制冷的基本原理

制冷的概念及系统工作基本原理沈永祥2011-6-21制冷原理与设备是为了适应人们希望能人工改变局部环境温度的需要而产生和发展的。日常生活中常说的“冷”或“热”是人体对温度高低感觉的反应，因此冷和热是一个相对的概念，制冷中所说的冷和热，是相对于环境温度而言的。概念概念所谓制冷，就是把某一物体或空间（包括空间内的物体）的温度，降低到低于环境介质的温度，并保持这一低温状态的过程。为了达到这一目的，就应采用人工的方法不断地将该物体或空问的热量及由外界传入的热量，转移到外界环境中去。这是一个非自发的过程，需要消耗外界能量进行补偿。为实现这一过程所需要的设备称为制冷机。制冷机中使用的工作介质通常称为制冷剂。制冷系统的构成压缩机热交换设备节流机构管道各种控制阀辅助部件制冷系统的构成工作原理制冷时，制冷压缩机将水热交换器内的低压低温制冷气体（R22）吸入气缸，经过压缩机做功，使之变成压力和温度都较高的气体，进入冷凝器内，高温高压的制冷剂气体通过冷凝器冷凝变成中温高压的液体(把热量传给空气)，中温高压的液体再经过节流部件节流降压后变为低温低压的液体进入蒸发器。在蒸发器内，低压液体制冷剂汽化，吸收周围介质(水)的热量，从而使水降温冷却，成为所需要的低温用水。而在热交换器中汽化后的低温制冷剂气体又被压缩机吸入重新进行压缩，这样周而复始不断循环，连续制取冷冻水。制冷与冷却是两个不同的概念冷却是指热量从高温物体传递到低温物体中，由于冷、热物体间存在温度差，所以冷却可以自发地进行，但高温物体的温度不可能降到低于环境介质（空气或水）的温度。制冷&冷却制冷原理图解实际制冷循环分析压焓图为一热力状态图。图中纵坐标表示绝对压力的对数lgp，横坐标表示焓值h。LnphtSPk=0=1hLnph12342'压焓图LnphtSPk=0=1h图中临界点k左边的粗实线为饱和液体线，线上的任何一点代表一个饱和液体状态，干度x=0；LnphtSPk=0=1h这两条曲线将图形分为三个区域：饱和液体线的左边是过冷液体区，该区域的液体称为过冷液体，过冷液体的温度低于同一压力下饱和液体的温度；干饱和线的右边是过热蒸汽区，该区域内的蒸汽称为过热蒸汽，过热蒸汽的温度高于同一压力下饱和蒸汽的温度；两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区域处于汽、液混合状态（湿蒸汽状态）。右边的粗实线为干饱和蒸汽线，线上任何一点代表一个饱和蒸汽状态，干度x=1。图中共有六种等参数线簇：等压线p—等焓线h—铅垂线；LnphtSPk=0=1h等温线t—液态区几乎为铅垂线。两相区内由于制冷剂的状态变化是在等压等温下进行，与等压线重合，为水平线。过热蒸汽区为向右下方弯曲的倾等熵线s—向右上方倾斜的实线；等容线v—向右上方倾斜的虚线，但比等干度线x—只存在于湿蒸汽区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸汽线相近，视干度大小而定。对于理论循环，离开蒸发器、进入压缩机的制冷剂蒸汽是处于蒸发压力下的饱和蒸汽；离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是冷凝压力下的饱和液体；等熵过程：制冷剂在压缩机中压缩是等熵过程；等压过程：制冷剂在冷却及冷凝过程为等压过程等焓过程：制冷剂通过膨胀阀节流时，节流前后焓值相等：等温过程：制冷剂在蒸发器和冷凝器中没压力损失。点2表示表示制冷剂出压缩机、进入冷凝器时的状态。过程线1-2表示制冷剂蒸汽在压缩机中的等熵压缩过程（s1=s2），压力由蒸发压力p0压缩到冷凝压力pk。等熵线与于压力为冷凝压力pk等压线的交点为2点。压缩过程中外界对制冷剂作功，使制冷剂温度增加，2点LnphtSPk=0=1hLnph12342'点1表示制冷剂出蒸发器、进入压缩机时的状态。对应于蒸发温度t0的饱和蒸汽。根据压力和饱和温度的关系，该点应处于与蒸发压力p0相对应的等压线与饱和蒸汽线（x=0点3表示制冷剂出冷凝器、进膨胀阀的状态，位于与冷凝温度tk相对应的饱和液体线上。过程2-2′-3表示制冷剂蒸汽在冷凝器中冷却（2-2′）和冷凝（2′-3）的过程。由于这个过程是在冷凝压力pk不变的情况下进行的，为等压过程。进入冷凝器的过热蒸汽首先将一部分热量放给外界冷却介质，在等压下变成饱和蒸汽（点2′），然后再在等压、等温下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体（点3）。压力为pk的等压线与干度x=0的饱和液体线的交点即为点3LnphtSPk=0=1hLnph12342'点4表示制冷剂出节流阀、进蒸发器的状态。过程线3-4表示制冷剂通过节流阀的节流过程。在这一过程中，制冷剂的压力由冷凝压力pk降低到蒸发压力p0，温度由冷凝温度tk降低到蒸发温度t0，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，过程3-4为等焓过程。由点3作等焓线与等压线p0的交点即为点4的状态，由于节流过程是不可逆的，所以用一虚线表示。LnphtSPk=0=1hLnph12342'压缩式制冷系统的心脏主机有用能的输入制冷剂在系统中的循环流动整机性能可靠性寿命噪声1.压缩机与冷凝压力相对应的温度tk称为冷凝温度，tk一定要高于冷却介质的温度；冷凝后的高压液体通过膨胀阀或节流元件使其压力从冷凝压力pk降低到蒸发压力p0，使部分液体汽化，剩余液体温度降至t0；离开膨胀阀的制冷剂变为温度为t0的汽液混合物。混合物中的液体在蒸发器中从被冷却对象中吸收他所需要的蒸发热，使被冷却对象冷却；混合物中的蒸汽通常称为闪发蒸汽，不起吸热作用。在整个循环过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸汽和造成蒸发器中低压的作用，推动系统循环，是整个系统的心脏；节流阀对制冷剂起着节流降压的作用，并用作调节进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，制冷剂从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量在冷凝器中一起被冷却介质带走。冷媒进冷媒出蒸发器放空气冷凝器放油水3总调节站贮氨器膨胀阀氨液分离器4均压管分油器压缩机21水蒸汽压缩式制冷系统根据热力学第二定律，压缩机消耗的功起了补偿作用，使制冷剂不断从低温热源吸取热量，并不断向高温热源放出热量，从而完成整个制冷循环。活塞式压缩机机体（曲轴箱）气缸活塞吸、排气阀曲轴连杆机构组成活塞式压缩机有以下特点：①作往复运动，转速不宜太高②气缸工作腔有余隙容积③气缸工作腔必须设置吸、排气阀，使吸、排气过程产生阻力损失④结构复杂，零部件多。⑤往复式压缩机不允许吸气带液2.热交换设备制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器，它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备1）冷凝器用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量及压缩后增加的热焓排放到高温热源。冷凝器按冷却方式空气冷却式冷凝器中根据管外空气流动方式空气冷却式水冷式蒸发冷却式自然对流空气冷却式冷凝器强制对流空气冷却式冷凝器自然对流空气冷却式冷凝器1-肋片2-传热管3-上封板4-左端板5-进气集管6-弯头7-出液集管8-下封板9-前封板10-通风机11-装配螺钉空气强制对流冷凝器氨卧式壳管式冷凝器氟利昂套管式冷凝器2）蒸发器蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介质（水或空气）的热量，达到制冷的目的。冷却空气的蒸发器空气自然对流时多采用光盘管结构空气强制对流时采用翅片管结构壳管式板式沉没式冷却液体（水或其它液体载冷剂）的蒸发器卧式满液式蒸发器结构干式壳管蒸发器板式换热器由一组波纹板片，橡胶密封垫和一副金属框架组成。板片之间构成流道并由密封垫密封。冷热流体在密封垫的引导下分别交替地流过各自的流道并通过板片传递热量板式换热器的结构特点空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式a)蒸发器b)绕片管c)套片管1-传热管2-肋片3-挡板4-通风机5-集气管6-分液器3.节流机构节流机构是实现制冷循环系统必须的四个基本组成部件之一，安装在冷凝器与蒸发器之间。作用为：对制冷剂的流动起调节作用，使来自冷凝器的高压液态制冷剂压力降低控制进入蒸发器的制冷剂质流率1）毛细管毛细管用在小型而且不需要精确调节流量的制冷装置。家用冰箱冷柜房间空调器简单便宜便于大批量生产应用特点2）手动膨胀阀通常与其它控制元件配合使用，一般只在短时期内使用，例如在冷冻初期辅助送液，或者在自动膨胀阀出故障时作为旁路备用阀。3）定压膨胀阀从保持蒸发压力恒定为目的，自动调节蒸发器供液量。其结构原理是：由设定弹簧力和蒸发压力产生的流体压力之差提供阀打开方向的驱动力。当蒸发压力降低时，阀开大，供液量增多，以补偿蒸发压力的下降；当蒸发压力升高时，阀关小，供液量减少，抑制蒸发压力上升。制冷剂和载冷剂一、制冷剂的选用原则只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。1.制冷剂热力学性质(1)工作温度范围内有合适的压力和压力比。(2)单位制冷量q0和单位容积制冷量qv较大。(3)比功w和单位容积压缩功wv小，循环效率高。蒸发压力≧大气压力冷凝压力不要过高冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大(4)等熵压缩终了温度t2不能太高，以免润滑条件恶化或制冷剂自身在高温下分解。2.物理化学性质方面(3)无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。(4)化学稳定性和热稳定性好。(5)对大气环境无破坏作用。原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。(1)粘度、密度尽量小。(2)导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。二、制冷剂制冷剂按其化学组成主要有三类无机物氟里昂碳氢化合物字母“R”和它后面的一组数字或字母表示制冷剂根据制冷剂分子组成按一定规则编写1.无机化合物2.氟里昂和烷烃类简写符号规定为R7()()括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分.简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)B(z)数值为零时省略不写，同分异构体则在其最后加小写英文字母以示区别。编写规则制冷剂的简写符号三、制冷剂的物理化学性质及其应用1.安全性(1)毒性虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或火焰作用下会分解出极毒的光气。(2)燃烧性和爆炸性在空气中发生燃烧或爆炸的体积百分比范围。这一范围的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，则范围越宽越易燃。2.热稳定性制冷剂在正常运转条件下不发生裂解。在温度较高又有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解。爆炸极限“冰堵现象”当温度降到0℃以下时，水结成冰而堵塞节流阀或毛细管的通道形成“冰堵”，致使制冷机不能正常工作。泄漏性氨有强烈臭气，靠嗅觉易判是否泄漏。易溶于水，故不用肥皂水检漏，用酚酞试剂和试纸检漏氟利昂无色无臭，卤素喷灯和电子检漏仪检漏四、载冷剂当蒸发器距离被冷却对象较远，或在氨制冷系统中为了避免制冷剂对被冷却对象造成污染，可利用载冷剂来传递冷量。载冷剂先在蒸发器中与制冷剂发生热量交换获得冷量，将获得的冷量贮存于冷媒罐中，用泵输送到需要冷量的地方，对被冷却对象进行冷却，这种冷却方式称为间接蒸发式冷却。在葡萄酒生产中，大多采用这种供冷方式。采用载冷剂供冷的优点在于可将制冷剂的使用限制在一个较小的系统范围内，减少制冷机房中管道和接头，减少泄漏的可能性。采用载冷剂供冷易于解决冷量的控制和分配问题，对于容量大、集中供冷的制冷装置，都采用作载冷剂的液体要求在使用温度下保持液态，凝固温度应低于制冷剂的蒸发温度，沸点越高越好；载冷剂的化学稳定性要好，不分解、不挥发、不腐蚀设备；无毒，对人体无害；比热大，载冷量大；黏度小，流动性常用的载冷剂有水、无机盐水溶液及有机物水溶液。（1水是一种很好的载冷剂。水的冰点高，只能用于载冷温度在0℃以上的场合，如空气调节等。在葡萄酒生产中，可用作发酵冷却系统的载冷剂。（2）无机盐水溶液无机盐水溶液具有较大的比重和比热，载冷量大，凝固点较低，是一种应用较广的载冷剂，多用于中低温制冷系统。常用的有氯化钙、氯化钠、氯化镁的水溶液。无机盐水溶液中含有氯离子，对金属具有较强的腐蚀性。奥氏不锈钢对氯离子非常敏感，当氯离子含量高时会引起应力腐蚀。在葡萄酒生产中，各种酿造容器、工艺管道及换热装置用奥氏体不锈钢制造，供冷系统中不宜用无（3）有机物水溶液常用的有机物水溶液有甲醇水溶液、乙醇水溶液、乙二醇水溶液等，它