年4月19日制冷工藝設計手冊文檔僅供參考，不當之處，請聯系改正。制冷技術的基礎知識第一節制冷基礎知識一、冷及制冷日常生活中，冷和熱是兩種不同的感覺，兩個完全對立的概念。可是用物理學概念來解釋，物質的冷和熱，只是熱的程度不同，沒有本質的區別。各種物質都由分子組成，每個分子都在不斷運動，分子運動產生了熱。不同的物質，分子運動狀態是不同的，有些物質的分子運動比較劇烈，有些物質的分子運動比較緩慢；即使相同的物質，由于受外界條件的影響，分子運動的程度也不一樣。凡是分子運動速度快，物質的溫度比較高，就稱為熱；分子運動比較緩慢，物質的溫度比較低，就稱為冷。冷和熱是相正確，它們是以溫度的高低來衡量的。隨著外界條件的變化，冷的物質能夠變熱，熱的物質也能夠變冷。例如，將水加熱，冷水會變成熱水，甚至成為水蒸氣；反之，冬季氣溫下降，地面上水的溫度隨之下降，成為冷水，甚至凍結成冰。自然界每年有季節變化，夏、秋季氣溫高，地面各種物質的溫度隨著升高，冬季氣溫低，地面各種物體的溫度隨著升高，冬季氣溫低，地面各種物體的溫度也隨著降低。這種由于氣候的變化，使物質變冷的過程稱為天然制冷。隨著生產的發展，人類對冷的需要越來越多，自然制冷不但受氣候限制，不能隨便利用，而且冷的程度有限，不能適應生產發展的需要。因而，在科學技術發展的基礎上，采用了機器來制冷，稱為機器制冷或人工制冷，簡稱制冷。制冷，就是以人為的方法來減少某物質的熱量，降低該物質的溫度，制造出一定的低溫。制冷的任務是將冷卻的物體中的熱量轉移給周圍的介質（水或空氣），或設法把該物體的溫度，降低到低于周圍介質的溫度，和在所需的一定時間內保持一定的低溫。二、常見名詞及概念1．溫度溫度用來表示物質冷和熱的程度。衡量溫度的標準有攝氏溫度、華氏溫度和絕對溫度三種。中國日常生活和工程技術上大都采用攝氏溫度或絕對溫度。（1）攝氏溫度在標準大氣壓下，把水的結冰溫度作為0度，沸騰溫度作為100度，在0度與100度之間，平均等分成100份，每一份作為1度，這個溫度標準稱為攝氏溫度，以符號℃表示。（2）華氏溫度在標準大氣壓下，把水的結冰溫度作為32度，沸騰溫度作為212度，在32度與212度之間，平均等分為180份，每一份作為1度，這個溫度標準稱為華氏溫度，以符號°F表示。（3）絕對溫度把水的結冰點作為273度，水的沸點作為373度，把物質中的分子全部停止運動之點作為0度的溫度標準，稱為絕對溫度，以符號K表示。攝氏溫度、華氏溫度和絕對溫度能夠相互換算。攝氏溫度換算成華氏溫度時可按下式計算：F=1.8C+32華氏溫度換算成攝氏溫度時，可按下式計算：C=F-eq\f(32,1.8)絕對溫度與攝氏溫度有如下關系：K=-273.16℃或0℃=273.16KT=t+273.16式中：T—絕對溫度（K）t—攝氏溫度（℃）2.熱量分子運動所具有的熱能量稱為熱量。計算熱量的單位，公制用卡或千卡（也稱大卡），英制用英熱單位。（1）卡在標準大氣壓下，一公斤的水，溫度升高或降低1℃，所吸收或放出的熱量稱為一卡，用符號cal表示。（2）千卡在標準大氣壓下，一公斤的水，溫度升高或降低1℃，所吸收或放出的熱量稱為一千卡或一大卡，用符號kcal表示。（3）英熱單位將一磅的水加熱或冷卻，溫度升高或降低1°F，所吸收或放出的熱量稱為一英熱單位，用符號BTU表示。卡、千卡和英熱單位的換算：1千卡=1000卡=3.969英熱單位1英熱單位=252卡=0.252千卡(4)比熱單位重量的物質，溫度升高或降低1℃所吸收或放出的熱量稱為比熱，以符號C表示。其常見單位為千卡/公斤℃或卡/克℃。水的比熱等于1，各種食品的比熱隨食品中水分含量的多少和溫度不同而不同。當食品的溫度變化范圍不大，比熱可做常數。但如果食品的溫度變化引起食品中水分凍結或冰的融化時，由于冰的比熱僅為水的一半，此時，雖然溫度變化不大，食品的比熱也會有較大變化，故凍結食品的比熱比常溫下食品的比熱要小的多。幾種食品的比熱如表1—1所示。表1—1幾種食品的比熱名稱比熱（千卡/公斤℃）名稱比熱（千卡/公斤℃）凍結點以上凍結點以下凍結點以上凍結點以下少脂魚0.800.32水果0.8—0.90.5多脂魚0.680.44蔬菜0.8—0.90.4—0.5精肉0.760.42水1—肥肉0.520.36冰—0.5雞蛋0.760.40冰激凌0.780.45（5）制冷量用人工的方法來減少某物質的熱量時，單位時間內所能攝取的熱量稱為制冷量，常見單位為千卡/時。在國外，也有采用冷凍噸作為制冷量單位，冷凍噸是24小時內將一頓0℃的水變成0℃的冰需要攝取的熱量。由于冰的溶解潛熱為78.68千卡/公斤，故：1冷凍噸*=78.68×1000/24=3320（千卡/時）3.壓力無論是氣體或液體，由于分子的運動，氣體或液體分子對容器或管道壁會造成碰撞，對容器或管道壁產生力的作用，稱為壓力。流體作用在容器壁或管壁單位面積上的壓力稱為壓強，以符號P表示。在工程中，習慣上把壓強稱為壓力。我們四周的空氣也有壓力，由地面上幾百公里高的空氣層的重量所形成，稱為大氣壓力，大氣的壓力隨地理區域、高度以及氣候條件等不同而有所變化。壓力的常見單位公斤/厘米2、標準大氣壓、毫米水銀柱、米水柱、磅/英寸2等。（1）標準大氣壓又稱物理大氣壓，是指在維度45°的海面上，大氣的常年平均壓力。其值為1.033公斤/厘米2。（2）工程大氣壓為計算方便，把大氣壓力作為1公斤/厘米2來計算，稱為一個工程大氣壓。（3）絕對壓力和表壓力氣體的壓力有絕對壓力和表壓力兩種。絕對壓力是氣體的真實。表壓力是指壓力表上的讀數，是絕對壓力與大氣壓力之差。當壓力表上的讀數為正值時，其絕對壓力為表壓力加上大氣壓力，當壓力表上的讀數為負值（即真空）時，其絕對壓力為大氣壓力減去壓力表上的讀數。在工程上一般常采用表壓力，但在計算中，需采用絕對壓力。各種壓力單位的相互換算如表1—2所示。表1—2壓力單位換算表公斤/厘米2標準大氣壓毫米水銀柱米水柱磅/英寸210.9678735.561014.2231.033176010.333314.6960.001360.0013110.01360.01930.10.096873.55611.42230.07030.068051.7150.7031（4）功和功率物體受力的作用而運動，其作用的力和物體在力方向上移動的距離的乘積稱為功，常見單位為公斤米。1公斤米是1公斤的力，在力的作用線上，使物體移動1米距離時所做的功。單位時間內所作的功稱為功率，常見單位為公斤米/秒、千瓦和馬力。1千瓦=1.36馬力=102公斤米/秒1馬力=0.736千瓦=75公斤米/秒4.容積物質所占的體積大小稱為容積，常見單位為立方米、升等。比容單位重量的物質所占據的容積稱為比容，也稱容重，以符號V表示。常見單位為米3/公斤。5.重量各種物體所具有的物質數量稱為質量，由于地心吸力，一定質量物質都有一定的重量，常見的重量單位為公斤（千克）、克和磅等。1公斤=1000克=2.2046磅1磅=453.6克=0.4536公斤比重單位容積的物質所具有的重量稱為比重，也稱重度，以符號г表示。常見的比重單位為公斤/米3。比重和比容互為倒數。6.物態變化物質有三種形態：固體、液體和氣體。（1）固體一定體積和形狀的物質。在不太大的外力作用下其體積和形狀的改變很小。（2）液體有一定的體積而形狀隨容器改變的物質。（3）氣體由大量分子組成的、能自發充滿任何容器的物質。氣體分子之間的距離較大，作用力很小，都在作無規則的熱運動，因此氣體容易壓縮，沒有一定的形狀。在外界條件的影響下，物質的三種形態能夠相互轉換。例如，在常壓常溫下，水是一種液體，當溫度降低到0℃以下，就會凍結成冰，成為固體。反之，水加熱到100℃以上，就會變成水蒸氣，成為氣體。溫度和壓力是影響物體變化的主要因素。（4）壓縮使氣體物質比容減小，比重增大，壓力升高的過程稱為壓縮。氣體壓縮時，需要對氣體做功。（5）絕熱壓縮氣體壓縮過程中，與外界不發生熱交換，稱為絕熱壓縮。（6）膨脹使氣體物質比容增大，比重減小，壓力降低的過程稱為膨脹。（7）節流膨脹流體流動中，斷面突然縮小，使流量受限制，而后斷面增大，造成流體壓力下降，比容增大的過程稱為節流膨脹。（8）冷凝氣體冷卻轉化為液體的過程稱為冷凝。（9）凝固物質從液體冷卻轉化為固體的過程稱為凝固。（10）溶解固體加熱轉換為液體的過程稱為溶解。（11）氣化液體加熱轉化為氣體的過程稱為氣化。氣化有兩種方式：蒸發和沸騰。（12）沸騰在沸點溫度下，液體的氣化過程稱為沸騰。（13）蒸發液體表面的氣化現象稱為蒸發。在制冷工程中，由于制冷劑的沸騰溫度較低，一般吧沸騰稱為蒸發。（14）升華固體加熱直接轉變為氣體的過程稱為升華。（15）潛熱物質發生物態變化而溫度維持不變，所需要吸收或放出的熱量稱為潛熱，此時，液體的氣化溫度即為沸點，固體的溶解溫度即為熔點。(16)氣化潛熱液體轉變為氣體時的潛熱稱為氣化潛熱。（17）溶解潛熱固體轉變為液體時的潛熱稱為溶解潛熱。在不同的壓力條件下，各種物質沸點和氣化潛熱，熔點和溶解潛熱并不相同，在標準大氣壓下，水的沸點為100℃，氣化潛熱為539千卡/公斤。氨液的沸點為-33.4℃，氣化潛熱為327千卡/公斤。冰的熔點為0℃，溶解潛熱為79.7千卡/公斤。7.蒸汽的飽和、過熱和過冷狀態裝在密閉容器里的液體，被加熱時，蒸發和擴散作用，空間會充滿氣體分子，這些氣體分子在液體上面空間作不規則的熱運動。由于分子之間以及分子與容器壁的碰撞，其中一部分又回到液體中去。開始時，離開液體的分子多于回到液體中的分子，這樣液體表面上方蒸汽的密度就逐漸增大，回到液體中的分子數量也增多，最后，在同一時間內從液體里出來的分子數等于回到液體中去的分子數。這就是說液體的氣化速度與蒸汽的液化速度相等，處于動態平衡狀態，蒸汽的密度不能再增加，達到了飽和狀態。這時容器中的蒸汽叫做飽和蒸汽，相應的壓力叫做飽和壓力，而相應的溫度叫做飽和溫度。在相同的溫度下，各種液體有不同的飽和蒸汽壓力。例如，在20℃時水的飽和蒸汽壓力為17.53毫米水銀柱，氨的飽和蒸汽壓力為8.741公斤/厘米2（絕對）。液體的飽和蒸汽壓力隨著溫度升高而增加。在溫度不變的情況下，只要密封的容器里還有液體存在，其飽和蒸汽壓力不隨容積的改變而變化。如果在定壓下對液體進行加熱，當達到飽和溫度時，液體沸騰，變成蒸汽，繼續加熱，則比容增加，溫度不變，仍為飽和溫度，容器內存在著飽和液體和飽和蒸汽的混合物，此時稱為濕飽和蒸汽狀態。繼續加熱，液體全部氣化為飽和蒸汽，此時稱為干飽和蒸汽狀態。如再繼續加熱則干蒸汽的溫度將升高，超過飽和溫度，比容也將增加，這種狀態稱為過熱蒸汽。如果在定壓下，將蒸汽進行冷卻，在飽和溫度下，飽和蒸汽被冷凝成飽和液體。在飽和蒸汽全部冷凝成為飽和液體后，如果繼續冷卻，液體的溫度將降低，低于飽和溫度，這種狀態稱為過冷液體。8.臨界溫度、臨界壓力和臨界比容根據實驗得知，要想把氣體由氣態轉變為液態，必須符合一定的條件，超出這一條件，物態的變化就不能實現。能夠實現物態變化的極限狀態稱為臨界狀態。每種氣體都有一個一定的溫度值，高于這個溫度，不論壓力如何變化，氣態都無法轉化為液態的，這個極限溫度稱為臨界溫度。在臨界溫度下，氣體液化所需要的壓力稱為臨界壓力。在臨界壓力下，單位質量的物質所占據的容積稱為臨界壓力。在臨界壓力下，單位重量的物質所占據的容積稱為臨界比容。例如水的臨界溫度為374℃，臨界壓力為217.72大氣壓，臨界比容為2.50厘米3/克，空氣的臨界溫度為-140.7℃，臨界壓力為37.2大氣壓，臨界比容為2.86厘米3/克。9.空氣的濕度和露點空氣是一種混合氣體，在空氣中，一般都含有一定量的水蒸氣。空氣中含有水蒸氣的多少稱為空氣的濕度。空氣的濕度能夠用絕對濕度、水蒸氣密度和相對濕度表示。（1）絕對濕度單位容積的空氣中含有水蒸氣的重量稱為絕對濕度，以符號a表示，常見單位為克/米3。（2）水蒸氣密度含在空氣中的水蒸氣所具有的分壓力稱為水蒸氣密度，以符號e表示，其常見單位為毫米水銀柱或毫巴（1毫巴=0.75毫米水銀柱）。絕對濕度與水蒸氣密度可按下式換算：a=eq\f(1.06e,1)+αt或a=eq\f(0.8e,1)+αt式中：a—絕對濕度（克/米3）e—水蒸氣密度（毫米水銀柱）e—水蒸氣密度（毫巴）t—溫度（℃）α—常數（α=0.00366）（3）相對濕度空氣中所含水蒸氣的密度與同一溫度下飽和空氣中所含水蒸氣密度百分比值，稱為相對濕度。以符號ф表示，其值用百分數表示。相對濕度表示著空氣干燥或潮濕的程度。例如，相對濕度為0%時，表示空氣完全干燥，相對濕度為100%時，表示空氣濕度最大，達到飽和狀態。空氣的相對濕度能夠從單位容積內含有的水蒸氣克數來計算，也能夠用相同溫度下，空氣含有的水蒸氣密度與飽和水蒸氣密度之比來計算。相對濕度和絕對濕度，水蒸氣密度可按下式換算：φ=eq\f(a,A)或φ=eq\f(100e,E)式中：φ—相對濕度（%）絕對濕度（克/米3）A—飽和蒸汽絕對濕度（克/米3）e—水蒸氣密度（毫米水銀柱或毫巴）E—飽和蒸汽密度（毫米水銀柱或毫巴）空氣在不同溫度下的飽和蒸汽絕對濕度和蒸汽密度值如表1—3所示。利用上式和表1—3能夠換算出空氣的相對濕度、絕對濕度和水蒸氣密度。表1—3不同溫度下空氣的飽和蒸汽絕對濕度和飽和蒸汽密度溫度（℃）+30+20+10+50-5-10-15-20飽和蒸汽絕對濕度（克/米3）30.3817.329.415.324.863.412.351.601.08飽和蒸汽密度（毫米水銀柱）31.8217.549.216.424.583.162.141.430.95飽和蒸汽密度（毫巴）42.4223.3812.268.646.104.222.851.911.27（4）露點含有一定量水蒸氣的空氣，當溫度降低時，其水蒸氣密度逐漸增大，當水蒸氣達到完全飽和時的溫度稱為該空氣的露點空氣的露點溫度即為相對濕度達到100%時的溫度。在露點溫度下，空氣中的水蒸氣成為飽和水蒸氣，部分水蒸氣會凝結成露，呈露水狀粘附在物體表面，如果露點溫度低于0℃，則水蒸氣凝結成霜狀。不同絕對濕度的空氣有一個相應的露點溫度。可是，含有一定水蒸氣的空氣，其相對濕度則隨溫度而變化。溫度升高時，相對濕度下降，溫度降低時，相對濕度增大，當溫度降低到露點溫度時，相對濕度達到最大為100%。不同溫度和相對濕度空氣的露點溫度如表1—4所示。空氣的露點溫度也可利用溫濕（i—d）圖查得。表1—4不同溫度和相對濕度空氣的露點溫度相對濕度（%）溫度（℃）6065707580859095100+30+20.9+22.3+23.6+24.8+25.9+27.0+28.1+29.1+30.02819.020.421.722.924.025.026.127.128.02617.218.519.821.022.123.124.125.126.02415.316.617.819.020.121.122.123.124.02213.414.715.917.018.119.120.121.122.0+2011.512.814.015.116.217.218.219.120.0189.910.912.113.214.215.216.217.118.0167.79.010.211.312.313.314.315.216.0145.87.08.29.310.311.312.313.214.0123.95.16.37.48.49.410.311.212.0+102.13.34.45.46.47.48.39.210.08+0.3+1.42.53.54.55.46.37.28.06-1.5-0.4+0.7+1.72.73.64.45.26.043.22.1-1.1-0.2+0.7+1.62.53.34.024.93.93.02.1-1.2-0.3+0.5+1.32.0±06.55.54.63.72.92.1-1.3-0.6±0.028.47.46.45.44.84.03.32.6-2.0410.39.38.37.56.76.05.34.64.0612.111.210.39.58.78.07.36.66.0813.913.912.211.410.710.09.38.68.0-1015.414.814.113.312.611.911.210.610.01217.716.715.915.114.413.813.212.612.01419.818.817.917.116.415.815.214.614.01621.920.920.019.218.517.817.116.516.01824.123.022.221.420.919.819.118.518.0-20-26.2-25.2-24.2-23.4-22.6-21.8-21.1-20.5-20.0熱力學基礎知識任何事物都有一定的規律性。熱力學也有其一定的規律性，這就是熱力學基本規律，它反映了能量轉換的客觀規律。熱力學基本規律是制冷工程原理的依據。熱力學基本定律有熱力學第一定律和熱力學第二定律。一、熱力學第一定律各種形式的能量能夠互相轉換，但不能增多，也不會減少，總量保持不變。當工質受熱作功時，由于受熱而從外界得到的能量，等于外界作功所付給的能量與貯存于工質內部的能量之和，這就是熱力學第一定律的基本內容。熱力學第一定律屬于能量守恒和轉換定律范疇。熱力學第一定律能夠用以下公式表示：q=△u+AL式中：q—外界加給受熱工質的熱量（千卡/公斤）u—受熱工質內能的增加（千卡/公斤）L—受熱工質對外界所作的機械功（公斤米/公斤）A—功的熱能當量A=1/427（千卡/公斤米）上式稱為簡單能量方程式，其中每一項根據實際情況，能夠是正值，也能夠是負值。如果q是負值，表示物質對外界放熱，如果L是負值，表示工質接受了外界的壓縮功，如果△u是負值，表示工質的內能不是增加，而是減少。熱力學第一定律告訴我們，熱與功兩者能夠互相轉換，而且轉換時有一定的數量關系，即每千卡的熱量全部轉變為功時為427公斤米，稱為熱功當量。反之，每公斤米的功能夠轉化為1/427千卡的熱量，以符號A表示，稱為功的當量。二、熱力學第二定律大量實驗證明，功能夠全部轉變為熱，溫度較高的物體中的熱量能夠自發地向溫度較低的物體轉移，而相反卻不行。熱力學第二定律包括以下兩條內容：熱量不能自發地，不付代價地由低溫物體傳向高溫物體。使熱量全部而且連續地轉變為機械功是不可能的。熱力學第二定律告訴了我們傳熱過程的方向，并指出了熱量轉變為功的條件。例如，有溫度不同的甲、乙兩個物體互相接觸，并假設與外界隔絕，此時甲、乙兩物體間將發生熱量接觸，熱力學第一定律說明，一個物體失去的熱量，等于另一個物體獲得的熱量，但并不能說明那個物體會失去熱量，那個物體會得到熱量。可是，根據熱力學第二定律，就能夠清楚地知道，溫度較高的甲物體能夠自動地把熱量轉移給乙物體，而溫度較低的乙物體，不能自動地把熱量傳遞給甲物體。另外，熱力學第一定律說明，熱能夠按一定當量轉化為功，功也能夠按一定當量轉化為熱。而熱力學第二定律進一步說明，要將功完全轉化成熱能是可能的。反之，要將熱完全地連續地轉化為機械功卻辦不到。正因為這樣，因此各種熱機的效率總是小于1。熱力學定律告訴我們，任何機器在作功時都必須消耗能量。要想不耗費能量而作功是違反客觀規律，因而所謂“恒動機”的想法是完全不可能實現的。三、熵與焓1.熵根據熱力學定律，已經知道熱量常常不可能完全轉化為功，為了研究熱量做功的價值，引用了熵的概念，以符號S表示。熵是表明物質系統熱力學狀態的物理量。在加熱情況下，一個系統的溫度是變化，如果把過程分為許多微段，每段加入熱量為dq，那未每段內加熱時的溫度T（絕對溫度）能夠認為不變，這個系統熵的變化為dS=eq\f(dq,t)式中：S—熵（千卡/公斤K）q—傳熱量（千卡/公斤）T—絕對溫度（K）在可逆循環中，熱源減少的熵等于冷源增加的熵，總的熵值保持不變。在不可逆循環中，熱源減少的熵大于冷源增加的熵，總的熵值增大。熵不能用實測的方法求得，只能從數學計算中得到。熵在熱力計算中常有使用，一般不需要求出它的絕對值，而只要求得它的相對值。在制冷工程中，一般把0℃的飽和制冷液體的熵值規定為1.2.焓物質具有的內能和流動能之和稱為焓，以符號i表示，其單位為千卡/公斤。焓能夠用以下公式表示：i=u+APV焓是一個很重要的狀態參數，它和溫度、壓力、比容一樣，能說明氣體所處狀態的特征。在制冷工程熱力計算中，焓具有極廣泛的用途，它能夠使熱力計算大大簡化。焓的絕對值很難直接確定，實際上也沒有必要求出，因為一般只需要了解一種物質由某一狀態變化到另一狀態時焓值變化即可，在制冷工程中，一般吧0℃的飽和制冷劑液體的焓值規定為100.3.溫—熵（T—S）圖在熱力學中，為了計算熱轉移的數量，常使用溫—熵（T—S）圖。圖1—1是T—S圖的基本線形。圖上，縱坐標為絕對溫度T，橫坐標為熵S，T—S圖由等溫線（T=常數），絕熱等熵線（S=常數），等壓線（p=常數），等焓線（i=常數），等濕線（x=0及x=1），等比容線（V=常數）等線條組成。與橫坐標平行的是等溫線，與縱坐標平行的是絕熱等熵線，左邊的一條主要曲線為飽和液線（x=0），右邊的一條主要曲線為飽和氣線（x=1）。處在飽和液線左邊的是過冷卻液體狀態，處在飽和氣線右邊的是過熱氣體狀態，在飽和液線和飽和氣線之間的是液體和飽和氣體共存狀態。能夠用T—S圖上的面積來計算系統吸收或放出的熱量。圖1—1T—S圖的基本線形例如，某一逆卡諾循環（圖1—2）由兩根等溫線和兩根絕熱線組成，在4—1等溫過程中，供熱體把熱量傳遞給工質，此時供熱體溫度T。不變，在1—2絕熱壓縮過程中，工質與周圍介質不發生熱交換，此時工質溫度由T。升到Tk。在2—3等溫過程中，工質將熱量傳遞給受熱體，但溫度穩定不變。在3—4絕熱膨脹過程中，工質溫度由Tk降到T。。在上述循環中，4—1過程，供熱體傳給工質的熱量可由圖上a14b的面積求得，2—3過程，工質向受熱體傳遞的熱量可由圖上a23b的面積求得，而壓縮功即為面積a23b-面積a14b=1234。圖1—2逆卡諾循環4.壓—焓（P—i）圖為計算熱轉移的數量，還能夠采用（P—i）壓焓線圖。圖1—3是P—i圖的基本線形，圖上縱坐標為壓力P，橫坐標為焓i，水平線為等壓線，垂直線為等焓線，左邊主要曲線為飽和液線（x=0），右邊主要曲線為飽和氣線（x=1），這兩條曲線將流體分為三部分，左邊為過冷液體，中間為液體和飽和氣體共存，右邊為過熱氣體。在壓—焓圖上，能夠用橫坐標的線段來表示系統吸收或放出的熱量，因此，在使用上，壓—熵圖比溫—熵圖方便，故現今制冷計算大都采用壓—焓圖，為了避免壓—焓圖的下部的線條過分擁擠，一般將縱坐標以lgp來代替P，制成lgP—i圖使用。實際使用的氨lgP—i圖見附錄。圖1—3P—i圖的基本線形傳熱學基礎知識熱量由較熱物質向較冷物質轉移的過程稱為傳熱。實踐證明，無論是不同種類的物質或者是相同種類的物質，當相互接觸時，只要有溫度差存在，就會出現傳熱現象。而且，根據熱力學定律，熱量總是從高溫物質自發地傳向低溫物質。一、傳熱基本方式自然界中，傳熱現象雖然很多，歸納起來，有三種基本方式：導熱，熱對流和熱輻射。傳熱過程有時候是單一的某種形式的傳熱，而大多數傳熱過程是一種方式伴隨著另一種方式同時進行的傳熱。1.導熱由于物體內部分子和原子的熱振動引起動能的交換，使熱量從物體的一部分傳遞到另一部分，或從一個物體傳遞到與之直接接觸的另一個物體，這種傳熱方式稱為導熱。純粹的導熱現象只有在完全密實的固體內部才能發生，此時，物質本身并不移動。導熱過程中，如果物體內部各處的溫度不隨時間而變化，則單位時間內傳遞的熱量為定值，這種導熱過程稱為穩定導熱。下面將穩定導熱情況下，單層平面壁，多層平面壁和圓管壁的導熱情況作簡要介紹。單層平面壁的導熱單層平面壁的導熱可用下式表示：Q=EQeq\f(λ,δ)F(t1–t2)=EQeq\f(λ,δ)F△t（千卡/時）式中：Q—單位時間內經過平面壁傳導的熱量(千卡/時)δ—平面壁厚度（米）F—導熱面積（米2）t1—熱表面的壁溫（℃）t2—冷表面的壁溫（℃）t—熱表面與冷表面的溫度差λ—導熱系數（千卡/米時℃）上式說明在一定傳熱平面壁面積F上的傳熱速度與溫度差△t成正比例，與平面壁的厚度δ成反比例，還與平面壁物質的導熱系數λ有關。導熱系數λ一小時內，等溫面長度為一米，溫度降為1℃，經過一平方米傳熱面積的熱量稱為導熱系數。導熱系數的大小標志著物質傳導熱量能力的大小，不同的物質有不同的導熱系數值。一般說來，以固體為最大，液體次之，而以氣體最小。在固體中，則又以金屬材料的導熱系數最高，磚石等建筑材料次之，隔熱材料的導熱系數最小。即使同一種物質，其導熱系數也并不是常數，它還隨物體的結構、重度、濕度、溫度和壓力等許多因素而異。各種物質的導熱系數均由試驗測定。表1—5是幾種物質的導熱系數值。表1—5幾種物質的導熱系數物質名稱導熱系數λ（千卡/米時℃）物質名稱導熱系數λ（千卡/米時℃）軟木板0.04—0.06鋼300聚苯乙烯泡沫塑料板0.03—0.04鋁170木材0.15—0.2水0.47—0.53油毛氈0.12—0.15冰1.95—2.0瀝青0.3—0.35冷凍油0.1—0.13磚0.5—0.8霜0.1—0.5混凝土0.8—1.1水垢0.3—1.0鋼筋混凝土1.2—1.3油漆0.2鋼40—50空氣0.02（2）多層平面壁的導熱平面壁由若干層不同物質組成，各層物質的導熱系數和厚度均布相同，熱量連續傳過各層平面壁的過程稱為多層平面壁的導熱。如圖1—4所示，平面壁為三層，用不同物質組成，每層的厚度為δ1、δ2及δ3，其導熱系數各為λ1、λ2及λ3，平面壁的面積為F（與圖面垂直）經過各層的溫度差各為△t1=t1-t2，△t2=t2-t3，△t3=t3-t4，則根據單層平面壁的導熱公式可得△t=△t1+△t2+△t3=Q1eq\f(δ1,λ1F)+Q2eq\f(δ2,λ2F)+Q3eq\f(δ3,λ3F)因為是穩定導熱，則經過各層的熱量相等，即Q1=Q2=Q3=Q則有Q=eq\f(△t,(eq\f(δ1,λ1F))+(eq\f(δ2,λ2F))+(eq\f(δ3,λ3F)))(千卡/時)令eq\f(δ1,λ1F)=R1，eq\f(δ2,λ2F)=R2，eq\f(δ3,λ3F)=R3則得Q=eq\f(△t,R1+R2+R3)=eq\f(△t,ΣR)（千卡/時）式中：R1、R2、R3—對應各層的熱阻ΣR—多層平面壁的總熱阻（3）圓管壁的導熱熱量沿圓管壁的徑向傳遞時，垂直于熱流方向的傳熱面積顯然隨半徑的增大而增大。如圖1—5所示，若圓管壁的長度為L，圓管的內半徑為r1，外半徑為r2，內壁溫度為t2，外壁溫度為t1，則穩定導熱經過的熱量為Q=eq\f(2πλL,ln(eq\f(r2,r1)))(t1-t2)(千卡/時)將上式與平面壁導熱公式相比較，可得Fd=eq\f(2πl(r2-r1),lneq\f(r2,r1))=eq\f(F2-F1,lneq\f(F2,F1))(米2)式中：fd—圓管壁內面積F1和外面積F2的對數平均值則有Q=eq\f(λ,r2-r1)Fd△t=eq\f(λ,δ)Fd△t（千卡/時）式中：δ—圓管壁的厚度（米）從上式可知圓管壁的導熱基本上與平面壁的導熱相同，其不同之處就在于需把面積取對數平均值。一般說來，兩個數值的對數平均值常較其算術平均值為小。對于薄壁圓管，一般其外徑d2（或r2）與外徑d1（或r1）之比小于2，即eq\f(d2,d1)=eq\f(r2,r1)≤2，此時，工程計算上能夠采用算術平均值，其誤差也不大。當圓管壁或圓筒壁為同心的多層物質構成時，其徑向的導熱需要分別算出各層的傳熱面積對數或算術平均值，并以各層熱阻之和為總熱阻而計算。2.熱對流熱對流是流動介質的傳熱，主要由分子互易位置、流體本身進行混和而傳熱，熱量經過物質的移動來傳遞。例如，空氣和水的傳熱都是對流傳熱。熱對流是流體獨有的現象。可是，流體的傳熱也往往兼有對流和導熱兩種形式。對流傳熱有自然對流傳熱和強制對流傳熱之分。靜止的流體，由于受熱或放熱，使密度發生變化引起對流而傳熱的稱為自然對流傳熱。由于采用機械能—風機、攪拌器或泵等，使流體強制流動而傳熱的稱為強制對流傳熱。按流體的流動狀態，有層流和湍流之分。流體的流動速度較小（雷諾準數在2320以下）時一般為層流，流動速度較大（雷諾準數在2320以上）時，一般為湍流。可是即使在湍流時，在緊鄰管壁處常總有一薄層仍為層流。流體流過固體壁面時，流體和與之直接接觸的壁面間發生的熱量傳遞過程稱為放熱（又稱給熱，對流換熱），這個過程包括因流體各部位相對位移而引起的換熱，也包括流體分子間進行的導熱，因此它是導熱和對流的混合作用。放熱過程基本關系可用下式表示：Q=αF（t1-tb）（千卡/時）式中：Q—單位時間內流體與壁面間的傳熱量（千卡/時）t1—流體的溫度（℃）tb—壁面的溫度（℃）F—放熱壁面的面積（米2）α—放熱系數（又稱給熱系數）（千卡/米2時℃）放熱系數α溫度差為1℃，在一小時內，由表面積為1米2的壁面與相接觸的流體之間傳送的熱量稱為放熱系數。放熱系數的大小標志著壁面與流體表面之間熱交換的強度。影響放熱系數的因素很多。例如，流體的性質、流動的速度、流體的溫度、壁面的狀態、面積和溫度等都影響放熱系數值。一般說來，增加流體速度能夠提高放熱系數，也就是說，湍流時放熱系數大，層流時放熱系數小。流體流動方向和管壁垂直時的放熱系數比平時大。當氣體發生冷凝現象時的傳熱，滴狀冷凝的放熱系數比膜狀冷凝大幾倍至十幾倍。膜狀冷凝時，膜層增厚會使放熱系數減少。增加氣體流速，能使液膜減薄，增大放熱系數，加高氣體溫度，會使液層粘度減少，放熱系數增大。氣體與傳熱壁之間的溫度差加大時，則冷凝加速，液層加厚，使放熱系數減少。在氣體中如混有不凝性氣體，會使放熱系數大大降低。當液體為沸騰傳熱時，粗糙壁面的放熱系數比光滑壁面為大。由于影響放熱系數的因素很多，其數值一般均由實驗測得。3.熱輻射宇宙間一切物體都以一種電磁波的方式向四面八方送出它的熱量，這種向四周發射電磁波的傳熱現象總稱為熱輻射。太陽的熱能就是以輻射的方式傳給地球的。熱輻射的發生，是物體內部原子復雜激動的結果。故物體被加熱時，必有一部分熱能變為輻射能。一切物體發射的熱輻射，當射達其它物體的表面時，和光線相似，部分被吸收，部分被反射，還有一部分可能透過物體。被物體吸收的輻射能，將使該物體的溫度升高。物體具備吸收、反射及透過熱輻射的能力分別稱為吸收率（A）、反射率（R）及透過率（D），若以入射能的總數為1，則有A+R+D=1A、R及D的絕對值，視物質的性質、溫度和波長等而異。一般說來，對于絕大多數氣體，絕對透明體和熱體，A=0，R=0，D=1，即入射能全部透過。對于多數固體和液體D=0，R+A=1，此時的熱輻射能夠看作是物體表面的效應。當D=0，A=0，R=1時，入射能全部反射，稱為絕對白體。若D=0，R=0，A=1時，入射能全部吸收，稱為絕對黑體。實際上，絕對黑體和絕對白體都不存在，只是近似而已。一般說來，物體表面越粗糙、越黑、越善于吸收光線者，就越近似黑體。如絕黑的煤A=0.96,。但熱輻射的黑體與光學的黑體還是有所區別的。例如，白粉墻和白雪，在光學上是所謂的白體（R=1），但對于熱輻射，卻是近似黑體，雪的A=0.985.因此物體對于熱輻射是否吸收或反射，主要決定于表面狀態，而與顏色無多大關系。根據實驗和理論分析，絕對黑體向外發射的輻射能與它的輻射面積成正比，與它的絕對溫度的四次方成正比。E0=C0F（eq\f(T,100)）4（千卡/時）式中：E0—絕對黑體的輻射能量（千卡/時）F—輻射面積（米2）T—物體表面的絕度溫度（K）C0—輻射系數C0=4.96（千卡/米2時K）一般，物體的輻射能力和吸收能力都比絕對黑體小，一個物體的輻射能量E與同溫度下絕對黑體輻射能量E0的比值稱為黑度。以符號ε表示。ε=eq\f(E,E0)因此任何物體的輻射能量均能夠表示成E=εE0=εC0F（eq\f(T,100)）4(千卡/時)由于輻射能量與絕對溫度的四次方成正比，因此，當兩個物體的溫度差相差很大時，輻射換熱將占據很重要的地位，可是，在制冷技術中，一般的溫度都不大，輻射換熱占的比例很小，在計算中，除個別情況外，對輻射換熱量都不予考慮。二、傳熱過程在熱交換器中，熱量充溫度較高的流體經過間壁傳向另一側溫度較低流體的過程稱為傳熱過程。在傳熱過程中，既有導熱，又有對流換熱。1.單層平面壁的傳熱過程單層平面壁的傳熱過程如圖1—6所示，從圖中能夠看出，整個傳熱過程實際上是熱流體到一側壁面的對流換熱，由一側壁面到另一側壁面的導熱，以及從另一側面到冷流體的對流換熱這樣三個熱傳遞過程串聯而成。從第一節中已知，熱流體與壁面之間的換熱為Q1=α1F（t1-t1’）由一側壁面到另一側壁面的導熱為Q2=eq\f(λ,δ)F(t1’-t2’)由另一側壁面到冷流體的換熱為Q3=α2F（t2’-t2）當穩定傳熱時，各過程所傳過的熱量均應相等，即Q1=Q2=Q3=Q則三個串聯傳熱過程的溫度差將各為t1-t1’=eq\f(Q1,F)×eq\f(1,α1)=eq\f(Q,F)×eq\f(1,α1)t1’-t2’=eq\f(Q2,F)×eq\f(δ,λ)=eq\f(Q,F)×eq\f(δ,λ)t2’-t2=eq\f(Q3,F)×eq\f(1,α2)=eq\f(Q,F)×eq\f(1,α2)整個傳熱過程的總溫差為t1-t2=(t1-t1’)+(t1’-t2’)+(t2’-t2)=eq\f(Q,F)(eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2))由此可得Q=eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2))F(t1-t2)令eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2))=K則有Q=KF（t1-t2）（千卡/時）式中：Q—單位時間內經過傳熱面F由熱流體傳給冷流體的熱量（千卡/時）F—傳熱壁面積（米2）t1—熱流體的溫度（℃）t2—冷流體的溫度（℃）K—傳熱系數（千卡/米2時℃）傳熱系數K當兩流體間的溫度差為1℃，隔開兩流體的壁面積為1米2，在一小時內由較熱流體經過間壁傳至較冷流體的熱量稱為傳熱系數。上述公式稱為傳熱方程，是傳熱計算的基本公式，在制冷計算中經常使用。2.多層平面壁的傳熱過程多層平面壁的傳熱過程如圖1—7所示，其間壁為多層結構，每層的厚度為δ1、δ2……δn，則其傳熱系數為λ1λ2λnK=eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ1,λ1)+eq\f(δ2,λ2)+……+eq\f(δn,λn)+eq\f(1,α2))多層平面壁的傳熱方程與單層平面壁傳熱方程相同，僅在于K值不同。圖1—7多層平面壁的傳熱過程制冷裝置的熱交換器，有時雖然是單層間壁，但在間壁表面附有油、水垢、霜或冰等沉淀物和污垢時，則應按多層間壁來計算K值。經過計算，然后將兩個計算結果相比較，就能夠明顯看出，油和水垢的存在，使冷凝器的熱系數大大降低。3圓管壁的傳熱過程圓管壁的傳熱過程如圖1—8所示，其傳熱方程為圖1—8圓管壁的傳熱過程Q=eq\f(1,eq\f(1,α1d1)+eq\f(1,2λ)+lneq\f(d2,d1)+eq\f(1,α2d2))πL（t1-t2）=K1πL（t1-t2）（千卡/時）式中：α1—圓管外壁的放熱系數（千卡/米2時℃）α2—圓管內壁的放熱系數（千卡/米2時℃）λ—管子材料的導熱系數（千卡/米2時℃）d1—圓管的外徑（米）d2—圓管的內徑（米）L—管子的長度（米）t1—熱流體的溫度（℃）t2—冷流體的溫度（℃）K1—單位管長的傳熱系數（千卡/米時℃）K1=eq\f(1,α1d1)+eq\f(1,2λ)+lneq\f(d2,d1)+eq\f(1,α2d2)對于薄壁圓管，其外徑和內徑之比小于2（eq\f(d1,d2)＜2）時，則能夠將上式簡化為Q=eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2))πdmL（t1-t2）=KπdmL（t1-t2）（千卡/時）式中：δ—管壁厚度（米）δ=eq\f(d1-d2,2)dm—管子的平均直徑（米）dm=eq\f(d1+d2,2)K—圓管壁的傳熱系數（千卡/米2時℃）4.翅片管的傳熱過程翅片管有內翅片和外翅片之分，冷庫中主要為外翅片管，其傳熱過程如圖1—9所示。對于薄壁管，其傳熱方程為圖1—9翅片管的傳熱過程Q=eq\f(1,eq\f(1,α1F1)+eq\f(δ,λ)×eq\f(1,F1)+eq\f(1,α2F2))(t1-t2)=K1F1(t1-t2)=K2F2(t1-t2)(千卡/時)式中：α1—翅片表面的放熱系數（千卡/米2時℃）α2—管子內表面的放熱系數（千卡/米2時℃）δ—管壁厚度（米）λ—管子材料的導熱系數（千卡/米時℃）F1—管子（翅片）側的放熱面積（包括翅片表面積及管外壁的表面積）（米2）F2—管子內側的放熱面積（米2）t1—熱流體的溫度（℃）t2—冷流體的溫度（℃）K1—以翅片側放熱面積計的傳熱系數（千卡/米2時℃）K1=eq\f(1,eq\f(1,α1)+eq\f(δ,λ)+eq\f(1,α2)×eq\f(F1,F2))K2—以管子內側放熱面積計的傳熱系數（千卡/米2時℃）K2=eq\f(1,eq\f(1,α1)×eq\f(F2,F1)+eq\f(δ,λ)×eq\f(F2,F1)+eq\f(1,α2))eq\f(F1,F2)—翅化系數上式公式在翅片片身不高時比較正確，若片身較高，片身上、下部有溫度落差，計算結果將產生誤差。翅片管的翅片應該裝在放熱系數較小的一側。三、平均溫度差在熱交換器中，熱流體將熱量傳遞給冷流體時，冷、熱流體的溫度沿熱交換器長度方向常常是變化的，因此，在計算溫度差時，應該采用平均溫度差，以符號△tm表示。平均溫度差，除與冷、熱流體的物理性質，進口溫度等有關外，還與冷、熱流體相互流動的方向有關。冷流體和熱流體在熱交換器中的流動方向有順流，逆流，叉流，混合流等。冷流體與熱流體循同一方向運動時，稱為順流，其流向示意及溫度變化如圖1—10所示。圖1—10順流傳熱及溫度變化冷流體與熱流體循相反方向運動稱為逆流。其流向示意及溫度變化如圖1—11所示。圖1—11逆流傳熱及溫度變化冷流體與熱流體呈垂直交叉運動時稱為叉流，由順流、逆流和叉流混合組成的流動稱為混合流。從圖1—10和1—11能夠看出，冷流體與熱流體在運動中，濕度都發生了變化，在順流時，冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，但在逆流時，冷流體的出口溫度能夠高于熱流體的出口溫度，因此，逆流時的溫度差最大，交換的熱量最多，順流時的溫度差最小，交換的熱量最少，叉流和混合流則處在兩者之間，因此，對于熱交換器，在一般情況下，應盡量采用逆流布置，即使因結構或其它方面的困難而無法采用逆流時，也應盡量采用叉流或混合流，避免采用單純的順流。在熱交換器中，除了上述的冷、熱兩流體溫度都發生變化的情況，也有一個流體的溫度維持不變，另一流體的溫度發生變化的情況，圖1—12所示為熱流體溫度維持不變冷流體溫度變化情況（如冷凝器中的冷凝過程），圖1—13所示為冷流體溫度維持不變，熱流體溫度發生變化的情況（如蒸發器中的傳熱過程）。圖1—12熱流體溫度恒定的傳熱圖1—13冷流體溫度恒定的傳熱理論分析指出：對于順流布置及逆流布置，當流體的比熱Cp，傳熱系數K等值沿熱交換器長度上變化不大時，冷熱流體間的平均溫度差可采用對數平均溫度差，其計算公式為△tm=eq\f(△t1-△t2,lneq\f(△t1,△t2))(℃)式中：△tm—對數平均溫度差（℃）△t1—熱交換器中，傳熱表面起點的溫度差（℃）△t2—熱交換器中，傳熱表面終點的溫度差（℃）如果，在熱交換器中，起點的溫度與終點的溫度相差不大，即△t1≈△t2或eq\f(△t1,△t2)＜2時，或傳熱過程中，流體的溫度變化較小時，則平均溫度差能夠不用對數平均溫度差，而簡化成算術平均溫度差，即△tm=eq\f(△t1+△t2,2)(℃)第二章制冷原理根據熱力學定律，在自然界中，熱量不但能夠互相轉換，而且，當溫度不同的物質接觸時，溫度較高的物質能夠自動把熱量傳遞給溫度較低的物質。例如，涼水與熱水混合，溫度會相等。利用這些傳熱作用，可使高溫的物質不斷降低溫度，達到一定的低溫，用冰來冷卻貯藏食品等。在外界條件影響下，物質會發生物態變化，此時，溫度雖然不變，但必須有熱量變化。固體物質溶解成液體時，需要吸收溶解潛熱，液體轉變為氣體時，需要吸收氣化潛熱。因而，能夠利用固體的溶解或液化的氣化，來吸收熱量，使剩留的固體或液體的溫度降低，或使周圍介質的溫度降低，達到制冷目的。按照能量轉換規律，熱能與機械能能夠互相轉換。例如，對氣體進行壓縮時，消耗機械功，使氣體增加能量，當壓縮氣體膨脹時，氣體作功，需要吸收能量，利用壓縮氣體的膨脹，能夠降低氣體或周圍介質的溫度，達到制冷的目的。按照上述制冷基本原理，人工制冷有多種方法，如冰鹽混合物制冷，易液化氣體壓縮制冷，吸收式制冷，蒸汽噴射制冷，半導體制冷，太陽能制冷等等。冰鹽混合物制冷是利用冰和鹽（食鹽、氯化鈣等）的混合物融化時能吸收溶解潛熱來制冷。此方法在魚貨的臨時性冷加工和鐵路運輸、冷飲品生產中使用，但用得不多。吸收式制冷利用某些氣體（如氨氣等）在常壓常溫下能夠大量溶解于水，在溫度升高時又能蒸發逸出的特征來制冷。在吸收式制冷機中，吸熱后的低壓氨氣進入吸氣器，被濃度較稀的氨水溶液所吸收，并用水冷卻以除去溶液中的熱量，而后泵將已增濃的氨水溶液泵如發生器中，并用水蒸氣或其它熱源給以增壓加熱，在相當高的壓力下與溫度下使氨氣化，把氨氣導入冷凝器，使冷凝成為液體，然后將液體經節流閥節流膨脹后進入蒸發器，此時氨液蒸發從周圍介質吸熱而制冷。吸收式制冷除采用氨外，還有采用溴化鋰制冷劑。此法一般在廢氣、廢熱可利用時采用，主要用于棉紡織工業及石油化工工業。蒸汽噴射制冷系利用3—7個大氣壓力的水蒸氣，在經過噴射器時，使相連的蒸發器內形成真空狀態（約3—8毫米水銀柱），此時蒸發器內的水部分蒸發吸熱，使剩留的水溫度降低，成為低溫水，達到制冷目的。蒸汽噴射制冷主要用于大冷量的空調和輕工、化工工廠供應冷水，紡織工業中也較多采用。易液化氣體壓縮制冷是將容易液化的氣體（如氨、氟利昂等）進行壓縮，成為壓縮氣體，送去冷卻，使冷凝成為液體，而后將液體節流減壓膨脹，進入蒸發器吸熱蒸發，此時，需要從周圍介質吸收熱量，是周圍介質溫度降低而制冷。易液化氣體壓縮制冷方法在各類食品冷庫中廣泛采用，也是現金人工制冷的主要方法。本書將主要敘述此種制冷方法。第一節單級壓縮制冷循環一、壓縮式制冷系統原理壓縮式制冷系統由壓縮機等制冷設備，用管道連接組成，易液化氣體在系統中不斷進行制冷循環，達到連續制冷。最簡單的壓縮式制冷系統（圖2—1）必須有四種制冷設備：制冷壓縮機、冷凝器、節流閥（膨脹閥）和蒸發器。圖2—1壓縮式制冷系統原理圖壓縮機用來對制冷劑氣體進行壓縮，把低壓的氣體壓縮成高壓的氣體。此時，氣體的溫度升高。冷凝器用來對壓縮機排出的高壓高溫氣體進行冷卻，使其放熱，在一定的壓力和溫度下，把氣體液化成為液體。節流閥的作用在于將高壓的液體減壓，節流膨脹，成為低壓液體。在蒸發器中，節流膨脹后的液體從周圍介質吸熱蒸發成為氣體，此時，周圍介質溫度降低而制冷。在制冷系統中，易液化氣體，經壓縮機后，經過冷凝器時，液體吸熱，轉化成氣體。至此完成一個循環，恢復到壓縮機前的狀態。而后，易液化氣體又進入壓縮機，開始另一個制冷循環。易液化氣體作為制冷劑在系統中如此不斷循環，同時經常發生物態變化，從而將蒸發器周圍物質（如空氣等）的熱量轉移給冷凝器的冷卻介質（如水等），使蒸發器周圍物質的熱量不斷減少，實現制冷。在實際制冷系統中，除上述制冷設備外，還必須配置油分離器、貯液器、液分離器和控制閥門等多種輔助設備，才能有效地進行制冷。壓縮式制冷系統由多種形式，按照制冷劑在每個制冷循環中被壓縮的次數可分為單機壓縮和多級壓縮兩類。多級壓縮又有雙級壓縮和三級壓縮之分。按照使用制冷劑種類的多少可分為單種制冷壓縮和復迭壓縮兩類。復迭壓縮時，有的使用兩種制冷劑，也有使用三種制冷劑的。在冷庫制冷技術中，主要為單機壓縮和雙級壓縮，一般都只用一種制冷劑，其它壓縮的制冷循環很少采用。本節主要敘述單級壓縮制冷循環。單機壓縮制冷循環是最簡單的制冷循環，也是其它制冷循環的基礎。單機壓縮的制冷循環系統如圖2—2所示圖2—2單機壓縮制冷循環系統圖制冷劑在蒸發器內蒸發成低壓氣體后，經過液分離器由壓縮機吸入，經過壓縮，成為高壓氣體，經過油分離器送至冷凝器，在冷凝器內，制冷劑被說或空氣冷卻后，冷凝成為液體，進入貯液器貯存。貯液器內的高壓液體經過節流閥節流膨脹，壓力下降后進入蒸發器，在蒸發器內，低壓液體吸熱蒸發而制冷。而后，失去制冷能力的低壓制冷劑氣體又被壓縮機吸入，進行另一個循環。單級壓縮制冷循環在壓—焓（P—i）圖上的過程如圖2—3所示。在溫—熵（T—S）圖上的過程如圖2—4所示。圖2—3單級壓縮制冷循環P—i圖圖2—4單級壓縮制冷循環T—S圖在圖2—2、2—3、2—4中，1是壓縮機吸氣入口，2是壓縮機排氣出口，1—2為壓縮過程，2—3為等壓冷卻過程，3—4為等溫等壓的液化過程，4是高壓液體，4—5為節流閥中節流膨脹過程，5是低壓液體，5—1為蒸發器內的液體氣化過程。在制冷循環中，條件變化時，制冷劑在系統中1—5各點的狀況將發生變化。為了便于分析，將循環中的一些因素略而不計，稱為理想循環（圖2—3即為一種理想循環）。理想循環是實際循環的基礎。按照制冷劑進入壓縮機和節流閥前的不同狀況，單級壓縮制冷劑循環有干壓縮循環和濕壓縮循環。二、干壓縮循環制冷劑進入壓縮機時完全為干氣體的制冷循環稱為干壓縮制冷循環。干壓縮循環又可分為飽和循環，氣體過熱循環，液體過冷循環和氣體過熱、液體過冷循環等數種。1.飽和循環制冷劑進入壓縮機氣缸時為干飽和氣體，進入節流閥時為飽和液體和液體的制冷循環稱為飽和循環。單級壓縮飽和循環在P—i圖上的過程如圖2—5所示。圖2—5單級壓縮飽和循環P—i圖在圖上，5—1為等溫等壓的蒸發過程，在蒸發器中實現。此過程即為制冷過程，制冷劑在此過程中所吸收的熱量就是此循環的制冷量，即q0=i1-i5千卡/公斤。1—2為等熵的絕熱壓縮過程，在壓縮機氣缸中實現。進入壓縮機時的1點處在飽和蒸汽線上，即進入壓縮機的氣體為干飽和氣體。在此壓縮過程中，壓縮機消耗功被制冷劑吸收，使制冷劑壓力、溫度都升高。壓縮機所消耗的功為AL=i2-i1千卡/公斤。2—3—4是恒壓降溫的冷凝過程，在冷凝器中實現。在此過程中，制冷劑將吸收的熱量全部放出，即qk=q0+AL=i2-i4千卡/公斤，在此過程中，2—3為過熱氣體降溫過程，在3點，氣體達到飽和并開始液化，3—4為飽和氣體和液體并存的濕蒸汽。在3—4過程，濕蒸汽繼續放出熱量，氣體逐漸液化，但溫度不變，到達4點，飽和氣體全部轉化成為飽和液體，4點處在飽和液線上。4—5為絕熱的節流膨脹過程，在節流閥中實現。在此過程，熱量沒有變化，即i4=i5千卡/公斤，壓力和溫度均下降，由pk和tk下降為p0和t0.為了衡量制冷循環的經濟效果，采用了制冷系數的概念，以符號ε表示。制冷系數制冷循環中，蒸發器中獲得的制冷量與壓縮機中作絕熱壓縮時消耗的功的熱當量之比稱為制冷系數。即ε=eq\f(q0,AL)式中：ε—制冷系數q0—制冷量（千卡/公斤）AL—壓縮機機械功的熱當量（千卡/公斤）制冷系數表示著消耗的機械功和得到的冷量之間的關系。制冷系數越大，說明制冷循環的效果越好。一般情況下，冷凝壓力越低，消耗的壓縮功越小；蒸發壓力越高，制冷量約大，將使制冷系數增加。2.氣體過熱循環在制冷循環中，如果干飽和氣體的制冷劑繼續吸熱，其溫度超過它再同一壓力下的飽和溫度就成為過熱氣體，當壓縮機的吸入口為過熱氣體時，這樣的制冷循環稱為氣體過熱循環。過熱氣體的溫度與同一壓力飽和氣體溫度之差數稱為過熱度。氣體過熱循環在P—i圖上的過程如圖2—6所示。圖2—6單級壓縮氣體過熱循環P—i圖氣體過熱循環與飽和循環的差異在于壓縮機吸入口的1點不處在飽和蒸汽線上，而往右推移到1’點，車成為過熱氣體狀態。將過熱循環與飽和循環相比較，由于1點往右推移到1’點2點也往右推移到2’點，此時，一方面制冷量有所增加，△q0=i1’-i1,但另一方面，也增加了壓縮功△AL=△AL2-△AL1=（i2’-i1’）-(i2-i1),而且常常是增加的壓縮功比增加的制冷量要多，因此，從理論上來說，氣體過熱的循環是不利的。在過熱循環時，使進入壓縮機氣缸的制冷劑氣體的比容（V1）增大，這對于比熱、比重都比較小的制冷劑（如氨），排氣溫度將上升較大，并使單位容積制冷量減少，制冷系數下降，可是對于比熱、比重較大的制冷劑（如氟利昂—12等）排氣溫度不高，上升也不大，其制冷系數反而有所提高。因此，一般說來，氣體過熱循環，對于氟利昂制冷劑是有利的，對于氨制冷劑是不利的。可是，為了避免氨液進入壓縮機造成液擊事故，在實際操作中，氨系統往往也帶有不同程度的過熱。3.液體過冷循環在制冷循環中，在一定的壓力下，將液體制冷劑繼續冷卻，把液體的溫度降低到飽和溫度以下，成為過冷，這樣的制冷循環稱為液體過冷循環。過冷液體的實際溫度稱為過冷溫度，液體制冷劑的飽和溫度和實際過冷溫度之差數稱為過冷度。液體過冷循環在P—i圖上的過程如圖2—7所示。圖2—7單級壓縮液體過冷循環P—i從圖2—7能夠看出，液體過冷能夠增加制冷量。與飽和循環相比，其增加的制冷量為△q4=i4-i4’=i5-i5’,而此時壓縮機消耗的功AL和壓縮機吸入口氣體的比容V1不變，因此，液體過冷使制冷劑系數提高。液體過冷還能夠減少節流過程產生的閃發氣，提高節流閥的能力，并減少蒸發管中的壓力降，這對于液管較長或蒸發器高于冷凝器的氟利昂制冷系統尤為必要。為了提高制冷系統的效能，在實際制冷工藝中，常常采取一些措施以實現液體過冷。主要的措施為：（1）在冷凝器中過冷當用于冷凝器的冷卻水溫度比較低，對于冷卻水與制冷劑逆流運動的冷凝器，液體可能得到一定程度的過冷。水溫較低，過冷度能夠越大。可是，這種過冷在氣溫較高時，液體經過貯液器后，溫度回升，過冷往往就會消失。（2）用再冷卻器過冷如果冷卻水的溫度比較低，使用再冷卻器使液體再冷卻，能夠得到較好的過冷效果。此法在氨制冷系統中常有采用。但如果水溫比較高，過冷效果不大，反而增加了設備就不宜采用。（3）用直接蒸發的過冷器過冷在需要較大過冷度時，能夠在供液管路上裝一個直接蒸發的液體鍋冷器。但這樣做要消耗一定的冷量，因此只有在必要時采用。（4）在回氣管路上裝氣體過熱、液體過冷器（液體，回氣熱交換器），回氣的過熱來換取液體的過冷。這是氟利昂制冷系統常采用的過冷措施。4.氣體過熱、液體過冷循環在制冷循環中，既有壓縮機吸入氣體的過熱，又有液體的過冷，這樣的循環稱為氣體過熱、液體過冷循環。這種循環實際上的氣體過熱循環和液體過冷循環的結合。氣體過熱、液體過冷循環在P—i圖上的過程如圖2—8所示。圖2—8單級壓縮氣體過熱液體過冷循環P—i在圖2—8中，壓縮機吸入的氣體過熱有1點往右推移到1’點，節流閥前的液體過冷由4點往左推移到4’點。在此制冷循環中，制冷量有所增加，為△q=△q5+△q1=（i5-i5’）+(i1’-i1),但消耗功也有所增加，為△AL=△AL2-△AL1=(i2’-i1’)-(i2-i1),故制冷系數不一定提高。例如當氣體過熱5℃，由-15℃升到-10℃，液體過冷5℃，由30℃降低到25℃，那未，對于氨，制冷量可增加3%，而制冷系數為4.8保持不變，但對于氟利昂12，制冷量將增加7%，制冷系數由4.7增加到5.0，因此氣體過熱、液體過冷循環對氟利昂制冷系統甚為有利。因此，在氟利昂制冷系統中，普遍裝設超熱過冷器，以氣體過熱換取液體過冷。超熱過冷器的使用不但能夠增加一些制冷量，而且過冷能夠提高熱力膨脹的能力。但對氨系統，過熱度過大，將使壓縮機運轉狀況惡化，并使制冷系數大大降低。三、溫壓縮循環當進入壓縮機氣缸的制冷劑氣體呈濕飽和狀態，即在飽和氣體中還帶有液粒時，這樣的壓縮過程稱為濕壓縮，其制冷循環稱為濕壓縮循環。濕壓縮循環在P—i圖上的過程如圖2—9所示。圖2—9單級濕壓縮循環P—i圖在圖2—9上，壓縮機的吸入口的1’點處在飽和蒸汽線的左側。把濕壓縮與干飽和壓縮相比較，理論上，無論是氨或氟利昂，其制冷系數都有所提高，而單位容積的制冷量變化很小，從這一點看，濕壓縮有一定的好處，但實際使用時，不但制冷劑在氣缸內溫度升增大，傳熱增加，使壓縮機的效率降低，而且危害較大，操作不慎，容易造成液擊沖缸事故。因此，在實際循環中，一般在氨系統中使用氨液分離器，在氟利昂系統中使用熱力膨脹閥和超熱過冷器等措施來壁面濕壓縮。四、實際制冷循環實際制冷循環與理想循環不同，其主要區別如下：1.在理想循環中，蒸發過程和冷凝火車的壓力和溫度是假定不變的，實際上，冷凝過程中，壓力和溫度都有所降低，蒸發過程中，壓力和溫度都有所升高。2.在理想循環中，在壓縮機中，假定為絕熱壓縮，而且沒有任何損失，實際上，在壓縮機中，氣缸與外界有熱交換，氣缸內有摩擦、閥片節流等損耗，壓縮機還存在氣缸余縫等，使壓縮功增加。3.在理想循環中，假定在系統管路中沒有任何損耗，壓力就降低僅在節流閥中進行，實際上，管道閥門等有一定阻力，會引起一定的壓力降。實際制冷循環在P—i圖上的過程如圖2—10所示。圖2—10單級壓縮實際循環P—i圖在圖2—10中，∑△Pk表示吸氣管道和蒸發器中的壓力降。由于這兩個壓力差的存在，使冷凝器中的冷凝溫度下降，蒸發器中的蒸發溫度升高。圖中1’—2’’’表示壓縮機由于氣缸有熱交換而離開等熵線的壓縮過程，2’’—2’’’表示壓縮機排氣過程中的散熱。從圖2—10能夠看出，就單位重量制冷量和單位容積制冷量來說，實際循環1’—2’’—4’’—5’’等于理想循環1’—2’—4’—5’，其區別在于不能采用蒸發器中的壓力和溫度來代替壓縮機吸入口的壓力和溫度，也不能用冷凝器中的壓力來代替壓縮機出口的壓力。實際循環的單位質量量雖與理想循環相同，但對壓縮機來說，其實際制冷能力與理論制冷能力尚有差距，因為在壓縮機中，不可避免地有氣缸余隙容積、節流、摩擦和熱交換等損失，這些都使壓縮機的制冷量降低，消耗功率增加，其差距與壓縮機的輸氣系數和指標效率有關。第二節雙級壓縮及復迭壓縮制冷循環單級壓縮制冷循環由于受制冷壓縮機工作條件的限制，壓縮比不能過大，排氣溫度不能過高，因而只能得到一定想、程度的低溫。為要獲得較低的制冷溫度，相應地需要有較低的蒸發壓力，此時，若冷凝壓力基本上不變，壓縮機的排氣壓力（絕對）和吸氣壓力（絕對）之比值（即壓縮機比）必然增大，蒸發溫度，蒸發壓力越低，壓縮比就越大。在冷凝溫度為+30℃的情況下，幾種制冷劑在不同蒸發溫度下的壓縮比如表2—1所示。氨壓縮機在不同蒸發溫度和冷凝溫度下的排氣溫度如表2—2所示。表2—1不同蒸發溫度下幾種制冷劑的壓縮比（冷凝溫度30℃）制冷劑種類氨F—12F—22F—502冷凝壓力（公斤/厘米2）（絕對）11.97.612.313.5蒸發溫度（℃）-154.9(2.41)4.1(1.86)3.8(3.2)3.8(3.51)-309.8(1.22)7.5(1.02)7.3(1.63)6.6(2.04)-4016.3(0.73)11.5(0.66)11.4(1.08)10.2(1.33)-5028.3(0.42)19.0(0.4)18.6(0.66)16.1(0.84)-6054.1(0.22)33.0(0.23)32.4(0.38)27.0(0.5)-70108.2(0.11)58.5(0.13)58.6(0.21)48.2(0.28)-80——117.1(0.105)135.0(0.10)-90——251.0(0.049)—注：（）內為蒸發壓力（公斤/厘米2）（絕對）表2—2氨壓縮機排氣溫度蒸發溫度（℃）冷凝溫度（℃）2022.52527.53032.535±045536065707380-250586469747785-455636873788190-662697982899295-8667480879396100-107179859298101105-1275838996103106110-14808793101108111115-16849299106113116120-188999101111119121125-2093102109116123126130-2298107114121128131136-24103113120126133136140-26109118125130137140143-28114123130134140143146-30120128133138143146150注：上表適用單級壓縮機，雙級壓縮機高壓級排氣溫度也適用，但蒸發溫度以中間冷卻溫度代替。從表2—1、表2—2能夠看出，對于活塞式氨壓縮機，當冷凝溫度為+30℃，蒸發溫度為-30℃時，壓縮比為9.8，排氣溫度為143℃，如果冷凝溫度為+35℃，排氣溫度達150℃，超過了單級壓縮機的使用條件，由于壓縮比的增加，使壓縮機的輸氣系數和指示效率大大降低，消耗的功增大，壓縮過程的終點溫度（排氣溫度）升高，制冷能力降低，因此在較低的制冷溫度時，不但使壓縮機的輸氣系數降低，制冷能力急劇下降，而且過高的排氣溫度影響了氣缸的潤滑，甚至會使潤滑油分解，壓縮機將不能正常工作。因此，為了改進壓縮機的工作條件，使在經濟上更為合理，中國的活塞式制冷裝置一般在壓縮比超過8時，就不采用單級壓縮，而改用雙級壓縮。一、雙級壓縮制冷循環由蒸發器來的低壓制冷劑氣體，被壓縮機吸入，經過一次壓縮后，進行中間冷卻，再由壓縮機進行第二次壓縮而后送去冷凝液化，冷凝后的液體經過節流膨脹、吸熱蒸發成為氣體，這樣的制冷循環稱為雙級壓縮制冷循環。在雙級壓縮制冷循環中，需采用雙級壓縮機，雙級壓縮機能夠由兩臺以上的單級壓縮機組合而成也能夠采用單機雙級壓縮機，如為組合的雙級壓縮機，進行第一次壓縮的稱為低壓壓縮機，進行第二次壓縮的稱為高壓壓縮機，如為單機雙級壓縮機，則有低壓缸和高壓缸之分。雙級壓縮需要裝置中間冷卻器，按照中間冷卻的不同，雙級壓縮制冷循環，可分完全中間冷卻和不完全中間冷卻兩種。1.完全中間冷卻完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環如圖2—11所示，它再P—i圖上的過程如圖2—12所示。此制冷系統中采用的中間冷卻器稱為直接式（或閃發式）中間冷卻器。圖2—11雙級壓縮完全中間冷卻制冷循環系統圖圖2—12雙級壓縮完全中間冷卻制冷循環P—i圖在圖2—11和2—12中，8—1為蒸發過程，在蒸發器中實現。因為蒸發器的進液溫度等于中間壓力的飽和溫度，因此稱為完全中間冷卻。8—1蒸發過程即為制冷過程，其制冷量為q0=i1-i8千卡/公斤，制冷劑流通量為G1公斤/小時。1—2為低壓級壓縮過程，在低壓壓縮機（或低壓缸）中實現。低壓壓縮機把低壓的制冷劑氣體壓縮成為中間壓力氣體，其消耗的功為AL1=i2-i1千卡/公斤，制冷劑流通量仍為G1公斤/時。2—3為中間冷卻過程，在中間冷卻器中實現。從低壓壓縮機來的中壓過熱氣體進入中間冷卻器，放出熱量，成為飽和氣體。中間冷卻器吸收的這部分熱量為qm=i2-i3千卡/公斤，其負荷為G1qm。3—4為高壓壓縮過程，在高壓壓縮過程，在高壓壓縮機（或高壓缸）中實現。此過程吧制冷劑氣體由中間壓力壓縮到冷凝壓力，其消耗的壓縮功為AL2=i4-i3千卡/公斤。由于高壓壓縮機吸入的制冷劑既有低壓機來的氣體G1，還有中間冷卻器蒸發的氣體Gm，故制冷劑流通量為G2公斤/時，G2=G1+Gm。4—5為冷凝過程，在冷凝器中實現。從高壓壓縮機排出的高壓過熱氣體在冷凝器中冷卻并凝結成為飽和液體。其放出的熱量為qk=i4-i5千卡/公斤。制冷劑流通量仍為G2公斤/時。5—6為第一次節流過程，在第一節流閥中實現。從冷凝器貯液器出來的制冷劑液體經過第一節流閥節流膨脹進入中間冷卻器。在中間冷卻器中，一部分制冷劑液體吸收低壓機來的過熱氣體的熱量而蒸發，并隨同一起進入高壓機，這個過程在圖2—12上為6—3過程。這部分制冷劑在中間冷卻器中產生的冷量為qm=i3-i6千卡/公斤。其流通量為Gm公斤/時。其余的制冷劑液體在中間冷卻器被冷卻到中間溫度，在圖2—12上為6—7過程，這部分制冷劑液體放出的熱量為qmL=i6-i7千卡/公斤，其負荷為G1qmL千卡/時。7—8為第二次節流過程，在第二次節流閥中實現。被冷卻到中間溫度的制冷劑液體經過第二節流閥節流膨脹進入蒸發器，此時制冷劑的流通量為G1公斤/時，G1=G2-Gm公斤/時，至此完成一個循環。2.不完全中間冷卻不完全中間冷卻能夠有多種形式，例如，能夠用水來中間冷卻，也能夠用制冷劑液體來中間冷卻，用水來中間冷卻只有在水溫較低時采用，用液體來中間冷卻也能夠是只冷卻低壓機來的過熱氣體，不冷卻制冷劑液體，也能夠是既冷卻氣體，又冷卻制冷劑液體。將不完全中間冷卻與完全中間冷卻相比較，不冷卻液體時，低壓機的制冷能力降低，中間冷卻器的負荷減少，因而經濟性較差，而在既冷卻氣體，有冷卻液體時，液體壓力高，節流閥前后的壓力差大，能量也大，且有較低的冷卻溫度，故一般雙級壓縮均采用這種不完全中間冷卻制冷循環。不完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環如圖2—13所示。在P—i圖上的過程如圖2—14所示。圖2—13雙級壓縮不完全中間冷卻制冷循環系統圖圖2—14雙級壓縮不完全中間冷卻制冷循環P—i圖這種系統采用的中間冷卻器稱為間接式（或盤管式）中間冷卻器。高壓制冷劑液體是在中間冷卻器內的盤管中流動，而中間壓力的制冷劑液體是在盤管外蒸發，互不混合，此時，由于存在著溫差，液體的過冷溫度達不到中間溫度，因此，稱為不完全中間冷卻。不完全中間冷卻的制冷循環在P—i圖上的各個過程，作用及制冷劑的流量基本上與完全中間冷卻相同，不再重復。在不完全中間冷卻制冷循環中，壓縮機的制冷量低于完全中間冷卻，可是，在實際使用中，中間壓力一般在2.5—4.0公斤/厘米2，蒸發壓力一般在0—0.3公斤/厘米2，如采用完全中間冷卻，壓差較小，將使自動供液的節流閥（如浮球閥，熱力膨脹閥等）的供液能力降低，甚至發生困難，因此，完全中間冷卻冷卻雖然有制冷量較多的好處，也往往不予采用，而盤管式的不完全中間冷卻卻是雙級壓縮制冷循環中普遍采用的中間冷卻方法。二、復迭