此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯系網站刪除 市場部制冷原理培訓講義1 制冷方法概述制冷技術是為適應人們對低溫條件的需要而產生和發展起來的。制冷作為一門科學是指用人工的方法在一定時間和一定空間內將某物體或流體冷卻,使其溫度降到環境溫度以下，并保持這個低溫。這里所說的冷是相對于環境而言的。灼熱的鐵放在空氣中，通過輻射和對流向環境傳熱，逐漸冷卻到環境溫度。它是自發的傳熱降溫，屬于自然冷卻，不是制冷。制冷就是從物體或流體中取出熱量，并將熱量排放到環境介質中去，以產生低于環境溫度的過程。機械制冷中所需機器和設備的總合稱為制冷機。制冷機中使用的工作介質稱為制冷劑。制冷劑在制冷機中循環流動，同時與外界發生能量交換，即不斷地從被冷卻對象中吸取熱量，向環境排放熱量。制冷劑一系列狀態變化過程的綜合為制冷循環。為了實現制冷循環，必須消耗能量。所消耗能量的形式可以是機械能、電能、熱能、太陽能或其它可能的形式.制冷技術的研究內容可以概括為以下三方面：研究獲得低溫的方法和有關的機理以及與此相應的制冷循環，并對制冷循環進行熱力學的分析和計算。研究制冷劑的性質，從而為制冷機提供性能滿意的工作介質。機械制冷要通過制冷劑熱力狀態的變化才能實現。所以，制冷劑的熱物理性質是進行循環分析和計算的基礎數據。此外，為了使制冷劑能實際應用，還必須掌握它們的一般物理化學性質。研究實現制冷循環所必須的各種機械和技術設備，包括它們的工作原理、性能分析、結構設計，以及制冷裝置的流程組織、系統配套設計。此外，還有熱絕緣問題，制冷裝置的自動化問題，等等。2物質相變制冷物質有三種集態氣態、液態、固態。物質集態的改變稱之為相變。相變過程中，由于物質分子的重新排列和分子熱運動速度的改變，會吸收或放出熱量。這種熱量稱作潛熱。物質發生從質密態到質稀態的相變是將吸收潛熱；反之，當它發生有質稀態向質密態的相變時，則放出潛熱。物質相變制冷是利用液體在低溫下的蒸發過程及固體在低溫下的熔化或升華過程向被冷卻物體吸收熱量-即制冷量。因此，相變制冷分為液體氣化制冷與固體熔化與升華制冷，由于液體自身具有流動性，液體氣化制冷是廣泛應用的。液體汽化成蒸氣的過程吸收熱量，從而達到制冷的目的，為了使其連續不斷地工作，成為一個循環，便必須使制冷劑在低壓下蒸發汽化、蒸氣升壓、高壓氣體液化和高壓液體降壓。蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、蒸氣噴射式和吸附式制冷都具備上述四個基本過程，屬于液體汽化制冷。液體蒸發制冷液體氣化形成蒸汽，利用該過程的吸熱效應制冷的方法稱液體蒸發制冷。當液體處在密閉的容器內時，若容器內除了液體和液體本身的蒸汽外不含任何其它氣體，那么液體和蒸氣在某一壓力下將達到平衡。這種狀態稱飽和狀態。如果將一部分飽和蒸汽從容器中抽出，液體就必然要再氣化出一部分蒸汽來維持平衡。我們以該液體為制冷劑，制冷劑液體氣化時要吸收氣化潛熱，該熱量來自被冷卻對象，只要液體的蒸發溫度比環境溫度低，便可使被冷卻對象變冷或者使它維持在環境溫度下的某一低溫。為了使上述過程得以連續進行，必須不斷地從容器中抽走制冷劑蒸汽，再不斷地將其液體補充進去。通過一定的方法將蒸汽抽出，再令其凝結為液體后返回到容器中，就能滿足這一要求。為使制冷劑蒸氣的冷凝過程可以在常溫下實現，需要將制冷劑蒸氣的壓力提高到常溫下的飽和壓力，這樣，制冷劑將在低溫低壓下蒸發，產生制冷效應；又在常溫和高壓下凝結向環境溫度的介質排放熱量。凝結后的制冷劑液體由于壓力較高，返回容器之前需要先降低壓力。由此可見，液體蒸發制冷循環必須具備以下四個基本過程：制冷劑液體在低壓下氣化產生低壓蒸汽，將低壓蒸汽抽出并提高壓力變成高壓氣。將高壓氣冷凝為高壓液體，高壓液體再降低壓力回到初始的低壓狀態。其中將低壓蒸汽提高壓力需要能量補償。單級蒸氣壓縮制冷循環單級蒸氣壓縮式制冷系統由壓縮機，冷凝器，膨脹閥和蒸發器組成。其工作過程如下:制冷劑在壓力溫度下沸騰，低于被冷卻物體或流體的溫度。壓縮機不斷地抽吸蒸發器中產生的蒸氣，并將它壓縮到冷凝壓力，然后送往冷凝器，在壓力下等壓冷卻和冷凝成液體，制冷劑冷卻和冷凝時放出的熱量傳給冷卻介質(通常是水或空氣)，與冷凝壓力相對應的冷凝溫度一定要高于冷卻介質的溫度，冷凝后的液體通過膨脹閥或其他節流元件進入蒸發器。在實際的制冷循環中，與理論循環是有差別的，例如:理論循環中沒有考慮到制冷劑液體過冷和蒸氣過熱的影響;也沒有考慮冷凝器蒸發器和連接各設備的管道中因制冷的流動而產生的壓降;壓縮機的實際過程也并非是等熵過程;系統中存在著不凝性氣體等。3蒸氣單級理論循環單級蒸氣壓縮式制冷系統如下圖1所示。它由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器組成。其工作過程如下：制冷劑在蒸發壓力下沸騰， 蒸發溫度低于被冷卻物體或流體的溫度。壓縮機不斷地抽吸蒸發器中產生的蒸氣，并將它壓縮到冷凝壓力， 然后送往冷凝器，在冷凝壓力下等壓冷卻和冷凝成液體，制冷劑冷卻和冷凝時放出的熱量傳給冷卻介質（通常是水或空氣） 與冷凝壓力相對應的冷凝溫度一定要高于冷卻介質的溫度，冷凝后的液體通過膨脹閥或其它節流元件進入蒸發器。 當制冷劑通過膨脹閥時，壓力從冷凝壓力降到蒸發壓力，部分液體氣化，剩余液體的溫度降至蒸發溫度，于是離開膨脹閥的制冷劑變成溫度為蒸發溫度的兩相混合物。 混合物中的液體在蒸發器中蒸發，從被冷卻物體中吸取它所需要的氣化潛熱。混合物中的蒸氣通常稱為閃發蒸氣，在它被壓縮機重新吸入之前幾乎不再起吸熱作用 。 在整個循環過程中，壓縮機起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣并造成蒸發器中低壓力、冷凝器中高壓力的作用，是整個系統的心臟； 節流閥對制冷劑起節流降壓作用并調節進入蒸發器的制冷劑流量；蒸發器是輸出冷量的設備，制冷劑在蒸發器中吸收被冷卻物體的熱量，從而達到制取冷量的目的； 冷凝器是輸出熱量的設備，從蒸發器中吸取的熱量連同壓縮機消耗的功所轉化的熱量的冷凝器中被冷卻介質帶走。根據熱力學第二定律， 壓縮機所消耗的功（電能）起了補償作用，使制冷劑不斷從低溫物體中吸熱，并向高溫物體放熱，從而完整個制冷循環。 各部件的作用 壓縮機: 壓縮和輸送制冷蒸汽，并造成蒸發器中低壓、冷凝器中高壓，是整個系統的心臟。冷凝器: 是輸出熱量的設備，將制冷劑在蒸發器中吸收的熱量和壓縮機消耗功所轉化的熱量排放給冷卻介質。節流閥: 對制冷劑起節流降壓作用，并調節進入蒸發器的制冷劑流量。蒸發器: 是輸出冷量的設備，制冷劑在蒸發器中吸收被冷卻對象的熱量，從而達到制冷的目的。 壓焓圖： 壓焓圖的結構如下圖2所示。以絕對壓力為縱坐標（為了縮小圖的尺寸，提高低壓區域的精度， 通常縱坐標取對數坐標），以焓值為橫坐標。 圖中臨界點K左邊的粗實線為飽和液體線，線上的任何一點代表一個飽和液體狀態，干度 x=0。 右邊的粗實線為飽和蒸氣線，線上任何一點代表一個飽和蒸氣狀態，干度 x=1。這兩條粗實線將圖分 為三個區域：飽和液體線的左邊為過冷液體，過冷液體的溫度低于相同壓力下飽和液體的溫度；飽和蒸氣線的 右邊是過熱蒸氣區，該區域內的蒸氣稱為過熱蒸氣，它的溫度高于同一壓力下飽和蒸氣的溫度； 兩條線之間的區域為兩相區，制冷劑在該區域內處于氣、液混合狀態（濕蒸氣狀態）。圖中共有 六種等參數線簇：等壓線-水平線；等焓線-垂直線；等溫線-液體區幾乎為垂直線。兩相區內，因制冷劑狀態的變化是在等壓、等溫下進行，故等 溫線與等壓線重合，是水平線。過熱蒸氣區為向右下方彎曲的傾斜線；等熵線-向右上方傾斜的實線；等容線-向右上方傾斜的虛線，比等熵線平坦；等于度線-只存在于濕蒸氣區域內，其方向大致與飽和液體線或飽和蒸氣線相近，視干度大小而定。 各部件的作用 制冷循環過程在壓焓圖上的表示 單級蒸氣壓縮制冷理論循環工作過程可清楚地表示在壓焓圖上，如圖3所示。對于最簡單的理論循環（或稱簡單的飽和循環），離開蒸發器和進入壓縮機的制冷劑蒸氣是處于蒸發 壓力下的飽和蒸氣； 離開冷凝器和進入膨脹閥的液體是處于冷凝壓力下的飽和液體；壓縮機的壓縮過程為等熵壓縮； 制冷劑通過膨脹閥節流時，其前、后焓值相等；制冷劑在蒸發和冷凝過程中沒有壓力損失； 在各設備的連接管道中制冷劑不發生狀態變化；制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質溫度， 蒸發溫度等于被冷卻介質的溫度。顯然，上述條件與實際循環是存在著偏差的， 但由于理論循環可使問題得到簡化，便于對它們進行分析研究，而且理論循環的各個過程均是 實際循環的基礎，它可作為實際循環的比較標準，因此仍有必要對它加以詳細的分析與討論。現將圖3中各狀態點及各個過程敘述如下：點1表示制冷劑進入壓縮機的狀態。它是對應于蒸發溫度T0的飽和蒸氣。根據壓力與飽和溫度的對應關系， 該點位于 的等壓線與飽和蒸氣線（x=1）的交點上。 點2表示制冷劑出壓縮機時的狀態，也就是進冷凝器時的狀態。過程線1-2表示制冷劑蒸氣在壓縮機中的等熵壓縮過程 ，壓力由蒸發壓力 升高到冷凝壓力 。因此該點可通過1點的等熵線和壓力為冷凝壓力的等壓線的交點來確定。由于壓縮過程中外界對制冷劑作功，制冷劑溫度升高，因此點2表示過熱蒸氣狀態。 點3表示制冷劑出冷凝器時的狀態。它是與冷凝溫度 所對應的飽和液體。過程線2-2-3表示制冷劑在冷凝器內的冷卻（2-2）和冷凝（2-3）的過程。由于這個過程是在冷凝壓力 不變的情況下進行的，進入冷凝器的過熱蒸氣首先 將部分熱量放給外界冷卻介質，在等壓下冷卻成飽和蒸氣（點2），然后再在等壓、等溫下繼續放出熱量， 直至最后冷凝成飽和液體（點3）。因此，冷凝壓力的等壓線和x0的飽和液體線的交點即為點3的狀態。 點4表示制冷劑出節流閥時的狀態，也就是進入蒸發器時的狀態。 過程線3-4表示制冷劑在通過節流閥時的節流過程。在這一過程中，制冷劑的壓力由冷凝壓力降到 蒸發壓力 ，溫度由冷凝溫度降到蒸發溫度 ，并進入兩相區。由于節流前后制冷劑的焓值不變，因此由點3作等焓線與蒸發壓力的等壓線的交點即為點4的狀態。由于節流過程是一個不可逆過程，所以用一虛線表示3-4過程。 過程線4-1表示制冷劑在蒸發器中的氣化過程。由于這一過程是在等溫、等壓下進行的，液體制冷劑吸取被冷卻介質的熱量（即制冷）而不斷氣化，制冷劑的狀態沿蒸發壓力的等壓線 向干度增大的方向變化，直到全部變為飽和蒸氣為止。這樣，制冷劑的狀態又重新回到進入壓縮機前的狀態點1，從而完成一個完整的理論制冷循環。 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環的熱力計算在進行制冷循環的熱力計算之前,首先需要了解系統中各設備內功和熱量的變化情況,然后再對循環的性能指標進行分析和計算。根據熱力學第一定律，如果忽略位能和動能的變化，穩定流動的能量方程可表示為(1) 式中 Q 和 P 是單位時間內加給系統的熱量和功;qm是流進或流出該系統的穩定質量流量；h是比焓;下標1和2分別表示流體流進系統和離開系統的狀態點.當熱量和功朝向系統時,Q 和 P 取正值. (1) 節流閥 制冷劑液體通過節流孔口時絕熱膨脹，對外不作功, P=0,故方程式(1)變為(2)因此，可認為節流前后其值不變.節流閥出口處（點4）為兩相混合物，它的焓值也可由下式表示：式中 hf0 和hg0 分別為蒸發壓力p0 下飽和液體和飽和蒸汽的焓值；x4 為制冷劑出節流閥時的干度。將上式移項并整理得（3） 點4比容為（4）式中 Vf0 和Vg0 分別為蒸發溫度t0 下飽和液體和飽和蒸汽的比容。 （2）壓縮機 如果忽略壓縮機與外界環境所交換的熱量，則由式（1）得（5）式中 （h2-h1)表示壓縮機每壓縮并輸送1kg的制冷劑所消耗的功，稱為理論比功。 （3）蒸發器 被冷卻物質通過蒸發器向制冷劑傳送Q0 ,因為蒸發器不作功，故方程式（1）變為（6）由上式可以看出制冷量與兩個因數有關：制冷劑的質量流量qm和制冷劑進出口蒸發器的焓差(h1-h4)。(h1-h4)稱為單位質量制冷量，它表示1kg制冷劑在蒸發器內從被冷卻物質中吸取的熱量，用q0表示。 質量流量與容積qv有如下關系：（7） 用壓縮機進口出V1代入上式得：（8） 將方程（8）代入（6）得:（9）（4）冷凝器 假設制冷劑在冷凝器中向外界放出熱量為Qk ,那么（10）式中 (h2-h3)稱為冷凝器單位熱負荷，用qv表示。它表示1kg制冷劑蒸汽在冷凝器中放出的熱量。 (5)制冷系數 按定義，在理論循環中，制冷系數可用下式表示（11）在下一頁我們通過一個例題來講解熱力計算過程 例題：假定循環為單級壓縮蒸氣制冷的理論循環，蒸發溫度t0=10,冷凝溫度為35，工質為R22，循環的制冷量Q0=55kw,試對該循環進行熱力計算。解：該循環的壓焓圖如下所示： 根據R22的熱力性質表，查出處于飽和線上的有關狀態參數值：h1=401.555 kJ/kg v1=0.0653 m3/kgh3=h4=243.114 kJ/kg p0=0.3543 MPapk=1.3548 MPa由圖可知：h2=435.2 kJ/kg t2=57圖4 壓焓圖1 單位質量制冷量q0=h1h4=158.441 kJ/kg 2 單位容積制冷量3 制冷劑質量流量4 理論比功 w0=h2h1=33.645 kJ/kg 5 壓縮機消耗的理論功率P0=qmw0=11.68 kw6 壓縮機吸入的容積V=qmv1=0.0227 m3/s 7 制冷系數 8 冷凝器單位熱負荷qk=h2h3=192.086 kJ/kg 9 冷凝器熱負荷Qk=qmqk=66.67 kw制冷劑是制冷機中的工作流體，它在制冷機系統中循環流動， 通過自身熱力狀態的循環變化不斷與外界發生能量交換，達到制冷的目的。 習慣上又稱制冷劑為制冷工作介質或簡稱工質。液體蒸發式制冷機中，制冷劑在要求的低溫下蒸發，從被冷卻對象中吸取熱量； 再在較高的溫度下凝結，向外界排放熱量。所以，只有在工作溫度范圍能夠汽化和 凝結的物質才有可能作為制冷劑使用。多數制冷劑在常溫和常壓下呈氣態。氟里昂是飽和碳氫化合物的氟、氯、溴衍生物之總稱。最早使用的是R12，以后使用范圍迅速擴大。 不同的氟里昂物質在熱力性質上各不相同，能適應不同制冷溫度和容量的要求；其中許多物質， 尤其是氯氟烴（碳氫化合物的氟、氯完全衍生物）在物理、化學性質上又有許多共同的優點（如無毒、 無燃爆危險、不腐蝕金屬、熱穩定性與化學穩定性好等），便于實用。所以這些制冷劑的應用曾對制冷 工業帶來了變革性的進步。已經成熟使用的氟里昂制冷劑以氯氟烴類物質為主（如R11，R12， R114，R115等），還有某些不完全鹵代烴（如R22）以及氟里昂制冷劑的混合物（如R500，R502，R503等）。 1974年發現大氣臭氧層破壞的化學機制。到80年代，科學確認了氯氟烴是引起臭氧層破壞和溫室效應的 危害物質。1987年在加拿大蒙特利爾（Montreal）聯合國環境保護計劃會議簽署了關于臭氧層衰減物質的 蒙特利爾協定。該協定規定了限制和禁止生產對臭氧層破壞作用大的物質，R11，R12，R113，R114，R115， R12B1，R13B1和R114B2是首批受禁物質，到21世紀完全停止生產。R22的環境破壞相對小一些，但最終也將 被禁止。自此開始了全球性的技術對策活動，制冷界也同時開始了更新制冷劑的工作。目前新制冷劑的 開發、研究和應用正在進行中，取代CFCs最有希望的是氟里昂中的HFC類物質。較明朗化的趨勢是：高溫 制冷劑用R123，中溫制冷劑用R134a和R152a，低溫制冷劑用R23在整個循環過程中，壓縮機起著壓縮和輸送制冷級蒸氣并造成蒸發器中的低壓力，冷凝器中的高壓力的作用，是整個系統的心臟;節流閥對制冷劑起節流降壓作用并調節進入蒸發器的制冷劑流量;蒸發器是輸出冷量的設備，制冷劑在蒸發器中吸收被冷卻物體的熱量，從而達到制取冷量的目的;冷凝器是輸出熱量的設備，從蒸發器中吸取的熱量連壓縮機消耗的功轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走。蒸汽壓縮式制冷系統由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器組成，用管道將它們連接成一個密封系統。制冷劑液體在蒸發器內以低溫與被冷卻對象發生熱交換，吸收被冷卻對象的熱量并氣化，產生的低壓蒸汽被壓縮機吸入，經壓縮后以高壓排出。壓縮機排出的高壓氣態制冷劑進冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結成高壓液體。高壓液體流經膨脹閥時節流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進入蒸發器，其中的液態制冷劑在蒸發器中蒸發制冷，產生的低壓蒸汽再次被壓縮機吸入。如此周而復始，不斷循環。蒸氣壓縮式制冷機是得到最廣泛應用的制冷機，因此它是本書的重點內容之一。制冷的熱力學原理從熱力學角度說，制冷系統是利用逆向循環的能量轉換系統。按補償能量的形式（或驅動方式），前面所提及的制冷方法歸為兩大類：以機械能或電能為補償的和以熱能為補償的。前者如蒸氣壓縮式、熱電式制冷機等；后者如吸收、蒸氣噴射、吸附式制冷機等。兩類制冷機的能量轉換關系如圖1所示。 圖1 制冷機的能量轉換關系(a) 以電能或機械能驅動的制冷機(b) 以熱能驅動的制冷機熱力學關心的是能量轉換的經濟性，即花費一定的補償能，可以收到多少制冷效果（制冷量）。為此，對于機械或電驅動方式的制冷機引入制冷系數 來衡量；對于熱能驅動方式的制冷機，引入熱力系數來衡量。 (1) (2)式中 - 制冷機的制冷量； - 冷機的輸入功； - 驅動熱源向制冷機輸入的熱量。 國外習慣上將制冷系數和熱力系數統稱為制冷機的性能系數COP(Coefficience of Performance)。我們要研究一定條件下COP的最高值。對于電能或機械能驅動的制冷機，參見圖1(a)。制冷機消耗功w實現從低溫熱源（被冷卻對象，溫度）吸熱，向高溫熱源（通常為環境，溫度 ）排熱。假定兩熱源均為恒溫熱源，向高溫熱源的排熱量為 ，由低溫熱源的吸熱量（即制冷量）為，制冷機為可逆循環。 由熱力學第一定律有 (3) 由熱力學第二定律，在兩個恒溫熱源間工作的可逆機，一個循環的熵增等于零，即 (4) 將式(3)代入式(4)得即 (5) 由定義式(1)，則可逆制冷的制冷系數為 (6) 式(6)說明：兩恒溫熱源間工作的可逆制冷機，其制冷系數只與熱源溫度有關，而與制冷機使用的制冷劑性質無關。 的值與兩熱源溫度的接低程度有關， 與 越接近（ /越小），則 越大；反之 越小。實際制冷機制冷系數 隨熱源溫度的變化趨勢與可逆機是一致的。 對于以熱能驅動的制冷機，參見圖 。制冷機從驅動熱源（溫度為 ）吸收熱量 作為補償，完成從低溫熱原吸熱，向高溫熱源排熱的能量轉換。我們假定驅動熱源也是恒溫熱源，其它假定同前。那么類似地推導熱能驅動的可逆制冷機的性能系數 由熱力學第一定律有：(7) 由熱力學第二定律，循環中即 (8) 利用式(7)， (8)和定