第二章制冷及低温工质.

第二章制冷及低温工质所谓工质就是制冷机中的工作介质，它在制冷机系统中循环流动变化与外界发生能量交换，从而实现制冷的目的蒸气制冷机中的制冷工质从低温热源中吸取热量，在低温下气化，再在高温下凝结，向高温热源排放热量。所以，只有在工作温度范围内能够气化和凝结的物质才有可能作为蒸气制冷机的制冷工质使用。多数制冷工质在大气压力和环境温度下呈气态卤代烃也称氟利昂（Freon，美国杜邦公司过去曾长期使用的商标名称），是链状饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。在18世纪后期，人们就已经知道了这类化合物的化学组成，但当作制冷工质使用是汤姆斯·米杰里于1929~1930年间首先提出来的。氟利昂制冷工质的种类很多，它们之间的热力性质有很大区别，但在物理、化学性质上又有许多共同的扰点，所以得到迅速推广，成为普冷范围主要的一类制冷工质工质1974年美国加利福尼亚大学的莫利纳和罗兰教授首先撰文指出，卤代烃中的氯原子会破坏大气臭氧层在制冷工质中，R11、R12、R13、R14、R113、R114等都是全卤代烃，即在它们的分子中只有氯、氟、碳原子，这类氟利昂称氯氟烃，简称CFCs（氯与碳均用C表示，但写在最后一位的C表示碳，写在前面第一或第二位的C表示氯）；如果分子中除了氯、氟、碳原于外，还有氢原子（如R22），称氢氯氟烃，简称HCFCs；如果分子中没有氯原子，而有氢原子、氟原子和碳原子，称氢氟烃，简称HFCs；如果分子中只有氢原子和碳原子，称烷烃，简称HCs根据莫利纳和罗兰的理论，CFCs对人气臭氧层的破坏性最大。这就是著名的CFCs问题。联合国环保组织于1987年在加拿大蒙特利尔市召开会议，36个国家和10个国际组织共同签署了《关于消耗大气臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，正式规定了逐步削减并最终禁止CFCs生产与消费。从80年代后期开始，世界各国的科学家和技术专家就一直在寻找新的制冷工质选用制冷工质应遵循以下原则：1、热力性质方面1）在工作温度范围内有合适的压力和压力比；即希望蒸发压力不低于大气压力，避免制冷系统的低压部分出现负压，使外界空气渗入系统，影响制冷工质的性质，或加剧对设备材料的腐蚀，或引起其他一些不良后果（如燃烧、爆炸等）；冷凝压力不要过高，以免设备过分笨重；冷凝压力与蒸发压力之比也不宜过大，以免压缩终了的温度过高或使往复活塞式压缩机的输气系数过低。2）通常希望单位制冷量qo和单位容积制冷量qv比较大。因为对于总制冷量一定的装置，qo大可减少制冷工质的循环量；qv大可减少压缩机的输气量，故可缩小压缩机的尺寸，这对大型制冷装置是有意义的。但对于离心式压缩机，尺寸过小会带来制造上的困难，因此必须采用qo和qv稍小的制冷工质。3）比功w和单位容积压缩功wv小，循环效率高。4）等熵压缩的终了温度不太高，以免润滑条件恶化（润滑油粘性下降、结焦）或制冷工质自身在高温下分解。2、传输性质方面1）粘度、密度尽量小，这样可减少制冷工质在系统中的流动阻力，以及制冷工质的充注量。2）热导率大，这样可以提高热交换设备的传热系数，减少传热面积，使系统结构紧凑。3、物理化学性质方面1）无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。2）化学稳定性和热稳定性好，制冷工质要经得起蒸发和冷凝的循环变化，使用中不变质，不与润滑油反应，不腐蚀制冷机构件，在压缩终了的高温下不分解。3）对大气环境无破坏作用，即不破坏大气臭氧层，没有温室效应。4、其他要求原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。完全满足上述要求的制冷工质是不存在的。各种制冷工质总是在某些方面有其长处，另一些方面又有不足工业上不用CO作为制冷剂使用要求、机器容量和使用条件不同，对制冷工质性质要求的侧重面就不同，应按主要要求选择相应的制冷工质。一旦选定制冷工质后，由于它本身性质上的特点，又反过来要求制冷系统在流程、结构设计及运行操作等力面与之相适应。这些都必须在充分掌握制冷工质性质的基础上恰当地加以处理。由于低温工质主要为无机物，非人工合成产品．不存在环境问题。但是，为了使低温制冷机效率更高，寻找合适的新的低温工质，仍然是低温领域研究的重要方向之一。对于制冷工质的有关选用原则，大部分适合低温工质*近年来，混合工质研究已成为低温工质研究的重要内容IdealpropertiesforarefrigerantItwillbeusefultoremindourselvesoftherequirementsforafluidusedasarefrigerant.AhighlatentheatofvaporizationAhighdensityofsuctiongasNon-corrosive,non-toxicandnon-flammableCriticaltemperatureandtriplepointoutsidetheworkingrangeCompatibilitywithcomponentmaterialsandlubricatingoilReasonableworkingpressures(nottoohigh,orbelowatmosphericpressure)Highdielectricstrength(forcompressorswithintegralmotors)LowcostEaseofleakdetectionEnvironmentallyfriendlyA.R.TrottandT.WelchRefrigerationandAir-Conditioning2.1制冷与低温工质的命名为了书写方便，国际上统一规定用字母“R”和它后面的一组数字或字母作为制冷工质的简写符号。字母“R”表示制冷工质，后面的数字或字母则根据制冷工质的分子组成按一定的规则编写。具体参阅《制冷剂编号方法和安全性分类》（GB/T7778—2001）。2.1.1常用命名方式无机化合物无机化合物的简写符号规定为R7()。括号代表一组数字，这组数字是该无机物分子量的整数部分例如：He-4分子量的整数是4，表示符号为R704；NH3分子量的整数是17，表示符号为R717；氧气的分子量是32，表示符号为R732。氮气的分子量是28，表示符号为R728。对于工质CO2（二氧化碳）和工质N2O（一氧化二氮）分别用R744和R744a表示氟利昂和烷烃类烷烃类化合物的分子通式为CmH2m+2炔烃类化合物分子通式为CmH2m-2氟利昂的分子通式为CmHnFxClyBrz（n+x+y+z=2m+2）它们的简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)(z)B(z)，每个括号是一个数字，该数字数值为零时省去不写，同分异构体则在其最后加小写英文字母以示区别正丁烷和异丁烷例外，它们分别用R600和R600a表示烷烃类和氟利昂命名举例化合物名称分子式m、n、x、z的值工质表示法一氟三氯甲烷CFCl3m=1、n=0、x=1R11二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1、n=0、x=2R12三氟一溴甲烷CF3Brm=1、n=0、x=3、x=1R13B1二氟一氯甲烷CHF2Clm=1、n=1、x=2R22二氟甲烷CH2F2m=1、n=2、x=2R32甲烷CH4m=1、n=4、x=0R50三氟二氯乙烷C2HF3Cl2m=2、n=1、x=3R123四氟乙烷C2H2F4m=2、n=2、x=4R134a乙烷C2H6m=2、n=6、x=0R170非共沸混合制冷工质非共沸混合制冷工质的简写符号为R4()。括号代表一组数字，这组数字为该制冷工质命名的先后顺序号，从00开始。构成非共沸混合制冷工质的纯物质种类相同，但成分不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别。例如，最早命名的非共沸混合制冷工质写作R400，以后命名的按先后次序分别用R401、R402、R407A、R407C等。由任意两种单工质组成的混合工质在一般情况下均是非共沸的，只有某些特定的单工质按某一比例混合时才有可能形成共沸混合物共沸混合制冷工质共沸混合工质是由两种或多种制冷剂组成的混合物，在给定的压力下，有均匀的气相和液相组分。简单的说，制冷剂混合物在制冷循环过程中就像单组分工质一样不会发生分馏。共沸混合工质物温度滑移。ASHRAE标准34规定共沸混合工质从R500开始编号。共沸混合制冷工质的简写符号为R5()。括号代表一组数字，这组数字为该制冷工质命名的先后顺序号，从00开始。例如最早命名的共沸制冷工质写作R500，以后命名的按先后次序分别用R501、B502、…、R507等表示环状有机物简写符号用字母“RC”开头，其后的数字排写规则与氟利昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同不饱和有机化合物其简写符号用字母“R1”开头、其后的数字排写规则与氟利昂及烷烃类符号表示个的数字排写规则相同。此外，有机氧化物，脂肪族胺，他们用R6开头，其后的数字是任选的。例如，乙醚为R610，甲酸甲酯为R611，甲胺为R630，乙胺为R631。2.1.2工质的新命名方式自从CFCs问题提出以来，人们发现破坏大气臭氧层的主要是卤代烃分子中的氯原子，但如果卤代烃分子中同时存在氢和氯原子，则氢原子的存在能减弱氯原子对臭氧层的破坏作用为了能从代号上直接反映出该种卤代烃对奥氧层的破坏程度，可将卤代烃分成氯氟烃CFC、氢氯氟烃HCFC、氢氟烃HFC、碳氢HC及氟烃FC5类。这些符号分别表示其分子中含有的氯、氟、氢、碳等原子。氯与碳均用C表示，但写在最后一位的C表示碳，写在前面第一或第二位的C表示氯CFC对臭氧层破坏最大，HCFC则有少量的破坏作用，其余则无破坏性例如：CFCl2、HCFC22、HFC134a、HC290、FCl4。2.2二元溶液的相平衡由两个及两个以上组分组成的稳定的均匀液体叫溶液溶液生成方式：①两液体混合；②固体溶解于液体；③气体溶解于液体。有时将溶液的组分区分为溶剂和溶质。习惯上将占较大比例的组分称为溶剂，占较小比例的组分称为溶质，但这种规定是不严格的。对水溶液，一般将水称为溶剂，当气体或固体溶解于液体中时，不管两者所占的比例如何，通常将气体或固体称为溶质。根据溶液中组分的多少，可将溶液分为二元溶液与多元溶液。如果溶液是由两种物理性质和化学性质不同的物质组成，则称为二元溶液，如氨水溶液等，多元溶液如液化天然气及石油气等2.2.1溶液、组成及溶解度溶质的质量分数分别用w1和w2表示二元溶液中两种组分的质量分数，m1和m1是它们的质量，则mmm2121111mmmmmw21222mmmmmw121ww（2-1）对于二元溶液，只要知道其中一种组分的质量分数，就可以确定另一种组分的质量分数。为方便起见，可用w表示第二个组分的质量分数，则第一组分的质量分数即为1-w通常用w表示溶质的质量分数摩尔分数分别用x1和x2表示二元溶液中两种组分的质量摩尔分数，若以M表示摩尔质量，表示摩尔数，则Mmn/nnn2121111nnnnnx21222nnnnnx121xx（2-2）类似于质量分数，用表示第二个组分的摩尔分数，则第一组分的摩尔分数即为。质量分数与摩尔分数的换算关系为2121xMMxxMw（2-3）按不同物质相互之间的溶解的难易程度，溶液可分为三类：①完全互溶；③部分互溶；③完全不互溶。例如；水与水银、水与苯是完全不互溶的例子；在常温下，石炭酸和水是部分互溶的两种液体，当温度高于68.8℃时，它们转化为完全互溶的液体；液氧和液氮、水与酒精可以以任意比例溶解，形成均匀溶液。部分互溶的物质，在单位时间里溶质扩散到溶液中的分子数与回到溶质表面的分子数相等时，溶液达到溶解平衡在一定的温度下，达到溶解平衡的溶液叫饱和溶液在一定的温度下，某溶质在一定量的溶剂里达到溶解平衡状态时，所溶解的量叫这种溶质在该溶剂里的溶解度如果不指明溶剂，通常所说的溶解度就是溶质在水里的溶解度一种物质在另一种物质中的可溶性，随着物质的性质、温度与压力而变化2.2.2溶液的基本定律理想溶液及拉乌尔定律理想溶液由性质相近