制冷原理基础知识

展勤浩[e-mail]五洲制冷第1页共14页制冷原理一、概述（一）制冷技术发展史古代地窖作冷贮室、水蒸发降温等1755年德国库仑利用乙醚蒸发使水结冰。布莱克导出潜热概念，发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。1834年美国波尔金斯造出第一台以乙醚为工质的压缩式制冷机，成为后来蒸气压缩式制冷机的雏形。1844年美国高里用封闭循环的空气制冷机建立了一座空调站，标志着空气制冷机开始应用。1875年美国林德采用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机在制冷领域中开始了它的统治地位。1859年凯利发明氨水吸收式制冷系统。1910年莱兰克在巴黎发明蒸气喷射式制冷系统。1930年起发现氟利昂制冷剂；全封闭压缩机研制成功；混合制冷剂应用等。（二）制冷的定义用人工的方法在一定的时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。（三）制冷方法1、蒸汽压缩式制冷2、蒸汽吸收式制冷3、蒸汽喷射式制冷4、吸附式制冷5、空气膨胀制冷6、热电制冷（温差电制冷）7、涡流管制冷二、制冷剂与载冷剂（一）制冷剂的种类1、无机化合物展勤浩[e-mail]五洲制冷第2页共14页如：水、氨、二氧化碳、二氧化硫2、氟利昂：饱和碳氢化合物的氟、氯、溴的衍生物的总称。如：R12、R22、R134a、R152a3、碳氢化合物如:R600、R600a、R1704、混合制冷剂混合制冷剂是由两种或两种以上的氟利昂组成的混合物。（1）共沸制冷剂如：R500（R12/R152a）、R502（R22/R115）（2）非共沸制冷剂如：R404A（R125/R143a/134a）、R407C(R32/R125/R134a)（二）对制冷剂的要求1、热力学性质（1）在大气压力下的沸点要低，凝固点也要低；（2）蒸发压力最好稍高于大气压力；（3）在常温下的冷凝压力不应过高；（4）在给定的温度条件下，对应的冷凝压力和蒸发压力之比较小；（5）制冷剂在给定的蒸发温度下的汽化潜热值要大；（6）制冷剂的临界温度高于环境大气温度；（7）对于大中型制冷压缩机，要求单位容积制冷剂的制冷能力较大，以减小压缩机的尺寸、重量和金属消耗量，对于小型制冷装置，则要求单位容积制冷剂的制冷能力不太大，以免压缩机及流道的尺寸过小而增加制造上的困难。2、物理化学性质（1）较高的导热系数和换热系数；（2）制冷剂的粘度和密度尽可能小；（3）具有一定的吸水性；（4）化学稳定性好，在高温下不分解，不易燃烧，无爆炸危险，对金属和其它材料无腐蚀和侵蚀作用。展勤浩[e-mail]五洲制冷第3页共14页3、其它性质无毒、无刺激性臭味、对人无害、价格低廉、来源充足、良好电绝缘性能。（三）常用制冷剂的性质1、R22（1）R22的沸点为－40.8℃。（2）水在R22中的溶解度很小，而且随着温度的降低，水的溶解度越小。（3）R22能部分与矿物油互相溶解，其溶解度与润滑油的种类和温度有关。（4）R22不燃烧、不爆炸、毒性很小。（5）R22对臭氧层仍有破坏作用，为某些CFC制冷剂的过渡替代物。2、R134a（1）R134a沸点为－26.5℃。主要热力性质与R12相似，是比较理想的一种R12替代制冷剂。（2）R134a对金属的腐蚀作用比较小、稳定性好、不溶于水。（3）R134a对臭氧层无破坏作用，温室效应比R22小，属HFC类制冷剂，按当前的国际协议可长期使用。3、R407C（1）R407C由R32、R125和R134a三种工质按23%、25%、52%的质量成分混合而成。（2）臭氧消耗潜能值ODP＝0、全球变暖潜能值GWP＝1980。（3）热力性质与R22相似，它们的工作压力范围、制冷量十分相似。（4）R407C机器的制冷量和能效比比R22机器稍有下降。(四)载冷剂（冷媒）载冷剂用于向被间接冷却的物体输送制冷系统产生的冷量。1、空气价格低廉，容易获得；但空气的比热容小、热导率小。2、水（1）价格低廉，容易获得；比热容大、热导率大。（2）凝固点为0℃，仅能用作0℃以上温度的载冷剂。展勤浩[e-mail]五洲制冷第4页共14页要制取低于0℃的冷量，可采用盐水溶液、有机化合物或其水溶液作载冷剂。3、盐水溶液常用的有氯化钠水溶液、氯化镁水溶液、氯化钙水溶液。（1）为保证蒸发器中盐水溶液不发生冻结，一般应使盐水溶液的凝固温度（共晶温度）比制冷剂的蒸发温度低5℃左右。例如氯化钠水溶液的共晶温度为－21.2℃，所以只有当制冷剂的蒸发温度高于－16℃时才能采用其作载冷剂。（2）盐水溶液对金属有强烈的腐蚀作用，因而会腐蚀管道和设备。措施：选用纯度高的盐；减少溶液与空气接触的机会，采用闭式循环系统，或者在盐水箱上加封盖；在盐溶液中添加一定量的缓蚀剂，使溶液呈弱碱性，其PH值保持在7.5~8.5。使用较多的缓蚀剂是氢氧化钠（NaOH）和重铬酸钠（Na2Cr2O7）,一般两者的质量配比为NaOH：Na2Cr2O7＝27：100。4、有机化合物有机化合物腐蚀性较小，但其成本较高。如乙二醇、丙三醇、二氯甲烷等。三、单级蒸气压缩式制冷循环（一）理论制冷循环1、基本组成蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀（或毛细管）是蒸气压缩式制冷系统的四个必不可少的基本部件。（1）工作原理展勤浩[e-mail]五洲制冷第5页共14页节流阀蒸发器冷凝器压缩机被冷却物体冷却介质（空气、水）图　蒸气压缩式制冷系统图　蒸气压缩制冷理论循环压焓图lgp2'1）蒸发器（d→a）制冷剂在蒸发器盘管内沸腾蒸发时保持温度和压力不变，相应的温度和压力称为蒸发温度和蒸发压力。蒸发温度随蒸发压力的增大而升高，它们有确定的对应关系。制冷剂在蒸发器中沸腾蒸发时单位时间内从制冷空间介质吸收的热量就是制冷系统的制冷量Q0。Q0＝Ha－Hd2）冷凝器（2’→b→c）展勤浩[e-mail]五洲制冷第6页共14页制冷剂在冷凝器盘管内冷凝液化时保持温度和压力不变，相应的温度和压力称为冷凝温度和冷凝压力。冷凝温度随冷凝压力的增大而升高，它们有确定的对应关系。利用流动空气冷却的冷凝器称为风冷冷凝器。利用流动水冷却的冷凝器称为水冷冷凝器。制冷剂在冷凝器中向冷却介质排放的热量称为冷凝器的热负荷QK。QK=H2’－Hc3）压缩机（a→2’）用于将从蒸发器流出的低压制冷剂蒸气压缩，使蒸气的压力提高到与冷凝温度对应的冷凝压力，从而保证制冷剂蒸气能在常温下被冷凝液化。压缩功W＝H2’－Ha4）节流装置（c→d）让冷凝液先流经节流阀或毛细管绝热节流，将压力和温度降至需要的蒸发压力和蒸发温度后再进入蒸发器蒸发制冷。（2）能效比E.E.R.E.E.R.=制冷量/电动机的输入功（二）过冷、过热对制冷循环的影响及回热循环1、冷凝液的过冷（c→3）图　过冷的影响lgp2'34如图相应于c→3，再从3节流至4，制冷量Q=Ha-H4,比没有过冷制冷量增加△Q=Hd-H4。由此可见对于制冷，过冷是有益的。展勤浩[e-mail]五洲制冷第7页共14页过冷度△t=冷凝温度－过冷温度＝3~5℃2、蒸气过热（a→1）图　过热的影响lgp2'21蒸发器中因吸热蒸发而产生的饱和蒸气，如果在等压下被加热便成为过热蒸气。由此多吸收热量H1－Ha过热可保证压缩机作干压缩，但压缩机吸入的蒸气比体积增大，由此要求压缩机容量增大，功耗增加、压缩机排气温度增加并使冷凝器负荷也相应增大。3、回热循环冷凝器蒸发器节流阀回热器压缩机展勤浩[e-mail]五洲制冷第8页共14页图　回热循环1lgp22'341835年热泵（一）分类1、按工作原理分a.蒸气压缩式b.气体压缩式c.蒸气喷射式d.吸收式e.热电式f.化学热泵2、按热源分a.空气b.地表水（江河、湖泊、海水等）c.地下水d.城市自来水e.土壤f.太阳能g.废热（水、气）等3、按用途分a.住宅用展勤浩[e-mail]五洲制冷第9页共14页b.商业及农业用c.工业用4、按供热温度分a.低温热泵，供热温度＜100℃b.高温热泵，供热温度＞100℃5、按驱动方式分a.电动机驱动b.热驱动6、按热源与供热介质的组合方式分a.空气——空气热泵b.空气——水热泵c.水——水热泵d.水——空气热泵e.土壤——空气热泵f.土壤——水热泵（二）热泵形式1、空气——空气热泵2、空气——水热泵3、水——空气热泵a.地下水热泵b.地表水热泵c.内部热源热泵d.太阳能辅助热泵e.废水源热泵4、水——水热泵5、大地耦合式热泵展勤浩[e-mail]五洲制冷第10页共14页室内室外制热制冷制热和制冷压缩机图一（空气-空气热泵）图二（空气-水热泵）压缩机室外制热制冷制热和制冷热（冷）负荷展勤浩[e-mail]五洲制冷第11页共14页图三（水-空气热泵）压缩机制热制冷制热和制冷室内水贮液器图四（水-水热泵）压缩机制热和制冷制冷制热回水供水供水排水排水（蒸发器）冷凝器冷（热）负荷（蒸发器）展勤浩[e-mail]五洲制冷第12页共14页图五（大地耦合式热泵）压缩机室内制热制冷制热和制冷大地回路制热和制冷大地盘管压缩机制冷制热室内图六（大地热源直接膨胀式热泵）贮液器（三）热泵的性能系数COP1、压缩式热泵COP可用制热系数εh表示：εh=制热量Qh/输入功率P2、吸收式热泵COP可用热力系数ξ表示ξ=制热量Qh/输入热能Qg（四）制热季节性能系数HSPF＝供热季节热泵总的制热量/供热季节热泵总的输入能量展勤浩[e-mail]五洲制冷第13页共14页（五）蒸气压缩式热泵蒸气压缩式热泵的基本构造和工作原理与蒸气压缩式制冷机相同，只要增设一个控制工质流向的四通换向阀，就能根据需要适时作制冷或供热的切换。节流阀室内机室外机压缩机四通换向阀图　蒸汽压缩式热泵制冷循环︵蒸发器︶︵冷凝器︶展勤浩[e-mail]五洲制冷第14页共14页图　蒸汽压缩式热泵制热循环节流阀室内机四通换向阀压缩机室外机︵冷凝器︶︵蒸发器︶