制冷原理与设备制冷原理与设备热能教研室学时安排章 数学时绪论2第一章 制冷方法3第二章 蒸气压缩式制冷8第三章 制冷剂及载冷剂4第四章 蒸发器和冷凝器6第五章 节流机构和辅助设备4第七章 多级蒸气压缩制冷及复叠式制冷3实验2总 计32第一章 绪论1.1.制冷的定义制冷的定义 作为一门科学，制冷是指采油人工的方法在一定时作为一门科学，制冷是指采油人工的方法在一定时间间和一定空间内将某舞厅或流体冷却，使其温度降到环境和一定空间内将某舞厅或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。温度以下，并保持这个低温。 因此，制冷不同于自然冷却。因此，制冷不同于自然冷却。2.2.明确以下概念明确以下概念(1)(1)制冷剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。制冷剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。(2)(2)制冷机：机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷制冷机：机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。机。(3)(3)制冷装置：将生产冷量的制冷机械和消耗冷量的设备制冷装置：将生产冷量的制冷机械和消耗冷量的设备结合在一起的装置。结合在一起的装置。3.制冷的分类制冷的分类 按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以下下4个领域：个领域： 普通制冷普通制冷 120K以上以上 深度制冷深度制冷 120K20K 低温制冷低温制冷 20K0.3K 低温制冷低温制冷 超低温制冷超低温制冷 以下以下 本课程主要讲普通制冷。本课程主要讲普通制冷。4.制冷技术的研究内容及理论基础制冷技术的研究内容及理论基础 制冷技术主要研究以下三个方面：制冷技术主要研究以下三个方面：(1)研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，并并对制冷循环进行热力学的分析和计算。（比如压缩式制冷）对制冷循环进行热力学的分析和计算。（比如压缩式制冷）(2)研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。(3)研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的工工作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配套设计。此外，还有热绝缘问题、制冷装置的自动化问题等等。套设计。此外，还有热绝缘问题、制冷装置的自动化问题等等。 制冷技术的理论基础主要为热工的三大基础课程，即工程热制冷技术的理论基础主要为热工的三大基础课程，即工程热力学、工程流体力学、传热学。尤其是工程热力力学、工程流体力学、传热学。尤其是工程热力学，学习和从事质量工作的人员应主要在这三门课程方面打好坚学，学习和从事质量工作的人员应主要在这三门课程方面打好坚实的理论基础。实的理论基础。5.制冷技术的发展历史制冷技术的发展历史 制冷技术的发展概括起来可分为两个阶段：制冷技术的发展概括起来可分为两个阶段：（1 1）天然冷源的应用阶段）天然冷源的应用阶段 是从古代是从古代1818世纪中期。世纪中期。 采用的天然冷源主要是指冬季储存的天然冰和夏季采用的天然冷源主要是指冬季储存的天然冰和夏季使用的深井水。使用的深井水。（2 2）机械制冷阶段机械制冷阶段 18 18世纪中期世纪中期 今。今。 1755 1755年是人工制冷史的起点。年是人工制冷史的起点。现代制冷技术作为一门科学是由现代制冷技术作为一门科学是由1919世纪中后期发展起世纪中后期发展起来的，到来的，到2020世纪具有更大的发展。世纪具有更大的发展。6.6.制冷技术的产生背景及应用制冷技术的产生背景及应用 制冷是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展制冷是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的，是人们社会实践的结晶，并随着现代技术的起来的，是人们社会实践的结晶，并随着现代技术的发展以及人们生活水平的提高，制冷在工业、农业、发展以及人们生活水平的提高，制冷在工业、农业、建筑、航天等国民经济各个部门的作用和地位日益重建筑、航天等国民经济各个部门的作用和地位日益重要。要。 制冷的应用几乎渗透到各个生产技术、科学领域以制冷的应用几乎渗透到各个生产技术、科学领域以及人们生活的各个方面中，概括起来主要有以下几个及人们生活的各个方面中，概括起来主要有以下几个领域：领域：(1)(1)商业及人民生活商业及人民生活 比如人工冰厂、空调、冰箱、冷柜以及食品的冷冻冷藏、比如人工冰厂、空调、冰箱、冷柜以及食品的冷冻冷藏、保鲜、冷藏运输等。保鲜、冷藏运输等。(2)(2)工业生产及农牧业工业生产及农牧业 比如制药、啤酒、精密仪器车间等；比如制药、啤酒、精密仪器车间等； 农作物的种子进行低温处理，人工气候育秧室、蔬菜水果农作物的种子进行低温处理，人工气候育秧室、蔬菜水果的保鲜等。的保鲜等。(3)(3)建筑工程建筑工程 比如挖掘隧道、建筑河堤时采用的比如挖掘隧道、建筑河堤时采用的“冻土法冻土法”。(4)(4)科学实验研究科学实验研究 如各种环境模拟装置中创造的人工环境。如各种环境模拟装置中创造的人工环境。(5)(5)医疗卫生医疗卫生 如药品、疫苗及人体器官的冷藏保存，手术中采用低温麻如药品、疫苗及人体器官的冷藏保存，手术中采用低温麻醉等。醉等。(6)(6)尖端科学领域等尖端科学领域等 如微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发等。如微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发等。制冷与低温技术的应用领域举例制冷与低温技术的应用领域举例 制冷在空调中的作用制冷在空调中的作用 (1)(1)干式冷却干式冷却 (2)(2)减湿冷却减湿冷却 (3)(3)减湿与干式冷却混合方式减湿与干式冷却混合方式 1. 1. 空气调节空气调节图图1-26 制冷与空调的关系制冷与空调的关系 制冷和空调制冷和空调的关系相互的关系相互联系又独立联系又独立用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。 2.2.人工环境人工环境与制冷有关的人工环境试验有以下几种与制冷有关的人工环境试验有以下几种 (1) (1) 低温环境试验低温环境试验 (2) (2) 湿热试验湿热试验 (3) (3) 盐雾试验盐雾试验 (4) (4) 多种气候试验多种气候试验 (5) (5) 空间模拟试验空间模拟试验 根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺可分可分三类三类： (1) (1) 食品的冷藏与冷却食品的冷藏与冷却 (2) (2) 食品的冻结与冻藏食品的冻结与冻藏 (3) (3) 冷冻干燥冷冻干燥 3. 3. 食品冷冻与冷冻干燥食品冷冻与冷冻干燥研究低温对生物体产生的影响及应用的学科。研究低温对生物体产生的影响及应用的学科。 低温生物学低温生物学研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低温技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科。温技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科。 低温医学低温医学低温生物医学低温生物医学 低温生物学和低温医学的统称。低温生物学和低温医学的统称。 典型应用例子典型应用例子 (1)(1)细胞组织程序冷却的低温保存细胞组织程序冷却的低温保存 (2)(2)超快速的玻璃化低温保存方法超快速的玻璃化低温保存方法(3)(3)利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤 而坏死的低温外科。而坏死的低温外科。 4. 4. 低温生物医学技术低温生物医学技术微波激射器微波激射器必须冷到液氮或液氦温度必须冷到液氮或液氦温度, ,以使放大以使放大器元素原子的热振荡不至于严重干扰微波的吸器元素原子的热振荡不至于严重干扰微波的吸收与发射。收与发射。 超导量子干涉器超导量子干涉器即即SQUIDs,SQUIDs,被用在相当灵敏的数被用在相当灵敏的数字式磁力计和伏安表上。字式磁力计和伏安表上。在在MHDMHD系统、线性加速器和托克马克装置中，超系统、线性加速器和托克马克装置中，超导磁体被用来产生强磁场。导磁体被用来产生强磁场。5. 5. 低温电子技术低温电子技术 运用与超导电性有关的运用与超导电性有关的MeissnerMeissner效应效应, ,用磁场代用磁场代替油或空气作润滑剂替油或空气作润滑剂, ,可以制成无磨擦轴承。可以制成无磨擦轴承。 在船用推进系统中在船用推进系统中, ,无电力损失的超导电机已获无电力损失的超导电机已获得应用。得应用。 偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。 时速时速500km/h500km/h的低温超导磁悬浮列车已经在日本的低温超导磁悬浮列车已经在日本投入试验运行。投入试验运行。 6. 6. 机械设计机械设计 采用红外光学镜头可以采用红外光学镜头可以拍摄热源外形，并可以对热拍摄热源外形，并可以对热源进行跟踪。一些红外材料源进行跟踪。一些红外材料往往工作在往往工作在120K120K以下的低温以下的低温下，使得热源遥感信号更为下，使得热源遥感信号更为清晰，为了拍摄高灵敏度的清晰，为了拍摄高灵敏度的信号往往需要更低的温度。信号往往需要更低的温度。 一般红外卫星需要一般红外卫星需要70-120K70-120K的低温，往往通的低温，往往通过斯特林制冷机、脉冲管过斯特林制冷机、脉冲管制冷机、辐射制冷器来实制冷机、辐射制冷器来实现。现。 空间远红外观测则需空间远红外观测则需要要2K2K以下的温度，往往通以下的温度，往往通过超流氦的冷却技术来实过超流氦的冷却技术来实现。现。 7. 7. 红外遥感技术红外遥感技术炼钢时氧起到某些重要的作用。炼钢时氧起到某些重要的作用。制取氨时也用到低温系统。制取氨时也用到低温系统。压力容器加工时压力容器加工时, ,将预成形的圆柱体放在冷却到液将预成形的圆柱体放在冷却到液氮温度的模具中氮温度的模具中, ,在容器中充入高压氮气在容器中充入高压氮气, ,让其扩胀让其扩胀15%,15%,然后容器被从模具中移开并恢复到室温。使用然后容器被从模具中移开并恢复到室温。使用这个方法这个方法, ,材料的屈服强度能增加材料的屈服强度能增加4 4至至5 5倍。倍。 8. 8. 加工过程加工过程目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一有效的方法，这种方法采用了低温粉碎技术。有效的方法，这种方法采用了低温粉碎技术。 利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进行粉粹。行粉粹。 低温粉碎技术低温粉碎技术材料温度降低到一定程度，材料内部原子间距显材料温度降低到一定程度，材料内部原子间距显著减小，结合紧密的原子无退让余地，吸收外力著减小，结合紧密的原子无退让余地，吸收外力使其变形的能力很差，失去弹性而显示脆性。使其变形的能力很差，失去弹性而显示脆性。 9. 9. 材料回收材料回收所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂。所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂。宇宙飞船的推进也使用液氧和液氢。宇宙飞船的推进也使用液氧和液氢。观察研究大型粒子加速器产生的粒子的氢泡室观察研究大型粒子加速器产生的粒子的氢泡室要用到液氢。要用到液氢。 10. 10. 火箭推力系统与高能物理火箭推力系统与高能物理 LHC-CERN27km超导磁体过冷态超流氦冷却第二章第二章 制冷方法制冷方法 制冷的方法很多，常见的主要是以下四种： 液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热电制冷。 其中应用最广泛的就是液体汽化制冷（原理），它常见的应用形式又有以下四种： 蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷。 蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的两种制冷方式，也是本课程所讲述的主要内容，我们会在以后的章节中着重讲述，本节只简单介绍其它的制冷方式。液体气化制冷原理1.1 蒸汽喷射式制冷原理：和蒸汽压缩式及吸收式制冷相似，均是利用液体汽 化时吸收热量来制冷的。系统组成：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀及泵五部分。系统流程图： 工作过程： 用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并以高速流动（流速可达1000m/s以上），于是在喷嘴出口处，造成很低的压力，由于吸入室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水吸热而汽化，将未汽化的水的温度降低。这部分低温水就可用于制冷。蒸发器中产生的冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过节流降压后送往蒸发器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提高压力送往锅炉，重新加热产生工作蒸汽。蒸气喷射器的原理图特点： (1) 以热能为能量的补偿形式； (2) 结构简单，加工方便，无运动部件，使用寿】 命长； (3) 效率低。(工作蒸汽的压力高，喷射器的流 动损失大。) 如果要获得更低的温度，工作介质可以采如果要获得更低的温度，工作介质可以采用低沸点的工质，如氟利昂。用低沸点的工质，如氟利昂。1.2 吸附式制冷 吸附式制冷也是以“热能”为动力的能量转换系统。工作原理： 一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，并且吸附能力随吸附剂温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之对制冷剂交替吸附和解吸。吸附时制冷剂液体蒸发，产生制冷作用，解吸时，释放出制冷剂气体，并使之冷凝成液体，从而完成整个制冷循环。工作介质：吸附剂和制冷剂；常见的吸附工质对有： 沸石水；硅胶水，氯化钙氨等 物理吸附 化学吸附 以沸石以沸石水工质对为例说明其工作过程：水工质对为例说明其工作过程： 白天，吸附床受日光照射温度升高产生解析作用，从白天，吸附床受日光照射温度升高产生解析作用，从沸石中脱附出水蒸汽，系统内的水蒸气压力升高，当达到沸石中脱附出水蒸汽，系统内的水蒸气压力升高，当达到与环境温度对应的饱和压力时，水蒸汽在冷凝器中凝结，与环境温度对应的饱和压力时，水蒸汽在冷凝器中凝结，同时放出潜热，凝水储存在蒸发器中，夜间，吸附床冷下同时放出潜热，凝水储存在蒸发器中，夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸汽的能力逐渐提高，来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸汽的能力逐渐提高，造成系统内压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出造成系统内压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对水蒸汽的吸附，谁蒸发的过程吸热，来，用以补充沸石对水蒸汽的吸附，谁蒸发的过程吸热，达到制冷的目的。达到制冷的目的。 说明：吸附床的作用相当于压缩机所起的作用，单个说明：吸附床的作用相当于压缩机所起的作用，单个吸附床可实现间歇制冷，如想实现连续制冷，可采用两个吸附床可实现间歇制冷，如想实现连续制冷，可采用两个或多个吸附器。或多个吸附器。1.3 热电制冷 热电制冷利用的是热电效应（帕尔帖效应Peltire）的原理达到制冷目的的。 热电效应：是指在两种不同导体组成的闭合回路中通以直流电，当电流流过不同导体的界面时，就会使一个节点变冷，从外界吸收热量；一个节点变热，向外界放出热量，这种现象称为热电效应，即帕尔帖效应 帕尔帖效应的反效应是西伯克效应（Secbeck），就是在两种导体组成的回路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两个接触点之间产生一个电势差即接触电动势。因为帕尔帖效应和西伯克效应产生的强烈因为帕尔帖效应和西伯克效应产生的强烈程度取决于这两种材料的导热性和导电程度取决于这两种材料的导热性和导电性，纯金属材料的导热性和导电性都好，性，纯金属材料的导热性和导电性都好，所以其帕尔帖效应和西伯克效应都很弱，所以其帕尔帖效应和西伯克效应都很弱，而半导体材料可以产生强烈的帕尔帖效应而半导体材料可以产生强烈的帕尔帖效应和西伯克效应。和西伯克效应。 空穴型空穴型（P P型）型）材料：材料： 电子型电子型（N N型）型）帕帕尔尔贴贴效效应应原原理理图图西西伯伯克克效效应应原原理理图图热电制冷的原理：热电制冷的原理：原理：是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部原理：是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部 分，其中冷气体用来制冷。分，其中冷气体用来制冷。组成：喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。组成：喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。原理图：原理图：1.4 涡流管制冷 工作过程：工作过程： 经过压缩并冷却到常温的气体（空气、经过压缩并冷却到常温的气体（空气、CO2、N2等）等）进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射向进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射向涡流室，形成自由涡流，自由涡轮的旋转角速度离中心越涡流室，形成自由涡流，自由涡轮的旋转角速度离中心越近则越大，由于角速度不同，环形气流的层与层之间产生近则越大，由于角速度不同，环形气流的层与层之间产生摩擦，外层气流的角速度逐渐升高，动能增加，又由于与摩擦，外层气流的角速度逐渐升高，动能增加，又由于与管壁之间的摩擦，将部分动能变成了热能，故从控制阀流管壁之间的摩擦，将部分动能变成了热能，故从控制阀流出的气体具有较高的温度；而中心层部分的角速度逐渐降出的气体具有较高的温度；而中心层部分的角速度逐渐降低，失去能量，从孔板流出时温度较低，用于制冷。低，失去能量，从孔板流出时温度较低，用于制冷。 控制阀的作用：控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、热控制阀的作用：控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、热两股气流的流量和温度。两股气流的流量和温度。 控制阀全关：过程为不可逆节流过程；不存在冷热分流现象。控制阀全关：过程为不可逆节流过程；不存在冷热分流现象。讨论讨论 控制阀全开：涡流管相当于气体喷射器；控制阀全开：涡流管相当于气体喷射器； 控制阀部分开启：出现冷热分流现象。控制阀部分开启：出现冷热分流现象。特点：特点：(1)由于管内气流之间的传导和对流情况复杂，故对冷、热端温度由于管内气流之间的传导和对流情况复杂，故对冷、热端温度值值 得定量地理论计算困难；得定量地理论计算困难；(2)效率太低，气流噪声大；效率太低，气流噪声大；(3)结构简单、维护方便、启动快、使用灵活；结构简单、维护方便、启动快、使用灵活； 适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。1.5 气体膨胀制冷 常用的是布雷顿制冷循环，工作过程包括：等熵压缩、常用的是布雷顿制冷循环，工作过程包括：等熵压缩、等压冷、等熵膨胀及等压吸热四个过程。等压冷、等熵膨胀及等压吸热四个过程。 制冷工质有：空气、制冷工质有：空气、CO2、N2、He等。等。工作原理：工作原理：飞机用空气制冷装置原理图气体节流制冷原理图2.1 单级蒸气压缩制冷的理论循环单级蒸气压缩制冷的理论循环v1.1.理论循环定义：在没有任何实际损失下的制冷循环。理论循环定义：在没有任何实际损失下的制冷循环。v2.2.条件：条件：无温差传热；无温差传热； 压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵过程；压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵过程； 管路中无任何耗损。管路中无任何耗损。第二章第二章 蒸气压缩式制冷装置蒸气压缩式制冷装置T-S图LgP-h图3.3.理想制冷循环：逆卡诺循环（理想制冷循环：逆卡诺循环（原理图原理图）4.4.实际采用的制冷理论循环组成（实际采用的制冷理论循环组成（原理图原理图）：）： 两个定压过程；两个定压过程； 一个绝热压缩过程；一个绝热压缩过程； 一个绝热节流过程。一个绝热节流过程。5.5.特点特点( (与卡诺循环比较）与卡诺循环比较）：用节流阀代替膨胀机：用节流阀代替膨胀机： 损失膨胀功、产生损失膨胀功、产生“闪发气体闪发气体”；但简化装置、便于调节，；但简化装置、便于调节，产生节流损失。产生节流损失。用干压缩代替湿压缩；实现用干压缩代替湿压缩；实现“干冲程干冲程”；但耗功量、制冷量；但耗功量、制冷量均增加，制冷系数下降。均增加，制冷系数下降。产生过热损失产生过热损失蒸气压缩式制冷的理想循环蒸气压缩式制冷的理想循环蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环2.2 改善蒸气压缩制冷循环的措施节流损失过热损失再冷度过热度Pk/P08膨胀阀前液态制冷剂的再冷却；蒸气回热循环；中间冷却的多级压缩有再冷却器的蒸气压缩式制冷回热式蒸气压缩式制冷多级蒸气压缩式制冷循环2.3 单级蒸气压缩式制冷理论循环的性能指标与热力计算LgP-h图 单位质量制冷量q0 kJ/kg q0=h1-h4 单位容积制冷量qv kJ/m3 qv= q0/v1=(h1-h4)/v1制冷剂质量流量MR=Q0/q0 kg/s制冷剂体积流量VR= MRv1=Q0/qv m3/s 单位质量冷凝热qk kJ/kg qk= h2-h3冷凝器负荷Qk=MRqk= MR(h2-h3) kW 单位质量耗功率wc kJ/kg wc=h2-h1压缩机的理论耗功率Pth=MRwc=MR(h2-h1) kW 理论制冷系数th th=Q0/Pth=q0/wc=(h1-h4)/ (h2-h1) 理想循环制冷系数0 0=T0/ (TK-T0) 热力完善度 = th/0=(h1-h4)/(h2-h1)/T0/ (TK-T0)LgP-h图:相同TK、T0的制冷循环 :不相同TK、T0的制冷循环评价制冷循环的经济型指标第三章 制冷剂及载冷剂3-1 制冷剂1 制冷剂的基础知识 制冷剂在制冷装置中循环流动，通过自身热力状态的变化与外界发生能量交换，从而实现制冷作用的工作流体。 制冷装置与制冷剂相互依存，相互适应，才能组成完美的制冷系统。根据现实工业条件，提出了对制冷剂的要求： 首先，制冷剂的热力性质对制冷系数的影响可用制冷效率R来表述。 制冷效率理论循环的制冷系数th与有温差的逆卡诺循环制冷系数c之比。 R= th / c 其中： c=(T0-T0)/(TK+ TK)-(T0- T0) R物理意义：表示了制冷剂的节流损失和过热损失的大小。 除了制冷效率外，还应考虑如下的其他性能： 对制冷剂的要求：减少工质的循环量；缩小压缩机的尺寸 热力学的性质： 蒸发压力和冷凝压力适中； 单位制冷量q0和单位容积制冷量qv要大； 制冷剂的凝结温度要高； 凝固温度要适当的低一些； 绝热指数应低一些；防止空气渗入；减少装置承压，防止制冷剂外泄；压缩比小减少压缩机的耗功量便于用一般冷却水或空气冷凝；接近逆卡诺循环，节流损失小能得到较低的蒸发温度压缩机排气温度低提高压缩机容积效率、对润滑油有好处 对制冷剂的要求： 物理化学的性质： 制冷剂在润滑油中的可溶性； 制冷剂的导热系数、传热系数要高； 制冷剂的密度、粘度要小； 制冷剂对金属和其它材料应无腐蚀和侵蚀作用； 制冷剂在高温下应不分解，且不燃烧、不爆炸； 其它： 制冷剂对人的生命和健康无危害，不具有毒性、窒息性 和刺激性； 制冷剂应易于购买，且价廉。提高换热效率，减少蒸发器、冷凝器的传热面积流动阻力小，降低耗功率、缩小管径2 常用制冷剂 常用制冷剂（氨及氟利昂）性能比较序号R717F对比1价廉易取比R717贵十几倍R717系统投资、运行费低2q0、qv大，MR小相反同0下，R717com尺寸小、管径小3几乎不溶于油大多数易溶于油R717系统分油易，F系统分油难4 、大，k大相反R717换热设备尺寸小5渗透力弱，易发现相反R717损耗小，运行费低6无限溶于水难溶于水F系统易产生冰堵7毒性大,有燃烧爆炸危险相反F可用于空调中直接蒸发冷却8含水对铜有腐蚀（系统中无铜）对天然橡胶有侵蚀（垫圈不能用橡胶）不同系统采用不同材料9分子量小，t排高相反R717 com用水冷；F com用风冷10粘度小,密度小,阻力小相反R717系统管径小、com耗功小11对生态环境影响小某些F工质对生态环境影响大某些F工质渗透、排放造成人类生态环境恶化3-2 载冷剂 t0 oC，用水；t0 oC，用盐溶液。2.1 盐水 盐水凝固温度与浓度有关。盐水浓度太低，会析出冰粒；浓度太高，比热小、比重大、流阻大、有盐粒析出。 浓度确定方法：浓度确定方法： 盐水溶液浓度对应的凝固温度t凝=t0-(68) oC； 且t凝t合晶点 ；（ NaCl为 -21.2 oC； CaCl2为 -55 oC；） 一般使用时：一般使用时：0 oC t0-16 oC:可用NaCl； -16 oC t0-50 oC:可用CaCl2； 且 液体流动阻力。液体流动阻力。结构简单，制造方便，无运动部件，不易出故障，有自补偿特结构简单，制造方便，无运动部件，不易出故障，有自补偿特点，停机后，点，停机后，concon与与E E 内压力能很快自平衡。内压力能很快自平衡。过冷度对毛细管的流过冷度对毛细管的流量影响较大。量影响较大。合理选择：在规定的合理选择：在规定的T TK K、T T0 0下，使毛细管的下，使毛细管的阻力足以在毛细管进阻力足以在毛细管进口处保持一个液封，口处保持一个液封，而又无过多的液体存而又无过多的液体存于冷凝器内。于冷凝器内。电子膨胀阀电子膨胀阀 由检测、控制、执行三部分组成。由检测部分完成调节系统的由检测、控制、执行三部分组成。由检测部分完成调节系统的输入值（过热度），控制系统由程序控制，根据检测到的数据与规输入值（过热度），控制系统由程序控制，根据检测到的数据与规定数据的比较，调节阀门。定数据的比较，调节阀门。 电子膨胀阀对供液量调节范围宽，调节反应快，能保证蒸发器电子膨胀阀对供液量调节范围宽，调节反应快，能保证蒸发器的出口过热度稳定在的出口过热度稳定在1 12 2 C C内，并能配合变频调节。内，并能配合变频调节。毛细管热力膨胀阀电子膨胀阀制冷剂与阀的选择是否相关无关由感温包充注的制冷剂决定无关制冷剂流量调节范围小较大大流量调节机构毛细管流动阻力调节阀开度调节阀开度调节控制信号过冷度蒸发器出口过热度蒸发器出口过热度调节方法回热循环，降低毛细管出口段温度检测出口过热度，控制调节阀开度检测出口过热度，控制调节阀开度对蒸发器过热度控制偏差大较小， 47C，但蒸发温度低时大很小， 12C流量调节特性补偿困难困难可以调节的过渡过程特性不好较好优允许负荷波动很小较大，但不适合于能量可调节系统很大，适合于能量可调节系统流量前馈调节困难困难可以价格便宜较高高电子膨胀阀与毛细管、热力膨胀阀的特点比较电子膨胀阀与毛细管、热力膨胀阀的特点比较2. 2. 辅助设备辅助设备 分油效果差，无法分离油蒸气。利用冷却水降低混合气体温度，使部分油蒸气冷凝，提高了分油效果。2.1 油分离器作用：分离压缩机排气中的润滑油，以防止润滑油进入冷凝 器和蒸发器，形成油膜，降低其传热效果。原理及分类： 利用流通截面积的突然扩大，降低气流速度来分离油滴。 外加冷却水套的干式氨油分离器干式氨油分离器 改变气体流向or利用离心力将油滴从制冷剂中甩出 。离心式氨油分离器分油效果好于干式油分离器。 在氨干式油分离器的基础上，在进气管下端加设过滤器，实现双重作用。其下部设有自动回油的浮球阀。 采用液体制冷剂对含油的制冷剂蒸气洗涤分油洗涤式氨油分离器不仅使油蒸气凝结，而能分离出油滴。分油效果较好。 通过过滤层分油 滤过式氨油分离器高效油分离器 氟利昂油分离器 选择计算：选择计算：式中 dy油分离器直径(m)；氨压缩机的容积效率； V氨压缩机的理论排气量(m3/h)； wy油分离器中的气体速度(m/s)，wy=0.81.0m/s。2.2 2.2 集油器（仅用于氨系统）集油器（仅用于氨系统） 收集油分离器中分离出来的润滑油，以及残留在冷凝器、蒸发器、贮液器等容器中的润滑油。 在压缩机吸气作用下，能分离油中混合的制冷剂，使操作安全、方便。 集油器应安装在整个制冷系统的最低处。 高压侧、低压侧应各自使用一个集油器，不能混用。2.3 2.3 气液分离器气液分离器工作原理：工作原理： 利用制冷剂蒸气流速的急剧降低和流向的急剧改变，实现： 分离蒸发器回气中的液体制冷剂，防止压缩机湿压缩。 分离进入蒸发器供液中的闪发蒸气，提高蒸发器的传热效果。右图为：氨液分离器2.4 2.4 贮液器贮液器按用途和所承受的压力贮存冷凝器排出的高压制冷剂液体，以供应和调节系统供液量贮存气液分离器分离出的氨液，位于气液分离器后用于氨泵供液制冷系统，作气液分离器和低压贮液桶用，为氨泵提供所需的低压氨液维修和检修设备以及设备冲霜时，贮存设备排出的制冷剂高压贮液器低压贮液器循环贮液桶排液桶贮液器的贮液容量按整个系统制冷剂小时循环量的1/31/2选取贮液器贮存制冷剂的最大允许容量为本身容量的80%贮存制冷剂的最大允许容量为本身容量的7080%卧式循环贮液桶的液面不应超过其直径的1/3立式循环贮液桶的液面不应超过其桶高的1/4最大氨液贮存容积不小于氨泵每小时循环量的30%贮液器贮液器循环贮液桶循环贮液桶排液桶排液桶2.5 2.5 空气分离器空气分离器作用：原理： 在低温下，制冷剂会冷凝，而空气不冷凝。将混合气体在冷凝压力下降温到一值，使混合气体中的大部分制冷剂冷凝为液体，而分离出空气，将空气排出。 由于高压贮液桶出液管的液封作用，所以都聚积在冷凝器和高压贮液桶中，故空气分离器连接在冷凝器和高压贮液器上。排出制冷系统的不凝性气体套管式空气分离器套管式空气分离器立式空气分离器2.6 2.6 紧急泄氨器紧急泄氨器2.7 2.7 过滤器过滤器紧急情况时，防止氨系统发生爆炸，将氨液加以稀释后排入消防允许的下水道内；与贮氨量较多的容器相连液体过滤器气体过滤器安装在节流阀前，氨泵进液管上安装在压缩机的吸气管上滤网铁丝网铜丝网氨系统氟系统2.8 2.8 干燥过滤器干燥过滤器2.9 2.9 气液热交换器气液热交换器干燥剂：硅胶 or CaCl2分子筛经冷凝后的液体在交换器内的蛇形管内流动；由E出来的蒸气在交换器内的蛇形管外流动；逆向流动第六章第六章 双级蒸气压缩制冷双级蒸气压缩制冷为什么使用双级压缩？为什么使用双级压缩？ com的压力差超过允许值，导致机件损坏； 压力比过大，排气温度升高，导致润滑油稀化，增加润 滑油的消耗；导致润滑油的碳化，引起润滑不良； 压力比过大，导致容积效率V和制冷量0大大降低。下表列出常用制冷剂在Pk/P0=10时的最低蒸发温度： 当压力差（Pk-P0）1214和压力比Pk/P0810时，单级压缩机会发生：制冷剂 冷凝温度（C） 30 35 40 45 50 R717 -30.5 -27.3 -24.4 R22 -37.2 -34.2 -31.5 R12 -36.8 -33.8 -31.1 -28.3 -25.4 由于环境温度、压力差（环境温度、压力差（P Pk k-P-P0 0）和压力比）和压力比P Pk k/P/P0 0的限制的限制，单级压缩机不能达到很低的蒸发温度，为了获得更低的蒸发温度，就需要使用多级压缩。 6-1. 双级压缩制冷循环与系统组成双级压缩制冷循环仅压缩过程为两级压缩，其他与单级相同：低温低压制冷剂蒸气中间压力下过热蒸气低压级com过热蒸气被冷却中间冷却器冷凝压力下过热蒸气高压级com单机双级系统：气缸数比常为1:3or1:2双级制冷系统组成双机双级系统两台压缩机一台压缩机，高、低压气缸中间冷却程度中间完全冷却中间不完全冷却低压级com排气在中间冷却器中被冷却到中间压力下的饱和温度。用于氨系统低压级com排气与中间冷却器中蒸发的蒸气相混合，被冷却到某一过热点。用于氟利昂系统两级节流中间完全冷却原理图两级节流中间完全冷却lgP-h图1.双级压缩氨制冷循环双级压缩氨制冷循环2.1.1.1 双级节流中间完全冷却循环节流级数双级单级采用两个节流阀，制冷剂经过两次节流采用一个节流阀，制冷剂经过一次节流MR2MR1MR1MRMRMR1MR1MRMR31.1.2 两级节流中间完全冷却制冷循环流量计算 由总流量与各分流量关系得： MR=MR1+MR2+MR3 (6-1)其中：MR1蒸发器中气化的制冷剂流量； MR2中间冷却器冷却初级排气而气化的制冷剂流量； MR3一级节流气化的制冷剂流量。 由中间冷却器热平衡方程得： MR1(h2,-h3)=MR2(h3-h4) (6-2) 一级节流气化的制冷剂流量MR3为： MR3=MR(h10-h4)/(h3-h4) (6-3) 蒸发器中气化的制冷剂流量MR1为： MR1=0/(h1-h5) (6-4) 求解(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)式组成的方程组，即可求得各流量值。1.2.1 一次节流中间完全冷却循环一次节流中间完全冷却双级压缩系统图一次节流中间完全冷却双级压缩lgP-h图M1MDMGM1MDMGMD1.2.2 一次节流中间完全冷却制冷循环流量计算 由总流量与各分流量关系得： MG=M1+MD (6-5)其中：MG高级压缩机的制冷剂流量； M1中间冷却器冷却初级排气而气化的制冷剂流量； MD低级压缩机的制冷剂流量。 由中间冷却器热平衡方程得： M1(h3-h10)=MD(h9-h4,)+ MD(h2-h3) (6-6) 又 h10=h9 (6-7) 求解(6-5)、(6-6)、(6-7)式组成的方程组，即可求得: MG= MD(h2-h4,)/(h3-h9) (6-8)1.2.3 双级压缩氨制冷系统 一次节流中间完全冷却双级压缩氨制冷系统图MGM1MDMD1.3.1 一次节流中间不完全冷却制冷循环 （双级压缩氟利昂制冷循环）一次节流中间不完全冷却原理图一次节流中间不完全冷却LgP-h图MGM1MDM1MDMG1.3.2 一次节流中间不完全冷却流量计算 由总流量与各分流量关系得： MG=M1+MD (6-8)其中：MG高级压缩机制冷剂流量； M1-中间冷却器使饱和液体过冷而气化的制冷剂流量； MD-低级压缩机的制冷剂流量。 由中间冷却器热平衡方程得： M1(h3-h10)=MD(h9-h4,) (6-9) 又 h10=h9 (6-10) 求解(6-8)、(6-9)、(6-10)式组成的方程组，即可求得: MG= MD(h3-h4,)/(h3-h9) (6-11) 另外，6点的压力为中间压力PZ，焓值h6应由热平衡求得，才能确定6点的位置： (MG-MD)(h6-h3)=MD(h2-h6) h6=MGh3+ MD(h2-h3)/ MG =h3+(h3-h9)(h2-h3)/(h3-h4) (6-12)M1M1MDMDMG肉类生产性冷藏库平面类型之一肉类生产性冷藏库平面类型之一:1-冻结间；2-常温脱盘、脱钩间；3-走道；4-冻结物冷藏间；5-贮冰间；6-快速制冰间；7-值班室；8-站台；9-机房及设备间；10-配电室；11-露天变压器；12-机修间。肉类生产性冷藏库平面类型之二：肉类生产性冷藏库平面类型之二：1-冻结间；2-冻结物冷藏间；3-贮冰间；4-制冰间；5-机房；6-常温脱盘、脱钩间；7-常温穿堂；8-电梯；9-贮藏室； 10-值班室；11-工人休息室；12-回钩廊；13-公路站台；14-铁路站台；15-联系廊。7-9 制冷系统的自控装置1. 自动控制的组成和原理 所有自动控制装置都由传感器（或变送器）、调节器（或控制器）、执行机构组成。其流程如下：2. 电脑自动控制的组成和原理 电脑在自动控制装置中的作用相当于上述的“比较调节器”的作用。电脑能显示、贮存数据，但自控装置要增设“数模转换器”。其自动控制流程如下： 数模转换器，又称变送器，或A/D、D/A变送器。其作用是：把模拟量转变为电脑认识的数字信号，并传输给电脑：把电脑发出的控制指令（数字信号）转变为模拟量，并传输给执行机构。 工业控制要求可靠，同时还要求在中央和现场都能控制，因此工业控制系统一般如下：工业自控系统框图3. 自控元件的功能 冷库用的自控元件可分为六类：自动融霜控制。TDS-04、TDS-05型融霜时间程序控制器时间控制类按冷库负荷变化，对压缩机的产冷量进行定点延时分级调节。TDF-01、TDF-02型分级步进调节器。能量调节类控制容器中制冷剂的液位。UQK-40、UQK-4143型浮球液位控制器等。液位控制类现场控制库温。压力式温度控制器（WTQK、WTZK型）、TDW-12型温度调节器等。温度控制类压力保护，压力调节，压力变送。YWK型压力控制器、CWK型压差控制器、YSG-01电感压力变送器等。压力控制类通过控制管道中制冷剂的通断，控制压力，调节流量。电磁阀、恒压阀、主阀、组合式主阀、水电磁阀、止回阀、自动旁通阀、氨热力膨胀阀等。流通控制类主要功能控制元件名称及型号类别电磁阀继动电磁阀 液用常闭型电磁主阀气用常开型电磁主阀恒压阀主阀阀门符号等效线路其中：正恒压阀正恒压阀(I型型)正恒压阀正恒压阀(II型型)反恒压阀反恒压阀(I型型)反恒压阀反恒压阀(II型型)电磁阀电磁阀常闭主阀常闭主阀常开主阀常开主阀导阀接管方向导阀外接管4. 应用方案4.1 设计规范的规定 (GB50072-2001) 设计规范的强制规定是必须遵守的，因为这关系到生命和财产的安全问题，具有法律的效力和责任。这里只简略介绍设计规范的强制规定，其它的规定请同学们自己去查看。 条：氨压缩机的安全保护装置应由氨压缩机制造厂成套配置，且应符合下列规定：共有7条，从略。 条：氨泵应设下安全保护装置：共4条，规定氨泵应设断液自动停泵装置；排液管上应设止逆阀、压力表；排液总管上应设旁通泄压阀。条：所有设备、容器、加氨站集管及有管道与冷却设备相连的(液体的、气体的、融霜的)氨分配站集管上和不凝气体分离器的回气管上均应设压力表或真空压力表。条：氨压力表和真空压力表应采用氨专用的，其精度要求高压侧不应低于级，低压侧不应低于级，并宜带饱和温度刻度，其量程在倍工作压力到3倍工作压力之间。距地2m时，其表径不宜小于100mm，距地2-3m时，其表径不宜小于160mm。压力表的安装高度距观察地面不应超过3m。条：低压循环贮液器、氨液分离器和中间冷却器应设超高液位报警装置及正常液位自控装置。低压贮液器应设超高液位报警装置。条：各种压力容器(设备)应按产品标准要求设安全阀。条：每台氨压缩机应在机组控制台装设紧急停车按钮。条：氨压缩机房的事故排风机应采用防爆型电机，当发生意外事故而被切断供电电源时，应能保证事故排风机的可靠供电。事故排风机的过载保护宜作用于信号报警系统而不直接停止排风机。事故排风机的控制按钮应在氨压缩机房门外侧的墙内暗装。条：穿过库房隔热层的电气线路，宜集中敷设，且必须采取可靠的防火及防止产生冷桥的措施。条：库房阁楼层内不得装置电气设备及敷设电气线路。4.2 冷库自控应用 冷库自动控制可以分为库房回路、氨泵回路及机房回路三部分。无论哪一部分的自控都必须遵守冷库设计规范的规定。4.2.1 库房回路 1. 冻结物冷藏间库温自控回路 库温控制方法：用温控器控制供液阀 热氨融霜控制：手动融霜2. 冻结间库温及融霜程序自控库温控制方法：用时间和温度控制器控制供液阀和风机热氨融霜控制：用融霜程控器控制热氨阀、排液阀和水阀3. 冷却物冷藏间库温及融霜自控库温控制方法：用时间及温控器控制供液阀和风机湿度控制方法：控制回气压力，稳定蒸发温度热氨融霜控制：用融霜程控器控制热氨阀、排液阀和水阀4.2.2 氨泵回路 氨泵应设下安全保护装置：氨泵应设断液自动停泵装置；排液管上应设止逆阀、压力表；排液总管上应设旁通泄压阀。作业的已知条件：R717, tk=40, t=35, t0=5, tsh=10, 0=40000kcal/h.求：该压缩机在标准工况的0=？；Pe=？解：1. 作lgP-h图，查出已知工况和 标准工况的各点焓值及v1值； 2. 求已知工况的v和Vh值： v=0.94-0.085(pk/p0)1/m-1 Vh= 0/(vqv) 3. 求标准工况的v、 0： v=0.94-0.085(pk/p0)1/m-1 0= v Vhqv 4. 求标准工况的i、 Pm和Pe： i=(273+t0)/(273+tk)+btk Pi=(Vh v/v1)(h2-h1)/ i Pm=(5080)Vh Pe=Pi+Pm