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1、低温与制冷,2012年国家注册公用设备工程师培训课程,考试大纲,一、 制冷与低温的热力学基础,从热力学的角度，制冷机的基本原理为：利用某种物质状态变化，从较低温度的热源吸取一定的热量(Q0)，通过消耗功或热量(W)的补偿过程，向较高温度的热源放出热量(Qk)。根据热力学第一定律， Q0+W=Qk 为了实现上述能量转换，首先必须有使制冷机能达到比低温热源更低的过程，并连续不断地从被冷却物体吸取热量。实现这一过程有下述几种基本方法：相变制冷、气体绝热膨胀制冷、气体涡流制冷、热电制冷。,1.相变制冷,定义：利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低温下的融化或升华过程从被冷却物体吸取热量以制取冷量。 物质
2、的相变特性：液体气化、固体的融化或升华。 (1) 液体气化： 在定压下，单位质量液体气化时吸收的热量称为气化热r(J/kg) r=h-h=T(s-s) 式中，h为比焓，J/(kgK); s为比熵，J/(kgK)； 表示液态， 表示气态。 对任何液体，气化热随着压力的升高而降低，在临界压 力时，气化热为零。,在制冷机的工作过程中，在低温下蒸发的制冷剂液体一般都是令高压液体经节流降压而得到的。较高压力的饱和液体节流降压后即进入两相区，并闪发出一定的饱和蒸气。对于1kg的制冷剂，闪发后的干度为x，则当其余液体全部转变为饱和蒸气时吸收的热量为 q0=r(1-x) q0称为单位制冷量，不仅与制冷剂的气化
3、热有关，还随节流后的干度而变。制冷剂液体在节流膨胀前后的压力变化越大，则闪发的气体越多，单位制冷量越小。,(2) 固体的融化和升华 在制冷技术中常应用纯水冰或溶液冰的融化以及干冰的升华来制冷。因为其不具备流动性，所以都不能利用它们的融化或升华过程来组成制冷机的循环。 纯水冰的融化温度为0，应用冰和盐混合物的融化过程可以达到0以下的低温。首先冰吸热融化，在冰的表面蒙了一层水膜，此时温度为0；接着盐溶解于水膜中，此后冰继续融化，热交换通过盐水膜进行。,压焓图,曲线的最高点C为临界点，是饱和蒸气和液体的分界点。在它左边的曲线为饱和液体线，右边是饱和蒸气线。饱和液体线左边为过冷液体区，饱和蒸气线右边为
4、过热蒸气区，内部为两相区，临界点以上为超临界区。,2.气体绝热膨胀制冷,定义：高压气体经绝热膨胀即可达到较低的温度，可用于制冷。 三种方式： 1）膨胀机膨胀，有外功输出，制冷量大，结构复杂。 2）节流阀膨胀，无外功输出，制冷量小，结构简单。 3）绝热放气制冷，在低温制冷机中使用，普通制冷很少使用。,1. 有外功输出的膨胀过程 当气体实现外功输出的绝热膨胀时，最理想的情况是可逆绝热膨胀，即等熵膨胀。,pvk =C 绝热过程方程式 p,v,T 关系: p1v1k= p2v2k , p2/p1= (v1 /v2) k = (v2 /v1) k pv=RT, pv/T=const p1v1 /T1=p
5、2v2 /T2 , T2/T1 = (p2 /p1) (v2 /v1)= (v1 /v2) k (v2 /v1)= (v1 /v2) k1 T2/T1 = (p2 /p1) (v2 /v1)= (p2 /p1) (p2 /p1) 1/k = (p2 /p1) (k1)/k,2.节流膨胀过程 理想气体的内能u和pv值仅是温度的函数，因此理想气体节流时， u=0，h=0， T=0。 实际气体的内能与温度和压力均有关，节流后的温度T2可大于、等于或小于节流前的温度T1。原理？,3.制冷热力学特性分析,正向循环：产生功(所有的热力发动机) 逆向循环：消耗功(所有的制冷机和热泵) 可逆循环： 不可逆循环
6、：摩擦、扰动、内部不平衡(内部不可逆) 外部温差(外部不可逆) 能量的损失,3.制冷热力学特性分析,1.热源温度不变时的逆向可逆循环逆卡诺循环 1-2等熵压缩；2-3等温放热； 3-4等熵膨胀；4-1等温吸热。 向高温热源放热：q=Tk(s1-s4) 从低温热源吸热：q0=T0(s1-s4) 消耗的功：w0=(Tk-T0)(s1-s4) 消耗单位功所获得的制冷量称为制 冷系数：,通过对分别求T0和Tk的偏导数，可以得知T0和Tk对的影响是不等价的，并且T0的影响大于Tk 。 从公式可知，逆卡诺循环的制冷系数仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。 由于逆卡诺循环不考虑各种损失，而
7、且压缩机利用了膨胀机对外输出的功，因此，在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数最大，在该温度区间进行的其它各种制冷循环的制冷系数均小于逆卡诺循环制冷系数。 所以，逆卡诺循环制冷系数可用来评价其它制冷循环的热力完善度。,考虑冷凝器和蒸发器的传热温差分别为Tk和T0时，则 表明具有传热温差的不可逆循环的制冷系数，总小于相同热源温度时的逆卡诺循环制冷系数，而且随传热温差T0和Tk的增大而降低。 蒸发器传热温差T0对制冷系数 的影响大于冷凝器传热温差Tk 。 “”实际冷热源温度,2.变温热源时的逆向可逆循环洛仑兹循环 在热源温度变化的条件下，由两 个和热源之间无温差的热交换过 程及两个等熵过程
8、组成的逆向可 逆循环，是消耗功最小的循环。 洛仑兹循环的制冷系数等于一个 以放热平均温度Tm和吸热平均温度 T0m为高、低温热源温度的等效逆 卡诺循环的制冷系数。,3.制冷热力学特性分析,3.热能驱动制冷循环 以热能直接驱动的制冷循环，例如吸收式制冷，热量q0取自低温的温度为T0的被冷却物体，qH来自高温蒸汽、燃烧气体或其他热源，qk是系统在Ta（环境温度）下放出的热量。 按热力学第一定律： 对于可逆制冷机，按热力学第二定律： 从上述公式可得：,3.制冷热力学特性分析,4.压缩蒸气制冷循环 从压缩机出来的高温高压的制冷剂气体进入冷凝器被冷却并进一步冷凝成液体后，进入节流装置膨胀阀减压，部分液体
9、闪发成蒸气，这些气液两相的混合物进入蒸发器，在里面吸热蒸发成蒸气后回到压缩机重新被压缩，从而完成一个循环。 制冷系数：,3.制冷热力学特性分析,5.热泵循环 与制冷循环的区别： (1)两者目的不同。着眼于放热至高温热源为热泵；着眼于从低温热源吸热，那就是制冷机。 (2)工作温区不同。热泵将环境作为低温热源，制冷机将环境作为高温热源。 热泵系数： QH为热泵向高温热源的输送热量，W为热泵机组消耗的外功。,3.制冷热力学特性分析,制冷剂的特点,二、 制冷剂与润滑油,2.热力学性质方面,1.环境接受性 ODP:制冷剂对于臭氧消耗的潜力； GWP：制冷剂具有的全球变暖潜力。,4.物理化学性质方面,5.
10、其它,原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。,3.迁移性质方面,按照制冷剂的标准蒸发温度，将其分为三类:,高温（低压）制冷剂,中温（中压）制冷剂,低温（高压）制冷剂,ts0 Pc0.20.3MPa,0ts-60, 0.3MPaPc2.0MPa,ts-60,2.制冷剂的命名 R+数字/字母 (1)无机化合物：R7+分子量的整数 例：NH3：分子量为17，命名为R717。 (2)卤代烃和其他烷烃类 烷烃：CmH2m+2 卤代烃CmHnFxClyBrz(n+x+y+z=2m+2) R(m-1)(n+1)(x)（y）B(z)， 括号内是一个数字，数字为0时省去。 例：CFCl 3，m=1，n=0，x=
11、1，y=1，z=0，命名为R11 正丁烷和异丁烷例外，分别用R600和R600a表示。,2.制冷剂的命名 (3)非共沸混合制冷剂：R4+数字 该组数字为该制冷剂命名的先后顺序，从00开始。 (4)共沸混合制冷剂：R5+数字 该组数字为该制冷剂命名的先后顺序，从00开始。 (5)环烷烃、链烯烃以及卤代物 环烷烃及卤代物RC+数字，链烯烃及卤代物R1+数字，其余与 烷烃类规则相同。,卤代烃,R22,碳氢化合物(烃类) 不饱和碳氢化合物和卤代烯,R50,R170,R1150,R1270,共沸(液体)制冷剂,已经商品化的共沸混合物，依应用先后在500序号中顺次地规定其识别编号。,非共沸(液体)制冷剂,
12、已经商品化的非共沸混合物，依应用先后在400序号中顺次地规定其识别编号。,无机化合物,R717,R744,R718,R12：无色，毒性小，不燃，不爆。在水中溶解度很小，含有水分容易造成“冰堵”现象。能跟矿物润滑油任意比互溶。对金属一般没有腐蚀作用，但腐蚀镁及含镁超过2%的铝镁合金。对天然橡胶有膨胀作用。ODP=1，GWP=7100。ODP:制冷剂对于臭氧消耗的潜力； GWP：制冷剂具有的全球变暖潜力。 R134a：R12替代物，热力性质与R12相近。安全性好，无色无味，不燃烧，不爆炸，基本无毒，化学性质稳定。ODP=0，GWP=875.不溶于矿物油。 R22：无色无味，不燃不爆，毒性小，对金属
13、无腐蚀。对橡胶有膨胀作用很强。与润滑油有限溶解。ODP=0.055，GWP=1600。 R717：NH3，能与水任意溶解，几乎不溶于矿物油。对铜和铜合金有腐蚀。毒性大，可燃可爆。,31,蒸发器,冷凝器,冷却介质,压缩机,节流阀,空气末端,被冷却介质,被冷却介质,泵,直接 冷却,间接 冷却,制冷剂,载冷剂,制冷剂与载冷剂的区别,4.共沸与非共沸制冷剂的特点cop?,5.润滑油,润滑油的作用： 润滑压缩机的各运动部件，减少摩擦和磨损，起冷却作用，将运动部件保持较低温度，以提高效率。 利用油的粘度，使运动部件间形成油膜，维持制冷循环高低压力，起密封作用，如螺杆压缩机的转子之间，转子与机体之间的间隙的
14、油膜。 可减少压缩机的泄漏。 冲洗：冲走摩擦处的杂质，缓冲机器振动。 在螺杆压缩机中可利用润滑油的油压差推移滑阀，调节压缩机的制冷量。,5.润滑油,系统对润滑油的要求：,5.润滑油,润滑油的性质： 润滑油在物性方面的重要指标有： 粘度、与制冷剂的互溶性、流动点、絮状凝固点、水的溶解性、空气的溶解性、挥发性、发泡性等。 摩擦面的油膜形成能力、热稳定性、化学稳定性、混合物与添加剂等的影响。 粘度和凝固点是润滑油的两个重要指标。,5.润滑油,润滑油不仅必须具有一定的粘度（主要是为满足密封的要求），而且希望粘度随温度的变化(又称粘温特性)尽量小。 一般情况下，低温、冷冻范围工作的制冷系统使用低粘度的润
15、滑油，空调、高温范围工作的制冷系统使用的润滑油使用高粘度的润滑油。有时也使用添加剂降低润滑油的粘度随温度的波动。 当润滑油中溶有制冷剂后，其粘度急剧降低。,制冷剂与油溶解会使润滑油变稀，影响润滑作用，且油会被带入蒸发器中影响到传热效果。,若制冷剂与油不相溶解，可以在压缩机后加油分离器，还可以从冷凝器或贮液器将油分离出来，避免油带入蒸发器中降低传热效果。,溶油性好坏的利弊,制冷剂溶油性好，有利于制冷剂蒸发，压缩机回油和供油。,三、压缩蒸气制冷循环,理论循环在T-s图和lgP-h图上的表示,1-2：制冷剂在压缩机中的等熵压缩；2-3-4制冷剂在冷凝器中的冷却和冷凝； 4-5：节流过程； 5-1：制
16、冷剂在蒸发器中的蒸发过程。,1.单级蒸气压缩制冷循环,根据热力学第一定律，dq=dh-dw，q=h-w （1）压缩过程：dq=0，dw=dh w=h2-h1 w为单位理论功，T-s图上为面积1-2-3-4-c-b-5-1，lgP-h图上为1和2点的焓差。 （2）冷凝过程：dw=0，dq=dh qk=h2-h4 qk为单位冷凝热，T-s图上为面积a-2-3-4-c-a，lgP-h图上为2和4点的焓差。 （3）节流过程：w=0，q=0 h4=h5 （4）蒸发过程：dw=0 ，dq=dh q0=h1-h5=h1-h4 q0为单位制冷量，T-s图上为面积1-5-b-a-1，lgP-h图上为5和1点的焓差。,性能指标,（1）单位制冷量q0 （2）单位容积制冷量qv （3）理论比功w0,（4）单位冷凝热qk （5）制冷系数0 （6）热力完善度,蒸气压缩式制冷循环改善,(1)液体过冷对制冷循环的影响 液体过冷
