启式压缩机的结构不同，压缩机输入功率外所包含

的部分也不同(详见第三章)。

“=。()+%=0o+&///kW(1-30)

电一%)kW(l-13a)

“=KMA=M1r

式中任一一实际压缩过程的排气比焰值，kJ/kgo

%一人4,

=_｝向h(1-31)

Pin%—%

同理，单级热泵循环的实际供热系数热是热泵循环的制热量（即冷凝负荷）与压缩机

的输入功率之比，因Mrc=Mgmp，故

(1-32)

Pm%一%

公式（1-31）、（1-32）中的金和/也表示蒸发、冷凝压力分别为压缩机吸、排气压力，再冷

度、过热度与实际循环相同的理论循环的制冷与供热系数。

第二章制冷剂与载冷剂

第一节制冷剂

制冷剂是制冷装置中进行循环制冷的工作物质，又称为“工质”。

一、对制冷剂的基本要求

(-)热力学性质

5000

'口R32

蒸发温度：0'C

冷凝孤度：50'C

力410A用冷度：or

〈4000

7过热度：0匕

・

、

3一\DR717

7-\M)7c

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卷-(悴WR22

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注

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IIIIi1]|"广TII

-6()-40-2002040

沸点(C)

图2・1制冷剂的单位容积制冷能力与沸点的关系

(二)物理化学性质

(三)环境友好性能

反映一种制冷剂环境友好性能的参数有消耗臭氧层潜值(OzoneDepletionPotential,

ODP)、全球变暖潜值(GlobalWarmingPotential,GWP\大气寿命(排放到大气层的制冷

剂被分解一半时所需要的时间，AtmosphericLife)等。

变暖影响总当量TEWI(TotalEquivalentWarmingImpact)综合考虑了制冷剂对全球变

暖的直接效应QE和制冷机消耗能源而排放的C02对全球变暖的间接效应出31。

TEWI^DE+IE(2-1)

其中，DE^GWP-(L-N+Ma)

IE=NEb

综合考虑制冷剂的OOP、GWP和大气寿命，当其排放到大气层后对环境的影响符合国

际认可条件时，则认为是环境友好制冷剂。评价制冷机使用制冷剂的环境友好性能时，国际

认可的条件如下⑻⑼：

LCGWP+LCODPxlO^100(2-2)

⑶日本冷;束空调学会编.上级用票型亍牛入卜•冷;束空飘技衙(冷藻编)[M],社13法人日本冷;束空^学会.2000年7月.

/GB/T7778-2008,制冷剂编号方法和安全性分类[S].

191LEED.LEEDforNewConstructionVersion2.2,EACredit4:EnhancedRefrigerantManagement[M].October.2005.(美国绿色建筑

协会.LEED-NC标准2.2版，第四评分项《加强制冷剂管理》，2005年10月)

其中，LCGWP=tGWPr（LrxN+a）•&]/N

LCODP=[ODPr（,LrxN+a）-Rc]/N

（四）其它

制冷剂应无毒，不燃烧，不爆炸，而且，易购价廉。

二、制冷剂的编号和安全性分类

（一）制冷剂的编号方法

制冷剂采用技术性前缀符号和非技术性前缀符号（也即成分标识前缀符号）两种方式进

行命名。技术性前缀符号为“R”（制冷剂英文单词refrigeration的字头）；非技术性前缀符

号是体现制冷剂化学成分的符号，如含有碳、氟、氯、氢，则分别用C、F、Cl、H表示，

如R22用HCFC-22表示。

1.碳氢化合物与氟里昂

（1）饱和碳氢化合物及其氟利昂

对于甲烷、乙烷等饱和碳氢化合物及其卤族衍生物（即氟里昂），其原子数之间有下列

关系

2m+2-n+x+y+z

该类制冷剂编号为“RXXXBX"。第一位数字为m-l,此值为0时则省略不写；第二

位数字为n+1；第三为数字为x；第四位数字为z,如为零，则与字母“B”一同省略。

（2）其他有机化合物

2.无机化合物

对于各种无机化合物为“R7XX”系列编号。该系列编号的最后两位数为该化合物的

分子量，例如，氨（NH3）分子量为17,故编号为R717。

3.混合溶液

混合溶液又称为混合制冷剂，在400和500系列号中进行编号。

（二）安全性分类

制冷剂的安全分类表2-1

毒性AB

可燃性

较低的毒性较高的毒性

3高可燃A3B3

2可燃A2B2

2L微可燃A2LB2L

1无火焰传播A1B1

（1）毒性：根据制冷剂的职业暴露极限分为A、B两类，参见表2-2。

（2）可燃性：根据可燃下限（LFL）、燃烧热（HOC）和燃烧速度（Su）分为1、2L、

2和3四类，其分类原则如表2-3所示•

制冷剂的毒性危害程度分类表2-2

分类制冷剂的OEL注D备注

A类>400ppmGB/T7778指出：OEL是基于美国职业安全与卫生管理局（OSHA）公布的PEL注2）、美国政

府工业卫生学会（ACGIH）公布的TLV-TWA注3）、美国工业卫生协会（AIHA）公布的

B类<400ppm

WEEL注4》及其相关值确定的

制冷剂的燃烧性危害程度分类表2-3

分类分类方法

1类在10l.3kPa和60C大气中实验时，单•制冷剂或者混合制冷剂的WCF"和WCFF；；”未表现出火焰直延

2L类单一制冷剂或者混合制冷O制冷剂LFL注3)>3.5%(若制冷剂在O在lOlkPa、60℃的实验

剂的WCF和WCFF应满足23.0℃和IO1.3kPa下没有LFL,应采用条件下，制冷剂的最大

以下条件：ETFL注4》代替LFL进行实验)Su注6)qocm/s

2类无

O在101.3kPa、OHOCf,;5)<19000kJ/kg；且满足右栏条

60C的实验条件件

3类下，有火焰蔓延：O制冷剂LFLW3.5%(若制冷剂在23.0C和101.3kPa下没有LFL,应采用

且满足右栏条件ETFL代替LFL进行实验)，或者HOC219000kJ/kg

三、制冷剂的基本热力特性

制冷剂在标准大气压(即101.32kPa压力)下的饱和温度，通常称为沸点。根据沸点的

高低，可将制冷剂分为高温制冷剂、中温制冷剂和低温制冷剂；沸点大于0℃为高温制冷剂,

低于-6(TC为低温制冷剂。空气调节用制冷机中采用中温、高温制冷剂。

低温、中温与高温制冷剂(一)表2-4(a)

标准沸绝对压力(MPa)制冷排气温度

编号化学式公压缩比

点(℃)-15℃30℃(kJ/m3)系数(℃)

R744-78.402.2917.20815429.93.152.9670

co2

-48.572227.442

R125C2HF50.5361.5703.933.68

R502R22/115-45.400.3491.3192087.83.784.4337

R290C3H8-42.090.2911.0771815.13.714.7447

R22CHCIF2-40.760.2961.1922099.04.034.7553

R717NH,-33.300.2361.1642158.74.944.8498

R12CC12F2-29.790.1830.7541275.54.074.6938

R134aCF.CH2F-26.160.1600.7701231.34.814.4243

R124CHCIFCF3-13.190.0900.440695.04.894.4728

R600ac4HHi-11.730.0890.407652.44.604.5545

R600CM。-0.500.0560.283439.75.054.6845

RllCC13F23.820.0200.126204.56.245.0940

R123CHCbCF?27.870.0160.110160.75.504.3628

R718HQ100.00

注：蒸发温度-15'C,无过热，冷凝温度30℃,无再冷•

低温、中温与高温制冷剂(二)表2-4(b)

凝固温临界温标准沸饱和压力(MPa)

编号化学式分子量名，

度(℃)度(℃)点(七)4℃46℃(kJ/m3)

RI4

CF488.01-184.9-45.7-127.90

R23CHF,70.02-15525.6-82.102.7815

R13COF3104.47-18128.8-81.402.179

R744co,44.01-56.631.1-78.403.8686

R32CH2F252.02-13678.4-51.800.922142.86205746.1

R125C2HF5120.03-103.1566.3-48.570.760982.31683393.3

R502R22/115111.6382.2-45.400.647861.92313377.9

R290C3H844.10-187.796.7-42.090.534981.56872946.9

R22CHCIF286.48-16096.0-40.760.566221.77093577.3

17.03

R717NH3-77.7133.0-33.300.497491.83084154.1

R12CC1.F,120.93-158112.0-29.790.350821.10852208.3

1.1901

RI34aCF3CH2F102.03-96.60101.1-26.160.337552243.9

R152aCHF.CH366.15-117113.5-25.000.304251.06462170.8

R124CHC!FCF3136.47-199.15122.5-13.190.189480.69941325.5

R600ac4Hm58.13-160135.0-11.730.179940.61951201.7

R76464.07-10.00

so2-75.5157.5

RI42bCC1F,CH3100.50-131137.1-9.800.169300.61821270.4

R600CM。58.13-138.5152.0-0.500.120030.4469884.4

RI23CHC12CF3152.93-107.15183.7927.870.039120.1876364.4

R718HQ18.020373.99100.000.000810.010314.7

注：蒸发温度4℃,无过热，冷凝温度46℃,无再冷。

常用制冷剂的热力性质表2-5

类别无机物卤代堤(氟里昂)非共沸混合溶液

制冷剂

编号R717R123RI34aR22R32R4O7CR410A

R32/125/134aR32/125

化学式NHCHCICFCF3cHJ；CHC1F,CHF

323,2(23/25/52)(50/50)

分子量17.03152.93102.0386.4852.0295.0386.03

泡点:-43.77泡点:-51.56

标准沸点(C)-33.327.87-26.16-40.76-51.8

露点:-36.70露点：-51.50

凝固点(C)-77.7-107.15-96.6-160.0-136.0——

临界温度(C)133.0183.79101.196.078.4——

临界压力(MPa)11.4173.6744.0674.9745.830——

30°。液体(kc/mb595.41450.51187.21170.7938.9泡点:II15.40泡点:1034.5

密度

(FC饱和气(ka/nP)3.45672.249614.419621.2621.96泡点:24.15泡点:30.481

30c液体

4.8431.0091.4471.282—泡点:1.564泡点:1.751

比热|kJ/(kg--C)]

(TC饱和气[kMkgJCC2.6600.6670.8830.7441.121泡点09559泡点:1.0124

0℃饱和气绝热指数(。儿.)1.4001.1041.1781.2941.753泡点:1.2526泡点:1.361

0℃比潜热/kJ/ka1261.81179.75198.68204.87316.77泡点:212.15泡点:221.80

导热O'C液体0.17580.08390.09340.09620.1474——

系数()*C饱和气

0.00909—0.011790.0095———

|W/(mK)|

黏度O'C液体(Pa-s)0.52