制冷知识.docx

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制冷知识

5.2制冷循环

化工生产中常常需要将物系的温度降低到大气环境的温度，如：

合成氨生产分离合成气中氨需要-30℃，气体分离液化空气需要100K以下的低温，在有机化工生产中，轻烃组分的分离都需要低温。

在日常生活中，我们也经常遇到冷冻现象，如：

空调机调温，电冰箱保存食物等。

冷冻温度高于100K称普通冷冻；低于100K称为深度冷冻。

要将物质冷却到大气环境温度以下，必须从被冷却物系取走能量，通常是以热的形式取出并排入大气或冷却机。

因此，冷冻过程实质上是由低温物系向高温物系传热的过程，要用逆卡诺循环来达到制冷的目的。

5.2.1制冷循环--逆向卡诺循环

我们知道，低温向高温放热这一过程是非自发过程，是耗功过程，必须给它能量才能实现，如家用电冰箱，必须给它电能，才能移走箱体内食物的热量。

与热机的原理相似，理想的冷冻机是由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环。

正向卡诺循环：

工质吸热温度大于工质放热温度。

逆向卡诺循环：

工质吸热温度小于工质放热温度。

逆向卡诺循环是制冷循环最理想的情况，因为它耗功最小，但实际过程的耗功量都大于逆向卡诺循环，工业上现在广泛应用的是蒸汽压缩制冷循环。

5.2.2蒸汽压缩制冷循环

5.2.2.1工作原理及T-S图

蒸汽压缩制冷循环的主要设备有：

压缩机、冷凝器、膨胀机、蒸发器四部分。

若用框图表示为：

我们首先讨论制冷循环中较为简单的循环过程。

⒈卡诺压缩制冷循环

特点：

传热过程可逆，压缩、膨胀过程可逆。

这样的压缩制冷循环，其T-S图为

该循环经历了四各过程：

1-2——压缩过程；2-3——等温冷凝；3-4——膨胀过程；4-1——等温蒸发。

其热力学情况如下所述：

由热力学第一定律

经过一个循环过程，实际上

所以

又

故

用于衡量制冷效果好坏的一个技术指标是制冷系数，所谓制冷系数是指消耗单位功所获得的冷量，其数学表达式为

，

对于卡诺压缩制冷循环制冷系数为

由此可见，制冷系数与冷却温度TH和载冷体温度TL有关：

⑴若制冷温度TL一定，则TH降低，制冷系数变大；电冰箱之所以在冬天制冷效果好，就是由于TH低的缘故。

⑵若冷却温度一定，则TL升高，制冷系数变大；因此要以满足工艺条件为依据，如果工艺条件为-20℃，一般选取TL=-25℃即可，不能过冷太多。

以上我们讨论了卡诺压缩制冷循环，实际当中由于过程的不可逆性，耗功量往往要大于卡诺压缩制冷循环，但就其原理来说，二者是相同的。

下面我们就来讨论实际压缩制冷循环。

⒉实际压缩制冷循环

实际压缩制冷循环就其循环所需要的设备来说，完全与卡诺压缩制冷循环相同，关键在于循环的过程中，每一步都是不可逆的，它与卡诺压缩制冷循环的不同表现在五个方面：

⑴制冷剂进压缩机时的状态不同：

卡诺压缩制冷循环为湿气，实际压缩制冷循环为干气；

⑵压缩过程不同：

卡诺压缩循环为等熵过程，实际压缩制冷循环若忽略掉热损失，可视为不可逆绝热过程；

因为压缩机在运动中总是有摩擦的，因而是沿着熵增大的方向进行，这就出现了等熵效率问题：

等熵效率

=等熵过程耗功/实际过程耗功

，若

，则

⑶冷凝过程不同：

卡诺制冷为等温过程，实际制冷为不可逆过程，沿着等压线变化；

⑷制冷剂离开冷凝器时状态不同：

卡诺制冷为饱和液体，实际制冷为过冷液体；

⑸膨胀过程不同：

卡诺制冷为等熵过程，实际制冷为等焓过程；

制冷循环过程如下图所示：

对于实际压缩制冷循环，过程如下所述：

1-2——对应于压缩机，如冰机、氨压机、制冷机；

2-3——冷凝器进行，在冷凝器里，冷却剂把工质的热量带走，使其由高压气体变为高压液体；

3-4——在节流阀内进行；

4-1——蒸发器内进行。

⒊压缩制冷过程的热力学计算

⑴单位冷冻量：

1Kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量

KJ/Kg

⑵冷凝器的单位热负荷

KJ/Kg

⑶单位耗功量

⑷制冷系数

⑸冷机的制冷能力（一般冰机能提供多少冷冻能力，铭牌上都有注释）

KJ/h

G为制冷剂循环量。

有时候制冷能力不是以KJ/h给出的，而是用冷冻吨，所谓冷冻吨就是：

1冷冻吨=每天将273.16K的1吨水凝结为同温度的冰所需要移走的热量。

由于1Kg水凝结为冰要放出334.5KJ的热量，所以

1冷冻吨=

⑹制冷剂循环量

Kg/h

⑺冷凝器的热负荷

KJ/h

QH是设计冷凝器的基本依据。

⑻压缩机的轴功率

KW

一般压缩机铭牌上都有

和

，所以就可以计算出轴功率，从而来配备电机。

⒋计算举例

P201-207，例5-5、5-6、5-7，自看。

5.2.2.2制冷剂的选择

能够作为制冷剂的物质很多，当确定了工艺条件后，就要选择合适的物质作为制冷剂，要求所选的制冷剂要安全、节省、又能满足工艺要求，选择原则详见课本112页。

5.2.2.3载冷体的选用

工业上一般选用冷冻盐水

。

我们上边介绍的是一级压缩制冷循环，在工业生产中，有时需要更低的蒸发温度，这样冷凝温度和蒸发温度之差就会比较大，高低温差大就需要较高的压缩比，压缩比过大将会导致出口温度过高，蒸汽温度过高就会引起制冷剂的分解（如氨在120℃以上就会分解），在这种情况下，单级压缩不但不经济，甚至是不可能的，因此就必须采取措施进行改进。

最好的办法就是采用多级压缩和级间冷却，这样不但可以降低功率消耗，而且还可以提供不同的制冷温度。

5.2.3多级压缩制冷和复迭式制冷

在氨制冷机中，一般蒸发温度低于-30℃时，采用两级压缩；低于-45℃时，采用三级压缩。

5.2.3.1两级压缩制冷循环

⒈工作原理及T-S图见课本P113。

⒉两级压缩、两极蒸发的好处：

⑴耗功小，节能；⑵制冷量大；⑶可同时得到不同温度的低温。

多级压缩制冷的工作原理与两级相同，大家可以下去后自己思考一下三级压缩三级蒸发的原理图。

多级压缩制冷除了可用同一中制冷剂外，还可以用不同的制冷剂构成各自的循环系统，复迭式制冷就属于不同的制冷剂各自完成不同的循环系统。

5.2.3.2复迭式制冷

⒈目的：

为了获得更低的制冷温度；

⒉特点：

⑴使用两种或两种以上的制冷剂；⑵各自构成独立的制冷循环；⑶低温度级的蒸发器是更低温度级的冷凝器。

⒊工作原理及T-S图，见课本P114。

⒋对两种制冷剂的要求（如氨、乙烯组成的复迭式制冷）

⑴低温循环的制冷剂蒸发温度

（更低温度制冷剂的凝固温度）；

⑵更低温度循环的制冷剂的冷凝温度

；

⑶更低温度循环制冷剂的冷凝温度>低温制冷剂的蒸发温度。

5.2.4吸收式制冷

以上我们介绍了蒸汽压缩制冷，工业上还有采用吸收制冷的。

所谓吸收式制冷，不消耗机械功，靠消耗低温位的热能，使低压气变为高压气，以达到制冷目的。

5.2.4.1吸收制冷的工作原理

为了比较，我们先看一下压缩制冷循环，P115图5-10

蒸汽压缩制冷循环制冷剂在蒸发器中制冷并汽化后，必须先提高压力，才能送进冷却器中用天然水使制冷剂冷凝，再送回蒸发器循环使用。

在蒸汽压缩制冷循环中，制冷剂的蒸汽由低压变高压的过程是利用压缩机来实现的。

而这一过程也可以利用一个吸收系统来实现。

由蒸发器出来的低压氨气（通常含有少量水分），送入吸收塔，被塔顶喷下的稀氨水吸收，变为浓氨水，先经泵加压，再经换热器升温，最后送进解吸器，在其中汽化。

解析器实际是一分馏设备。

由于氨比水容易汽化，因此从解析器顶部出来的是高压浓氨气，由底部出来的是高压稀氨水。

浓氨气送入冷凝器，用天然水将其冷凝后，节流送向蒸发器制冷。

解吸器底部出来的稀氨水先经换热器冷却，再经降压后送入吸收塔吸收氨气用。

由于氨溶于稀氨水是吸热过程，因此要往解吸器中通入蒸汽进行加热。

将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相比较，其不同点在于：

蒸汽压缩循环的压缩机消耗机械功；吸收式制冷循环的吸收塔、解吸塔、换热器、泵消耗热能。

5.2.4.2评价吸收制冷的经济指标

评价压缩制冷循环制冷效果好坏是用制冷系数来衡量的，

；用于评价吸收式制冷循环的经济指标是热力系数（能量利用系数），

；

最大热力系数为：

有关吸收式制冷的计算要用到H-x图，我们不再作详细介绍，若需要，大家可以查有关手册。

2.2载冷剂

在盐水制冰、冰蓄冷系统、集中空调等需要采用间接冷却方法的生产过程中，需使用载冷剂来传送冷量。

载冷剂在制冷系统的蒸发器中被冷却后，用来冷却被冷却物质，然后再返回蒸发器，将热量传递给制冷剂。

载冷剂起到了运载冷量的作用，故又称为冷媒。

这样既可减少制冷剂的充灌量，减少泄漏的可能性，又易于解决冷量的控制和分配问题。

2.2.1载冷剂与载冷剂循环特点

载冷剂是在间接冷却的制冷装置中完成把被冷却系统（物体或空间）的热量传递给制冷剂的中间冷却介质。

这种中间冷却介质亦称为第二制冷剂（SecondaryRefrigerant）。

载冷剂的循环是在蒸发器中被制冷剂冷却并送到冷却设备中吸收被冷却系统的热量，然后返回蒸发器将吸收的热量传递给制冷剂，而载冷剂重新被冷却。

如此循环不止，以达到连续制冷的目的。

使用载冷剂能使制冷剂集中在较小的循环系统中，而将冷量输送到较远的冷却设备中，可减少制冷剂的循环量，解决某些直接冷却的制冷装置难以解决的问题。

又由于使用了载冷剂能使某些毒性较大或刺激性气味较强的制冷剂远离使用环境，增强制冷系统的安全性。

载冷剂是依靠显热来运载冷量的，这是与制冷剂依靠汽化潜热来制冷的最大区别。

由于使用了载冷剂，增加了制冷系统的复杂性，同时，制冷循环从低温热源获得热量时存在二次传热温差，即载冷剂与被冷却系统和载冷剂与制冷剂之间的传热温差，增大了制冷系统的传热不可逆损失，降低了制冷循环的制冷效率，所以说间接制冷系统只有在为了满足特殊要求时才采用。

2.2.2载冷剂的选择要求和选择方法

选择理想的载冷剂，应具备下列基本条件：

1）载冷剂是依靠显热来运载热量的，所以要求载冷剂在工作温度下处于液体状态，不发生相变。

要求载冷剂的凝固温度至少比制冷剂的蒸发温废低4～8℃，标准蒸发温度比制冷系统所能达到的最高温度高。

2）比热要大，在传递一定热量时，可使载冷剂的循环量小，使输送载冷剂的泵耗功减少，管道的耗材量减少，从而提高循环的经济性。

另外当一定量的流体运载一定量的热量时，比热大能使传热温差减小。

3）热导率要大，可增加传热效果，减少换热设备的传热面积。

4）粘度要小，以减少流动阻力和输送泵功率。

5）化学性能要求稳定。

载冷剂在工作温度内不分解；不与空气中的氧化合，不改变其物理化学性能；不燃烧、不爆炸，挥发性要小，如在特殊情况下，必须使用有燃烧性、有挥发性的载冷剂时，其闪点须高于65℃；载冷剂与制冷剂接触时化学性质应稳定，不发生化学变化。

6）要求对人体和食品、环境无毒、无害，不会引起其它物质的变色、变味、变质。

7）要求不腐蚀设备和管道，如果载冷剂稍带腐蚀性时，应能添加缓蚀剂阻滞腐蚀。

8）要求价格低廉，易于获得。

在实际工程中使用的载冷剂有：

水、氯化钠盐水溶液、氯化钙盐水溶液、丙三醇水溶液（甘油水溶液）、乙二醇水溶液、甲醇、乙醇、丙酮、三氯乙烯、二氯甲烷、四氟三溴乙烷和三氯氟甲烷等。

虽然，可用作载冷剂的物质很多，但是在某一温度范围内，适用的载冷剂种类并不多。

所以，在实际工程设计时，当载冷剂系统的工作温度和使用目的确定之后，只需在几种载冷剂中进行比较选择。

适合于某一温度范围内工作和使用目的，是选择载冷剂的二个主要方面。

具体选择办法是：

1）蒸发温度在5℃以上的载冷剂系统，一般都采用水作载冷剂，水具有许多优良特点，但是水的凝固点高，这就大大限制了水在制冷工程中作为载冷剂的使用范围。

在空调系统中用水作载冷剂是理想的。

2）蒸发温度在5～-50℃的范围内，一般可采用氯化钠盐水溶液或氯化钙盐水溶液作载冷剂。

由于共晶点的限制，氯化钠盐水溶液用于5～-16℃的场合；而氯化钙盐水溶液可用于5～-50℃的系统中。

用盐水溶液作载冷剂，在制冷工程中是相当普遍的，像制冰、制冷饮制品、酒类生产及工业生产中等。

盐水溶液的最大缺点是对金属有腐蚀作用，当泄漏时会对食品有一定的影响，所以在不便维修或不便更换设备及管道的场合、某些特定食品的加工工艺中，可采用乙二醇水溶液、丙三醇水溶液、酒精水溶液等作为载冷剂。

另外也可用三氯乙烯、二氯甲烷等物质来代替氯化钙盐水溶液。

3）当载冷剂系统的工作温度范围较广，既需要在低温下工作，又需要在高温下工作时，应选择能同时满足高、低温要求的物质作载冷剂。

这时载冷剂应具备凝固点低，标准蒸发温度高的特性。

例如在具有50℃温度要求的环境试验室和需冷却到-50℃也需加热到60～70℃的生物药品、疫苗等生产中的冷冻干燥装置中，应选用三氯乙烯（标准蒸发温度87.2℃），不能采用二氯甲烷（标准蒸发温度40.2℃）。

4）当蒸发温度低于-50℃时，可采用凝固点更低的有机化合物作载冷剂。

例：

三氯乙烯、二氯甲烷、三氯氟甲烷、乙醇、丙酮等。

这些物质的沸点也较低，一般需采用封闭式系统，以防溶液泵气蚀、载冷剂汽化以及减少冷量损失。

2.2.3常用载冷剂的特性

常用的载冷剂有空气、水、盐水和有机物等。

1．空气空气作为载冷剂在冷库及空调中多有采用。

空气比热容较小，所需传热面积较大。

2．水水作为载冷剂只适用于载冷温度在O℃以上的场合，空调系统中多有采用。

水在蒸发器中得到冷却，然后再送入风机盘管内或直接喷入空气，对空气进行温、湿度调节。

水的凝固点为0℃，标准蒸发温度为100℃。

水的比重小，粘度小，水的流动阻力小，所采用的设备尺寸较小。

水的比热大，传热效果好，循环水量少。

水的化学稳定性好，不燃烧，不爆炸、纯洁的水对设备和管道的腐蚀性小，系统安全性好。

水无毒，对人、食品和环境都是绝对无害的，所以在空调系统中，水不仅可作为载冷剂，也可直接喷入空气中进行调湿和洗涤空气。

水的缺点是凝固点高，限制了它的应用范围，并且在作为接近0℃的载冷剂使用时，应注意壳管式蒸发器等换热设备的防冻措施。

3．盐水溶液盐水溶液有较低的凝固温度，适用于中、低温制冷装置中运载冷量。

通常采用氯化钠（NaCl）、氯化钙（CaCl2）、氯化镁（MgCl2）水溶液。

盐水的性质和含盐量的大小有关。

也可以说，盐水的凝固点取决于盐水的浓度。

图2-1表示了盐水凝固点与浓度的关系。

当盐水浓度为ξ1（ξ1＜ξE）时，冷却到０℃时并不凝固，继续冷却到低于０℃的tB时，若再取出热量，即开始凝固，在B点开始形成冰的结晶，溶液中的水以冰的形式析出，剩余溶液的浓度升高。

故把αBE线称为析冰线。

进一步降低温度，冰析出量更加增多，冰与载冷剂溶液是雪融状。

当温度到达tc（C点）时，此处是C2的冰和C1的溶液（浓度为ξc1）相混合状态。

其冰的质量与载冷剂溶液质量之比等于x2与x1之比。

温度再下降到tE（D点）时，全部溶液都冻结成固体，即变成m2的冰和m１的盐水共晶体，tE称该盐水的共晶点温度，ξE称为共晶浓度，E点称共晶点。

氯化钠盐水的共晶点是-21.2℃，共晶浓度22.4％（100kg盐水中含有22.4kgNaCl）；氯化钙盐水的共晶点是-55℃，共晶浓度29.9％（100kg盐水中含有29.9kgCaCl2）。

2-1盐水的凝固点与盐水浓度的关系

如果盐水溶液初始浓度为ξ2（ξ2＞ξE），则温度将至tG（G点）时不是结冰，而是析出盐，使剩余溶液的浓度降低。

故把GE线称为析盐线。

由此可见，盐水的凝固点取决于盐水的浓度。

浓度增加，则凝固点下降，当浓度增大至共晶浓度ξE时，凝固点下降到最低点，即共晶点温度（tE），若浓度再增大，则凝固点反而升高。

同时，可以看出，曲线将图分为四区，即溶液区、冰-盐水溶液区、盐-盐水溶液区、固态区。

盐水作载冷剂时应注意几个问题：

①要合理地选择盐水的浓度。

盐水浓度增高，将使盐水的密度加大，会使输送盐水的泵的功率消耗增大；而盐水的比热却减少，输送一定制冷量所需的盐水流量将增多，同样增加泵的功率消耗。

因此，不应选择过高的盐水浓度，而应根据使盐水的凝固点低于载冷剂系统中可能出现的最低温度的原则来选择盐水浓度。

目前，一般的选法是，选择盐水的浓度使凝固点比制冷装置的蒸发温度低5～8℃（采用水箱式蒸发器时取5～6℃；采用壳管式蒸发器时取6～8℃）。

鉴于此，氯化钠（NaCl）溶液只使用在蒸发温度高于-16℃的制冷系统中。

氯化钙（CaCl2）溶液可使用在蒸发温度不低于-50℃的制冷系统之中。

②注意盐水溶液对设备、管道的腐蚀问题。

盐水载冷剂对金属的腐蚀随盐水中含氧量的减少而变慢，最好采用闭式盐水系统，以减少与空气接触；另外，为了减轻腐蚀作用，可在盐水溶液中加人一定量的缓蚀剂。

1m3氯化钙水溶液中应加1.6kg重铬酸钠（Na2Cr2O7）和0.45kg氢氧化钠（NaOH）；1m3氯化钠水溶液中应加3.2kg重铬酸钠和0.89kg氢氧化钠。

加人缓蚀剂后，必须使盐水略呈碱性（pH=7～8.5）。

在添加上述药品时，要注意毒性。

③盐水载冷剂在使用过程中，会因吸收空气中的水分而使其浓度降低。

尤其是在开式盐水系统中。

为了防止盐水的浓度降低，引起凝固点温度升高，故必须定期用比重计测定盐水的比重。

若浓度降低时，应补充盐量，以保持在适当的浓度。

④氯化钠和氯化钙不能混合使用，以防盐水池中出现沉淀。

氯化镁盐水溶液可作为氯化钙盐水溶液的替代品，但其价格昂贵，用途不广。

4．有机物载冷剂有机物载冷剂有乙醇（CH3-CH2OH）、乙二醇（CH2OH-CH2OH）、丙二醇（CH2OH-CHOH-CH3）、丙三醇（CH2OH-CHOH-CH2OH）、二氯甲烷（CH2Cl2）及三氯乙烯（CHCl-CCl2）等。

它们都具有较低的凝固温度。

例如，乙二醇常用在冰蓄冷系统中作载冷剂使用，是腐蚀性小的一种载冷剂。

它无色、无味、无电解性、无燃烧性，乙二醇的价格和粘度较丙二醇低。

乙二醇水溶液略有腐蚀性，应加缓蚀剂以减弱对金属的腐蚀。

乙醇的凝固点为-117℃，二氯甲烷的凝固点为-97℃，适用于更低的载冷温度。

丙三醇（甘油）是极稳定的化合物，其水溶液无腐蚀性、无毒，可以和食品直接接触。

乙醇具有燃烧性，使用时应予以注意，并采取防火措施。

有机物载冷剂标准蒸发温度均较低，因此一般都采用闭式循环，考虑到温度变化时，有机载冷剂体积有变化，系统中往往设有膨胀节或膨胀容器。