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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、低温制冷与超低温制冷。

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；

体育馆、大会堂、宾馆等公共建筑和小汽车、飞机、大型客车等交通工具也都需有舒适的空调系统。

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、冷藏售货柜台等。

３、机械与电子工业

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。

对钢进行低温处理可改善钢的性能，提高钢的硬度和强度，延长工件的使用寿命。

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。

４、医疗卫生事业

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。

５、国防工业和现代科学

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，火箭、航天器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。

人工降雨也需要制冷。

６、家用冰箱及空调等日常生活方面也是制冷技术的应用。

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。

一、温度温度是描述热力系统冷热状态的物理量，是标志物体冷热程度的参数。

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XX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）。

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）

二、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。

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。

三、比容比容是指单位质量工质所占有的容积，用符号υ表示。

比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。

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。

比容和密度之间互为倒数关系。

四、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。

五、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[wqp1][wqp2]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。

六、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。

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

（一）循环热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。

为了持续不断地将热转换为功,工程上是通过热机来实现的。

但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。

为了能重复地进行膨胀，工质在每次膨胀之后必须进行压缩，以便使其回到初态。

我们把工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循环”。

循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。

如下图所示：

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：

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：

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：

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。

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，液态的物体叫液体，气态的物体叫气体。

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。

1.1. 

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。

⑤等比容线υ：

在湿蒸汽区和过热蒸汽图2—3压—焓图

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?

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。

第三章制冷剂与载冷剂

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。

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为烷烃的卤代物，