第二章制冷原理Word文档格式.docx

1、F，中间有180等分，每等分为华氏1度。把它换算成摄氏温度的计算式为：t5/9（F32）2.压力单位面积上所受到垂直作用力称为压力（即压强）。用字母P表示。以微观来看，它是分子撞击壁面的结果。PF/A式中：P压力，Pa（帕斯卡，简称帕）； F作用力，N（牛顿）； A面积，m2。国际单位制中，压力单位以N/m2计算，称为帕斯卡（Pa）。常用兆帕（MPa）、千帕（KPa）作为实用单位，并以巴（bar）和物理大气压（atm）为暂时并用单位。其换算关系为：1Mpa106Pa； 1bar105Pa； 1atm（标准大气压）1.01325bar在工程制单位中，压力常采用工程大气压（at）、毫米汞柱等，其换

2、算关系为：1at1kgf/cm2 1atm1.033kgf/cm2760mmHg在工程计算中可以近似的认为： 1atm1at 1MPa10kg/cm2（1）大气压力：大气压力是地球表面上空气柱的重量所产生的压力。用符号PB表示，大气压力值随气象情况、海拔高度和地理纬度等不同而改变。在物理学中将0时760 mmHg所表示的压力为标准大气压（或称物理大气压），即在纬度45的海平面上，大气的常年平均压力。其值1atm（标准大气压）1.01325bar。（2）表压力：测压仪表所指示的压力称为表压力，它是以大气压力为零起算的压力。用符号PG表示。表压力是通常工程中实用压力。（3）绝对压力：是指不附带任何

3、条件起算的全压力。即液体、气体和蒸汽所处空间的全部压力。它等于大气压力和表压力之和。用符号PA表示：PAPG十PB（4）真空度：当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差称为真空度，又叫真空压力、负压力。用符号PH表示:：PHPBPA3.比体积和密度（1）比体积：单位质量工质所占据的体积（容积），也称为质量体积，又称比容，即= V/ m比体积（m3/kg）； V工质占据的总容积（m3）； m工质总质量（kg）。（2）密度：单位容积中所容纳的工质质量，用表示，单位为kg/ m3。二、制冷与空调作业常用术语（一）汽化与冷凝1.汽化物质由液态转变为汽态的过程称为汽化。汽化有两种方式：蒸发与沸腾

4、。（1）蒸发蒸发是发生在液体表面的汽化现象。蒸发在任何温度下都能进行。蒸发的快慢与液体性质、液体温度、表面面积、表面污染物（如油斑等）和表面附近的气流速度有关。蒸发过程要吸收热量，如外界不给液体补充能量，液体的温度就会下降，所以蒸发会致冷。（2）沸腾在一定压强下，液体温度升高到一定程度时，液面和液体内部同时发生迅速汽化的现象称为沸腾。沸腾时，液体内部涌现出大量气泡。这时，外界提供的热量都用于使物体从液态变为气态，液体的温度不变，此温度叫作沸点。沸点与液体性质有关。同时，因为液体沸腾时，其内部气泡中的蒸气压力至少必须等于环境压强，气泡才能胀大并上升，所以沸点还与环境压强有关。对于水，环境压强每增

5、加3.6121103Pa时，沸点升高1K。一个大气压下的沸点是正常沸点。 （3）蒸发和沸腾的区别和联系 蒸发和沸腾的联系：它们都是液体汽化的方式，即都属于汽化现象，液体在蒸发和沸腾的过程中，都需要吸收热量。蒸发和沸腾的区别：蒸发是液体在任何温度下都能发生的汽化现象，而沸腾是液体在一定温度（沸点）下才能发生的汽化现象；蒸发是只在液体表面发生的缓慢的汽化现象，而沸腾是在液体表面和内部同时发生的剧烈的汽化现象；蒸发时液体温度会下降，而沸腾中液体温度保持不变（在液体表面上压强不改变的前提下）。2.冷凝冷凝是气体或液体遇冷而凝结，如水蒸气遇冷变成水，水遇冷变成冰。温度越低，冷凝速度越快，效果越好。冷凝温

6、度是指物质状态由气态转变为液态的临界温度。不同的物质，冷凝温度也不同。对同一种物质来说，外界压力的变化也会导致冷凝温度的变化。一般来说，外界气压增加，冷凝温度也会升高，反之则会降低。（二）饱和液体与饱和蒸汽在一密闭容器中，同种物质的液相与气相达到动态平衡（单位时间从液相中逃逸出去的分子与从气相回到液相中的分子数量相等）时的状态称之为平衡状态，处于平衡状态下的液相称为饱和液体、气相称为饱和蒸汽。 物质的平衡状态与压力、温度等因素有关，当压力、温度改变时，平衡就会被打破，当压力、温度等参数稳定后，平衡状态又重新建立。平衡状态与物质的温度、压力相对应。（三）过冷液体与过热蒸汽过冷液体是指液体的温度低

7、于所处压力下饱和液体温度的液体。液体的实际温度与冷凝压力下的饱和温度之差称为过冷度 。 过热蒸汽是指蒸气的温度高于所处压力下饱和汽体温度的蒸汽。第二节 制冷的传热学基础传热是由于温度不同的物体（或同一物体的不同部分）之间发生的热量传递过程。传热是日常生活及工程领域中最普遍的现象之一。在制冷技术中，制冷系统中的换热器、冷库或空调房间的热负荷的确定、管道的隔热保温等都需要利用传热过程的规律来进行分析计算。两个冷热不同的物体如果放在一起，热的物体慢慢冷下来，冷的物体就会渐渐热起来，这种现象叫做热传递。传热过程是很复杂的，传热有热传导、热对流、热辐射三种基本形式，实际的传热过程都是由这三种基本的传热形

8、式组成的。1.热传导热传导是物体各部分直接接触时发生的热量传递方式。热传导是固体物质中最主要的传热形式。材料导热性能好坏的指标是导热系数（热导率）。金属材料的导热率远高于金属氧化物和非金属材料的导热率。在一定传热温差下，物体的导热率越高、厚度越小、热接触面积越大则导热量就越大。2.热对流热对流是指流体各部分或流体与固体壁面间发生相对位移时引起的热量传递。热对流的强弱是以表面传热系数来衡量的。对流表面换热系数的大小与流体的物理性质（导热率、比热容、密度、动力粘度等）、换热表面的形状与布置以及流速有密切的关系。3.热辐射热辐射是以电磁波的形式传递热量。它与导热、对流的主要区别是能在真空中传播。温度

9、高的物体将热辐射给温度低的物体。温度低的物体，表面积越大，对辐射热的吸收越大，表面越粗糙，颜色越暗，对热辐射吸收就越容易。相反，表面白色、光滑的物体不仅不易吸收热辐射，还会把部分热量反射出去。第三节 压缩式制冷原理一、蒸汽压缩式制冷原理（一）单级蒸气压缩制冷的基本原理单级蒸气压缩式制冷系统如图2-1所示。它是由压缩机、冷凝器、膨胀阀（或节流阀）和蒸发器等四大部件组成。在这些部件之间用管道依次联接形成一个封闭系统。其工作过程是：蒸发器中的液体制冷剂在低压蒸发压力P0、蒸发温度t0下，从高于t0的被冷却物体或流体中吸取热量沸腾气化。压缩机不断地从蒸发器中吸入低压制冷剂的蒸气，并将它压缩到冷凝压力P

10、K，然后将高压、高温的制冷剂蒸气送往冷凝器。在冷凝器中制冷剂蒸气在压力PK下等压冷却、冷凝成制冷剂液体。制冷剂在冷却冷凝时放出的热量传给周围环境的冷却介质（水或空气），冷凝后的制冷剂液体通过膨胀阀（或节流阀）进入蒸发器。当制冷剂通过膨胀阀时，压力从高压PK降到低压P0，部分液体气化成为制冷剂的气液混合物。混合物中的蒸气称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用，混合物中的液体将重新从被冷却物体中吸取热量气化。制冷剂在系统中经过气化、压缩、冷凝和节流四个过程，完成了一个制冷的循环。在整个循环过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气和形成蒸发器中低压的作用。它是整个制冷系统的心脏；膨胀

11、阀（或节流阀）对制冷剂起着节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器是输出冷量的部件，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量，达到制冷目的；冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸取的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走。压缩机的耗功（电能）起了热力学第二定律中的补偿作用，使制冷剂不断从低温物体中吸热，并向高温物体放热，从而完成了整个制冷循环。（二）单级蒸气压缩式制冷的实际循环制冷实际循环与理论循环之间存在的差别。例如：理论循环中没有考虑到制冷剂液体过冷和蒸汽过热的影响，没有考虑到冷凝器、蒸发器和连接各部件的管道中因制冷剂的流动而产生的压降。实际上压缩机在压缩过程中也并

12、非是等熵过程，系统中存在不凝性气体等，这些因素都影响到循环的性能。1.液体过冷循环液体过冷的单级压缩制冷机系统原理如图2-2所示。从图2-2可以看出，在制冷机系统的冷凝器2后增设一个过冷器4，利用深井水将节流装置前的制冷剂液体，冷却到比冷凝温度更低的温度，称为过冷。在过冷器4中，制冷剂液体的温降称为过冷度，其数值随冷凝温度及深井水温度而定。液体过冷循环相对于基本循环来说，在循环的单位理论功没有改变的情况下，由于过冷使单位制冷量增大了，故循环的制冷系数必然增大。在实际中冷凝器向远距离的蒸发器输送工质时还可减少阻力引起闪发气体的影响。所以采用液体过冷循环总是有利的。但采用液体过冷要增加一个过冷器，

13、需要消耗自来水（对于风冷式冷凝器）或深井水（对于水冷式冷凝器），这就增加制冷设备的一次投资，还增加了设备折旧费和直接运行费用。对蒸发潜热很大的制冷剂氨在标准工况下，过冷1度，单位制冷量增加约0.4，对 R502约增加1.1。因此采用液体过冷在经济上是否有利，需通过技术经济计算去确定。一般来说，当蒸发温度在-5以下时，用液体过冷在经济上才是有利的。2.蒸气过热循环实际循环中，压缩机吸入饱和状态蒸气的情况很少。为了不将液滴带入压缩机产生液击，造成故障，通常制冷剂在到达压缩机之前已处于过热状态。在过热循环中压缩机的排气温度要比理论循环的排气温度高得多，其比功也比理论循环比功大，并且在冷凝器中排出的热

14、量也较理论循环大。吸气过热有两种情况。一种情况是从蒸发器出来的低温制冷剂蒸气，在通过吸入管进入压缩机前从周围环境中吸热而过热，它对被冷却物体不产生任何制冷效果，即“无效”过热。对于无效过热，在工况相同下单位制冷量是相等的，但由于蒸气比容的增加使单位容积制冷量减少，对给定压缩机而言，将导致循环制冷量降低，单位理论功增大了，循环制冷系数必然减小。蒸发温度越低与环境温差越大，循环经济性越差。为减小这种有害过热，可在吸汽管上采取保温措施。另一种情况制冷剂蒸气在蒸发器中过热，这时蒸气的过热包括在有用单位制冷量内，即“有效”过热。这时单位制冷量和单位理论功都有增加，循环的制冷系数是否增大不能直观判断。对于

15、氨制冷系数稍有下降，对于R12、 R134a和R502制冷系数略有提高，而R22介于两者之间，制冷系数无什么变化。3.回热循环 单级压缩回热循环制冷系统原理如图2-3所示。从图2-3可以看出，在系统中增加了一个汽液热交换器（回热器），它使节流前的液体和来自蒸发器的低温蒸气进行内部热交换。热交换的结果是制冷剂液体因向低温蒸气放出热量而进一步过冷，低温蒸气吸收液体的热量而有效过热。这样，不仅增加了单位制冷量，而且可以减少蒸气与环境空气之间的传热温差，减少甚至消除吸气管中的有害过热。（三）多级压缩与复叠式制冷循环在制冷技术中，采用多级压缩与复叠式制冷机的目的，是为了达到比较低的蒸发温度。对于单级压缩

16、制冷机来说，要达到最低蒸发温度，取决于冷凝温度（它决定于冷凝压力）及单级压缩机的最大压力比。制冷机的冷凝温度取决于环境介质（水或空气）的温度，一般约在3055之间；单级压缩机的最大压力比随压缩机类型而变。单级活塞式制冷压缩机当采用较大压力比时，将会出现排气温度升高，使润滑油变稀、变质；吸气过热，使压缩机输气系数急剧减小；压缩机效率降低。因此，活塞式压缩机的压力比不宜过大。氨压缩机一般不超过8；氟利昂压缩机一般不大于10。在这样情况下，对于常用的中温制冷剂，单级活塞式制冷机的蒸发温度最低只能达-20-40。对于单级螺杆式压缩机，当制冷剂为R717、R22时最低蒸发温度一般以-40为限。因此，用活

17、塞式或螺杆式压缩机时，为获得-20-40以下温度时，就得采用多级压缩或复叠式制冷机。离心式压缩机每级（每个叶轮）能达到的压力比4左右。除空调外，一般采用多级压缩。两级压缩制冷循环中，制冷剂的压缩过程分两个阶段进行，即将来自蒸发器的低压制冷剂蒸气（压力为P0）先进入低压压缩机，在其中压缩到中间压力Pm，经过中间冷却后再进入高压压缩机，将其压缩到冷凝压力Pk，排入冷凝器中。这样，可使各级压力比适中，由于经过中间冷却，又可使压缩机的耗功减少，可靠性、经济性均有所提高。两级压缩制冷循环按中间冷却方式可分为中间完全冷却循环与中间不完全冷却循环 ；按节流方式又可分为一级节流循环与两级节流循环。所谓中间完全

18、冷却是指将低压级的排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。如果低压级排气虽经冷却，但并未冷到饱和蒸气状态时称为中间不完全冷却。如果将高压液体先从冷凝压力Pk 节流到中间压力Pm，然后再由Pm 节流降压至蒸发压力P0 ，称为两级节流循环。如果制冷剂液体由冷凝压力Pk 直接节流至蒸发压力P0，则称为一级节流循环。一级节流循环虽经济性较两级节流稍差，但它利用节流前本身的压力可实现远距离供液或高层供液，故被广泛采用。1一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环图2-4所示为一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环系统原理图。在蒸发器E中产生的压力为PO 的低压蒸气首先被低压压缩机A吸入并压缩到中间压力Pm ，进入中间冷

19、却器F，在其中被液体制冷剂的蒸发冷却到与中间压力相对应的饱和温度tm ，再进入高压压缩机B进一步压缩到冷凝压力Pk ，然后进入冷凝器C被冷凝成液体。由冷凝器出来的液体分为两路：一路流经中间冷却器内盘管，在管内被盘管外的液体的蒸发而得到冷却（过冷），再经节流阀H节流到蒸发压力PO，在蒸发器 中蒸发，制取冷量；另一路经节流阀G节流到中间压力Pm，进入中间冷却器，节流后的液体在中间冷却器F内蒸发，冷却低压压缩机的排气和盘管内的高压液体，节流后产生的部分蒸气和液体蒸发产生的蒸气随同低压压缩机的排气一同进入高压压缩机B中，压缩到冷凝压力后排入冷凝器C。循环就这样周而复始地进行。进入蒸发器的这一部分高压液

20、体在节流前先在盘管内进一步冷却，可以使节流过程产生的无效蒸气量（即干度）减少，从而使单位制冷量增大。从循环的工作过程可以看出，与单级压缩制冷循环比较，它不仅增加了一台压缩机，而且还增加了中间冷却器和一只节流阀，且高压级的制冷剂流量因加上了在中间冷却器内产生的蒸气而大于低压级的制冷剂流量。图2-5示出两级压缩氨制冷机在冷库装置中的实际系统图。图中除画出了完成工作循环所必需的基本设备外，还包括一些辅助设备和控制阀门。高压压缩机排出的气体进入冷凝器前先经过氨油分离器，将其中夹带的油滴分离出来，以免进入冷凝器和蒸发器中而影响传热。在油分离出口管路上装有一个单向阀，它的作用是当机器一旦突然停车时防止高压

21、蒸气倒流入压缩机中。冷凝器冷凝下来的氨液流入贮液器，它的作用是用来保证根据蒸发器热负荷的需要供给足够的液氨以及减少向系统内补充液氨的次数。中间冷却器用浮子调节阀供液，以便自动控制中间冷却器中的液位。用来制冷的氨液是经过调节站分配给各个库房中的蒸发器，在调节站管路上一般都装有节流阀。气液分离器的作用是一方面将从蒸发器出来的低压蒸气中夹带的液滴分离出去，以防止氨液进入压缩机中而形成湿压缩，另一方面又可使节流后产生的部分蒸气不进入蒸发器，使蒸发器的面积可得到更为合理的利用。一个气液分离器可以与几个蒸发器相连，这样它还起着分配液体和汇集蒸气的作用。2.一级节流、中间不完全冷却的两级压缩循环图2-6所示

22、一级节流、中间不完全冷却的两级压缩循环的系统原理图。它的工作过程与一级节流中间完全冷却循环的主要区别在于低压压缩机的排气不进入中间冷却器，而是中间冷却器中产生的饱和蒸气在管路中混合后进入高压压缩机。因此，高压压缩机吸入的是中间压力下的过热蒸气。图2-7示出的SD2-4F10A型两级压缩氟里昂制冷机系统就是按图2-6所示的一级节流、中间不完全冷却循环所设计的。系统中增设了气液热交换器，这样不但可使高压液体的温度进一步降低，使单位制冷量增大，而更为主要的是为了提高低压压缩机的吸气温度，以改善压缩机的润滑条件，并避免气缸外表面结霜等。系统中还采用了自动回油的油分离器装置、热力膨胀阀型式的供液量调节以

23、及为了使当压缩机停止运行时能自动切断供液管路的电磁阀等。3.复叠式制冷循环复叠式制冷循环通常是由两个独立的制冷系统组成的、分别称为高温部分和低温部分，如图2-8所示。高温部分采用中温制冷剂，低温部分采用低温制冷剂，而每一个部分都是一个完整的单级或双级制冷系统。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中的制冷剂冷凝。只有低温部分系统中的制冷剂在蒸发时，从被冷却的对象吸热制取冷量。高温部分和低温部分之间是用一个蒸发冷凝器联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。二、蒸汽吸收式制冷原理吸收式制冷机是蒸发制冷的另一种形式。压缩式制冷机是通过压缩机消耗机械功来实现的，而吸收式制冷机是

24、通过消耗热能来实现的。它是一种以热能为动力的制冷机。蒸汽吸收式制冷系统是由发生器、冷凝器、制冷节流阀、蒸发器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。整个系统包括两个回路：一个是制冷剂回路，一个是溶液回路。系统中使用的工作流体是制冷剂和吸收剂，我们称它为吸收是制冷的工质对。吸收剂是液体，它对制冷剂有很强的吸收能力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液加热又能放出制冷剂气体。因此，我们可以用溶液回路取代压缩机的作用，构成蒸汽吸收式制冷循环。制冷剂回路由冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器组成。高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷。溶液回路由发生器、吸收器、溶

25、液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体，形成富含制冷剂的溶液，将该溶液用泵送到发生器，经过加热使溶液中的制冷剂重新蒸发出来，送入冷凝器。另一方面，发生后的溶液重新恢复到原来的成分，经冷却、节流后成为具有吸收能力的吸收液，进入吸收器，吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽。吸收过程中伴随释放吸收热，为了保证吸收的顺利进行，需要冷却吸收液。在蒸汽吸收式制冷中，吸收器好比压缩机的吸入侧；发生器好比压缩机的排出侧；对发生器内溶液进行加热，提供提高制冷剂蒸汽压力的能量。三、溴化锂水溶液的性质吸收式制冷机中通常是由两种不同沸点的溶液组成二元溶液，其中低沸点组分为制冷剂

26、，高沸点组分为吸收剂，制冷剂和吸收剂统称为工质对。对制冷剂的要求：应压力适中，即冷凝压力不要太高，蒸发压力最好不低于大气压力，具有较大的蒸发潜热，不燃烧、不爆炸、无毒或毒性小，对设备不腐蚀和价廉。对吸收剂的要求：在相同压力下，吸收剂的沸点要比制冷剂高，而且沸点差越高越好，使发生器出来高纯度的制冷剂蒸气，这样可提高制冷机的热力系数，具有强烈的吸收能力，可减少吸收剂的循环量，减少发生器需热量、吸收器的放热量和泵的耗功，使之有较大的热导率、较小的密度和粘度，较小的比热容及较好的化学稳定性、无毒、不燃烧、不爆炸、对金属无腐蚀性，价格便宜，此外吸收剂和制冷剂必须是非共沸溶液。目前可用工质对很多，而广泛应

27、用的只有NH3-H20和LiBr-H20，前者用于0以下的低温系统，在我国使用较少，后者广泛地用于空调系统。1.水的特性水具有无毒、不燃烧、不爆炸，比容大、汽化潜热大（比R22大16倍）和价格低等特点。水在常压下沸点为100，要使水在5以下蒸发，溴化锂制冷机必须在负压下工作，此外水在0时结冰，限制了它的应用范围，因此作为冷剂水使用，只能用于空调。2.溴化锂的特性（1）溴和锂分别属于卤素和碱类，所以溴化锂（LiBr）的性质与食盐相似，属盐类，有咸味，无色粒状晶体，熔点为549。（2）在标准大气压下沸点为1265，因此在常温和一般高温下是不挥发的。（3）极易溶于水。（4）性能稳定，在大气中不易变质

28、和分解。3.溴化锂水溶液的特性（1）无色液体，有咸苦味、无毒、无臭、加入铬酸锂后呈淡黄色。（2）溴化锂在水中的溶解度随温度的降低而降低。所谓溶解度，是指饱和液体中所含溴化锂无水化合物的质量成份。溴化锂质量分数不宜超过66，否则在运行中当溶液温度降低时将有结晶析出，破坏循环的正常运行。（3）溴化锂溶液的水蒸汽分压力很小，它比同温度下纯水的饱和蒸汽压要小得多，所以有强烈的吸湿能力，而且溴化锂水溶液具有吸收温度比它低得多的水蒸汽能力。这正是溴化锂吸收式制冷机工作原理之一。（4）密度比水大，随溶液的质量分数和温度变化。（5）比热容较小。当温度为150、质量分数为55时，其比热容为2kJ/（kgK），因

29、此在发生过程中对溶液的加热量较小。又由于水的蒸发潜热较大，将使溴化锂制冷机具有较高的热力系数。（6）粘度大、表面张力大。（7）对碳钢和紫铜等金属材料有腐蚀作用，当有空气存在时腐蚀更严重。腐蚀产生的不凝性气体对其运行的性能有极大的影响。通常在溴化锂溶液中添加缓蚀剂来减缓溴化锂溶液对金属材料的腐蚀。常用的缓蚀剂有铬酸锂、钼酸锂、三氧化二砷、氧化铝和苯并三唑等。试验表明，在溴化锂溶液中加入0.10.3的铬酸锂，并加入氢氧化锂将溶液pH值调至910.5范围内，均有良好缓蚀效果。同时，在运行和维护保养中要防止空气渗入系统中。四、溴化锂吸收式制冷系统的工作原理（一）单效溴化锂吸收式制冷机系统的基本工作原理溴化锂吸收式制冷系统主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、节流装置（U形管或孔板）、溶液热交换器、发生器泵、吸收器泵和蒸发器泵等组成。图2-9是单效溴化锂制冷系统的原理图。从图中可知系统由热源回路、溶液回路、冷却水回路、制冷剂回路和冷媒水回路组成。热源回路由发生器、疏水器、凝水箱、凝水泵构成，它向系统提供热源蒸汽；溶液回路由发生器