本讲主要内容 一 制冷原理1 制冷的基本概念2 制冷技术的发展概况3 制冷技术的应用4 制冷方法二 制冷剂 载冷剂和润滑油三 制冷压缩机1 制冷压缩机的作用2 压缩机的工作过程3 制冷压缩机的分类 4 活塞式制冷压缩机5 滚动转子式制冷压缩机6 涡旋 涡线 式制冷压缩机7 螺杆式制冷压缩机8 离心式制冷压缩机四 冷凝器 蒸发器 下讲重点讲 五 节流机构六 辅助设备 一 制冷原理 1 制冷的基本概念制冷 利用人工的方法 把某物体或某空间的温度降低到低于周围环境的温度 并使之维持在这一低温的过程 实质 将热量从被冷却对象中转移到环境中 制冷 冷却 制冷机 实现制冷所需的机器和设备 特点 必须消耗能量 电能 机械能等 制冷剂 制冷机中把热量从被冷却介质传给环境介质的内部循环流动的工作介质 制冷循环 在制冷机中 制冷剂周而复始吸热 放热的流动循环 热力学第一定律 能量守恒和转换定律热力学第二定律 能量贬值原理不可能把热从低温物体传向高温物体而不引起其它变化 2 制冷技术的发展概况 1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰 他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象 提出了潜热的概念 并发明了冰量热器 标志着现代制冷技术的开始 1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机 并正式申请了英国第6662号专利 这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型 到1875年卡利和林德用氨作制冷剂 从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位 1859年 卡列发明了氨水吸收式制冷系统 申请了原理专利 1910年左右 马利斯 莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统 到20世纪 制冷技术有了更大发展 1910年家用冰箱问世 1930年氟利昂制冷工质的出现给制冷技术带来新的变革 近二十年来 制冷技术的发展主要体现在以下几个方面 1 范围的扩展 目前人类能达到的最低制冷温度是用原子核绝热去磁的方法达到10 6K 绝对零度为0K 273 16摄氏度 在此温度下 构成物质的所有分子和原子均停止运动 2 热泵技术 人们利用逆向循环实现热量的转换 因此热泵技术也列入制冷技术的范畴 3 设备规模不断扩大 用于空调的冷水机组制冷量可达7000KW 4 计算机的应用 计算机技术的迅猛发展 也大大推动了制冷技术的发展及应用 5 新制冷剂的研究 总的看来 可以把制冷剂的发展历程划分为两个阶段 第一个阶段是从自然物质到人工合成的物质 那么制冷剂发展的第二个阶段将再回归到自然物质 氟利昂是一种化学性质非常稳定的人工合成物质 使臭氧层受到破坏 减薄直至消失 因此对氟利昂制冷剂的替代势在必行 3 制冷技术的应用 空调工程 空气调节 除湿等 食品工程 冷库 家用冰箱 冰柜 冷藏陈列柜等 机械与电子工业 工业的许多生产过程需要在低温下进行 农业 种子贮存以及育苗等 医疗卫生事业 血浆 疫苗及某些特殊药品的低温保存 国防工业和现代科学 人工降雨 在高寒地区使用的发动机 汽车 常规武器的环境模拟试验等 此外 电子技术 能源 新型原材料 宇宙开发 生物技术等尖端科学领域中 制冷技术也起着重要的作用 4 制冷方法 液体汽化制冷 利用液体汽化吸热原理 如 蒸汽压缩式制冷 吸收式制冷 蒸汽喷射式制冷 吸附式制冷气体膨胀制冷 将高压气体做绝热膨胀 使其压力 温度下降 利用降温后的气体来吸取被冷却物体的热量从而制冷 热电制冷 利用某种半导体材料的热电效应 涡流管制冷 使压缩气体产生涡流并分离成冷 热两部分 其中冷气流用来制冷 液体汽化制冷的原理当液体处在容器内时 液体汽化形成蒸汽 若此容器内除了液体及液体本身的蒸汽外不存在其他气体 那么液体和蒸汽在某一压力下将达到平衡 如果将一部分饱和蒸汽从容器中抽走 液体中就必然要再汽化一部分蒸汽来维持平衡 液体汽化时 需要吸收热量 此热量称为汽化潜热 汽化潜热来自被冷却对象 它使被冷却对象变冷 或者使它维持在低于环境温度的某一低温 从而达到制冷的目的 利用液体汽化方法的制冷循环由以下四个基本过程组成 制冷工质汽化 蒸发 蒸汽升压 压缩 使蒸汽的冷凝过程在常温下实现 高压蒸汽的液化 冷凝 高压液体降压 节流 蒸汽压缩式制冷原理 制冷循环为 在蒸发器中产生的低压制冷剂蒸发 在压缩机中被压缩到冷凝压力 消耗了机械功W 此时为绝热压缩过程 同时温度不断升高 然后压缩后的蒸汽在过饱和状态下进入冷凝器中 因受到冷却介质 水或空气 的冷却而凝结成饱和液体 并放出热量 其冷凝过程为一等温等压过程 由冷凝器出来的制冷剂液体 经膨胀阀进行绝热膨胀到蒸发压力 温度降到与之相应的饱和温度 此时已成为两相状态的汽液混合物 然后进入蒸发器 进行等温等压的蒸发过程 并回复到起始状态 完成一个循环 热泵型空调器的工作过程 采用环境空气或水来冷却冷凝器中的制冷机时 对于单级蒸汽压缩式制冷循环能获得的最低温度约为 20 30 当采用R502制冷剂时 能获得 40 左右的蒸发温度 当要制取更低温度的冷量时 单级压缩制冷机就无法实现了 两级压缩制冷系统将压缩过程分为两个阶段进行 一般用来制取 30 70 复叠式制冷循环系统采用两种或两种以上的制冷剂 一般用来制取 60 120 蒸汽压缩式制冷的优点 一 蒸汽压缩式制冷循环的蒸发过程和冷却过程是在等温度情况下进行的 不可逆性小 故循环的制冷系数大 二 它是利用液体的蒸发过程来制冷 故单位制冷量大 三 在蒸发器和冷凝器中都是有集态改变的传热过程 传热系数较大 因而设备不是很庞大 因此蒸汽压缩式制冷运用最为广泛 吸收式制冷 吸收式制冷是利用某些具有特殊性质的工质对 通过一种物质对另一种物质的吸收和释放 产生物质的状态变化 从而伴随吸热和放热过程 目前常用的工质对有氨水和水 溴化锂 吸收制冷的基本原理一般分为以下五个步骤 1 利用工作热源 如水蒸气 热水及燃气等 在发生器中加热由溶液泵从吸收器输送来的具有一定浓度的溶液 并使溶液中的大部分低沸点制冷剂蒸发出来 2 制冷剂蒸气进入冷凝器中 又被冷却介质冷凝成制冷剂液体 再经节流器降压到蒸发压力 3 制冷剂经节流进入蒸发器中 吸收被冷却系统中的热量而激化成蒸发压力下的制冷剂蒸气 4 在发生器A中经发生过程剩余的溶液 高沸点的吸收剂以及少量未蒸发的制冷剂 经吸收剂节流器降到蒸发压力进入吸收器中 与从蒸发器出来的低压制冷剂蒸气相混合 并吸收低压制冷剂蒸气并恢复到原来的浓度 5 吸收过程往往是一个放热过程 故需在吸收器中用冷却水来冷却混合溶液 在吸收器中恢复了浓度的溶液又经溶液泵升压后送入发生器中继续循环 特点 无原动力 直接使用热原理 结构简单 运行方便 沸石分子筛是一种铝硅酸矿物 具有强烈的吸水性 沸石的吸附水量对温度特别敏感 微小的温度变化将导致吸附量的较大改变 从而导致封闭系统中压力的较大变化 利用沸石温度的变化 便可使其起到压缩机的作用 二 制冷剂 载冷剂和润滑油 制冷剂 在直接蒸发式制冷系统中循环 通过其本身的状态变化 来传递热量的工质称为制冷剂 冷冻剂 如氨 氟利昂等 载冷剂 在间接蒸发式制冷系统中起传递冷效应的介质称为载冷剂 冷媒 载冷剂在蒸发器中被制冷剂冷却 然后再去冷却物料或冷藏库 如盐水 氯化钠 氯化钙盐水 冰 冰盐等 制冷剂的选择要求 1 对环境的亲和友善 臭氧衰减指数ODP 温室效应指数GWP 2 热力学性质满足制冷循环 制冷工作范围 压缩比 单位质量和单位体积制冷量要大 绝热指数低 3 具有良好的物理化学性质 流动性好 传热性好 安全性好 化学稳定性好 溶油性 溶水性 4 来源广 易制取 常用的制冷剂 1 无机化合物 NH3 R717 CO2 R744 H2O R7182 烃类 甲烷CH4 R50 乙烷C2H6 R170 丙烷C3H8 R2903 卤代烃 二氟二氯甲烷CF2Cl2 R12 二氟一氯甲烷CHClF2 R22 四氟乙烷CH2FCF3 R134a2 甲基丙烷 异丁烷 CClF R600a4 混合溶液 R404A 不含氯的非共沸混合制冷剂 R410A 不含氯的氟代烷非共沸混合制冷剂 载冷剂选择要求 1 工作温度范围内始终呈液态 不凝固 不汽化 2 无毒 无刺激性 环保 安全 腐蚀性小 3 比热大 同样质量则载冷量大 传热性好 4 流动性好 密度小 粘度小 流动阻力小 5 来源广泛 价低易得 载冷剂类型及常用载冷剂 1 水 空调系统中常用 但只能做0 以上的载冷剂 2 盐水溶液 NaCl CaCl2 MgCl23 有机物及其水溶液 甲醇 乙二醇 丙三醇 润滑油也称冷冻油 它在制冷压缩机中主要起以下五个作用 1 润滑摩擦件表面 降低摩擦而引起的温升 减少零件的磨损 2 冷却作用 冷却摩擦件产生的摩擦热 3 带走金属摩擦表面的摩屑 4 密封作用 在气缸与活塞及轴封摩擦面等摩擦面间充满润滑化油起密封作用 以防止制冷剂的泄漏 5 利用油压作为控制卸载机构的液压传动动力 不同的制冷系统应使用专门的制冷机润滑油 目前我国生产并普遍采用的制冷机润滑油有13号 18号和25号三种 润滑油的作用 三 制冷压缩机 1 制冷压缩机的作用蒸汽压缩式制冷是使制冷剂在低温低压的条件下汽化而吸取周围介质的热量 并在常温高压的条件下冷凝液化而放出热量由冷却水 或空气 带走 欲使制冷剂实现这样的热量转移 必须提供与蒸发温度和液化温度相对应的低压和高压条件 而这一条件正是由压缩机创造的 因此 在蒸汽压缩式制冷循环中 只能有了压缩机 制冷机才能将低温物体的热量不断地转移给高温介质 从而达到制冷的目的 2 压缩机的工作过程 3 制冷压缩机的分类 根据蒸气压缩的原理 压缩机可分为容积型和速度型两种基本类型 容积型压缩机 通过对运动机构作功 减少压缩空间容积来提高蒸气压力 以完成压缩功能 速度型压缩机 则由旋转部件连续将角动量转换给蒸气 再将该动量转为压力 提高蒸气压力 达到压缩气体的目的 4 活塞式制冷压缩机 1 概述 活塞式制冷压缩机是研制最早的压缩机 几乎和机械制冷方法同时出现 在一百多年的使用过程中 得到了广泛发展和深入研究 直到目前为止 虽然其地位受到其它类型压缩机的挑战 但其产量仍然在各类压缩机中占主要地位 2 分类 按压缩机气缸分布形式分类 可分为直立式 V型 W型 S型 扇形 Y型 星型 等 按使用的制冷剂种类分类 可分为氨用 卤代烃用制冷压缩机 按压缩机与电动机的组合形式分类 可分为开启式和封闭式 其中封闭式又可分为全封闭式和半封闭式两种 按压缩机的级数分类 可分为单机单级和单机双级压缩机 开启式活塞制冷压缩机 开启式压缩机曲轴输入端伸出机壳以外 此处必须安装轴封 通过传动装置与电动机相连 半封闭式活塞制冷压缩机 图3 14R22半封闭式制冷压缩机的总体结构图1 滤油器2 吸油管3 端轴承盖4 油泵轴承5 油泵6 曲轴7 活塞连杆组8 排气截止阀9 气缸盖10 曲轴箱11 电动机室12 主轴承13 电动机室端盖14 吸气过滤器15 吸气截止阀16 内置电动机17 油孔18 油压调节阀19 底盖 电动机和压缩机连成整体 装在同一机体内共用一根轴 无轴封 电动机室内充有冷却剂和润滑油 内置电动机 解决材料相溶问题 各端盖用垫片和螺栓相连防漏 全封闭式制冷压缩机 图3 15全封闭式制冷压缩机1 排气管2 气缸3 连杆4 吸排气阀5 活塞6 主轴承7 电动机定子8 电动机转子9 壳体10 气液分离器11 端子12 内部支撑13 排气消声器14 排气腔15 吸气腔16 离心油泵17 曲轴18 副轴承 电动机和压缩机连成整体 装在同一机体内共用一根轴 压缩机和电动机组装在一个密闭的薄壁机壳内 机壳由两部分焊接而成 取消轴封 露在机壳外的只焊有吸排气管 工艺管 其他 如喷液管 必要管道和电源线 5 滚动活塞式 滚动转子式 刮片式 制冷压缩机 转子式压缩机虽然出现较早 但由于材质和加工精度的限制 长期来在制冷领域一直未被采用 随着科学技术的发展 原有的难题已经或者逐步得到了解决 偏心滚动转子式制冷压缩机在1kW左右以下的小型窗式空调器和食品冷藏箱中已开始广泛使用 在该冷量范围内所显示的优点足以取代活塞式制冷