空气调节与制冷技术课程.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流空气调节与制冷技术课程.精品文档.空气调节用制冷技术0 绪论0.1 人工制冷的方法本课程为“空气调节”用制冷技术，即是此制冷技术是为“空调”服务的。供热工程由热源、热网和热用户组成，热源是为热用户服务的。本课程作为空气调节之“冷源”的一门技术，讲述其制冷方法、工作原理、制冷系统的组成、设备构造及其计算、系统设计、运行调节等。什么是空气调节？使某一特定空间（房间）内空气温度、相对湿度、空气流速、压力、洁净度等参数进行人工调节的技术称为空气调节，简称为空调。对于某一空间，在夏季由于太阳辐射或内外温差向室内传进热量，以及室内人员、灯光、设备产生热量及湿量而在室内形成热、湿负荷，若要保持这房间内空气温、湿度，就必须要求空调设备将这些热、湿负荷从室内转移出去。如何转移呢？方法是利用温度较低的介质来吸取这些热量。什么是制冷？制冷是将低温热源（某物体或某空间）中的热量转移到高温热源中去，使其达到比环境更低的温度，并使之维持这个温度的过程。如冷库、冰箱等。技术在某一领域（某方面）积累的知识和经验或某方面的技巧。所以说，制冷技术就是将低温热源中的热量转移到高温热源中去的知识、经验或技巧。实现制冷可以通过两种途径：利用天然冷源和利用人工冷源。天然冷源是自然界存在的冷源，例如冰、雪、地下水等，可用作食品的冷藏和防暑降温。我国对天然冷源的应用有悠久的历史，而且在采集、贮存和使用天然冷源方面积累了丰富的经验，直到现在，天然冷源在一些地区仍然得到应用。天然冷源具有价廉、贮量大等优点，而且利用它还不需要复杂的技术和设备。所以在满足使用要求的前提下，应优先考虑利用天然冷源。但是天然冷源受时间、地区及运输条件的限制，一般不能得到0以下的温度，而且不易控制和调节。所以天然冷源只用在防暑降温和少量食品的短期贮藏方面。工业生产及科学试验等对低温的要求，大都是通过人工冷源来实现。人工冷源是利用各种类型的制冷机械进行冷量的生产，即利用人工的方法实现制冷。人工制冷需要比较复杂的技术和设备，而且生产的冷量成本较高，但是它完全避免了天然冷源的局限性，特别是可以根据不同的要求获得不同的低温。人工制冷可以获得的温度称为制冷温度。人工制冷能达到的制冷温度范围很广范，从稍低于环境温度直到接近于绝对零度。实现人工制冷的途径 制冷的方法很多，可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目前人工制冷的方法主要有相变制冷（蒸发制冷）、气体膨胀制冷和半导体制冷三种。.相变制冷 即利用物质相变的吸热效应实现制冷。如1个大气压下，冰融化时要吸取335 kJ/kg的熔解热（0），水汽化时的潜热为2256.9 kJ/kg（100）；同样是水，在874 Pa的压力下汽化时，可达到5的饱和温度，汽化潜热为2489.8 kJ/kg；氨在1标准大气压下气化时要吸取1369.1 kJ/kg的气化潜热（-33.4）；干冰在标准大气压下升华要吸取137kcal/kg的热量，其升华温度为78.9。目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗上。因此，只要选择适当的工质、创造一定的压力条件，就可以利用物体的相变获得所要求的温度。目前相变制冷中应用得最多的是利用液体的汽化吸热的特性来实现，即为蒸汽制冷。蒸汽制冷可分为蒸汽压缩式、蒸汽喷射式和吸收式三种类型。以第一种应用最为广泛。2.气体膨胀制冷 利用高压气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，对外输出膨胀功，同时温度降低，达到制冷的目的。与蒸汽制冷相比，气体膨胀制冷是一种没有相变的制冷方式，通常多以空气作为工质，所以也称为空气膨胀制冷。构成这种制冷方式的循环系统称为理想气体的逆向循环系统。最早出现的空气制冷机采用定压循环。气体逆向循环是利用气体吸收显热实现制冷的，因为气体的比热容很小，单位制冷量很小，一般情况下要求气体的流量大，循环的经济性较低，所以后来气体膨胀制冷逐渐被蒸汽压缩式制冷所取代。现在它主要用于飞机机舱的冷却降温，而且在循环上也有较大改进。3. 气体涡流制冷高压气体经涡流管膨胀后即可分离为热、冷两股气流。（1931年法国兰克）4.半导体制冷（热电制冷） 1834年，法国物理学家帕尔帖发现了热电制冷和制热效应。（我们知道，由两种不同导体组成的一个闭合环路，如图所示，A、B分别表示两种不同的导体，当其中一个联接点被加热（称为热端），另一个联接点被冷却（称为冷端）时，也就是两个联接点有温差存在时，便在环路中产生了电动势，称为温差电动势，其大小与导体的性质及两个联接点的温差有关。对于两种导体，当冷端温度一定时，电动势的大小只与热端的温度有关。根据这个电动势的大小，就可以确定热端周围介质的温度。这种热电效应又叫温差电效应，也就是我们通常用来测量温度的热电偶原理。相反，如果在电路中通入电流，则一个联接点的温度就会降低成为吸热端（冷端），而另一个联接点的温度会上升成为放热端（热端），这样就形成了热电制冷和制热的效应。）珀尔帖效应告诉我们：两种不同金属组成的闭合电路中接上一个直流电源时，则一个接合点变冷，另一个接合点变热。但是纯金属的珀尔帖效应很弱，且热量通过导线对冷热端有相互干扰，而用两种半导体（型和型）组成的直流闭合电路，则有明显的珀尔帖效应且冷热端无相互干扰。因此，半导体制冷就是利用半导体的温差电效应实现制冷的。热电制冷的系统和过程不同于另外两种制冷方式，它不需要借助工质实现能量的转移，整个装置没有任何机械运动部件，运行中没有噪声，设备体积小，便于实现自动控制，但耗电量大，制冷量小，能够获得的温差也不大。目前温差电制冷只用在小型制冷器中，如电子计算机恒温冷却、精密测量仪器的冷源及精密机床的油箱冷却器等等，都是温差电制冷。 利用物理现象制冷的方法还有很多，我们不一一介绍。综合上述，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。我们将重点学习它。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。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。一般把制冷温度高于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。0.2 制冷技术在国民经济中的应用最初制冷主要用于防暑降温和食品的贮藏。但是随着科学技术的发展，制冷技术在各个领域都得到广泛的应用，它直接关系到很多工业部门的生产发展和人民生活水平的提高由于制冷技术和设备的广泛使用，用于各种形式制冷机的能耗与日俱增。一些经济发达国家制冷的电耗量约占电能总消耗量的20-30。1 用于空气调节的冷源工业生产和生活服务设施中都广泛地应用空气调节。集中供冷。2 用于食品工业一些易腐食品（鱼、肉类、蛋、果品、蔬菜等）的加工、贮藏和运输，都需要在低温条件下进行，以保证食品的质量和减少干缩损失。所采用的装置有冷藏库、冷藏车、冷藏船等等。3 用于石油化学工业石油化工中许多工艺过程都需要在低温下进行，如盐类的结晶、溶液的分离、石油的脱脂、天然气的液化、石油的裂解等过程。化学工业中的合成橡胶、合成纤维、合成塑料、合成氨的生产都需要制冷。4 用于产品的性能试验及科学研究一些工业产品如飞机发动机、航空仪表、无线电和电子产品等，一些武器如坦克、大炮及弹药，都需要在4070的低温下进行性能试验；在机械制造业中，对钢材进行7090的低温处理，可以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢制机械零件的硬度及耐磨性。一些科学研究机构，如材料研究所、物理研究所、化学研究所等都需要人工制冷，以满足科学研究和试验的需要。5 用于医疗卫生方面一些医疗手术，如心脏、肿瘤、白内障的切除等，皮肤和眼球的移植手术及低温麻醉等都需要制冷技术；一些药物、疫苗及血液等都需要在低温下进行贮藏。此外，人工制冷用于农牧业中的种子低温处理；建筑工程及矿井、隧道的施工（流砂，冻土施工法）；近代尖端科学技术部门中，如航天技术、卫星通讯、高速电子计算机、红外技术等领域。0.3 制冷技术的发展简况（略）0.4本课程的性质本课程是热能工程学科在学习基础课和专业基础课（传热学、流体力学、工程热力学）的基础上为了拓宽专业知识面而设置的一门课程。本课程的主要任务是使学生掌握蒸气压缩式制冷的基本原理、系统组成和主要设备的性能及选择计算，掌握溴化锂吸收式制冷机的工作原理和设备特点，掌握空调冷源系统设计的基本方法。1 蒸气压缩式制冷的热力学原理1.0 基本系统及工作原理液体的气化过程要吸收热量，我们就利用这个原理来达到制冷的目的。一个最简单的固体或液体气化实现制冷的装置如图所示：这种装置的问题是：（1）不能连续制冷，制冷效应只能维持到氨液全部汽化为止；（2）流体汽化后被排入大气，既浪费了工质，又污染了环境；（3）汽化时的温度不易控制。如果把上述装置改造成如右图的系统，则可以解决这些问题。这个系统主要由四大部件组成，通过管路把它们连结在一起。系统内充有一种易挥发的工质，称之为制冷剂。如氨（NH3）、二氟一氯甲烷（CHClF2）等都可以作为制冷剂。上图为气化制冷的工艺流程。图中虚线以外部分为制冷段，制冷剂从贮液器经膨胀阀，降低了压力和温度。低压低温的制冷剂流入蒸发器，吸收外界的热量而气化，从而使外界的温度降低，以达到制冷的目的。图中虚线以内的部分为液化段，它的作用是：一方面使蒸发器内保持一定的低压力；另一方面使在蒸发器中气化了的制冷剂液化，重新流回贮液器。液化的方法是使来自蒸发器的低压制冷剂增压，提高它的饱和温度，再利用自然界中大量存在的常温空气或水，使之在冷凝器内冷凝液化。由于采用压缩机使气态制冷剂增压，故称为蒸汽压缩式制冷。其工作原理是使制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩、放热、节流和吸热四个主要热力过程，以完成制冷循环。但是，制冷剂在制冷系统中经过什么样的热力过程所组成的制冷循环在理论上最为经济？实际应用中制冷循环又应如何组成？以及如何进行制冷循环的热力计算等问题，下面一一叙述。1.1 理想循环逆卡诺循环一、逆卡诺循环卡诺循环分正卡诺循环和逆卡诺循环，1均是由两个定温过程和两个绝热过程组成的。它是一个理想循环，其组成的各热力过程，2与外界既无温差也无摩擦损失。（逆卡诺循环的条件：1，2）1. 绝热压缩过程（12）：耗功Wc；2. 等温压缩过程（23）：放热qk；3. 绝热膨胀过程（34）：作功We；4. 等温膨胀过程（41）：制冷q0如何衡量其经济性呢？二、制冷系数1 kg制冷剂每一循环：制冷量q0；消耗净功wWc-We；向高温热源放热：qk=q0+w效率收获/代价q0/w。对于逆卡诺循环：q0T0(sa-sb)qkq0wwqk-q0cq0/w=T0(sa-sb)/(Tk-T0)=T0/（Tk-T0）讨论：1逆卡诺循环的制冷系数仅取决于被冷却物（低温热源）的温度T0和冷却剂（周围介质水或空气）的温度Tk，而与制冷剂性质无关。2. 为了提高制冷系数，在满足需要条件下应使被冷却物质温度T0升高而使冷却剂温度Tk下降；3. T0变化比Tk变化对影响更大。P.4. 热泵装置 供热系数qk/w1，所以热泵供热量消耗的功量，可以综合利用能源。5. 制冷系数实际上不是衡量制冷装置经济性的唯一指标。 从理论上讲，逆卡诺循环为提高制冷装置的经济性指出了方向，但是实现这种循环是在可逆条件下进行的，即无温差传热又无摩擦损失，这是不可能的，否则热交换器面积无限大，制冷和压缩过程无限缓慢。所以除了提高T0、降低Tk外，还要大力研究高效率的热交换设备。通常用热力完善度来表征制冷循环的技术经济指标。将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数c之比，称为这个制冷机循环的热力完善度，即：/c热力完善度是用来表示制冷机实际循环接近逆卡诺循环的程度。它的数值越大，就说明循环的不可逆损失越小。在循环中，减少传热温差，减少摩擦，均会减少循环的不可逆程度，并导致热力完善度的提高。所以，热力完善度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。只是从热力学第一定律（能量转换）的数量角度反应循环的经济性，而是同时考虑了能量转换的数量关系和实际循环中不可逆程度的影响。从数量上看，可以小于1，等于1或大于1，而则始终小于1，因为理想的可逆循环的实际上是不可能达到的。当比较两个制冷装置循环的经济性时，如果两者的工作温度Tk、T0相同，采用与采用进行比较是等价的；如果两者的Tk、T0不同，只有对它们的加以比较才是有意义的，因为这时只比较不能看出哪个制冷装置的经济性更好。三、蒸汽压缩式制冷的理想循环实现逆卡诺循环最大的困难是两个等温过程。而只有液体的定压蒸发吸热过程和蒸汽的定压凝结放热过程是定温过程，所以在湿蒸汽区域内进行的制冷循环有可能易于实现逆卡诺循环。四、有温差传热的制冷循环实际上冷凝器和蒸发器放热和吸热过程都是在有温差的情况下进行的。逆卡诺循环1234，有温差循环1234，当获得相同冷量时（41ab41ab），压缩功多消耗阴影部分的面积。有温差传热时的制冷系数：c= (p5)1.2 蒸汽压缩式制冷的理论循环一、蒸汽压缩式制冷的理论循环虽然人们设想利用湿蒸汽来实现逆卡诺循环，但是在实际上，即使在湿蒸汽区，其理想循环也难以实现，困难在于：无温差传热过程实际上不能实现；液体膨胀做功少；湿压缩危害。所以，蒸汽压缩制冷机都还是按逆卡诺循环来工作的，通常采用理论循环，它由两个等压过程、一个绝热压缩过程和一个绝热节流过程组成。与理想循环相比，除了两个传热过程为等压过程和有传热温差外，尚有下述两个区别：（1）用节流阀代替膨胀机原因： 进入膨胀机的是液态制冷剂，体积变体很小，膨胀机体积也要很小，难于制造； 膨胀机作功能力不足以克服机器本身的摩擦阻力； 节流阀便于调节进入蒸发器的制冷剂流量。循环分析： 用节流阀代替膨胀机，节流为焓不变过程，也是不可逆过程，熵增大，由bb，节流过程有摩擦损失和涡流损失，这部分机械损失又转变为热量加热制冷剂，使一部分流体制冷剂变为气体，干度增加，降低了有效制冷能力q0（面积44bb4） 损失了膨胀功we（0340），此损失称为节流损失。 节流损失大小：随（Tk-T0）的增加而增大；与制冷剂性质有关：饱和液线越平缓（制冷剂比热越大），制冷剂汽化潜热越小或冷凝压力pk越接近临界压力pk时，节流损失越大。 制冷系数比较制冷量：采用膨胀机：q0h1-h4，面积41ab4 采用节流阀：q0h1-h4，面积41ab4 减少制冷量：q0 q0- q0h4-h4，面积44bb冷凝热：qkh2-h3循环耗功：采用膨胀机：压缩功wc，膨胀功we，循环功：w=wc-we 采用节流阀：压缩功wc，膨胀功we0，循环功：w=wc-wewc。多耗功we，面积304。所以：节（q0-q0）/wc<膨 =q0/(wc-we)循环过程制冷量减少的数值等于节流阀代替膨胀机后损耗的功，但节流阀简单，使用方便，实际上采用节流阀。（2）干压缩代替湿压缩在湿压缩时，压缩机所吸入的是湿蒸汽，压缩后为饱和蒸汽，而干压缩时压缩机吸入的是饱和汽，压缩后为过热蒸汽。实际上均采用干压缩，严禁湿压缩。原因： 湿压缩制冷能力降低：吸入湿蒸汽时，制冷剂与压缩机汽缸壁热交换强烈，因为压缩后温度很高，吸入时流体碰到热的汽缸壁，液珠变为气体，占据了汽缸的有效空间，使压缩机吸入制冷剂的质量减少；同时，汽缸壁受到强烈冷却，压缩时汽缸壁又从压缩蒸汽中吸收热量，这种强烈热交换不可逆程度增加，熵增大，耗功量增大。 避免液击（敲缸）危险：当大量液体制冷剂进入汽缸时，因液体是不可压缩的，所以当压缩机活塞冲到尽头时，汽缸的压力大增，引起液压冲击，使压缩机和电机受到危害。这是不允许的。如何实现干压缩？在蒸发器出口上增设一个液体分离器，蒸发器出来的湿蒸汽先进入液体分离器，由于容积扩大流速降低以及流动方向改变，使较重的液滴进行分离，使进入压缩机的制冷剂状态点在饱和蒸汽线上，实现干压缩。压缩机绝热压缩是在过热区进行的，由状态1绝热线与冷凝压力线pk的交点定出状态2，为压缩终了的状态点。所以制冷剂在冷凝器中不是等温凝结过程而是定压过程。循环分析：采用节流阀干压缩时，循环为12341。单位质量制冷能力增加q0，面积a11aa；单位质量耗功量增加wc，面积12211制冷系数与湿式相比，制冷系数分子分母都增加了，是增大还是减少呢？对于大多数制冷剂来说，其大小与制冷剂性质有关，制冷系数降低的程度称为过热损失。一般说来，节流损失大的制冷剂，过热损失小，而且pk/pkr越大，过热损失会越大。综上所述，制冷理论循环与理想循环的3个不同点是：用节流阀代替膨胀机；干压缩代替湿压缩；吸热及放热过程为定压过程且存在传热温差。实际循环的制冷系数除与高、低温热源的温度有关外，还与制冷剂的热力性质有关。因此，研究选用适宜的制冷剂，对节约能源有很大意义。上面提到，实际循环中存在节流损失和过热损失，那么能否减小这些损失呢？采取什么样的方法来实现呢？二、改善蒸汽压缩制冷循环的措施减小节流损失有再冷却和回热两个措施；而采用具有中间冷却的多级压缩可以减少过热损失。（1）节流阀前液态制冷剂过冷前面提到：制冷剂液体经节流阀膨胀后，使循环的单位质量制冷量减小，制冷系数降低。而且，对于同一种制冷剂，节流损失的大小主要与节流前后制冷剂的温度差有关。温差越小，则节流损失越小。节流前后制冷剂的温差，就是冷凝温度与蒸发温度之差。蒸发温度取决于被冷却物体所要求 的温度，冷凝温度取决于冷却介质的温度，它们都不能随意改变。如果能进一步降低节流前液体制冷剂的温度（过冷），则可减小节流损失。制冷剂液体的过冷，通常是采用温度较低的冷却水（如深井水），通过串接于冷凝器后的过冷器（或称再冷却器），使制冷剂的温度进一步降低，从而使制冷剂液体过冷。如图所示。这样，冷凝后的液态制冷剂可以在冷凝压力下被再冷至状态点3。图中33就是高压液态制冷剂在再冷却器中的再冷却过程。再冷却所能达到的温度Trc称为再冷温度，冷凝温度与再冷温度之差trc称为再冷度。由T-s图上可以明显地看出，由于液态制冷剂的再冷却，节流过程由34变为34，单位质量制冷能力增加q0（面积a44ba），而压缩机的耗功量并未增加。因此，减少了节流损失，使制冷系数有所提高。过冷在再冷却器中进行。当冷凝器用空气冷却时，过冷器用水冷却；当冷凝器用水冷却时，再冷却用深井水冷却。当单设过冷器时需增加冷却水或深井水设施、水泵等，还要耗功，使投入增加。所以是否采用过冷循环需经过技术经济比较确定。当采用冷却水与制冷剂逆流时，适当放大冷凝面积也可达到过冷目的。（2）蒸汽回热循环在某些实际制冷装置中，为了使节流前制冷剂液体进一步过冷，以便减少节流损失，同时又能保证压缩机吸入具有一定过热度的蒸汽，可以利用一个热交换器，使节流前的制冷剂液体与来自蒸发器的低温蒸汽进行热交换。这样，把由于压缩机吸入过热蒸汽所多消耗的功量，利用节流前制冷剂液体的过冷来弥补。这种热交换器称为回热器，并将这种循环叫做蒸汽回热循环。回热器一般采用盘管式。在小型制冷机中，往往不装设回热器，而是将蒸发器出口的低温蒸汽管道与节流前的液体管道并列敷设在一起，外面用隔热材料包扎起来，使两管壁接触进行热量交换，从而达到回热的目的。制冷循环中本来吸入的是饱和蒸汽，经过回热后吸入的是过热蒸汽，这是出于安全，压缩机吸入的必须具有一定过热度的蒸汽。据稳定流动连续性定理，经过回热器，液态制冷剂与气态制冷剂的质量流量相等，在无热损失的情况下，每kg液态制冷剂放出的热量等于每kg气态制冷剂吸收的热量。几点说明： 过冷增加的制冷能力q0（面积44bb）过热吸热量q（面积11aa），但是压缩机多耗功wc（1221）； 是否提高取决于制冷剂性质和工作温度上下限。F12、F22，；NH3、F11， 压缩机吸入制冷剂蒸汽过热度，排汽温度，耗功wc，所以过热度是有害的。因此吸气管还要过长并注意保温。有害过热；通常允许的吸气过热度与制冷工质种类有关：NH3，58度；F12，可以取得较大。对于NH3不采用回热循环。因为：NH3 绝热指数k=1.3比R12(k=1.14)、R22(k=1.2)大，使得排气温度。（3）多级压缩当压缩比pk/p0810时： 排气温度过高，过热损失大； 由于压缩机余隙容积的存在，使制冷能力下降，所以采用多级压缩，中间冷却的方法。优点：排气温度，压缩机耗功；缺点：增加了压缩机和中间冷却设备。综上所述，改善制冷循环的措施：减少节流损失过冷、回热；减少过热损失多级压缩，中间冷却。1.3 蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算一、lgp-h（压焓）图的应用1. 组成在分析蒸汽压缩制冷循环时使用的是温熵图，因为热力过程线下面的面积是该过程吸收或放出的热量，很直观，便于分析比较。但是，制冷剂在蒸发器和冷凝器的吸热或放热过程都是在定压下进行的，而定压过程热量的变化以及压缩机在绝热压缩过程中所耗的功都可以用焓差来计算，而且制冷剂在节流阀前后的焓值又保持不变，所以实际利用以焓为横坐标、压力为纵坐标的压焓图最为方便。在压焓图上可以用线段的长短来表示能量的多少。为了提高低压区的精度，所以纵坐标是lgp。等压线水平线；等焓线垂直线；等温线液区几乎是垂直线，两相区与等压线重合为水平线，过热区是向右下方弯曲的倾斜线；等熵线向右上方倾斜的实线；等容线向右上方倾斜的虚线，但比等熵线平缓。等干度线只存在于湿蒸汽区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸汽线相近，视干度大小而定。共六种等值线簇。箭头表示各参数值增加的方向。干度x=1的线是饱和蒸汽线（上界线），干度x0的是饱和液线（下界线），此两条线将整个图分为三个区，饱和蒸汽线以右为过热区，饱和液线以左为液态区，两线之间为湿蒸汽区。在湿蒸汽区等压线与等温线重合。由于实际计算中压力较高区域和湿蒸汽区的中间部分很少利用，可以删去。不同制冷剂的压焓图的形状也有所不同。压焓图是制冷循环分析和计算的重要工具，应很好地了解和掌握。附录有NH3、R22、R12等的压焓图。2. 蒸汽压缩式制冷循环在lgp-h图上的表示上图为蒸汽压缩式制冷理论循环在lg-p图的表示。点1：制冷剂蒸汽进入压缩机状态。若已知蒸发温度T0，便可知蒸发压力p0，据等压线p0与x=1的等干度线相交得出点1；点2：为制冷剂出压缩机的状态，即进入冷凝器状态，过程1-2为绝热压缩，s1=s2，沿点1的等熵线与pk=C的等压线交点即得；点3：制冷剂在冷凝器中凝结为饱和液体的状态点，它由pk=C等压线与x=0下界线相交可得；点3：制冷剂液体过冷状态。液体在过冷中压力不变，低于冷凝温度，将pk=C与trc=C过冷温度相交得点3；点4：制冷剂出节流阀状态，即进入蒸发器状态，节流前后h不变，而压力降到p0，温度为蒸发温度T0，由点3作h=C等炝线与t0C等温线相交得点4。41是制冷剂在蒸发器中气化吸热，即制冷过程。总之：1）12：绝热压缩过程，单位质量制冷剂消耗功wc=h2-h1 kJ/kg；2）23：制冷剂在冷凝器中定压放热过程，其中22放出过热量，23放出汽化潜热，33再冷却放热。制冷剂放热量：qk=h2-h3 kJ/kg。3）34：节流过程，h不变；4）41：制冷剂在蒸发器在定压吸热（制冷）过程。制冷量：q0=h1-h4 kJ/kg。二、蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算计算蒸汽压缩制冷理论循环时，首先需要确定循环的工作参数（即工况，通常为蒸发温度t0、冷凝温度tk、液态制冷剂再冷度和压缩机的吸气温度t1），根据工况便能在lgp-h图上确定各有关状态点的参数值，进而画出循环过程。蒸发温度和冷凝温度的确定将在第四章中讲述，再冷度一般为35，氨压缩机吸气的过热度一般为58，氟利昂压缩机采用回热时，吸气温度约为15。制冷循环的热力计算就是根据这些已知条件，求出各状态点的状态参数，然后计算下列数值：1单位质量制冷能力：q0=h1-h4单位容积制冷能力： v1压缩机入口气态制冷剂的比容，m3/kgqv表示吸入1m3制冷剂所产生的冷量2. 制冷剂质量流量MR和体积流量VR kg/s m3/s 0制冷量，kJ/s或kW3. 冷凝器的热负荷kMR(h2-h3)4. 压缩机理论耗功率PthPth=MR(h2-h1)5. 理论制冷系数th：thq0/wc=0/Pth=(h1-h4)/(h2-h1)1.4 蒸汽压缩制冷的实际循环一、实际循环与理论循环的主要差别前面所述的是蒸汽压缩式制冷的理论循环，但实际循环和理论循环又有不少差别，表现在理论循环忽略了：1. 在压缩过程中：气体内部及气体与气缸壁之间的摩擦；气体与外部的热交换。2. 制冷剂进入吸气阀和排出时经排气阀有节流损失；3. 制冷剂通过管道、冷凝器、蒸发器等设备时，制冷剂与管壁、器壁之间摩擦以及外部热交换。二、实际循环图中过程线1-2-3-4-1所组成的循环是蒸发压力为p0，冷凝压力为pk时，蒸汽压缩制冷的理论循环。如果蒸发器入口制冷剂的压力仍为p0，冷凝器出口制冷剂的状态仍为点3，考虑了上述三方面的影响后，采用活塞式压缩机时，蒸汽压缩式制冷的实际循环应为：1-1-a-b-c-c-d-2-3-4-1。（1）过程线1-1：低温低压气态制冷剂由蒸发器经管道流至压缩机进气阀过程中，由于沿途摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的热量，所以制冷剂的压力稍有降低，温度有所升高；（2）1-a：制冷剂蒸汽经进气阀时节流，h不变，压力降至p1；（3）a-b：低温气态制冷剂进入气缸后至被压缩前（即压缩机的吸气过程），由于气缸壁（包括进气阀）温度较高，制冷剂吸收气缸壁的热量，故温度有所上升，而压力仍为p1；（4）b-c：制冷剂在压缩机中的实际压缩过程线。开始被压缩时，由于制冷剂内部和制冷剂与气缸壁之间有摩擦，以及制冷剂的温度低于气缸壁的温度，所以，制冷剂处于吸热压缩过程，比熵有所增加。当制冷剂被压缩至高于气缸壁的温度时，制冷剂将向气缸壁散热，变为放热压缩过程，比熵有所减小，直到压力升至p2。对于氨压缩机，由于气缸头部被冷却水冷却，排气过程中高压气体被进一步冷却，制冷剂的比熵会减少得更多一些，如图中c-c；（5）过程线c-d：制冷剂从压缩机气缸排出时，经过排气阀被节流，其比焓基本不变，但压力有所降低；（6）d-2：高压气态制冷剂从压缩机气缸排出后，经管道至冷凝器，由于沿程存在摩擦阻力和局部阻力，以及对外散热，制冷剂的压力和温度均有所降低；（7）2-3：气态制冷剂在冷凝器中被冷凝成液态。由于制冷剂流经冷凝器的途中有摩擦和涡流，所以冷凝过程并不是定压过程，根据冷凝器形式的不同，其压力有不同程度的降低。（8）3-4：液态制冷剂通过膨胀阀减压、降温后，经管道进入蒸发器。由于减压后温度大幅度降低，尽管该段管道有保温，制冷剂还会从外部吸收一些热量，所以，制冷剂的比焓稍有增加；（9）4-1：制冷剂经过蒸发器吸热变成气态，此时也与冷凝器相似，由于流动途中存在摩擦和涡流，蒸发过程也不是定压过程，随蒸发器形式的不同，压力有不同程度的降低。综上所述，由于存在摩擦、涡流等阻力，以及与外界有热量交换，蒸汽压缩式制冷的实际循环与理论循环相比，实际能够获得的制冷量稍有减少，实际所消耗的功率有所增加，因此，实际循环的制冷系数将小于理论循环的制冷系数。由于蒸汽压缩式制冷循环比较复杂，难于细致计算，所以一般均以理论循环作为计算基准。但是在选择压缩机及其配用的电动机，确定制冷剂管道直径，计算蒸发器和冷凝器的传热面积以及进行机房设计时，都应该考虑这些影响因素。至于如何考虑，将在以后介绍。思考题：1什么循环是理想的制冷循环？它具备什么样的条件？2逆卡诺循环的制冷系数公式？从公式中说明什么问题？3为什么说制冷系数不是衡量制冷装置经济性的唯一指标？4怎样实现逆卡诺循环？5蒸汽压缩式制冷循环有哪四个主要热力过程？有哪四个必不可少的设备？6试比较有温差制冷循环与理想循环的制冷系数。7蒸汽压缩式制冷理论循环与理想循环有何不同？8蒸汽压缩式制冷理论循环中为什么用节流阀代替膨胀机，对制冷系数有何影响？9蒸汽压缩式制冷理论循环中为什么用干压缩代替湿压缩？对制冷系数有何影响？10改善蒸汽压缩式制冷循环有哪些措施？11节流阀前液体过冷有何意义？12多级压缩中间冷却意义？13实际压缩与理论压缩的区别？2 制冷剂和载冷剂制冷剂是在制冷系统中完成制冷循环的工作物质。制冷剂在蒸发器内吸取被冷却物体或空间的热量而蒸发，在冷凝器内将热量传递给周围介质而被冷凝成液体。制冷系统借助于制冷剂的状态的变化，达到制冷的目的。载冷剂又叫冷媒，是在间接供冷系统中用以传递制冷量的中间介质。载冷剂在蒸发器中被制冷剂冷却后，送到冷却设备中，吸收被冷却物体或空间的热量，再返回蒸发器重新被冷却，如此循环不止，以达到传递制冷量的目的。本章主要介绍制冷剂必备的特性以及常用制冷剂和载冷剂的主要性质。2.1 制冷剂一、制冷剂的种类和编号目前使用的制冷剂有很多种，归纳起来主要有四类：无机化合物、烃类、卤代烃以及混合溶液。为了书写方便，我国国家标准GB7778-87规定了各种通用制冷剂的代号，以代替使用其化学名称、分子式或商品名称。标准中规定用字母R和它后面的一级数字或字母作为制冷剂的代号。字母R表示制冷剂（Refrigerant），后面的数字或字母则根据制冷剂的种类及分子组成，按一定的规则编写。（一）无机化合物有NH3、CO2、H2O等。对于这类制冷剂，其代号“R”后的第一位数字为7，7后面的数字为该物质分子量的整数部分。如NH3的分子量为17，它的代号为R717；CO2、H2O分别为R744和R718。名称分子量代号标准蒸发温度凝固温度临界温度绝热指数kH2O18NH317CO244（二）卤代烃（氟里昂Freon）氟里昂是饱和碳氢化合物的F、Cl、Br的衍生物的总称。目前用作制冷剂的主要是甲烷和乙烷的衍生物。饱和碳氢化合物的分子通式为：CmH2m+2，氟里昂的分子通式为CmHnFxClyBrz，其原子数m、n、x、y、z之间的关系为：2m+2=n+x+y+z氟里昂的代号为RabcBd，B代表化合物中的Br原子；a、b、c、d为整数，分别为：a等于碳原子数减1，即a=m-1，当a=0时，编号中省略；b等于氢原子数加1，即b=n+1；c等于氟原子数，即c=x；d等于Br原子数，即d=z，当d=0时，编号中Bd都省略。Cl原子数在编号中不表示，它可根据上式推算出来。习惯上，R12、R22又称为氟里昂12、氟里昂22，也有写成F12、F22。“氟里昂”是国外一个生产厂商的商业名称（商标）。其他厂商就冠以其他名称，如“阿克敦”（Arcton）、“琴纳特朗”（Genetron）等。由于乙烷的卤化物有同分异构体，如CHF2CHF2和CH2FCF3都是四氟乙烷，分子量相同，但结构不同，它们的编号根据碳原子团的原子量不对称性进行区分。前者两个碳原子团的原子量对称，则用R134表示；后者不对称较大，则用R134a表示。化合物名称分子式m、n、x、z值a、b、c、d值编号一氟三氯甲烷CFCl31 0 1 00 1 1 0R11二氟二氯甲烷CF2Cl2R12五氟一氯乙烷C2F5ClR115三氟一溴甲烷R13B1甲烷1 4 0 00 5 0 0R50乙烷2 6 0 01 7 0 0R170丙烷3 8 0 02 9 0 0R290乙烯2 4 0 01 5 0 0R1150丙烯C3H6R1270（三）多元混合溶液由两种或两种以上的制冷剂按一定比例相互溶解而成的溶合物，以扩大温度使用范围，改善耗能指标。分为共沸混合溶液与非共沸混合溶液。共沸溶液：性质与单质溶液一样，在恒定的压力下蒸发或冷凝时，蒸发温度或冷凝温度保持不变，而且其气相和液相具有相同的组分。共沸溶液制冷剂代号R后的第一个数字为5，后面的数字按使用时间的先后顺序编号。最早的为R500，后面的依次为R501、R502等。代号组分质量成分标准t0R500R12/R15273.8/26.2-33.5R501R22/R1275/25-41.5R502R22/R11548.8/51.2-45.4R503R23/R1340.1/59.9-87.9R504R32/R11548.2/51.8-57.2R505R12/R3178/22-32R506R31/R11455.1/44.9-12.5非共沸溶液在恒定的压力下蒸发或冷凝时，其蒸发温度或冷凝温度以及气相和液相的组分均不能保持恒定。由于非共沸溶液在组分不同、混合比不同时，会显示出不同的热力学性质，可满足各种制冷要求。与单一制冷剂相比，可使平均传热温差减小，即可使传热过程中因传热温差引起的不可逆损失减小，使制冷系统的性能系数提高。目前对非共沸溶液仍未给予编号，只是将组成的组分间用“/”隔开表示，如R12/R22，R22/R142b，R22/R13B1等。（四）烃类用来作为制冷剂的碳氢化合物有饱和的烷烃类（甲乙丙烷等）和不饱和的链烯烃类（乙烯C2H4、丙烯C3H6）等。对于烷类，表示方法与氟里昂相同。但丁烷例外，写成R600。对于它的同分异构体，在代号后加“a”、“b”、“c”或在个位数上加一个数字以示区别。如异丁烷（CH3）3CH的代号为R600a或R601。（国际公认的环保制冷剂）对于乙烯、丙烯的表示方法，是在R后面先写一个“1”，其余数字按氟里昂的编号规则书写。烃类制冷剂凝固点低，与水不发生化学反应，对金属不腐蚀，价格便宜，容易获得，从经济的观点看是较出色的制冷剂。但由于该类制冷剂易燃烧和爆炸，而且溶于润滑油中会使油的粘度降低，安全性较差，使其应用受到一定的限制。