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1、 第一章 制冷技术基本知识 1-1 概述 一、何谓制冷 日常生活中常说的“热”或“冷”是人体对温度高低感觉的反应。在制冷技术中所说的冷，是指某空间内物体的温度低于周围环境介质（如水或空气）温度而言。因此“制冷”就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并连续维持这样一个温度的过程。 二、何谓人工制冷 我们都知道，热量传递终是从高温物体传向低温物体，直至二者温度相等。热量决不可能自发地从低温物体传向高温物体，这是自然界的可观规律。然而，现代人类的生活与生产经常需要某个物体或空间的温度低于环境温度，甚至低得很多。例如，储藏食品需要把食品冷却到左右或15左右，甚至更低。而这种低温要求天然冷却
2、是达不到的，要实现这一要求必须有另外的补偿过程（如消耗一定的功作为补偿过程）进行制冷。这种借助于一种专门装置，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体或空间转移到温度较高的周围环境中去，得到人们所需要的各种低温，称谓人工制冷。而这种装置就称谓制冷装置或制冷机。 三、人工制冷的方法 人工制冷的方法主要有相变制冷、气体绝热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。如冰融化时要吸取80 kcal/kg的熔解热；氨在标准大气压下气化时要吸取327kcal/kg的气化潜热；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。 .气体绝热
3、膨胀制冷：利用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。 .半导体制冷：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地。 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。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。
4、四、制冷体系的划分 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。一般把制取温度高于120的称为“普冷”、低于120的称为“深冷”。由于低温范围的不同，制冷系统的组成也不同，因此，根据食品制冷要求，我们只介绍普通制冷温度范围内的蒸气压缩制冷。 1-2 制冷技术的热力学基础 一、制冷工质的热力状态参数在制冷循环中，工质不断地进行着热力状态变化。描述工质所处热力状态的物理量称为工质的热力状态参数，简称状态参数。一定的状态，其状态参数有确定的数值。工质状态变化时，初终状态参数之间的差值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的过程无关。制冷技术中常见的状态参数
5、有：温度、压力、比容、内能、焓与熵等。这些参数对于进行制冷循环的分析和热力计算，都是非常重要的。1、温度：温度是描述热力系统冷热状态的物理量。制冷工程上常用的温标有：摄氏温标和绝对温标。二者的区别仅是起点不同而已（t=0时，T=273.16K它们每度的温度间隔确是一致的。其关系可表示为： T=273+t（K）2、压力：压力是单位面积上所承受的垂直作用力，常用符号P表示。在国际单位制中，压力单位为帕斯卡（Pa），实际应用时也可用兆帕斯卡（Mpa）或巴（bar）表示,1MPa=106Pa而1bar=105 Pa。压力的标记有绝对压力、表压力和真空度三种情况。三者之间的关系是： P=PB+B 或 P
6、=B-PK 作为工质的状态参数应该是绝对压力，而不是表压力或真空度。 3、比容：比容是指单位质量工质所占有的容积。比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。比容的倒数为工质的密度，即单位容积工质所具有的质量，用符号表示。 4、内能：内能是工质内部所具有的分子动能和分子位能的总和。分子动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动能和分子内能、振动能三项，其大小与气体的温度有关。而分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与工质的比容有关。既然气体的内动能决定于气体的温度、内位能决定于气体的比容，所以气体的内能是其温度和比容的函数。也就是说内能是一个状态参数。5、焓：焓是一个复合的热力状态参数，表征系统中
7、所有的总能量，它是内能与压力之和。对kg工质而言，可表示为： P （kJ/kg）或（kcal/kg）式中 焓或称比焓（kJ/kg或kcal/kg） 比容（m3/kg） 内能（kJ/kg或kcal/kg） 绝对压力（N/m2或Pa） 由于内能和压力位能都是温度的参数，所以焓也是状态参数。确切地说，焓是一定质量的流体，从某一初始状态变为任一热力状态所加入的总热量。6、熵：熵是一个导出的热力状态参数，熵的中文意义是热量被温度除所得的商，熵的外文原名意义是“转变”，指热量可以转变为功的程度，它表征工质状态变化时，与外界热交换的程度。二、热力学第二定律与理想制冷循环 1、热力学第二定律在热量传递和热、功
8、转换时，热力学第一定律只能说明它们之间的数量关系，确不能揭示热功转换的条件和方向性。对于能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度则是由热力学第二定律来揭示的，它指出：“热量能自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体”。这正象石头或水不可能自发的从低处向高处运动一样。但这并不是说石头和水在任何条件下都不可能由低处移向高处，只要外界给它们足够大的作用力，在这个力的作用下石头或水就能由低处移向高处，这个外界作用力称为补偿。同样，不能把热力学第二定律的说法理解为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体”。而是只要有一个补偿过程，热量就能自低温物体传到高温物体。 2、循环与理想制冷
9、循环 (1)循环：热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了持续不断地将热转换为功,工程上是通过热机来实现的。但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。为了能重复地进行膨胀，工质在每次膨胀之后必须进行压缩，以便使其回到初态。我们把工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循环”。 a.正循环及热效率 膨胀-压缩循环按瞬时针方向进行的，称为正循环。 正循环的单位质量净功w0 为正值，若设高温热源加给工质的热量为q1，工质放给低温热源的热量为q2，则w0=q1-q2评价正循环的好坏，通常用循环热效率t来-w0q124q2q2q142w0P3561P3561正循环逆循
10、环图1-1 压容图上的任意循环循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。如下图所示：衡量，循环热效率是指工质在整个热力循环中，对外界所作的净功w0 与循环中外界所加给工质的热量q1的比值。即： q2q1q1=q1w0t=q1-q2=1-b.逆循环及性能系数 w0=q1-q2 或 q1=q2+w0 膨胀-压缩循环按逆时针方向进行的，称为逆循环。其循环的净功为负值。若用q1表示工质向高温热源放出的热量，用q2表示工质从低温热源吸收的热量，则有： 上式说明，逆循环的效果是消耗外界的功，将热量从低温物体传递给高温物体。如逆循环的目的是从低温物体中吸收热量，则称为制冷循环。如逆循环的目的是给高温物体供
11、热，则称为热泵循环。 逆循环的好坏通常用性能系数来衡量。对于制冷机来说，是指从冷源吸收的热量q2与消耗的循环净功w0的比值1称为制冷系数。对于热泵来说，是指供给热源的热量q1与消耗的循环净功w0的比值2称为供热系数。则有：1=q2/ w0w02= q1/ w0=q2+ w0=1+1从上述分析可见，伴随着低温热源把一部分热量q2传送到高温热源中去的同时, 循环的净功w0也将转变为热量并流向高温热源，这就是使热量从低温热源传给高温热源所必需的补偿条件。没有这个补偿条件，热量是不可能从低温热源传给高温热源的。 （2）理想制冷循环理想制冷循环可通过逆卡诺循环说明。q0qk432TkT0TS1w0图1-
12、2 逆卡诺循环TS图逆卡诺循环如图1-2所示，它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源的温度为T0，高温热源的温度为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk, 就是说工质在吸热和放热过程中是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行。其循环过程为：首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。对于逆卡
13、诺循环来说，由图1-2可知： q0=T0(S1-S4) qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4） w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4)则逆卡诺循环制冷系数k 为：T0 (S1S4）(TkT0) (S1S4）k=q0w0=TkT0T0 由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T0和热源（即环境介质）的温度Tk；降低Tk，提高T0，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的
14、制冷系数。总上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常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制冷系数k之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号表示。即： =/k热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也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，对于工作温度不同的制冷循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。 1-3 制冷剂的相态变化及其状态图一、制冷剂的相态变化众所周知，物质有三种状态，就是固态、液态和气态。物质的三种状态，在一定的压力和温度条件下是可以相互转化的。其转化过程分别称为： 1.汽化 物质从液态转变为气态的过程称为汽化。 汽化有蒸发和沸腾两种形式。其中，在液体表面进行的汽化过程叫蒸发，在液体内部产生气泡的剧烈汽化过程叫沸腾。在一定压力下，蒸发在任何温度下都可进行，而沸腾只有液体被加热到一定温度才开始进行。当汽液两相共存并且保持平衡状态时称为饱和状态。此时的蒸汽和液体分别叫做饱和蒸汽和饱
