制冷原理與技術(shù)講解課件

1、第一章制冷與低溫的熱力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié) 制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)第二節(jié) 制冷與低溫工質(zhì)第三節(jié) 制冷技術(shù)與學(xué)科交叉第一節(jié) 制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ) 自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量的總量保持不變。 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。1.1.1 制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)1.熱力學(xué)第一定律用符號(hào)U表示，單位是焦耳 （J） 熱力學(xué)能1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能稱比熱力學(xué)能用符號(hào)u表示，單位是焦耳/千克 （Jkg）比熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù) 。 狀態(tài)參數(shù)，與路徑無(wú)關(guān)。

2、工質(zhì)的總儲(chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能總能動(dòng) 能位 能 E總能， Ek 動(dòng)能 Ep 位能 E=U+Ek+Ep (1-2) 內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀 運(yùn)動(dòng)動(dòng)能及位能的總和 。若工質(zhì)質(zhì)量m，速度cf，重力場(chǎng)中高度z宏觀動(dòng)能 重力位能工質(zhì)的總能(1-3) 能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式作功借作功來(lái)傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。 傳熱借傳熱來(lái)傳遞能量無(wú)需物體的宏觀移動(dòng)。 推動(dòng)功因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功。對(duì)開口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時(shí)需要考慮這種功。推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用。力學(xué)參數(shù)cf和z只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度2.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化 (1-4)

3、比總能 圖1-1a所示為工質(zhì)經(jīng)管道進(jìn)入氣缸的過(guò)程。 工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)p、v、T，用p-v圖中點(diǎn)C表示。 工質(zhì)作用于面積A的活塞上的力為pA，工質(zhì)流入氣缸時(shí)推動(dòng)活塞移動(dòng)距離 ，作功pA =pV=mpv。m表示進(jìn)入氣缸的工質(zhì)質(zhì)量，這一份功叫做推動(dòng)功。 1kg工質(zhì)的推動(dòng)功等于pv如圖中矩形面積所示。 圖1-1b所示考察開口系統(tǒng)和外界之間功的交換。 取一開口系統(tǒng)，1kg工質(zhì)從截面1-1流入該熱力系，工質(zhì)帶入系統(tǒng)的推動(dòng)功p1v1，作膨脹功由狀態(tài)1到2，再?gòu)慕孛?-2流出，帶出系統(tǒng)的推動(dòng)功為p2v2。 是系統(tǒng)為維持工質(zhì)流動(dòng)所需的功，稱為流動(dòng)功 焓用符號(hào)H表示，單位是焦耳 （J）H= U+pV (1-5)比焓

4、(1-6) 用符號(hào)h表示，單位是焦耳/千克 （Jkg）焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h=f(T,v) 或 h=f(p,T); h=f(p,v) (1-9) 3焓 進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加 (1-10) 4.1 閉口系統(tǒng)的能量平衡4熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式 工質(zhì)從外界吸熱Q后從狀態(tài)1變化到2，對(duì)外作功W。若工質(zhì)宏觀動(dòng)能和位能的變化忽略不計(jì)，則工質(zhì)儲(chǔ)存能的增加即為熱力學(xué)能的增加U (1-11) 熱力學(xué)第一定律的解析式 加給工質(zhì)的熱量一部分用于增加工質(zhì)的熱力學(xué)能儲(chǔ)存于工質(zhì)內(nèi)部，余下一部分以作功的方式傳遞至外界。 對(duì)微元過(guò)程，第一定律

5、解析式的微分形式 (1-12a) 對(duì)于1 kg工質(zhì)，(1-12b) (1-12c) 式(1-12) 對(duì)閉口系普遍適用，適用于可逆過(guò)程也適用于不可逆過(guò)程，對(duì)工質(zhì)性質(zhì)也無(wú)限制。 熱量Q熱力學(xué)能變量U功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+ 系統(tǒng)對(duì)外作功W+ 系統(tǒng)熱力學(xué)能增大U+可逆過(guò)程 (1-13) (1-14) 完成一循環(huán)后，工質(zhì)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài) (1-15) 閉口系完成一循環(huán)后，循環(huán)中與外界交換的熱量等于與外界交換的凈功量 (1-16) 4.2 開口系統(tǒng)的能量平衡 由系統(tǒng)能量平衡的基本表達(dá)式有 圖示開口系統(tǒng)，d時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量 的微元工質(zhì)流入截面1-1，質(zhì)量 的微元工質(zhì)流出2-2，系統(tǒng)從外界得到熱量 ，對(duì)機(jī)器設(shè)備作功

6、。過(guò)程完成后系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量增加dm, 系統(tǒng)總能增加dECV (1-17) 圖1-2 開口系統(tǒng)流動(dòng)過(guò)程中的能量平衡 由E=me,V=mv,h=u+pv,得 (1-19) 穩(wěn)定流動(dòng) 系統(tǒng)只有單股流體進(jìn)出，(1-21) 微量形式 (1-22) 當(dāng)流入質(zhì)量為m的流體時(shí)，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程工質(zhì)流經(jīng)壓縮機(jī)時(shí)，機(jī)器對(duì)工質(zhì)做功wc,使工質(zhì)升壓，工質(zhì)對(duì)外放熱q 每kg工質(zhì)需作功 (1-24) 膨脹過(guò)程均采用絕熱過(guò)程圖1-3 壓縮機(jī)能量平衡 圖1-4 膨脹機(jī)能量平衡 5.能量方程式的應(yīng)用(1-25) 穩(wěn)定流動(dòng)能量平衡方程圖1-6 噴管能量轉(zhuǎn)換 圖1-5 換熱器能量平衡 工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)和外界有熱量交換而無(wú)功的交換，

7、動(dòng)能差和位能差也可忽略不計(jì) 1kg的工質(zhì)吸熱量 1kg工質(zhì)動(dòng)能的增加 工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴(kuò)壓管時(shí)不對(duì)設(shè)備作功 ，熱量交換可忽略不計(jì) 工質(zhì)流過(guò)閥門時(shí)流動(dòng)截面突然收縮，壓力下降，這種流動(dòng)稱為節(jié)流。 設(shè)流動(dòng)絕熱，前后兩截面間的動(dòng)能差和位能差忽略，因過(guò)程無(wú)對(duì)外做功，故節(jié)流前后的焓相等 該式只對(duì)節(jié)流前后穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過(guò)程段。 節(jié)流研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過(guò)程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律 熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體 1.制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析 熱力學(xué)循環(huán) 正向循環(huán) 熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功 逆向循環(huán) 消耗功 循環(huán)除了一二個(gè)不可避免的不可逆過(guò)程外其余均為可逆過(guò)程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。 理想循環(huán)

8、2.熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K) T=273.16+t (1-29) 熵是熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，是判別實(shí)際過(guò)程的方向，提供過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)。 定義式 (1-30) qrev是可逆過(guò)程的換熱量，T為熱源溫度可逆過(guò)程1-2的熵增 克勞修斯積分 =0 可逆循環(huán) 0 不可逆循環(huán) 0 不可能實(shí)行的循環(huán) p、T狀態(tài)下的比熵定義為 (1-33) 2.熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán) 逆卡諾循環(huán) 當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過(guò)程的進(jìn)行溫度不變時(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過(guò)程和兩個(gè)等熵過(guò)程組成的逆向循環(huán)。 在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因?yàn)樗鼪]有任何不可

9、逆損失。 卡諾制冷機(jī)是熱力理想的等溫制冷機(jī)過(guò)程12 壓縮工質(zhì)，同時(shí)放熱至熱源，維持制冷劑溫度恒定 過(guò)程23 工質(zhì)從熱源溫度Th可逆絕熱膨脹到冷源溫度Tc 過(guò)程34 熱量從冷源轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中同時(shí)工質(zhì)做功以使制冷劑維持一定的溫度 過(guò)程41 制冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓縮到熱源溫度制冷工質(zhì)向高溫?zé)嵩捶艧崃?1-34) 制冷工質(zhì)從低溫?zé)嵩次鼰崃?(1-35) 系統(tǒng)所消耗的功 (1-36)卡諾制冷系數(shù) (1-37)卡諾熱泵循環(huán)效率 (1-38)熱力完善度 (1-39)溫 度 T熵 S圖1-10 洛倫茲循環(huán)的T-s圖 3.熱源溫度可變時(shí)的逆向可逆循環(huán)洛倫茲循環(huán) 洛倫茲循環(huán)工作在二個(gè)變溫?zé)嵩撮g。與卡諾循環(huán)不同之

10、處主要是蒸發(fā)吸熱和冷卻放熱均為變溫過(guò)程 (假設(shè)制冷過(guò)程和冷卻過(guò)程傳熱溫差均為T )制冷量 排熱量 耗功 (1-40) 洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù) 以卡諾循環(huán)作為比較依據(jù)，第一類循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機(jī)，而第二類循環(huán)則是理想的熱源驅(qū)動(dòng)逆向可逆循環(huán)三熱源循環(huán)。 圖1-11 兩類制冷循環(huán)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系圖 (a)以電能或機(jī)械能驅(qū)動(dòng) (b)以熱能驅(qū)動(dòng) 4.熱源驅(qū)動(dòng)的逆向可逆循環(huán)三熱源循環(huán) 對(duì)可逆制冷機(jī)熱力系數(shù)(1-45) 1.1.2 制冷與低溫的獲得方法 1.焦耳湯姆遜效應(yīng) (1) 節(jié)流過(guò)程的熱力學(xué)特征 通過(guò)膨脹閥時(shí)焓不變，因閥中存在摩擦阻力損耗，所以它是個(gè)不可逆過(guò)程，節(jié)流后熵必定增加節(jié)流閥、毛細(xì)管、熱力膨脹閥和電

11、子膨脹閥等多種形式。焦耳湯姆遜效應(yīng)理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù)，氣體節(jié)流時(shí)溫度保持不變，而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會(huì)發(fā)生變化。焦耳湯姆遜系數(shù) (1-46) 制冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在小型制冷空調(diào)裝置中應(yīng)用廣泛零效應(yīng)的連線稱為轉(zhuǎn)化曲線，如圖上虛線所示。若節(jié)流后氣體溫度保持不變，這樣的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度。 焦耳湯姆遜系數(shù)就是圖上等焓線的斜率 轉(zhuǎn)化曲線上 節(jié)流后升溫節(jié)流后降溫圖1-12 實(shí)際氣體的等焓節(jié)流膨脹 進(jìn)一步推導(dǎo)得 (1-50) 對(duì)理想氣體 (2) 節(jié)流過(guò)程的物理特征 節(jié)流時(shí)溫度降低 節(jié)流時(shí)溫度不變 節(jié)流時(shí)溫度升高 實(shí)際氣體表達(dá)式可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)建立(1-5

12、1) 對(duì)空氣和氧在P15103kPa(3) 轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線 轉(zhuǎn)化溫度 (1-55) (1-56) 轉(zhuǎn)化溫度與壓力的關(guān)系 在TP圖上為一連續(xù)曲線，稱為轉(zhuǎn)化曲線 針對(duì)范德瓦爾氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度 (此時(shí) 或 )(1-53) 范德瓦爾狀態(tài)方程表1-1 最大轉(zhuǎn)化溫度列出了一部分氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度。氣體最高轉(zhuǎn)化溫度(K)氣體最高轉(zhuǎn)化溫度(K)He445CO652H2205Ar794Ne250O2761N2621CH4939空氣603CO21500NH319942.絕熱膨脹 氣體等熵膨脹時(shí)，壓力的微小變化所引起的溫度變化。微分等熵效應(yīng)(1-58) 對(duì)理想氣體(為絕熱指數(shù))(1-60) 等熵膨脹過(guò)程的溫差

13、，隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而增大，還隨初溫T1的提高而增大。 3.絕熱放氣 (1)假定放氣過(guò)程進(jìn)行很慢，活塞左側(cè)氣體始終處于平衡狀態(tài)而等熵膨脹，所作功按其本身壓力計(jì)算，因而對(duì)外作功最大，溫降也最大。 (2)設(shè)想閥門打開后活塞右側(cè)氣體立即從P1降到P2，因而當(dāng)活塞左側(cè)氣體膨脹時(shí)只針對(duì)一恒定不變壓力P2作功，對(duì)外作功最小，溫降也最小。 (1-61) (1-62) 實(shí)際放氣過(guò)程總是介于上述兩種極限情況之間，過(guò)程進(jìn)行得越慢，愈接近等熵膨脹過(guò)程。 圖1-14 放氣過(guò)程中溫度與壓力的變化關(guān)系 分析這兩種極限情況可得結(jié)論： (1)氣體絕熱指數(shù)越大，則溫比T2/T1(P2/P1一定時(shí))越小，溫降越大，用

14、單原子氣體可獲較大溫降。 (2) 隨壓比P1/P2增大，溫比T2/T1減少越來(lái)越慢，單級(jí)壓比不宜過(guò)大，一般取3到5。 4.1 熱力理想等溫源系統(tǒng) “冷源”指需冷卻的空間“熱源”則指制冷機(jī)放熱的對(duì)象4.低溫氣體制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ)表1-2 卡諾制冷機(jī)在300K和低溫Tc時(shí)的性能系數(shù)COP冷源溫度（K）COPi=-Q0/Wnet- Wnet/Q0111.70.59321.68677.40.34772.87620.30.0725813.7784.20.0142070.431.00.003344299.00.10.00033342,999.00.010.000033329,999.04.2 熱力理想等壓源

15、系統(tǒng) 在工質(zhì)未冷凝的氣體制冷機(jī)系統(tǒng)中，吸熱過(guò)程是變溫的，而不象在卡諾制冷機(jī)中那樣在等溫下吸熱。這樣，實(shí)際系統(tǒng)與卡諾系統(tǒng)比較是不公平的，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的冷源溫度不恒定。 沒有一個(gè)制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)可大于相同溫限下工作的卡諾制冷機(jī)，否則就可以制造第二類永動(dòng)機(jī)。要達(dá)到相同的制冷效應(yīng)，所有實(shí)際的制冷機(jī)都要比卡諾制冷機(jī)花費(fèi)更多的功。 熱力學(xué)第二定律的推論之一制冷劑在T1和T2 之間可逆等壓吸熱，放熱過(guò)程是可逆等溫過(guò)程。 對(duì)理想等壓源制冷機(jī) (1-66) 上式對(duì)任何工質(zhì)都適用。對(duì)許多氣體制冷機(jī)而言，壓力足夠低時(shí)，工質(zhì)氣體可近似為理想氣體。對(duì)具有定壓比熱的理想氣體 (1-70) COP與用作制冷劑的理想氣體無(wú)

16、關(guān)。COPi 僅與最高冷源溫度與最低冷源溫度之比和熱源溫度與最低冷源溫度之比有關(guān)。 圖1-16 理想等壓源制冷機(jī)的性能系數(shù) 性 能 系 數(shù)COPT0是高溫?zé)嵩礈囟萒1和T2分別是低溫?zé)嵩吹淖罡吆妥畹蜏囟取?.1.3 制冷與低溫溫區(qū)的劃分 1.制冷與低溫溫區(qū)的劃分 通過(guò)一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下。 “冷”相對(duì)于環(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境溫度至絕對(duì)零度。 通過(guò)123來(lái)分界溫區(qū)制冷溫區(qū) 123K以上低溫溫區(qū) 123K以下制冷制冷的溫度范圍是從環(huán)境溫度開始，一直可達(dá)接近絕對(duì)零度即0圖1-17 低溫溫度范圍 2.制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史 (一)制冷技術(shù)的發(fā)展歷史 人工制冷的方法是隨著工業(yè)革命而開

17、始的。空氣制冷機(jī)的發(fā)明比蒸氣壓縮式制冷機(jī)稍晚。空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用起始于1919年。 第二節(jié) 制冷與低溫工質(zhì) 1.2.1 制冷劑的發(fā)展、應(yīng)用與選用原則 只有在工作溫度范圍內(nèi)能夠汽化和凝結(jié)的物質(zhì)才有可能作為制冷劑使用。 乙醚是最早使用的制冷劑。 1866年 威德豪森(Windhausen)提出使用CO2作制冷劑。 1870年 卡爾林德(Cart Linde)用NH3作制冷劑。 1874年 拉烏爾皮克特(Raul Pictel)采用SO2作制冷劑。 SO2和CO2在歷史上曾經(jīng)是比較重要的制冷劑。 SO2毒性大，但作為重要制冷劑曾有60年歷史。CO2在使用溫度范圍內(nèi)壓力特高，致使機(jī)器極為笨重，但它無(wú)毒使用

18、安全。曾在船用冷藏裝置中作制冷劑達(dá)50年之久，1955年才被氟里昂所取代。 1.熱力學(xué)性質(zhì)方面 2.遷移性質(zhì)方面 (1) 工作溫度范圍內(nèi)有合適的壓力和壓力比。 (2) 單位制冷量q0和單位容積制冷量qv較大。(3) 比功w和單位容積壓縮功wv小，循環(huán)效率高。 蒸發(fā)壓力大氣壓力冷凝壓力不要過(guò)高冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過(guò)大 (4) 等熵壓縮終了溫度t2不能太高，以免潤(rùn)滑條件惡化或制冷劑自身在高溫下分解。(1) 粘度、密度盡量小。 (2) 導(dǎo)熱系數(shù)大，可提高傳熱系數(shù)，減少傳熱面積。 作為制冷劑應(yīng)符合的要求 3.物理化學(xué)性質(zhì)方面 4.其它 (1) 無(wú)毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。 (2) 化學(xué)穩(wěn)定性

19、和熱穩(wěn)定性好。 (3) 對(duì)大氣環(huán)境無(wú)破壞作用。 原料來(lái)源充足，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。 1.2.2 制冷劑命名制冷劑按其化學(xué)組成主要有三類 無(wú)機(jī)物 氟里昂 碳?xì)浠衔?字母“R”和它后面的一組數(shù)字或字母 表示制冷劑 根據(jù)制冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫 1.無(wú)機(jī)化合物 2.氟里昂和烷烴類 簡(jiǎn)寫符號(hào)規(guī)定為R7( )( )括號(hào)中填入的數(shù)字是該無(wú)機(jī)物分子量的整數(shù)部分。簡(jiǎn)寫符號(hào)規(guī)定為R(m-1)(n+1)(x)B(z) 數(shù)值為零時(shí)省去寫，同分異構(gòu)體則在其最后加小寫英文字母以示區(qū)別。正丁烷和異丁烷例外，用R600和R600a(或R601)表示編寫規(guī)則制冷劑的簡(jiǎn)寫符號(hào)3.非共沸混合工質(zhì) 簡(jiǎn)寫符號(hào)為R4( )(

20、 ) 括號(hào)中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先后順序號(hào)，從00開始若構(gòu)成非共沸混合工質(zhì)的純物質(zhì)種類相同，但成分含量不同，則分別在最后加上大寫英文字母以示區(qū)別 4.共沸混合工質(zhì) 簡(jiǎn)寫符號(hào)為R5( )( ) 括號(hào)中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先后順序號(hào)，從00開始 5.環(huán)烷烴、鏈烯烴以及它們的鹵代物 簡(jiǎn)寫符號(hào)規(guī)定：環(huán)烷烴及環(huán)烷烴的鹵代物用字母“RC”開頭，鏈烯烴及鏈烯烴的鹵代物用字母“R1”開頭，其后的數(shù)字排寫規(guī)則與氟里昂及烷烴類符號(hào)表示中的數(shù)字排寫規(guī)則相同。 表1-4 制冷劑符號(hào)舉例 化合物名稱分子式m、n、x、z值簡(jiǎn)寫符號(hào)一氟三氯甲烷CFCl3m=1,n=0,x=1R11二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1,n=0,x

21、=2R12三氟一溴甲烷CF3Brm=1,n=0,x=3,z=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=3R123五氟乙烷C2HF5m=2,n=1,x=5R125四氟乙烷C2H2F4m=2,n=2,x=4R134a乙烷C2H6m=2,n=6,x=0R170丙烷C3H8m=3,n=8,x=0R290此外，有機(jī)氧化物、脂肪族胺用R6開頭，其后數(shù)字任選。詳細(xì)可從表1-5 制冷劑標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示中查出。 為簡(jiǎn)單定性判別制冷劑對(duì)臭氧層的破壞能力 將氯氟烴類物

22、質(zhì)代號(hào)中的R改用字母CFC氫氯氟烴類物質(zhì)代號(hào)中的R改用字母HCFC氫氟烴類物質(zhì)代號(hào)中的R改用字母HFC碳?xì)浠衔锎?hào)中的R改用字母HC，數(shù)字編號(hào)不變1.2.3 制冷劑的物理化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用1.安全性(1) 毒性 雖然一些氟里昂制冷劑其毒性都較低，但在高溫或火焰作用下會(huì)分解出極毒的光氣。 表16 制冷劑的毒性指標(biāo)給出常用制冷劑TLVs或AEL值 制冷劑代 號(hào)TLVs或AELppmhr制冷劑代 號(hào)TLVs或AELppmhr制冷劑代 號(hào)TLVs或AEL ppmhr111000124500290100012100012510005001000221000134a10005021000231000142

23、b1000600a1000321000143a1000717112310152a10007181000(2) 燃燒性和爆炸性在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的體積百分比范圍。這一范圍的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，則范圍越寬越易燃。(3) 安全分類表18與表19分別給出了6個(gè)安全等級(jí)的劃分定義和一些制冷劑的安全分類。 2.熱穩(wěn)定性 制冷劑在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不發(fā)生裂解。在溫度較高又有油、鋼鐵、銅存在長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)發(fā)生變質(zhì)甚至熱解。 爆炸極限表17 一些制冷劑的易燃易爆特性制冷劑代 號(hào)爆炸極限(容積%)制冷劑代 號(hào)爆炸極限(容積%)制冷劑代 號(hào)爆炸極限(容積%)11None124 None2902.3-7

24、.312 None125 None500 None22 None134a None502 None23 None142b6.7-14.9600a1.8-8.43214-31143a6.0-na71716.0-25.0123 None152a3.9-16.9718 None注：None表示不燃燒，na表示未知。 表18 ASHRAE34-1992以毒性和可燃性為界限的安全分類 毒 性 可 燃 性TLVs值確定或一定的系數(shù)，制冷劑體積分?jǐn)?shù)410-4TLVs值確定或一定的系數(shù)，制冷劑體積分?jǐn)?shù)0.1kg/m3,燃燒熱2/3) 5.與水的溶解性“冰堵現(xiàn)象” 當(dāng)溫度降到0以下時(shí)，水結(jié)成冰而堵塞節(jié)流閥或毛細(xì)

25、管的通道形成“冰堵”，致使制冷機(jī)不能正常工作。 6.泄漏性氨有強(qiáng)烈臭氣，靠嗅覺易判是否泄漏。易溶于水故不用肥皂水檢漏，用酚酞試劑和試紙檢漏 氟利昂無(wú)色無(wú)臭，鹵素噴燈和電子檢漏儀檢漏表110 水分在一些制冷劑中的溶解度（25） 制冷劑代 號(hào)溶解度(質(zhì)量%)制冷劑代 號(hào)溶解度(質(zhì)量%)制冷劑代 號(hào)溶解度(質(zhì)量%)110.00981240.07290na120.011250.075000.05220.13134a0.115020.06230.15142b0.05600ana320.12143a0.081230.08152a0.17注：na表示沒有找到可用的數(shù)據(jù)。 沸點(diǎn)-33.3，凝固點(diǎn)-77.9 單

26、位容積制冷量大粘性小，傳熱性好，流動(dòng)阻力小 毒性較大，有一定的可燃性，安全分類為B2 氨蒸氣無(wú)色，具有強(qiáng)烈的刺激性臭味 氨液飛濺到皮膚上會(huì)引起腫脹甚至凍傷 氨系統(tǒng)中有水分會(huì)加劇對(duì)金屬腐蝕同時(shí)減小制冷量 以任意比與水互溶但在礦物潤(rùn)滑油中的溶解度很小 系統(tǒng)中氨分離的游離氫積累至一定程度遇空氣爆炸 氨液比重比礦物潤(rùn)滑油小，油沉積下部需定期放出 在氨制冷機(jī)中不用銅和銅合金材料(磷青銅除外) 1.2.4 常用制冷劑1.無(wú)機(jī)物氨2.氟利昂(1) R12（二氟二氯甲烷 CF2Cl2）沸點(diǎn)-29.8，凝固點(diǎn)-158。 無(wú)色，有較弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系統(tǒng)里應(yīng)嚴(yán)格限制含水量，一般規(guī)定不得超過(guò)0.00

27、1% 常用溫度范圍內(nèi)能與礦物性潤(rùn)滑油以任意比互溶 不腐蝕一般金屬但能腐蝕鎂及含鎂量超過(guò)2%鋁鎂合金。 對(duì)天然橡膠和塑料有膨潤(rùn)作用。 (2) R134a（四氟乙烷 CH2FCF3）毒性非常低，不可燃，安全。 與礦物潤(rùn)滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯類?；瘜W(xué)穩(wěn)定性很好，溶水性比R12強(qiáng)得多，對(duì)系統(tǒng)干燥和清潔性要求更高，用與R12不同的干燥劑。 (3) R11（一氟三氯甲烷 CFCl3）沸點(diǎn)23.8，凝固點(diǎn)-111。 毒性比R12更小，安全。水在R11中的溶解能力與R12相接近。對(duì)金屬及礦物潤(rùn)滑油的作用關(guān)系也與R12大致相似。 與明火接觸時(shí)，較R12更易分解出光氣。 (4) R22（二氟一氯甲烷

28、CHF2Cl）沸點(diǎn)-40.8，凝固點(diǎn)-160。 毒性比R12略大，無(wú)色無(wú)味，不燃不爆，安全。屬于HCFC類制冷劑，也要被限制和禁止使用。 對(duì)金屬與非金屬的作用以及泄漏特性都與R12相似。 化學(xué)性質(zhì)不如R12穩(wěn)定，對(duì)有機(jī)物的膨潤(rùn)作用更強(qiáng)。部分與礦物潤(rùn)滑油互溶。溶水性稍大于R12，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)裝設(shè)干燥器。 3.碳?xì)浠衔?1) R600a（異丁烷 i-C4H10）(2) R290（丙烷 C3H8）沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)比R600a低，蒸氣壓較高和容積制冷量比R600a大，其他制冷特性及安全特性均與R600a相似。 沸點(diǎn)-11.73，凝固點(diǎn)-160。 毒性非常低，在空氣中可燃，應(yīng)注意防火防爆。 與礦物潤(rùn)滑油能很好

29、互溶，與其他物質(zhì)的化學(xué)相溶性很好，與水的溶解性很差。4.混合制冷劑(1) 共沸制冷劑共沸制冷劑特點(diǎn)： 一定蒸發(fā)壓力下蒸發(fā)時(shí)具有幾乎不變的蒸發(fā)溫度，而且蒸發(fā)溫度一般比組成它的單組分的蒸發(fā)溫度低。 一定蒸發(fā)溫度下，共沸制冷劑單位容積制冷量比組成它的單一制冷劑的容積制冷量要大。 共沸制冷劑化學(xué)穩(wěn)定性較組成它的單一制冷劑好。 在全封閉和半封閉壓縮機(jī)中，采用共沸制冷劑可使電機(jī)得到更好的冷卻，電機(jī)繞組溫升減小。 表111幾種共沸制冷劑的組成和沸點(diǎn) 代號(hào)組分質(zhì)量成分分子量沸點(diǎn)()共沸溫度各組分的沸點(diǎn)()R500R12/152a73.8/26.299.3-33.50-29.8/-25R501R22/1284.

30、5/15.593.1-41.5-41-40.8/-29.8R502R22/11548.8/51.2111.6-45.419-40.8/-38R503R23/1340.1/59.987.6-88.088-82.2/-81.5R504R32/11548.2/51.879.2-59.217-51.2/-38R505R12/3178.0/22.0103.5-30115-29.8/-9.8R506R31/11455.1/44.993.7-12.518-9.8/3.5R507R125/143a50.0/50.098.9-46.7-48.8/-47.7(2) 非共沸制冷劑 一定壓力下溶液加熱時(shí)，首先到達(dá)飽和

31、液體點(diǎn)A(泡點(diǎn))，再加熱到達(dá)點(diǎn)B，即進(jìn)入兩相區(qū)，繼續(xù)加熱到點(diǎn)C(露點(diǎn))時(shí)全部蒸發(fā)完成為飽和蒸氣。泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度的溫差稱之為溫度滑移 圖119 非共沸制冷劑的T-圖 表1-12 一些非共沸混合制冷劑顯示了目前應(yīng)用較多的非共沸制冷劑的種類及組成。 (3) 常用混合制冷劑的特性沸點(diǎn)-33.5，ODP值較高。 1) 共沸制冷劑R500 可代替R12用于活塞式制冷機(jī) 沸點(diǎn)-45.4，ODP值較高。 溶水性比R12大1.5倍，在82以上有較好的溶油性。 沸點(diǎn)-88，不燃燒，無(wú)毒無(wú)腐蝕性，ODP值較高。 適用于復(fù)疊式制冷機(jī)的低溫級(jí)。沸點(diǎn)-46.7，ODP值為零。 不溶于礦物油，但溶于聚酯類潤(rùn)滑油。 2)

32、 共沸制冷劑R502 可代替R22用于獲得低溫 3) 共沸制冷劑R503 可代替R13使用 4) 共沸制冷劑R507 用R502的場(chǎng)合都可用R507替代 5) 非共沸制冷劑R401A和R401B性能與R12較接近。 能溶于聚醇類和聚酯類潤(rùn)滑油。 可作為過(guò)度性替代物 泡露點(diǎn)溫差大，使用時(shí)最好將熱交換器作成逆流形式 不能與礦物潤(rùn)滑油互溶，但能溶于聚酯類合成潤(rùn)滑油 低溫工況下，容積制冷量比R22要低得多。 不能與礦物潤(rùn)滑油互溶，但能溶于聚酯類合成潤(rùn)滑油。 泡露點(diǎn)溫差僅0.2，可稱之為近共沸混合制冷劑。 具有與共沸混合制冷劑類似的優(yōu)點(diǎn)。 不能直接用來(lái)替換R22的制冷系統(tǒng)。 7) 非共沸制冷劑R410A

33、兩元混合制冷劑 6) 非共沸制冷劑R407C三元非共沸混合制冷劑 1.2.5 低溫液體的性質(zhì)表1-13 大氣壓下一些飽和低溫液體的性質(zhì)(1) 常規(guī)氣體 液氮純凈無(wú)色具有兩種穩(wěn)定的同素異形體。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在77.36K沸騰, 63.2K凝固。液氧藍(lán)色，有輕微磁性。 在0.1MPa大氣壓下在90.18K時(shí)沸騰，54.4K時(shí)凝固。 具有三種穩(wěn)定的同素異形體。 液氬純凈無(wú)色 氬是無(wú)毒的惰性氣體。 在0.1MPa大氣壓下在87.3K沸騰, 83.8K凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。 液氖純凈無(wú)色 氖是惰性氣體。 在0.1MPa大氣壓下在27.09K沸騰, 24.54K凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。 液

34、氟淡黃色，密度最大的低溫液體之一。 通常狀態(tài)下沸點(diǎn)為85.24K，在0.1MPa,53.5K時(shí),液氟凝結(jié)成黃色固體,過(guò)冷到45.6K時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨腆w。 氟有劇毒，化學(xué)性質(zhì)非?；顫?。甲烷純凈無(wú)色，天然氣的主要成分。在0.1MPa大氣壓下在111.7K沸騰, 88.7K凝固。液態(tài)甲烷能裝在容器中大量運(yùn)輸。 (2) 氫 液氫無(wú)色無(wú)味，不自燃，低溫液體中最輕之一。 氫與氧氣或空氣混合時(shí),極易燃燒甚至爆炸。 天然氫氣是兩種同素異形體的混合物：氫和氘。還存在第三種不穩(wěn)定的氫的同素異形體：氚。 氫具有兩種不同的分子形態(tài): o-H2和p-H2表1-14 e-H2中p-H2的含量列出了e-H2中p-H2的平衡含

35、量隨溫度的關(guān)系。 溫度(K)20.2730405060708090摩爾含量0.99800.97020.88730.77960.66810.55880.49880.4403溫度(K)100120140160180200250300摩爾含量0.39470.32960.29800.27960.26760.25970.25260.2507這兩種不同形式的氫的區(qū)別在于組成氫分子的粒子的相對(duì)自旋轉(zhuǎn)方向不同。 氘也有o-D2和p-D2存在，溫度降低時(shí)氘中的p-D2向o-D2轉(zhuǎn)變而氫在溫度降低時(shí)由o-H2向p-H2轉(zhuǎn)變 (3) 氦4氦有兩種同位素:He4 和He3 液氦4在其蒸氣壓下不會(huì)凝固。故不存在氦的固、

36、液、氣三相點(diǎn),而其它物質(zhì)都存在三相點(diǎn)。 LHe有兩種不同液相液氦(HeI)正常液體液氦(HeII)超流體線與蒸汽壓曲線相交的點(diǎn)叫點(diǎn)點(diǎn)溫度為2.172K壓力為5.073kPa 區(qū)分兩種液相的相轉(zhuǎn)變曲線叫線壓 力固態(tài)臨界點(diǎn)點(diǎn)液氦 液氦II 溫 度 (K) 圖1-21 氦4的相圖熱導(dǎo)率隨溫度的下降而下降。 氦液氦熱導(dǎo)率非常大,在氣泡生成之前熱量已迅速傳到液體表面,使液體中無(wú)法生成氣泡，這種特性在自然界是獨(dú)一無(wú)二。在特定條件下,它表現(xiàn)為粘度為零。 由常流體和超流體組成的混合物,其常流體成分和超流體成分比隨溫度的變化而變化。表1-15兩流體模型中常流體在He中的質(zhì)量比當(dāng)溫度降低通過(guò)點(diǎn)時(shí)，液體比熱有一個(gè)大

37、幅度跳躍。圖1-22 飽和液態(tài)氦4的比熱 溫 度 (K) 飽和液體的比熱 KJ/KgK 噴泉效應(yīng)(4) 氦3圖1-25 氦3的相圖 溫 度 壓 力 氣態(tài) 液態(tài) 固態(tài) 臨界點(diǎn)0.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自發(fā)分離為兩相，一種是超流體(富含氦4相)，另一種是常流體(富含氦3相)。這種相的分離現(xiàn)象成為氦稀釋制冷機(jī)的基礎(chǔ)。 無(wú)色無(wú)味液體, 標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)3.19K 液氦3在其蒸汽壓下即使降到絕對(duì)零度也保持為液態(tài) 第三節(jié) 制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷與低溫技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域舉例 10. 火箭推力系統(tǒng)與高能物理 1. 空氣調(diào)節(jié)2. 人工環(huán)境3. 食品冷凍與冷凍干燥4. 低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)5. 低溫電子技術(shù)6. 機(jī)械設(shè)計(jì)7. 紅外遙感技術(shù)8. 加工過(guò)程9. 材料回收制冷在空調(diào)中的作用 (1)干