制冷原理通用讲解Word格式文档下载.docx
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mmHg毫米汞柱
Psi磅／寸２
１Pa帕
1
0.00001
0.0075
0.10197
0.00014
1bar巴
100000
1.01972
0.9869
750.062
10197
14.504
1kgf/cm2
98067
0.98067
0.9678
735.6
10000
14.22
1atm标准大气压
101325
1.013
1.033
760
10332
14.7
1at工程大气压
1Torr托
133.3
0.00133
0.00136
0.00132
13.6
0.01934
1mmH20毫米水柱
9.8067
0.000098
0.0001
10.0001
0.07356
0.00142
1mmHg毫米汞柱
133.322
13.5951
1Psi磅／寸２
6894.76
0.06895
0.07031
0.06805
51.7149
703.07
51.7148
1Psi=7kPa;
1bar=100kPa;
1"
水柱=0.254kPa;
1m米水柱=10kPa;
1mm毫米水柱=10Pa;
1mmHg=0.133kPa;
压力可以用压力表来检测，压力表有两种，普通压力表和真空压力表，前者属于单量程表，只能测相对正压力；
后者是双量程表，既可测正压力，也可测真空度。
但数值都是相对的，是相对标准大气压而言的，即标准大气压下压力表指向0。
另外还有专门用来测量真空度的专用真空计，也是单量程表，如果出现正压就会损坏表，所以使用时应慎重。
3．质量体积
指单位质量的物质所占的体积，用υ表示，其单位是m3/kg或L/kg。
是密度的倒数。
所以，密度越大的物质质量体积越小。
υ=1/ρ
4．热力学能、总能、焓、熵和热量
热力学能U是制冷系统内部能量的总称。
包括内动能、内位能、维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能、在电磁场作用下的电磁能。
在热力学计算时，一般由于后面几项能不变化，所以可以不予考虑，因此热力学能的变化只是内动能和内位能的变化。
根据气体分子运动学说，热力学能是热力状态的单值函数，与达到这一状态的过程无关。
1kg物质的热力学能称为比热力学能，用符号u表示，可以表达如下：
u=ƒ（T,v）或u=ƒ（T,p）,u=ƒ（p,v）
总能E是物质内部储存能和外部储存能的总和，如果用Ek表示动能，用Ep表示位能，那么，有下列公式：
E=U+Ek+Ep
在热力设备中，工质总是不断地从一处流到另一处，随着工质的移动而转移的能量不等于热力学能而等于焓，所以，在热力工程的计算中焓有更广泛的应用。
焓和熵是制冷热力学计算中经常用到的状态参数。
焓H是制冷剂能量的表征，当加热制冷剂时，其焓值增加，如压缩机活塞向制冷剂做功时，其焓值就会增加，反之制冷剂冷却时，其焓值就会减少。
焓是物体在某种状态下所具有能量的总和。
所以焓的表达式如下：
H=U+pV
从式子来看，焓是物质内能和推动功的和。
1kg的工质的焓称为比焓，用h表示，因此有
h=u+pv
可见焓也是一个状态参数。
熵S是一个导出状态参数，如果把焓看作“含热量”，熵就是表示制冷剂状态变化时其热量传递的程度，即物体增减1K时其吸收和放出热量的多少。
热量Q是不同状态之间的能量变化的反映，详见下面热力学第一定律。
热量不是状态参数，是一个过程参数。
5．热力学基本定律
热力学第一定律：
能量守恒定律。
热和功可以相互转换，但不会自生自灭。
具体表达式可以表述如下：
进入系统的能量－离开系统的能量＝系统中储存能量的增加
∆U＝U2－U1＝Q－W
可以推出如下公式：
Q＝∆U＋W
q=∆u+w
对稳流开口系q=∆h+wt
从上式可以看出，热量等于内能增加和对外作功。
也就是说，加给系统的热量，一部分用于增加工质的热力学能，储存于工质内部，余下的一部分以作功的方式传递至外界。
在状态变化的过程中，转化为机械能的部分为Q－∆U。
热量和功的转换比例按下式进行。
Q=A/4.18=0.24A（cal）
A=4.18Q（J）
功热相互转换的关系可以用功热当量来衡量，即1卡（cal）=4.18焦耳（J），反之，1焦耳（J）=0.24卡（cal）。
1卡（卡路里cal）：
1公升水温度升高1℃所吸收的热量。
大卡和千卡是一样的，均等于1000卡。
1焦耳（J）：
1牛顿力推动物体运行1米所做的功。
1英国冷吨（Btu）=1磅（Lb）水温度升高1℉所吸收的热量。
1Btu=252cal=1055.06J
1英国冷冻吨（Rt）=把1英吨（2000磅）32℉水冷冻为32℉冰所吸出的热量。
1Rt=288,000Btu=72,576kcal
另外还有美国冷吨和日本冷吨的概念，但它们不是热量单位，而是制冷量（功率类单位），见后面内容。
热力学第二定律：
热量总是自动地从高温物体向低温物体传递。
反过来，热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。
要想使热量从低温向高温传递从而实现制冷，必须借助外力来做功，如热能或机械能。
或者可以表示为：
凡有温度差的地方都能产生动力。
热力学第三定律：
在绝对零度下任何纯粹物质完整晶体的熵等于零。
或表述为：
不可能应用有限个方法使物系的温度达到绝对零度。
6．显热、潜热和质量热容c
吸热或放热后，物体温度单纯表现为升高或降低，而没有发生物态变化，那么它所吸或放的热量称为显热。
显热可以用手感觉出来。
当物体吸热或放热时，仅使其物质分子的位能增加或减少，即使物质物态发生变化而其温度不变化，它所吸收或放出的热量称为潜热。
潜热有气化热、液化热、溶解热和凝固热。
一般来说，压力增高或蒸发温度降低均使气化潜热增大。
这就是为什么要使毛细管中的制冷剂降低温度。
表1-2不同温度下制冷剂气化潜热比较
制冷剂
R12
R22
R114
R502
-20℃的气化潜热kJ/kg
163.5
220.94
142.98
163.29
0℃的气化潜热kJ/kg
151.1
206.96
137.96
150.02
质量热容c是指1g某种物质温度升高1℃时所吸收的热量，单位J/g.℃或kJ/kg.℃。
物体吸收或释放热量的计算公式如下：
Q=cm（t2-t1）
7．物态变化与汽化、液化、沸点、临界压力和临界温度、饱和温度、饱和压力、过冷和过热
物体有三态：
固、液和气。
三态之间的变化都伴有热量转移。
气化：
液体变成气体称为气化。
水的气化又叫汽化，有两种形式，蒸发和沸腾。
蒸发是液体表面汽化的一种现象，速度很慢；
沸腾是液体表面和内部同时剧烈气化的一种现象，表现为速度很快。
沸腾是有条件的，当液体吸热温度达到一定值（沸点）时，才会沸腾，这时的温度就是沸点；
另外，当温度不变，压力降低到一定程度时液体也会产生沸腾。
这就是毛细管内的液体制冷剂为什么到蒸发器时迅速气化的原因（制冷剂在蒸发器内不是蒸发，而是沸腾，这样看来蒸发器是名不副实的，应该叫“沸腾器”）。
如，标准大气压下，水的沸点是100℃，而在5000多米高原上，80℃多一点就会水开（海拔高度每升高300m，水的沸点就会降低大约1℃）。
液化：
是气化的相反过程，在一定压力下，当温度降到一定值时，气体就会变成液体。
或当一定温度下，压力增加到一定值时，气体变成液体的现象。
但当温度高到一定值后，再高的压力也不会使气体变成液体，这就是该气体的临界温度，其压力就是临界压力。
液体沸腾时所维持不变的温度称为沸点，又称在某一压力下的饱和温度；
与之相对应的压力称为饱和压力。
过热：
是针对气体而言的，当一定压力下，制冷剂气体温度高于其所对应的饱和温度的现象。
当温度不变，压力降低也同样会产生气体过热（这里也可以大概说明压缩机进出口压力相差很大，为什么都有过热气体）。
过冷：
是针对液体而言的，当液体在一定压力下，温度低于饱和温度的情况；
或者，温度不变，压力高于对应压力也会产生液体过冷。
8．湿度和露点
湿度：
在自然界，空气中总会有一定的水蒸气，这种空气叫湿空气。
在一定温度下，空气中的水蒸气会达到最大值，这种空气称为饱和空气。
湿度有绝对湿度和相对湿度之分。
绝对湿度指1m3湿空气中所含水蒸汽的质量。
相对湿度指空气中所含水蒸汽的质量与该温度下达到饱和时的水蒸气质量之比，用百分数表示。
露点：
即露点温度。
是反映在一定压力下，空气中含有水蒸气量不变时所含水蒸汽达到饱和的温度，也就是空气开始结露的温度。
物体表面的温度只要高于露点温度就不会凝露，低于露点温度就会结露。
湿度越高，露点温度与空气温度的差值就越小。
表1-3不同湿度下的露点比较（1个大气压）
环境温度℃
各种湿度下露点℃
60%
70%
75%
80%
90%
25
16.7
19.2
20.0
21.3
23.3
32
23.2
26.3
27.0
28.0
30.0
38
28.8
31.5
32.1
34.0
36.0
根据露点这一规律，可以考虑在设计保温层厚度、玻璃门层数、除露管和除露发热丝时参考。
9．理想气体的热力过程简介
前面讲过，热力学有四种典型的基本热力过程，定容、定压、定温和绝热。
下面就这几种热力过程进行简介。
1）定容过程
v=定值
v1=v2,p2/p1=T2/T1
由于体积不变，过程功w=0，过程热量qv=u2-u1
按照热力学第一定律，如果没有能量损失，那么过程热量来源于技术功wt=v（p1-p2）
2）定压过程
p=定值
p2=p1,v2/v1=T2/T1
过程功w=p（v2-v1）,技术功为0。
3）定温过程
T=定值,按照理想气体的状态方程pv=RgT,pv=定值。
因此这是一个定热力学能和定焓的过程。
∆u=0,∆h=0
但熵是变化的，过程功和技术功均存在。
4）绝热过程
δq=0,q=0
绝热过程技术功和过程功均存在，技术功等于焓值的减少；
过程功等于内能的减少。
由q=∆u+w得出w=-∆u=u1-u2
对稳流开口系q=∆h+wt，得出wt=h1-h2
绝热膨胀时，膨胀功等于工质的热力学能降；
绝热压缩时，消耗的压缩功等于工质的热力学能增量。
二、压缩机制冷基本原理
根据制冷方式不同，制冷原理也不同，压缩机制冷是根据不同压力的变化气体（制冷剂）温度随之变化的原理，从而对环境放热和吸热而达到制冷目的的。
图1是压缩机制冷最基本的原理图，压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器是构成制冷循环必不可少的四元件。
压缩机和节流阀把制冷系统分为高压区和低压区，使制冷剂在高压区向外界散热，同时低压区从外界吸热，从而达到对局部环境降温制冷的目的。
图2-2是冷柜和冰箱最基本的制冷系统，与图1不同的是节流阀被毛细管所取代。
由于毛细管节流和降压易于控制，所以中小型制冷装置常常用之，但大型制冷设备基本还是使用节流阀。
左图2-3是比较贴合实际的商用冷柜制冷系统。
在系统中增加了干燥过滤器和储液器（集液器），毛细管中部与回气管紧裹在一起，达到充分降低毛细管内制冷剂温度的作用。
为的是充分提高系统的制冷效率。
图2-3是按商用冷柜基本的配置和零部件工作状态设计的，其特点如下：
1．冷凝器和蒸发器内的冷媒都是自上而下流动的，为什么要这样设计？
对冷凝器来讲，因为靠近压缩机的部分是高温气体，远离压缩机的部分由于不断放热而液化，所以从下向上运行会出现“气穴”现象，同时增大系统噪音。
蒸发器内冷媒从上而下流动，防止液体冷媒沉积在下端（蒸发器入口端），便于蒸发管内冷媒尽量均布，吸热比较均匀。
尤其是对冷藏和冷冻串联蒸发器形式更要注意这一点（关于冷藏和冷冻串联蒸发器串联的形式，冷媒先进冷藏或者先进冷冻要根据实际情况来定，一般要看冷柜的主要功能是哪个，总的来说，这种设计很难兼顾两者。
同时还要注意温控器感温头的位置选择）
2．干燥过滤器与冷凝器连接端在上，而与毛细管连接端在下，能垂直的尽量垂直，也可以与水平面有60°
左右夹角。
为什么？
干燥过滤器这样设置主要是为了进一步防止毛细管脏堵。
3．毛细管与回气管并联或直接从回气管内穿过，为什么？
因为毛细管内的冷媒过冷度越大，到蒸发器内吸热效果就越明显，系统制冷效率就越高。
这里从两个方面来看。
一是前面讲过的液体温度越低，气化潜热越大；
二是冷媒温度越低，在毛细管内气化的比例就越少，到蒸发器参与气化的液体就越多。
这些都有助于提高蒸发器吸热效果。
但毛细管内冷媒的温度一般不要低于-5℃，主要是担心温度万一低于0℃时可能引起冰堵。
4．储液器内冷媒是自下而上流动，可有效储藏多余的冷媒，因此，储液器至少与水平面有60°
的夹角。
冷凝器这样设置主要是为了在系统有多余冷媒时在储液器内有效储存，不至于过多的液体冷媒被压缩机吸入而引起“液击”，液击对压缩机损害很大，同时也使系统产生很大噪声。
5．压缩机配备注意什么？
压缩机分高、中、低温不同制冷温度的类型，设计时应根据制冷的不同温度需要来选择对应的压缩机。
其次是考虑正常使用的环境温度，要选择对应的压缩机气候类型。
再次才是根据制冷量大小选择压缩机制冷量（或功率）。
对于要求较高的情况还要考虑压缩机电机转速，活塞直径和气缸行程（排气量）等参数。
高温压缩机不能用于冷冻箱设计，否则无法达到设计温度。
低温压缩机适应面较广，但用在高温制冷场合有浪费的可能，同时对温度的平稳性也有影响。
所以，优化设计时应仔细考虑诸多因素，但在应急情况可以考虑类比选择和简单替代。
由于无氟替代逐步深入，R12和R22压缩机逐步禁用，R502也面临最终限制，所以R134a和R404A等无氟和较环保的制冷剂会逐步替代氟利昂制冷剂，由于各种制冷剂的特性不同在选用压缩机时应予以充分考虑。
比如R12和R134A压缩机不能互相替代，因为两者用油不同，用错就无法正常工作。
R600a作为全无氟和绿色环保制冷剂，从环保角度自然是最好的选择，但由于有爆炸性，用量严格受限，所以180升以上的冷柜和冰箱一般不使用，因此在今后相当长一段时间内，在没有更好的冷媒出现之前，R134a和R404A等无氟和较环保的制冷剂会一直存在。
R22制冷剂由于冷凝压力高，对系统密封要求较高，小型压缩机加工难度大，所以一般用在较大型制冷系统上，比如200W以上的商用冷柜才用到。
另外，R22的沸点较低，很适应低温系统制冷。
一般来说较大型压缩机靠自然冷却散热难以达到要求，所以250W以上的压缩机多采用风冷式散热，200W以下的压缩机基本采用自然冷却的方式。
正如R134a是R12的替代品一样，R404A是R22的替代品。
三、冷柜制冷常见零部件介绍
1.
毛细管
1）毛细管起节流和降压双重作用，一般来说冰箱和冷柜都是中压制冷（指冷凝压力，这和压缩机的背压是两个不同概念），系统高低压差值在10~20atm（冷媒不同会有一定差异），因此，毛细管的总压力降应该在这个范围选取，计算时应根据冷柜（冰箱）制冷温度的高低准确确定。
系统制冷温度要求越低，毛细管压力降就要越大，冷冻箱比冷藏箱压力降要大。
毛细管直径一般为0.6~2.0mm（该数据适应1000升以下的冷柜。
对于更大的冷柜，毛细管直径会超过2mm，但一般不会超过3mm），一般按系统制冷量大小来确定，制冷量大的系统制冷剂流量大，应选用较粗的毛细管，反之则用较细的；
毛细管长度在1.5~3.5m之间比较合适，再长也不要超过5m。
毛细管尺寸选取可粗略按下图进行，然后再结合不同的情况（过冷度不同）来修正。
见下图3-1和图3-2：
2）一般来说，系统制冷量越大，冷媒灌注量就越大，毛细管直径就应越大，但由于流量不仅决定于毛细管直径，所以，在实际应用中可以按经验确定一个基本合理的毛细管直径，然后再用毛细管长度调整的办法来保证合理流量和压力降。
3）一般来说让毛细管内冷媒温度尽可能降低，以获得较大的过冷度，如果过冷度小，制冷效率就比较低，只能通过减小毛细管长度从而增大流量来达到设计制冷量的目的，但同时会对系统降温产生影响，因此不是最理想办法。
注：
1W=0.86kal/h
1kW=1.34HP;
1HP=0.746kW（英制马力HP）
1kW=1.36Ps;
1Ps=0.735kW（公制马力Ps）
马力意为一匹马的力量，各国的定义有所不同，最常见的是英制马力和公制马力，制冷行业对英制马力尤为青睐，所以HP在压缩机和制冷系统等资料中常常可以见到。
1马力又叫1匹马力，简称1匹，空调中用得最多。
虽然1HP的功率为746W，但空调中1HP相当于2500W的制冷量。
在汽车行业多用公制马力Ps。
1美国冷吨=3024kcal/h=3.516kW；
1日本冷吨=3320kcal/h=3.86kW
注意英国冷吨是热量概念，1英国冷吨=252cal
下面是不同厂家，各种情况毛细管的实际选取尺寸。
表3-1毛细管选配表
压缩机功率（W）
冷凝器形式（N自然，F风冷）
应用
蒸发温度（°
C），长度（m）、内径（mm）
-23~-15
-15~-6.7
-6~-2
内径
长度
60
N
冷冻箱
0.66
3.66
0.79
92
123
0.91
F
4.85
3.05
冷藏箱
2.44
147
1.07
1.34
184
2.41
245
1.24
1.37
368
1.5
4.58
1.25
552
1.63
736
1.78
1.73
2.0
4）由于毛细管的压力与毛细管直径和长度都有关系，所以，直径和长度要均衡考虑，一般，为了减少毛细管堵塞，在计算毛细管直径太细的情况下，可以采用适当加粗、加长毛细管的办法来等效选取。
不同直径毛细管在代用时长度系数的变化见下表。
表3-2不同内径毛细管的长度换算表（倍数关系）
序号
内径（mm）
1.12
1.27
1.4
0.71
1.59
2
0.76
1.16
3
1.00
2.00
4
0.81
0.86
1.75
5
0.84
0.75
1.54
6
0.65
1.35
7
0.89
0.58
8
0.50
2.56
9
0.94
0.45
0.95
2.22
10
0.97
0.39
0.80
1.92
11
0.99
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