制冷原理与制冷设备

制冷是指用人工的方法使某一物体或某一空间达到并保持低温。按其所能达到的温度范围，可分为：普冷（>120K），深冷（120K----20K）和低温制冷（<20K）。在普通制冷范围内，有许多人工制冷方法，即利用吸热效用的物质在相变过程中获得低温，利用气体的节流效应和等墒膨胀获得低温，涡流冷却效用和半导体温差效应。 一、相变制冷的概述 (一) 工程热力学基础

自然界中大多数纯物质都以三种聚集态存在：固相、液相和气相。例如水、制冷剂中的氨、氟里昂、CO2等。

。三项点的概念 （有图）

如图所示，可分为三个区，即固态区、液态区和气态区。其中A点是固液气三态共存的状态，成为三相态。三相态是气液共存曲线的最低点，也称为三相点。每种物质的三相点压

.4Pa 力和温度都为定值。如 水 PA611.2Pa tA0.01℃ H2 PA7194a tA210℃ tA259.4℃ O2 PA1253P。气化潜热是指将1kg饱和液体转变成同温度的干饱和蒸汽所需要的热量 用r表示。

。饱和蒸汽和饱和水的混合物称为湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽，不含饱和水的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。

。干度：在湿饱和蒸汽区，湿蒸汽成分用干度表示，即x湿蒸汽中含干蒸汽的质量

湿蒸汽的总质量。临界点：在液体的P-V图上，随着饱和压力和饱和温度的提高，液体的预热过程拉长，汽化过程缩短，直到某一压力时，汽化过程线缩为一点，这一点称为临界点。临界点参数称为临界参数，各种物质的临界参数是不同的。 （二）相变制冷的概述

物质有三种集态，即气态、固态、液态。物质集合的改变称为相变。在相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子运动速度的改变而吸收或放出热量。这种热量称作潜热。物质从质密态到质稀态将吸收潜热。反之。当它发生由质稀态向质密态相变时将放出潜热。

物质相变制冷是利用液体在低温下的蒸发过程及固体的融化和升华过程向被冷却物体吸收热量——即制冷量。因此，相变制冷有液体气化制冷与固体熔化与升华制冷。在现代制冷技术中，主要是利用制冷工质液体在低压下的气化来制取冷量。 （三）相变制冷的种类 1、液体蒸发制冷

液体气化形成蒸汽，利用该过程的吸热效应制冷的方法称为液体蒸发制冷。 当液体处在密闭容器内时，若容器内除了液体和液体本身的蒸汽外，不含任何其它气体，

那么液体和蒸汽在某一压力下达到平衡。如果将一部分饱和蒸汽从容器总抽出，液体就必然要蒸发出来维持平衡，我们以该液体为制冷剂。制冷剂液体气化吸收潜热，该热量来自被冷却的对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，就能使被冷却对象变冷或之它维持在环境温度下某一低温。 2、冰相变冷却

冰相变冷却是最早使用的降温方法，现在仍广泛应用于工、农业、科学研究等领域。冰融化和冰升华均可用于冷却。

常压下冰在零摄氏度融化，冰的汽化潜热为335KJ/Kg，冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的热量，换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的溶解温度高5-10摄氏度。为了增大比表面积，可将冰粉碎成碎冰，其表面传热系数可达到116W/（mm*k） 3、冰盐相变冷却

冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热，冰盐融化过程的吸热分为冰融化吸热和盐溶解吸热这两种作用。起初，冰吸热在零这是度下融化，并在冰表面形成一层水膜；接着，盐溶解于水，变成盐水膜，继而，在较低的温度下盐水膜与被冷却对象发生热交换，这样的过程一直到冰全部融化，与盐形成均匀的盐水溶液，冰盐冷却所能达到的低温程度和混合物与水的比例有关，用冰盐作制冷剂可以获得较低的温度

工业上应用最广的冰盐是冰块与工业食盐NACL的混合物。 4、干冰相变冷却

固态二氧化碳俗称干冰。

二氧化碳的三相点参数为：温度负五十六摄氏度，压力0.52Mpa。干冰在三相点以上吸热时融化为液态二氧化碳；在三相点和三相点以下吸热时变为二氧化碳蒸汽。

干冰是良好的制冷剂，它的化学性质稳定，对人体无害，干冰冷却广泛应用于食品工业，冷藏运输，医疗，人工降雨等方面。 （四）影响液体蒸发吸热的因素

每千克液体汽化时吸热量，即单位制冷量q。， q。=r(1—x)Kj/kg

式中r—液体汽化潜热 x—开始气化时干度

制冷剂的汽化潜热越大或节流后产生的蒸汽越少，则单位制冷量越大，制冷剂的汽化潜热随制冷剂种类的不同而不同，而节流后产生的蒸汽两的多少，不仅与制冷剂的种类有关，而且与节流前后压力范围有关，压力范围越大，则节流后产生的蒸汽量越多，也就是X的数值越大。

二、利用气体的节流效应和等熵膨胀获得低温 （一） 实际气体的节流 1、实际过程的热力特性

气体在通过节流阀时 ，由于流速大，时间短，来不及与外界进行热交换，可当作绝热过程来处理，称为绝热节流。节流时存在摩擦损失，所以它是一个不可逆过程，节流后熵值增加，将引起附加功损失，根据稳定流动能量方程式，气体在绝热节流时，节流前后焓值不变，这是节流过程的主要热力特性。 2、微分节流效应与积分节流效应

气体在节流总压力下降dp时，产生的温度变化称为微分节流效应，用h表示

T h dT=hdP

Ph当压降为定值Δp时，节流所产生的温度变化叫做积分节流效应

1ThT2T1P2P1 P2hdphmP由焓的特性可知 dhCpdTTvvdp

TP对于焓值不变的过程dh=0

ThP当T1vCpTTv

Phv 〉V 时， h>0 即节流后温度降低，产生冷效应 TPv T当 h，这时气体的温度即为转0 时，节流前后温度不变（dT=0）

P化温度

公式推导如下：由范德瓦尔方程：P=

RTa2 vbvv3vbRv 对T求偏导  32TPvRT2avb代入式

h1vTv CpTP2b2a1RbT1Tv 得h 2P4habRT21vv根据转化温度定义h=0，得Tinv2ab1 Rbv2与范德瓦尔方程联解得Tinv2a3b2p 219Rba2该方程在T—P图上为一连续曲线，称为转化曲线

图1—2 P7

由图可知，在转化曲线上，h=0，在转化曲线外h<0，节流后产生热效应 在转化曲线内，h>0，节流后产生冷效应

结论：在选择气体参数时，节流前的压力不得超过最大转化压力，节流前温度必须在上下转化温度之间。 （二）气体的等熵膨胀

气体等熵膨胀时，压力的微小改变所引起的温度变化称为微分等熵效应，以s表示

sT Ps公式推导：由焓的特性dhCpdTTvvdp

TPvdp TP 由此可导出：dqdhvdpCpdTT dsdqdTvCPdp TTTP 对于等熵过程 ds=0 s1TvT

PsCpTPv >0 ，所以s总是正值，即气体等熵膨胀时温TP 对于气体总是 度总是降低的，产生冷效应。

（二） 节流与等熵膨胀的比较 图1—3 P9

s=h+

v Cps> h，即气体的微分等熵效应总是大于微分节流效应，因而对于同样的初参数和膨

胀压力范围，等熵膨胀的温降ΔTs要大于节流的温降ΔTh，等熵膨胀制冷量也大于节流膨胀制冷量，其差值等于膨胀功即 三、涡流管制冷

（一） 涡流管制冷的概述

涡流管制冷是使压缩气体在一种称为涡流管的装置内产生涡流并分离成冷热两股气体，其中冷气流用来制冷。

涡流管制冷首先由法国人兰克提出，并于1933年发明了一种装置，该装置可使气流分成冷热两部分，该装置既为涡流管，又称兰克管。 （二） 涡流管制冷的原理

将空气（二氧化碳或氨气等气体）压缩并冷却到常温，进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射入涡流室形成自由涡流，自由涡流的旋转角速越到中心处越大，由于角速度不同，在环行流层之间产生摩擦，中心部分气体的角速度逐渐下降，外层气流的角速度逐渐升高，因此存在着由总心向外层的能量传递，内层气体失去能量，从孔板流出时具有较低的温度Tc，外层气体吸收能量，动能增加，又因与管壁摩擦，部分动能转变为热能，使得从控制伐流出的气流具有较高温度Th。 （三） 涡流管制冷的特点

当高压气体为常温时，冷气流温度可达—10到—50摄氏度，热端温度可达100—300摄氏度。如果系统中增加一只回热器，使进入喷嘴前气体的温度进一步降低，则冷气流温度可望进一步下降。

涡流管制冷器具有结构简单，维护方便，启动快，使用灵活等优点，可用于有压缩气体或可廉价获得压缩气体的场合，但终因效率太低经济性差，用途受到。 四、热电制冷

(一)热电制冷基础知识 1. 基本原理及概念 。塞贝克效应：就是在两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差——接触电动势，同时，闭合线路中就有电流流过，成为温差电流

。柏尔贴效应：在两种不同金属组成的闭合线路中，若通一直流电，就会使一个接点变冷，另一个变热，这种现象称为柏尔贴效应，亦称温差电现象。

。导体：任何物质都有原子组成，原子是由原子核和电子组成，电子以高速度绕原子核转动，受原子核吸引，因受到一定，所以电子只能在有限轨道上运转，不能任意离开，而各层轨道上的电子具有不同能量，离原子核最远轨道上电子经常可以脱离原子核吸引而在原子之间运动叫导体。

。N型半导体：半导体重要特性是在一定数量的某种杂质掺入半导体后，不但能大大加强导电能力，而且可以根据掺入杂质种类和数量制造出不同性质，不同用途的半导体将一种杂质掺入半导体后，会放出自由电子，这种半导体成为N型半导体

。P型半导体：是靠“空穴”来到点，在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反，即空穴由正极流向负极

。载流子现象：N型半导体中的自由电子、P型半导体中空穴、它们都参与导电，统称载流子，他们是半导体所特有的，是由于掺入杂质的结果 2. 半导体材料简介

半导体致冷是帕尔贴效应在工程技术上的具体应用，可供制冷用的半导体材料很多，如 PbTe.ZnSb.SiLe,AgSbTe2等，衡量半导体材料效率高低的一个主要参数为优值系数Z Z越大则效率与高。 式中α为温差有电动势，k为热导率，ρ为电阻率。目前使用最多的半导体

材料是P-Bi2Te3Sb2Te3 N-Bi2Te3Bi2Se3 准三元合金。它们具有较好的优值系数。P型半导体的优值系数。P型半导体的优值系数ZP>3.5103k1 n型半导体材料的优值系数Zn >3103k1如要使半导体致冷的经济性达到与机械压缩式制冷相当的水平，则优值系数须达到13103k1当前，世界各国都投入了相当大的人力财力致力于开发新型制冷材料，但进展缓慢

3．国外热电制冷材料研究动向

目前，在室温附近使用的热电制冷材料以 Bi2Te3合金为集体，同过区熔或粉末冶金法掺杂制备p和N型半导体，将一个P型臂和一个N型臂用金属板连接起来，便构成半导体致冷器的一个基本单元，有单级组建叠加成多层次的多级制冷组件最大制冷温差可达140C 左右，满足红外探测器，激光器，光电倍增管，微波放大器等各种制冷温度低，制冷负荷较小等场合的应用要求。

三元 Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se 固熔体材料制备方便机械加工性能良好，已成为各国半导体致冷器生产厂家首选性能最佳的热电材料，适用于250-500k温度区 4．热电制冷材料的研究热点

。研究半导体量子阱超晶格薄膜材料及其制冷器，理论计算表明，二维量子阱超晶格的T值（组合参数与温度T的乘积）的300K下达3.0以上

。开发填隙方钻矿锑化合物，为填隙时，材料的化学式是

。 half-Heusler 合金，如ZrNiSn

。笼形结构材料 。五锑化合物

。p型Ag1-XInXTiTe 材料和N型BiSb 合金材料，300K时前者的ZT 值可达1.7左右后者是20-200K深，低冷范围内最好材料。最近，美国在Bi的硫族化合物研究中取得了突破性进展，将起始材料Cs2Te 和Bi2Te3 置于700C 以下反应制备出Cs2Bi3Te12 进而在制备成 CsBi4Teb. 并将此材料制成单晶 用 SbT3对 Csbi4Te6 进行掺杂研究，制备出P型和N型半导体。

此外，高压技术已被用于改进热电材料的性能来提高制冷效果发掘热电材料性能潜力 （二）热电制冷的概述及原理

热电制冷的理论基础是固体的热电效应在无外磁场作用下，它包括五个效应，导热，焦耳热损失，塞贝克效应，帕尔贴效应和汤姆逊效应，热电制冷又称温差电制冷或半导冷。

热电制冷是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用帕尔贴效应的原理，达到制冷的目的，即由两种不同导体组成一个闭合环路，如果在此环路中接入一直流电源，则会出现一个结点吸热，而另一个结点放热的现象，如果改变电流方向，则吸、放热的位置也做相应改变。

（三） 电制冷的特性分析

①制冷量Q。 当电偶对通以直流电I时，因帕尔贴效应产生的吸热量

QpIPN

式中P N 分别是P型半导体及N型半导体温差电系数V/K

 Tc为冷端绝对温度 热电元件内放出的焦耳热

QJ=I2 其中有一般的QJ传给热电元件的冷端 除了焦耳热外，从电堆热端还要传给冷端一定热量Q

Q=K（Th-Tc）式中K—KL的热电元件总导热系数W/K

所以，电偶对的制冷量，Q。应为帕尔贴热量与传回冷端的焦耳热量和导热量之差。 即Q0Qp11QJQpNITcI2RkThTc 22②消耗的电功率NNJNEI2RI2pNThTc

式中 NJ=IR为温差电偶臂上产生焦耳热所消耗的功率

NEIEIPNThTc 为克服温差电动势所消耗的功率 ③制冷系数ε

Q0PNITC0.52I2RKThTC= NI2RPnThTC④冷、热结点温差ΔT=ThTC1PNITC0.5I2RQ0 K

（四） 热电制冷的特点

a) 结构简单

整个制冷器由热电堆和导线连接而成，没有任何机械运动部件，因而无噪声，无摩擦可靠性高，使用寿命长。 b) 体积小

特别适用在小体积，小负荷的用冷场合 c) 启动快，控制灵活

只要接通电源即的迅速制冷，冷却速度和制冷温度都可通过调节工作电流简单而方便的实现。

d) 操作具有可逆性

既可用来制冷又可改变电流方向，用于制热。 e) 主要缺点是效率低，耗电多。

由于缺少更好的半导体材料，了它的发展，在大容量情况下，热电制冷的效率不及蒸汽压缩制冷，价格昂贵。

（五） 热电制冷的应用

需要微型制冷的场合，热电制冷会发挥很好的作用，它在科研，医疗卫生等领域，广泛地用作电子器件，仪表的冷却器及低温测仪器械中，或制作小型恒温器等。

在电源充足运行经济性，不作为首要考虑问题的应用场合，热电制冷可靠，简单，无噪声，无震动，无工质泄露等长处适用于特殊场合，如核潜艇，卫星站，飞机，地下建筑中。

第二章 制冷剂，载冷剂与蓄冷剂

本章主要介绍制冷剂的种类及分类，各种制冷剂的命名规则，对制冷剂的热力性，物理化学等方面的要求，一切常用制冷剂的特性，以及共沸和非共沸制冷剂的概念及特点CFC类的禁用，限用及替代技术，同时介绍了载冷剂和蓄冷剂的特点和应用。 一、制冷剂的种类及分类 （一）制冷剂的种类

① 无机化合物，如水，氨气，二氧化碳等

② 氟利昂，目前主要是甲烷和乙烷的衍生物，如R22，R134a等。 ③ 饱和碳氢化合物，如乙烷，丙烷，异丁烷等。 ④ 不饱和碳氢化合物，如乙烯，丙烯等。 （二） 制冷剂的分类

通常人们按照制冷剂的标准蒸发温度，将它们分为三类，即高温，中温，低温制冷剂。

①高温制冷剂：又称低压制冷剂，标准蒸发温度ts大于零摄氏度。环境温度下冷凝压力 ②中温制冷剂：又称中压制冷剂，标准蒸发温度—60摄氏度③低温制冷剂，又称高压制冷剂，标准蒸发温度ts≦—60摄氏度，冷凝压力Pk≧2.0MPq如二氧化碳，R23等。 二、制冷剂代号命名规则 （一） 无机化合物

它们的代号中R后的第一个数字为七，其后的数字是其分子量的整数部分，当有两种或两种以上的制冷剂的分子量，整数部分相同时，可在其余的制冷剂编号上加一个a或b…以资区别。如 NH3 H2O CO2 SO2 N2O R717 R718 R744 R7 R744a (二)氟利昂及烷烃类

1、氟利昂及烷烃类命名规则

烷烃类化合物的分子通式为CmH2m2，当其中的氢原子被氟、氯、溴部分或全部取代后，所得衍生物（氟利昂）的通式将变为 CmHnFxClyBrz。它们的编号方法规定为R和跟随的数字（M—1），（N+1），（X）Br（z）组成，如果不含溴原子，即Z=0，则Br可省略，若（M-1）=0时，则0亦略去。

丁烷不按上述规定书写，而规定为R600，其同分异构体在代号后总加”a”,”b”或在个位数上加一个数字，如R600a和R601 2、CFCs类对大气环境的影响

早在1974年，美国加利福尼亚大学的莫莱耐博士和罗兰特教授就指出，氟氯碳化合物（即CFCs物质）扩散至同温层时，被太阳的紫外线照射而分解，放出氯原子，与同温层中臭氧进行连锁反应，使臭氧层遭到破坏，它将危及人类健康及生态平衡。

研究表明，当CFCs物质受到强紫外线照射后，将产生下列反应（以R12为例

CF2Cl2CF2Cl+Cl Cl+O3ClO+O2 ClO+OCl+O2

循环放映产生的氯原子不断与臭氧分子作用，产生连锁反应，使一个氯氟烃原子可以破坏成千上万个臭氧分子，从而使臭氧层出现“空洞”。 3、CFCs的限用与禁用

1987年9月，有23个国家外长签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，进一步规定了消耗臭氧层的化学物质生产数和消耗量的进程，受控制的化学物质有CFCl3（CFC11，R11），CF2Cl2（CFC12，R12）、C2F3Cl3（CFC13，R13）C2F4Cl2（CFC114，R114），C2F5Cl（CFC15，R15）以及用作灭火集的一种哈隆。

1994年七月，中国制冷行业在青岛召开了中国加电制冷工业，CFC12逐步淘汰战略研究研讨会，提出在2004年12月31日前停止使用CFC12，并提出以HC化合物或HFC134a代替CFC12作为制冷剂。 4、制冷剂的替代

（1）HFC134a(R134a)

以美国日本为代表，首先提出了以HFC134a来取代CFC12，这是由于HFC134a的特性与CFC12十分相近，用它来替代时，制冷系统中设备的结构不必作太大的变动，而且HFC134a已达到商品化的生产程度。 （2）HC600a(R600a,异丁烷)

1994年德国首先提出以HC600a(异丁烷)替代CFC12作为制冷剂，并得到了“绿色和平组织的强力支持”进展非常迅速。

HC600a的化学分子式为CHCH33，它的ODP值以及GWP值均为零，热力性能优于CFC12，对大气完全没污染。 （3）其它替代制冷剂

除HFC134a和HC600a外，国内外仍在继续研究的替代工质有HFC152a,HFC22/HFC152A,

HCFC22/HFC152a/HCFC124,HCF22/HCFC142b,HCFC22/HFC134,HCFC22/HC600A/HCFC142b等。

(三)共沸制冷剂

1、共沸制冷剂的命名规则

共沸制冷剂在标准中规定R后第一个字母为5，其后的两位数字按实用的先后次序编号，最早实用的写作R500，以后实用的按先后次序分别写作R501,R502......R506等。

2、共沸制冷剂的概述

共沸制冷剂是由两种或两种以上不同制冷剂，按一定比例相互混合而成底册一种溶合物，它和单一的物质一样，在一定的压力下发生相变时，能保持恒定的相变温度，而且气相和液相始终具有相同的成分。

目前已被正式命名的共沸制冷剂有R500,R501,R502,R503,R504,R505,R506。

3、共沸溶液的性质。

在有些溶液的t—ξ图中，有些表示饱和蒸汽的凝结曲线abc具有最高沸点，表示饱和液体的沸腾曲线adc具有最低沸点，在最高和最低沸点。其液相与气相浓度相同。其性质同纯液体相同。这样的溶液称为共沸溶液，其沸腾温度称为共沸温度。

图2—3 a,b P33

4、共沸制冷剂的特点

① 在一蒸发压力下，具有恒定的蒸发温度，切一般比组成它的单组分的蒸发温度低。 ② 在一定蒸发温度下，单位容积制冷量比组成它的单一制冷剂的大。 ③ 采用共沸制冷剂可使压缩中温降低。

④ 采用共沸制冷剂可以改善制冷剂的物理化学性质。

⑤ 在全封闭或半封闭压缩机中可使电机得到更好的冷却，改善其工作条件。 （四） 非共沸制冷剂

非共沸制冷剂是两种（或两种以上）相互不形成共沸溶液的单一制冷剂混合而成，常用的非共沸制冷剂有R12R22,R21R22,R12R13,R114R22,R22R142,R13B1R12,

R22R13B1等数种。

目前在制冷剂编号标准中对其还未加以编号，只是留出了R后面的400号的编号顺序，供增补编号使用。 三、对制冷剂的要求 （一）热力学的要求

① 标准蒸发温度tS要低，tS低的制冷剂，不但可获得较低的制冷温度，而且还可以在

一定蒸发温度T。下，使P。高于大气压力，防止空气进入西容，同时系统一旦泄露容易发现。

② 常温下冷凝压力PK不宜过高，以降低对设备和管道的强度及气密性要求。 ③ 临界温度要高些，以便用常温冷却介质使之液化，现有制冷剂冷凝温度一般在0—

200摄氏度之间。

④ 凝固要低些，它是制冷剂使用范围的下限，越低，制冷剂适用范围越大。 ⑤ 蒸汽比容要小些，以减小活塞式压缩机的尺寸。 ⑥ 液体比热要小些，以减小节流损失。 ⑦ 汽化潜热大，单位制冷量也大。

⑧ 绝热指数要小，使压缩过程耗功减少，压缩终了，排气温度不过高。

⑨ 对大中型压缩机来说，qV要尽可能大，以缩小压缩机尺寸，减少制冷剂循环量对

小型或微型压缩机，qV尽量小些，便于压缩机的制造。

（二）物理化学要求

① 导热系数要高，以提高设备效率，减小换热面积。

② 黏度尽可能小，以减少管道阻力，减少压缩机功耗，减小系统管径。

③ 有一定的溶油性，溶油性制冷剂有利于压缩机各运转部件的润滑，但易于在换热器

表面形成油膜，影响传热效果。

④ 有一定的溶水性，以防止在制冷系统中形成冰塞。 ⑤ 具有化学稳定性。

（三）安全性要求及经济性要求

由于制冷剂在制冷系统中可能泄露，故要求它对人体健康无损害，无毒性，无刺激作用。 要求制冷剂价廉和易于获得。 四、制冷剂的有关性质

（一） 制冷剂的热物理性质

包括密度ρ，汽化潜热γ，比热C，导热系数λ，黏度，表面张力Δ及热膨胀系数β等。 （二） 制冷剂与润滑油的溶解性 1、 制冷剂难溶于润滑油

这类制冷剂有R717,R744,R13,R14,R7,R115等。它们在油中的溶解度是级微的或根本不溶解的，在制冷设备中制冷剂与润滑油易分层，易于分离。 2、制冷剂与润滑油完全溶解。

这类制冷剂有R11,R12,R21,R113,R500等。在设备中，制冷剂和油形成均匀的溶液，不分层，制冷剂在油中的溶解度随压力的升高和温度的降低而增加。 3、介于前两种之间

这类制冷剂有R22,R114,R152,R502等，在高温时与油无限溶解，当低于某一临界温度时，溶液分成两层。

4、氟利昂溶油性的判断

在常温下，氟利昂与润滑油的互溶性可由一个经验公式判断

Z=

n1

n3n1n22n44式中n1,n2,n3,n4分别表示制冷剂中氟，氯，氢，溴原子数。

若Z≤1/2互容，1/2≤Z≤2/3部分溶解，Z>2/3微溶 （三） 制冷剂与水的作用

制冷剂与水的作用有两种情况，即相互溶解和水解作用。 氨易溶于水，氟利昂和烃类难溶于水，溶解于制冷剂中的水，在低温时易析出形成冰塞。 水溶解制冷剂后会发生水解作用，产生酸性产物，腐蚀金属材料。 （四） 制冷剂对材料的作用。

纯氨对金属材料没有腐蚀作用，对铝，铜或铜合金有轻微的腐蚀如果氨中含有水分，对铜及其合金（磷青铜除外）有强烈的腐蚀。

氟利昂在通常条件下，几乎对所有的金属都无腐蚀作用，但对镁和含镁2%以上的铝合金例外。

氟利昂同时是一种良好的有机溶剂，很容易溶解天然橡胶和树脂，对高分子化合物会起“膨润”作用。

(五)常用制冷剂特性 热力性能 NH3 标准蒸发温度-33.4℃，温度-77.7℃，Pk不超过1470千帕，通常在1200千帕左右，最低蒸发温度可达-70℃， qv=2165KJ/m，R=1370KJ/Kg，导热系数大。 3 R12 标准蒸发温度ts=-29.8℃，常温下冷凝压力一般在800—1000千帕，qv=1273KJ/m 3R22 标准蒸发温度ts=-40.8℃，凝固温度为-160℃，最低蒸发温度为-80℃，qv=2068KJ/m 3R134a.CH2FCF3 标准蒸发温度为-26.5℃，凝固点-101℃，属中温制冷剂。 溶水性 与水可以任何比例相互溶解，组成氨水溶液，排除了冰塞的可能性。 在水中溶解度很小且温度越低，溶解度越小，在低温小易出现冰堵现象。 对油有无限溶解度。 容水性比R12稍吸水性较强，故对大，但仍属于不系统的干燥度提出溶于水的物质，了更高要求。 含水量超过溶解度时同样存在着冰堵危害。 部分溶于润滑油，其溶解度随油的种类和温度而变。 对金属作用与与矿物油不相溶，必须采用聚脂类合成油 对金属与非金属材料的腐蚀性与渗漏性与R12相同。 溶油性 在润滑油中溶解度很小，易形成油膜。 不腐蚀钢铁，含有水时会腐蚀锌铜及铜合金，磷青铜除外。 腐蚀性 对金属无腐蚀作用，但能腐蚀镁和含镁超过2%的铝镁合金。对天然橡胶和塑料有膨润作用。 无色无毒。 R12相同，对有机物膨润作用比R12强。 无声无味，不燃不爆，毒性比 物理性质 无色，有强烈刺激性气味，有毒。 它的特性与R12相近，无色无味，无毒不燃，不汽化，潜热较R12高30%左右。 R12略大。 适用场合 用于大中型单级双级活塞式制冷机中，也用于大容量离心式制冷机中。 中小型制冷装置中 用于低温制冷装置，空调用制冷装置及复叠式制冷装置的高温部分。 目前它已被广泛使用，作为R12制冷剂的替代工质。 五、载冷剂与蓄冷剂

（一） 载冷剂的概述

在盐水，集中空气调节等需要采用见解冷却方法的生产过程中，需要通过中间介质来传递冷量，中间介质在制冷系统的蒸发器中别冷却后，用来冷却被冷却物质，然后再返回蒸发器，将从被冷却物质中吸收的热量传给制冷剂，中间介质起到了运载冷量的作用，故称做载冷剂，又称为冷媒。 （二） 对载冷剂的要求

在使用温度范围内呈液态，凝固点要低，挥发性小，无毒，对人体无刺激性，黏度小，密度小，传热性能好，对金属腐蚀性小，不易燃烧，无爆炸危险，比容较大，化学稳定性好，价格低廉，易于获得。 （三） 常用载冷剂的介绍 1、水作为载冷剂的特点

水的比热容大，化学稳定性好，不燃不爆无毒，对金属腐蚀性小，价格低廉，易于获得，但它的凝固点高，因此只适用于温度在零摄氏度以上的场合，空气调节系统多有采用，水在制冷机的蒸发器中得到冷却，获得7摄氏度左右的冷水，然后送入风机盘管，供空调降温使用，此外，冷水还可以直接喷入空气，对空气进行温湿度调节。 2、无机盐水溶液

无机盐水溶液有较低的凝固温度，适用于中低温制冷装置中运载冷量，常用的有NaCl，

CaCl2，MgCl2水溶液。

盐水的凝固点和盐水的浓度有关，其关系如下图 图2—5 P36

作为载冷剂的盐水，其浓度应小于共晶浓度，使用的温度范围应在共晶点以上，一般蒸发温度比盐水工作温度低4—6℃，而盐水的凝固点比蒸发温度低4-8℃，因此，NaCl盐水仅适用于-16℃以上的蒸发温度，CaCl2盐水可用于-50℃以上。

3、有机物载冷剂

乙二醇，丙二醇，丙三醇的水溶液都是性能较好的低温载冷剂，对管道及容器等金属材料无腐蚀作用，丙三醇是极稳定的化合物，其水溶液无腐蚀性，无毒，可以和食品直接接触。 （四） 蓄冷剂的简介

目前，蓄冷技术在世界范围内发展极为迅速，其技术本身也在不断发展，它是电力“削风填谷”，有效利用现有电力设备，减少空调设备容量的一种手段。

蓄冷技术中常用的蓄冷剂，有水，冰和共晶盐等。后者由于共晶盐成分的不同又有高温相变盐和低温相变盐之分。

第三章 单级蒸汽压缩制冷循环

蒸汽压缩制冷循环可分为单级压缩制冷循环和双级压缩制冷循环。单级压缩制冷循环是指将制冷剂从蒸发压力一次压缩到冷凝压力的制冷循环。

本章主要介绍逆向卡诺循环的特点，热力完善度；单级理论循环的特点，性能指标及过冷循环、过热循环、回热循环的概念，对制冷系数的影响。实际循环的特点，与理论循环的

区别，单级蒸汽压缩制冷循环的热力计算和能量损失分析。 一．逆向卡诺循环 （一）工程热力学基础 1.热力学第二定律

克劳修斯说法，不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。 开尔文---浦朗克说法：不可能制造只从一个热源取热使之完全变成机械能而不引起其

他的循环发动机

热力学第二定律的实质便是论述热力过程的方向性及能质退化或贬值的客观规律。 2.卡诺循环和逆卡诺循环

。卡诺循环：由四个热力过程所组成，分别为工质从热源T1 可逆定温吸热，工质可逆 绝热膨胀，工质向冷源T2可逆定温放热，工质可逆压缩恢复到初始状态 循环热效应：t0q11q2T1T2T12 q1T1T1 。逆卡诺循环：由四个热力过程组成，分别为：工质被定熵压缩，工质向热源（T1）可

逆循环定温放热工质定熵膨胀，工质从冷源（T2）可逆定温吸热

制冷系数：1.cq20q1T2

T1T2q1T1

q1q2T1T2 供热系数：2.c03.卡诺定理：

。所有工作与同温热源与同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高 。在同温热源与同温冷源之间的一切热机，其热效率均相等 （二）逆向卡诺循环

1、组成过程：当高温热源和低温热源不变时，具有两个可逆的等温过程，和两个等熵过程的逆向循环，称为逆向卡诺循环。它是消耗功最小的循环，是制冷机的理想循环。因为它没有任何不可逆损失。 2、循环的T-S图

图3-1 P39

其中高温热源（即环境介质）的温度T，低温热源（即被冷却对象）为T。’它们分别等于制冷剂放热时温度Tk和吸热时温度T。 单位质量制冷剂放出热量q=T(S1-S4) 单位质量制冷剂吸取热量q。=T。’（S1-S4） 循环所消耗的单位功W。=（T-T。’）（S-1S4）

3、逆向卡诺循环制冷系数

消耗单位功所获得的制冷量的值，称为制冷系数 逆向卡诺循环制冷系数ε=q。/W。=T。’/（T-T。’）

逆向卡诺循环的制冷系数只与高低稳热源的温度有关，而与制冷剂性质无关。 （三） 有温差的逆向卡诺循环

在实际情况下，制冷剂与环境介质，制冷剂与被冷却物质间，总是存在一定温差，高热源温度为T，制冷剂向高温热源放热时，温度为TK，温差ΔT=TK-T，低温热源温度为T。’ 制冷剂向低温热源吸热时，温度为T。，温差ΔT。=T。’-T。

图3-2 P40

对于可逆循环1-2-3-4 q=q。+w。 不可逆循环 a-b-c-d q’=q。+w。’

WW0W

= TS其中T为高温热源的温度

斯托多拉原理，在获得相同冷量的条件下，不可逆循环所多消耗的俯加功等于环境介质的绝对温度，与系统熵增的乘积。 (四） 热力完善度

通常将工作于相同热源温度范围的不可逆制冷循环的制冷系数ε与逆向卡诺循环的制冷系数εc之比，称为该不可逆循环的热力完善度，也称循环效率。

 C热力完善度是用来表示实际制冷循环接近逆向卡诺循环的程度（在相同热源温度下）它的数值越大说明该制冷循环的不可逆损失越小，所以β也是制冷循环的一个技术经济指标。 二、单级蒸汽压缩制冷理论循环 （一） 基本循环过程 1、理论循环的假设

压缩过程为等熵制冷剂的冷凝温度，等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却物体的温度，且冷凝温度与蒸发温度都是定值，制冷剂在管内流动时，没有流动阻力损失，与管外介质之间也没有热交换，制冷剂在流过节流伐时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换。

2、理论循环的性能指标

图3-4 P44

单位制冷量指1Kg制冷剂在一次循环中所制取的冷量

q0h1h5h1h4 (KJ/Kg)

单位容积制冷量qvq0h1h5.kJm3其中V1为吸气时吸入状态点的比容。 V1V1单位理W。：压缩机每压缩1Kg制冷剂蒸汽所消耗的功。 W0h2h1 (KJ/Kg)

单位冷凝热量qk每kg制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。 qkh2h3h3h4(KJ/Kg) 制冷系数 0q00h1h4

h2h1热力完善度 0h1h4TKT0 ch2h1T0(二)具有液体过冷的循环

1、过冷循环的定义

将节流前的液冷剂冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷，具有液体过冷的循环叫过冷循环。

2、过冷循环对制冷系数的影响

节流前液体的过冷度越大，则节流后的干度X就越小，循环的单位制冷量就越大，因此，用过冷循环对提高制冷量和制冷系数都是有利的。

图3-5 P48

有过冷的制冷系数.

gh1h4h4h4h2h10ctgh2h1

其中C'为液体的平均比热，Δtg为过冷度。

ε

g的提高数值与

cc和过冷度Δtg有关，及Δtg越大，则

h2h1h2h1cεg提高得越多，对于在T-S图上饱和液体线越平坦的制冷剂，则越大，故对这种

h2h1制冷剂应用过冷循环的优越性越大。 （二） 蒸汽过热循环 1、过热循环的定义

压缩机吸入前的制冷剂蒸汽的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度，称为蒸汽过热，具有过热的循环，称为蒸汽过热循环，过热后蒸汽的温度与饱和整齐温度之差值称为过热度，

用Δtn表示。

2、过热循环对制冷系数的影响

'q0qq0' 过热循环的制冷系数n'0

w0w0w0 当

q0 >0 时，过热循环有利 w0 当

q0 <0 时，过热循环不利 w03、有害过热及其影响

制冷剂遮盖暖气在这个蒸发器至压缩机之间的管道中吸取环境空气的热量而过热，这时遮盖暖气所吸取的热量不属于蒸发器中的制冷量，，这种过热称为有害过热。

有害过热的循环，单位制冷量没有变化，而单位理却增加了ΔW制冷系数必然降低。蒸发温度越低蒸汽与环境空间的温差越大。有害过热的影响越大。

表3-1 氨压缩机允许吸气温度 P50

（三） 回热循环 1、回热循环的定义

利用一个热交换器（回热器）使节流前的制冷剂液体和来自蒸发器的低温蒸汽进行热交换，使液体过冷，争取过热，惩治为回热，具有回热的制冷循环，称之为回热循环 2、回热循环对制冷系数的影响。

利用回热循环后制冷系数ORqORqqOR0w0Rw0w0Rq0q0 0w01w01其中 q0R 为增加的单位制冷量 w0R为增加的单位循环功

应次，回热循环制冷系数提高的条是：

q0Rw0R q0w03、采用回热循环的优点

② 提高制冷系数

③ 可防止低压蒸汽中携带着液滴进入压缩机中，避免发生液击

④ 可提高低压整齐的温度，减轻有害过热，减轻吸入蒸汽与汽缸壁之间的热交换。提

高输气系数。

⑤ 对于低温下工作的压缩机，可改善其润滑条件 三、单级蒸汽压缩制冷实际循环 （一） 实际循环与理论循环的区别

① 实际吸气过程中，吸气管道及吸气伐门有摩擦阻力，因此，吸气压力P1低于蒸发压

力P0，低温蒸汽进入压缩机汽缸后，将吸收缸壁热量，其比容增大，故实际吸气量减少。

② 实际压缩过程不是等熵过程，而是一个多变指数不断变化的多变过程，是不可逆的。 ③ 实际排气过程中流体要克服弹簧力，打开排气伐门，哥实际排气压力要高于冷凝压

力PK。

④ 实际冷凝过程和这个蒸发过程除了有流动阻力外，它们都是在有温差的情况下进行

的

⑤ 节流过程不是绝热节流，节流后焓值增大。 （二） 实际循环的简化

① 把排出管道外压力作为冷凝压力，即P2PK，吸入管道处压力即为蒸发压力

P1P0在冷凝和蒸发中压力当作不变

② 实际压缩过程为多变压缩过程 ③ 节流过程为绝热节流

（三）实际循环的性能指标及计算

①输气系数 :压缩机实际输气量与理论输气量之比

=

vs vh②单位实际压缩功：压缩机每压缩1Kg制冷机蒸汽所消耗的功。它是单位指示功和单位摩擦功之和。即ws=wi+wm ws=

wimw0w0

imkw0 wi③指示效率：单位理与单位指示功之比 i④单位指示功 wi ：用于压缩1Kg蒸汽本身所消耗的功

⑤单位摩擦功wm ：压缩1Kg蒸汽时为克服机械摩擦所消耗的功 wm=

wim 其中 m 为机械效率

⑥单位制冷量

'10q=h

h5 （kj/kg）

⑦单位实际压缩功wsw0kh2h1'k （kj/kg）

⑧实际循环制冷系数：q0q0k0k wsw0 实际循环的制冷系数又称性能系数用 cop 表示

⑨能效比：单位制冷量q0 与电动机的输入单位功we1 之比，用 E.E.R 表示 E.E.R=

q0qq00e10e1 wswe1w0mo

TT0'⑩实际循环热力完善度 0k'0T0（四）热力计算

1.确定工作参数

①蒸发温度 ：对以空气为载冷剂的冷库，t0 比空气温度低10C ，如以水或盐水为

载冷剂则 t0比载冷剂温度低4-6C

②冷凝温度 ：对卧室、立式及淋水式冷凝器，用水冷却时，采用比冷凝器的冷却水进

出口平均温度高5-7C 即tk000t1t257 0C t1 t2为冷却水进口温度 2 当用空气冷却时， tk比空气温度高 8-12C

③吸气温度 ：吸气温度取决于回气的过热度，按压缩机允许吸气温度见表3-1 氟利昂制冷机吸气温度可取15C 2.热力计算 图3-10

①制冷剂的循环量 G00Qq0Q0 (kg/s)

h1hQ0V1'Q0 ②压缩机实际输气量 vsGV' q0qv ③压缩机理论输气量 vhvsQ0 qv ④根据循环单位理 求理率、指示、轴功 N0GW0 NiN0iNi

NemN0K

⑤指示功率：IT0bt0 TK 其中 T0 ---绝对蒸发温度 TK---- 绝对冷凝温度 t0----蒸发温度

b----系数，对立式氨压缩机b=0.001，立式氟机b=0.0025 ⑥实际制冷系数SQ00K N'1 ⑦冷凝器热负荷QKGh2Sh4 h2S=h

（五）温度变动时制冷机性能变化 1. t0不变，tk变化 图3-11

h2h1'i

由图可知，当 tk 升高时，单位制冷量由q0减小到q0，单位压缩功由w0 增大到w0，吸入状态比容V1不变，若忽略的变化，则质量流量G=

'''vhv1不变，制冷量 Q0 减小到 Q0 ，

'理率由N0 增大到N0，qv减小到 qv

因此，当t0不变 tk升高时，对同一台制冷机来说，制冷量将减小，消耗的功率增大，因

'而，循环的制冷系数将要降低，当t0不变tk减小时，情况正好相反 2．tk不变，t0变化 图3-12

由图可知，当t0降低时，q0降低到q0 ，吸气比容由 v1增大到v1，G1减小到G1因而qv及Q0都相应减小到qv及Q0, w0增大到w0但由于制冷剂流量减小，因此不能直接看出制冷机理率 N0是增大还是减小，制冷系数减小。

因此，当 tk不变而t0 降低时，制冷量Q0流量G1及制冷系数都是降低，而压缩机功率是增大还是减小与变化前压缩比有关

3．最大功率下的压缩比

kpk Kk1 k 制冷剂气体的绝热指数 p0Nemax'''''' 对于不同的制冷剂，其功率为最大值时，压缩比大致相等，约为3 （六）单级制冷剂工况

所谓工况是指确定制冷机运行情况的温度条件，包括蒸发温度t0冷凝温度tk过冷温度tg吸气温度tn

我国目前采用的工况有下列几种，标准工况，空调工况，最大压差工况，最大功率工况 （七）不同工况下制冷量及功率转换 Q0bqvbbkiQ0 ki------压缩机制冷量的换热系数

qraa NeaGbW0bka GaW0akb四．工质比热对循环影响 （一）饱和液体比热Cx 影响

所用工质的Cx都是正值，Cx越大，饱和液体线越平坦，这样饱和液体节流后干度x值就大，使单位制冷量减小，这样的工质采用液体过冷循环有利。 （二）饱和蒸汽比热Cx影响

\"/// 大多数工质的Cx值都是负数，Cx越大，排气温度就越高，数值小对于压缩过程有利 （三）过热蒸汽比热Cp影响

Cp大时，饱和蒸汽压缩后终温较低，压缩功亦较小，所以Cp大时制冷循环由于压缩过程所引起的损失就小，但Cp大时Cx也大，因此节流损失增大。

五．单级循环制冷压缩能量损失分析 （一）工程热力学基础

1.熵及熵增原理 图5-7 p82 工程热力学

如图所示表示一任意可逆循环 a-b-c-d-a，假设用许多定熵线分割该循环，并相应配上定温线，从而构成一系列微元卡诺循环，取其中的一个微元卡诺循环有

/\"\"q2T tc=111

T2q1考虑到Sq2为负值，有

q1T1q2T20

qTT20，该式称为克劳修斯等式 e对于整个可逆循环

q2T1abcq2cdaqd令ST表明工质熵变等于在可逆吸热或放热时的传热量与热量温度比值

对有限过程

21dSS2S1

对于不可逆循环 t1q2T12 q1T1 得

q1T1q2T20

对于整个不可逆循环：

Tq11q2T2q0

T必须指出熵作为系统的状态参数，只取决于状态特性，过程中熵的变化，只与过程初终状态有关而与过程的路径及过程是否可逆无关。

熵增原理：绝热闭口系统或孤立系统的熵只能增加（不可逆过程）或保持不变（可逆过程），而决不能减少，任何实际过程都是不可逆过程，只能沿着使孤立系统熵增的方向进行，这就是熵增原理 即Δ S0 2．用和无

（1）用和无的定义

当系统由任意状态可逆转变到与环境状态相平衡时，能最大限度转换为“可完全转换能量”的那部分能量称为用。用Ex表示

不能转换为用的那部分称为无。用An表示 即 能量=用+无 或 EnExAn

由热力学第二定律可知，一切实际热力过程中不可避免的发生部分用退化为无。而无不能再转化为用，可称为孤立系统用降原理，并表示为Ex00。 （2）热量用与冷量用

。热量用：当热源温度（T）高于环境温度T0时，从热源取得热量Q，通过可逆热机可能对外界做出的最大功称为热量用。 如图所示，可逆循环做最大功 EXQWmax1T0QQT0Sf T热量无 AnQQEXQT0Sf 式中SfQT为随热流携带的熵流

。冷量用：当系统温度（T）低于环境温度（T0）时，从制冷角度理解，按逆循环进. 从系统（冷源）或趋冷量Q0，外界消耗一定量的功，将Q0连同消耗的功一

起转移到环境中去，在可逆条件下，外界消耗的最小功即为冷量用。

按逆卡诺循环 CQ0T

minT0TT0TTQ001Q0T0SfQ TT 即 ExQ0min 冷量无 AnQ0T0Sf 式中SfQT 为冷量中携带的熵流

（3）内能用和焓用

。内能用 当闭口系统所处状态不同于环境状态时，都具有做功能力，即有用值。闭口

系统从给定状态（P,T）相平衡，对外所做最大有用功称为内能用。

图

如图所示，设系统状态高于环境状态，为了保证系统与环境之间实现可逆热交换，系统必须首先进行绝热膨胀，当系统温度达到与环境温度相等时，才能进行可逆换热。 当系统膨胀时对环境做功P0dV不能被有效利用，故最大有用功（内能用）为

max,udExumaxP0dV

按热力学第一定律： QdumaxdUP0dVmax,u （1） 按热力学第二定律：由闭口系统与环境组成的孤立系统，进行可逆过程其熵增为0 即dSsiodsdsur0

∴QT0ds （2） 合并式（1）（2），并由初态积分到终态（P0,T0）得 T0S0SU0UP0V0VWmaxu

或 ExuWmaxuUU0T0SS0P0VV0 微分形式：dexuduT0dsP0dv

。焓用 开口系统稳态稳流工质的总能量包括焓、宏观动能和位能，其中动能和位能属机械能，本身便是用，为确定流动工质的焓用，故不考虑工质动能、位能及其变化

忽略动能、位能变化，工质流从初态（P,T）可逆过渡到环境状态P0,T0 单位工质焓降（h-h0）可能做出的最大技术功便是工质流的焓用

按热力学第一定律 qdnWmax,t 热力学第二定律 qT0ds

合并两式，并从工质流初态（P,T）积分自环境状态P0,T0 得焓用为 exWmax,thh0T0SS0 3．用分析与用方程

（1）闭口系统用方程

用方程的一般形式为 ： 输入用-输出用-用损失=系统用变 或用损失=输入用-输出用-系统用变

图

如图所示，取气缸中气体作系统，气体由初态（P1,T1）膨胀到终态（P2,T2），系统对外界有热量和功量交换，输入系统用为热量用 Exq ，输出用为WP0v 用损失 LExQWP0VEx （1） 式中 Ex---系统用变

-ExU1U2T0S1S2P0V1V2 （2） 热量用 EXQQT0Sf （3） QU2U1W （4） 将（1） （3） （4）代入 （1）中 得LT0S2S1SfT0Sg

即闭口系统内部可逆过程造成的用损失等于环境温度（T0）与系统熵产之积 （2）开口系用方程

图

12输入用：包括随质流进入控制体传递的用 ex1C1gz1M1

2和热量用 ExQ

12输出用：包括离开控制体质流的火用 ex2C2gz2M2

2输

出

轴

功

Ws控制体用变：

dExcvEXQ1212ex2C2gz2M2ex1C1gz1M1WsL

22

对于稳态稳流：dExcv0 且 M1M2M 可得exqex2ex1 即 exqex12C2C12gz2z1Wsl0 212cgzWsl 忽略动、位能变化 2 exqexWsl

lexqexWsexqT0SfhT0SWsqhWsT0SSf

T0SSfT0Sg

（3）孤立系统用方程

孤立系统没有用的输入与输出，按用方程的一般形式可表示为 LisoExiso

孤立系统用损失也可通过孤立系统熵增进行计算 LisoT0Siso

由于用损失 Liso0 ，可逆时等于0，不可逆时大于0，因此，孤立系统用

Exiso0可逆时用不变，不可逆时用减少，一切实际过程都不可逆过程。所

以孤立系统用只能减少，这就是孤立系统用降原理。

（4）用分析

图中， Ex1 ，Ex2 分别表示进入控制体的用值 Ws 系统对外输出的功 li 控制体内各项的用损失 ExQ 表示热量用 ex 用效率

Ex2ExQli收益用W 则用效率 ex 1支付用Ex1Ex1

（二）能量损失的熵分析方法

尤斯托多拉原理：wTSi逆向循环中各种不可逆因素所引起的总附加功是Wi由各个不可逆过程附加功Wi 相加求得。若实际循环所耗功为 W 它比完全可逆过程耗功Wmin 要大 Wi 即 WWminWi

Q0WWiWmin1 因此  Q0cWWWmin （三）能量损失的有效能分析法

①有效能的概念 ：热力体系从某一状态转变到与环境介质项平衡状态时所能做出的最大有用功活所消耗的最小功称为这个体系在该状态时的有效能 ②热量用

eeqwax1TqqTSn

Tn 式中，Tn 高温热源温度 T--- 环境介质温度 Sh 热源与环境之间可逆交换时熵的变化 ③冷量用

TTT0'q1q0 eq0win0''cT0T0q0 ④稳定物流的有效能（物流用）

稳定物流从给定状态可逆的转变到环境状态时产生的最大有用功就是稳定物流的有效

能 用符号 ex 表示 ⑤火用平衡方程式

ex1eq1ew1ex2eq3ew2ev

式中 1和2分别表示输入和输出 ex eq ew 分别表示单位质量工质的物流用，热量

用和功量用 ev为单位工质流过设备时用损失 对可逆ev=0不可逆ev>0 ⑥制冷循环各主要热力过程火用损 绝热压缩 e12sT(S2sS1)

冷凝过程 ev2s4ex2sex4h2shTS2sS4 节流过程 ev45TSS

蒸发过程 ev51ex5ex1eq0 制冷循环用效率为e1eesysv

其中 esys --- 系统所消耗的火用

ev --- 各个过程用损之和

（四）单级循环的e-h图 图3-19 P73

' 图中1-25为绝热压缩过程 输入功 wh2sh1h2sh1 ' 用损ev12se2se2s

25-4为冷凝过程ev2s4e2se4 4-5节流过程 ev45e4e5

'' 5-1蒸发过程 ev51e5e1e5e1

第四章 两级蒸汽压缩制冷循环及复

叠式制冷循环

本章主要介绍两级压缩制冷循环的概念，采用两级循环的原因，两级循环的分类，两次节流中间完全冷却，中间不完全冷却的概念及应用；两级压缩循环的热力计算机有效能分析，温度变化对两级压缩的影响；复叠式制冷循环的概念及应用等。 一.采用两级压缩的条件

现代单机压缩蒸汽制冷机，压缩比一般不超过8-10。对于氨，因绝热指数较大，故一般PK/P08。对于各种氟利昂，因绝对指数较小，一般PK/P010 二．采用两级压缩的原因

。由于Pk/P0增大，导致压缩机输气系数减小，因此减少了压缩机的实际输气量，使制冷量降低。

。由于Pk/P0增大，使实际压缩过程偏离等熵压缩过程越远，其结果使压缩机的效率降

低，功率增大。

。由于Pk/P0增大，使压缩机的排气温度升高，其结果使运转条件恶化（如润滑油变稀、挥发等），甚至危害压缩机的正常工作。所以压缩比不能太大。 三．两级压缩的概念

两级压缩循环是将来自蒸发器的低压（低温）蒸汽先用低压压缩机（或低压缸）压缩

到适当的中间压力Pm经中间冷却器冷却，然后进入高压级压缩机（或高压缸）再次压缩到冷凝压力，排入冷凝器中。 四．两级压缩循环的分类 （一）。两级节流中间完全冷却

1.两次节流概念：制冷剂从冷凝压力节流到蒸发压力要先后经过两个节流阀。由PK 节流到Pm再由 Pm节流到P0

2．中间冷却的概念：低压级排气被冷却成中间压力下的干饱和蒸汽 3. 循环的原理图及 T-S lgp-h图

P76

（二）一次节流中间完全冷却 1.循环的原理图

P78

2．循环的 T-S 及lgp-h 图

（三）一次节流中间不完全冷却 1.循环的原理图。

2.循环的T-S 及lgp-h图

（四）氨泵供液的一次节流完全冷却 1.循环的lgp-h 图

2．氨泵供液的优缺点

优点：低压蒸汽经两次汽液分离，避免低压压缩机液击的发生，蒸发器中制冷剂流量数

倍于蒸发量。制冷剂处于两相的强制流动。传热系数较高，有效制冷量有所提高，操作简便，易于自动化。

缺点：需消耗电能和设备的维护工作 五．两级循环的热力计算 （一）。工作参数的确定 1.容积比的选择

容积比是指高压级理论输气量 Vhg 与低压级理论输气量 Vhd 之比

VhgVhdGgGdVgVdd g 容积比 常取0.33-0.5之间 即Vhg: Vhd=1:3-1:2 2．中间压力的确定 ①。试凑法或图解法

先选取不同的几个中间温度tm1 tm2 tm tm4再根据给定的工况和选取的各个

3中间温度，分被画出两级压缩的lgp-h图。确定各状态点，算出相应的制冷系数

1、2、3、4、5 然后画在以  和 tm 为坐标的图上。连接这些点，

形成一光滑曲线。找出max 的最佳中间温度。找出相应的中间压力

②．按温度比例中项确定中间温度。再确定中间压力 Tm=T0TK

0000 ③ 贝林公式。适用范围 氨制冷机 t0 =-36C - -10C tk 20-35C 过冷5C

Tm.opt=Tm +5

（二）计算方法

1．一次节流中间完全冷却循环 循环的lgp-h图如图4-11所示

（1）单位制冷量级单位容积制冷量 q0h1h0

qVq0 v1（2）单位理

低级压缩机

W0dh2h1

高级压缩机

W0gh4h3

（3）两级机组制冷量

Q0Gdh1h9 或 Q0Vhddqv 低压输气系数 d 可用如下公式：

1mpm d0.940.0851 m-多变指数 R717;m=1.28;R12;m=1.13; p00.1Vhddh1h9 V1 R22;m=1.18 低压机的工质质量流量Gd GdQ0Q0 q0h1h9（4）高压机的工质质量流量Gd 即通过双级机组的工质流量 GgVhggV3

高压机输气系数 g 可用如下经验公式：

1mpk 1 g0.940.085pm Gg 也可根据中间冷却器的热平衡关系导出 Gdh2Gdh6h8GgGdh6Ggh3 上式各项经整理得

 GgGdh2sh8

h3h6 h2s--------低压级实际排气焓值

 h2Sh1h2h1id

式中 id 为低压机的指示效率

（5）冷凝器的热负荷 QkGgh4sh6

（6）中间冷却器的热负荷 QmGgGdh3h7 （7）理率

/ 低压机： NodGdh2h1

 高压机： NogGgh4h3 （8）轴功率

低压机： NedNodkdNog

高压机： Neg （9）制冷系数

kg

0理论制冷系数：

Q0GgWogGdWodWodq0GgGdWog

h1h92sh8h4h3h2h1/hh3h6实际制冷系数：

sQ0

NodNog2．一次节流中间不完全冷却循环

这种循环的热力计算方法与1基本一样，其区别是计算高压机工质流量的公式不同。 GgGdh5Gdh5h7GgGdh Gg/3

h3/h7Gd/h3h5

状态点3过热蒸汽的焓值可由蒸汽混合过程的热平衡求得 GgGdh3Gdh2sGgh3

/ 所以 h3h3Gdh2Sh3h3h3h5h2Sh3

h7Ggh3 由回热器的热平衡关系求得

h2 h8h7h1 理论循环的制冷系数为

0Wdq0GgGdWgh1h0

h7h3h2h1h4h3h3h53．氨泵供液的一次节流中间完全冷却循环

这一循环的计算的方法同1基本一样，只是对低压机制冷剂流量Gd的计算需要做些说明。Gd由三部分组成，几经节流阀J闪发的蒸汽量Gdx8，经氨泵升压后再经流量调节阀J闪发的蒸汽量Gd1x8x11以及在蒸发器中蒸发的液体量Q0 GdGdx8Gd1x8x11h1h9。因之

Q0

h1h9 或 Gd1x81x11Q0

h1h9 代入 x8经整理后可得 Gdh7h9hh9 x1110

h1h9h1h9Q0h1h71hh9110h1h9

即低压机的流量必武安泵的循环要大，所增大的部分与泵功h10h9有关。功率可表示为 NpGd1x8h10h9 将此关系式带入上式整理后可得 GdQ0NP （kg/s）

h1h7六．蒸发温度变化对中间压力的影响 （一）蒸发温度变化对中间压力的影响

1. t0升高时，pm和p0都不断升高。p0升高是由于它与t0互为对应关系，而pm升高是由

于低压级的压缩比减小，输气系数增大，使低压级输入中间冷却器的气体量增大，因而pm就升高。反之，t0降低，则pm也降低。

2．t0升高时，pm比p0升高的更快。当t0达到某一边界数值t0b时，pmpk，从这一温度开始，高压机不再起压缩作用，两级压缩可以改为单级压缩。

3.当t0升高时，压差pkpm逐渐减小，而压差pmp0逐渐增大。当t0t0b 时，pkpm0，而pmp0则达到最大值，此时低压级耗功最大，压力比大约为3。 （二）冷凝温度变化对中间压力的影响

如果t0和不变，随着tk的升高，这是由于高压级的压缩比增大，输气系数减小，是高压级的输气量减少而引起的。反之，tk降低，中间的压力也降低 （三）容积比变化对中间压力的影响

当tk、t0都不变时，改变高、低压级的容积比，则中间压力也随之改变。随着值的减小，pm升高。反之，随着值的增大，pm就降低。值的变化是在配组式两级压缩制冷剂中，如增加低压级压缩机的运转台数，使值减小，中间压力升高。

七．复叠式制冷循环

复叠式制冷剂是用二种或二种以上不同的制冷剂，由二个或二个以上单级（也可以是两级）制冷系统组合而成的，一般适用于-78~-120℃的低温装置。用单一的中温制冷剂多级压缩获得低温，受到蒸发压力过低的；而用单一的低温制冷剂又受到冷凝压力过高或在超临界区工作的。为了解决这个矛盾，出现了应用两种工质的复叠式制冷循环。

常用的复叠式制冷机是由两个单一制冷剂的制冷系统（单级或双级压缩）组成。分别称为高温部分和低温部分，高温部分通常选用中温制冷剂如R22,R502等，低温部分通常选用低温制冷剂如R13,R14等。高温部分系统中制冷剂的蒸发用来使低温部分系统中制冷剂的冷凝。 复叠式制冷机的两个部分是用一个冷凝蒸发器联系起来，它既是低温部分的冷凝器，也是高温部分的蒸发器。这样，低温部分制冷剂吸收的热量（即冷量）就可传给高温部分的制冷剂，而高温部分的制冷剂再将热量传给环境介质（空气或水）。 八．两级压缩制冷循环的有效能分析 有图

（一）循环的用效应

1. 高压机的工质流量Gg及其吸气状态点的焓值h3。在前面的热力计算中已得出 GgGdh7h3 h5h3 或 KGgGdh7h3 h5h3 h3h32.蒸发器输出的冷量用

h7h3h2Sh3 h5h3e9e1* e03.压缩机输入的用

ekwwdKwg

Kh4Sh3 h2Sh14.两级循环的用效率

*e1e0e9 0 Kh4Sh3ekh2Sh1（二）.每个过程或设备中的用损失

1.中间冷却器的用损失。由中冷器的用平衡方程式

E1 GgGde6Gde5Gde7GgGde3求得（对每千克低压级的流量而言，下同）

e5e7e6e3 e1Ke6e3 2.绝热混合过程的用损失。由混合过程的用平衡方程式

Gge3Gdem Gde2GgGde3求得

eme2SGgGdGde3GgGde3

3.中间冷却器与混合过程总的用损失

emKe6e3e5e7e6e2S 4.压缩机的用损失：

一级压缩的用损失

e2Se2Se2S edwde1 二级压缩的用损失

Se4S egKwge3e4SKe4 5.冷凝器的用损失

ecKe4Se5

 6.节流过程的用损失

节流阀（Ⅰ）的用损失 eE1K1e5e6 节流阀（Ⅱ）的用损失 eE2e8e9 7.蒸发器的用损失

*e1 eVe9e1e9

8.回热器的用损失

e8e7 eRe1e1 9.总的用损失

eedegeceEeVe1meR 两级循环的用平衡为

e eke0第五章 吸收式制冷机原理

除了蒸汽压缩式制冷机外，近些年来，随着CFC类的限用与禁用，吸收失制冷技术有

了较快的发展。本章将主要介绍吸收式制冷机的工作原理。工作过程吸收式制冷机中工质对的性质和要求，具体介绍H2O-LiBr,NH3-H2O为工质对的吸收失制冷技术，以及吸收失制冷技术的新发展。

一 吸收式制冷的概述

利用液体汽化连续制冷时需不断吸走汽化产生的蒸汽，吸走蒸汽的方法很多，蒸汽压缩式制冷是利用溶液在一定条件下能析出低沸点组成的蒸汽，而在另一条件下又能吸收低沸点组分的蒸汽这一特性，吸收蒸发器中产生的蒸汽，这种方法就称为蒸汽吸收式制冷

吸收式制冷机是一种以势能为动力，利用溶液的特性来完成工作循环以制取冷量的装置/常见的吸收式制冷装置有H2O-LiBr,NH3-H2O吸收式，此外最新研究的还有H2O+LiBr+ZnCl2, H2O+CaCl2+Licl+ZnCl2. 甲胺CH3NH2+H2O 乙胺C2H5NH2 CH3OH+LiBr C2H5OH+LiBr等 二吸收式制冷与压缩式制冷的区别

相同点：高压制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝后，经节流元件节流压力温度下降，低温低压液体在蒸发器内汽化，实现制冷。 不同点：①提供的能量不同：

压缩式制冷机消耗机械功，吸收式制冷机消耗的是热能。 ②吸取制冷剂蒸汽的方式不同：

利用液体连续不断地制冷时对于压缩式需不断地用压缩机吸取

蒸发器内产生的蒸汽，而吸收式制冷机是吸收剂在吸收器内吸取

③将低压制冷剂整齐变为高压制冷剂蒸汽时采取的方式不同：

蒸汽压缩式通过原动机驱动压缩机完成，吸收式通过吸收器，

溶液泵，发生器和节流阀来完成

此外，吸收式制冷机的制冷量调节范围大，而实现无级调节，转动的设备和运动部件少，运

转安静，无噪声。

三 吸收式制冷机的工作原理 （一）吸收式制冷机的工质

蒸汽压缩式制冷机一般使用纯物质作为工质，而吸收式制冷机所用的工质由两中以上不同

物质所组成的溶液，通常是一种二元溶液，它是由两种沸点不同 的物质所组成（易挥发）作制冷剂。高沸点的组成（难挥发）作吸收剂将吸收剂和制冷剂两种物质称为“工质对”。如水—溴化锂，氨—水，此外，在某些吸收式制冷机中，还应用三种工质组成的三元溶液。

（二）对吸收式机组工质对的要求

. 对制冷剂的要求：对生态环境无破坏作用，蒸发潜热大，临界温度高，工作压力适中，在工作范围内冷藏压力不过高，蒸发压力不过低。

.对吸收剂的要求：有强烈的吸收制冷剂的能力，沸点与制冷剂相差越来越来。在高浓度下工作，不易结晶。

.在物理化学性质方面对制冷剂与吸收剂的要求，无毒，不燃烧，不爆炸，对机组金属材料无腐蚀作用，有较好的的化学稳定性和热稳定性，热导率较大，密度与粘度较小，比热容较小

（三）吸收式制冷机的组成

一个完整的吸收式制冷系统应包括发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器、吸收器、溶液泵、溶液热交换器及冷却水系统等。此外，对于双效溴化锂吸收式制冷系统还应包括高压发生器、高温溶液换热器等。

（四）吸收式制冷机的工作原理

在发生器中加热一定浓度溶液使之挥发，于是溶液中作为制冷剂的低沸点组成大部分被蒸发出来，在冷凝器中凝结成液体，经节流阀压力降到蒸发压力，进入蒸发器中蒸发制冷，在蒸发器中产生的低压蒸汽直接进入吸收器中，在发生器中经过发生过程剩余的溶液其中制冷剂的含量已经大为降低，称之为吸收液。吸收液经节流阀，压力降到蒸发压力，进入吸收器中与从蒸发器中来的低压制冷剂蒸汽混合，并吸收这些蒸汽，恢复原来浓度，然后用溶液泵升压后进入发生器中，继续循环使用。 四 溴化锂吸收式制冷

（一）溴化锂水溶液的性质

溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂，制冷剂与吸收剂组成 “工质对”，溴化锂易溶于水，溴化锂水溶液水蒸气压力很小，它比同温度下纯水的饱和蒸汽压小的多，固溴化锂水溶液具有很强的吸湿性，且溶液水蒸气随溶液质量分数的增大或温度的下降而响应降低，但该溶液对金属材料有腐蚀性，会出现结晶现象，在溴化锂溶液中加入麦面活性剂，可提高机组中有关部件的热质交换效果。溴化锂与氯化钠类似，由金属元素（Li）和卤族元素（Br）两种元素组成，是一种稳定的物质，在大气中不变质，不挥发，不分解，极易融于水，常温下是无色晶体，无毒，无嗅，有咸苦味。 （二）溴化锂吸收式制冷机工作原理

溴化锂吸收式制冷机工作原理是利用溴化锂溶液在温度较低的情况下，能强烈吸收水蒸气，而在高温下则又释放出其吸收水蒸气的特征，同时，又让水在很低的压力蒸发吸热，从而达到制冷的目的。

（三）溴化锂吸收式制冷机的分类

根据工作热源进行分类，可分为热水型、蒸汽型、直燃型、太阳能型， 根据工作循环进行型式分类，可分为制冷循环型、制冷热循环型、热泵循环型 此外还可分为单效型、双效型及双级型 （三） 循环的h—＆图

如图所示 2-7稀溶液在热交换器中预热过程 7-5稀溶液在发生器中等浓度加热过程 5-4 水蒸汽发生过程

4-8 浓溶液在热交换器中预冷过程

，

8-9浓溶液8与稀溶液2在吸收器中的混合过程

，

9-9 中间溶液出吸收器喷嘴的闪发过程 9-2 水蒸气的吸收过程

，

3-3水蒸气在冷凝器中冷凝过程

，

1-1冷凝水在蒸发器中蒸发过程 五 氨水吸收式制冷机

（一） 氨水吸收式制冷机概述

氨水吸收式制冷机以氨水为制冷剂，水为吸收剂，它除了具备吸收式制冷机的一般特点外，还可以达到较低的蒸发温度，它适用于t0<-150C，冷却水温低，水量充足，有氨气可以利用的地方

（二） 氨水溶液的性质

氨水溶液是吸收式制冷机最早使用的一种工质对，其中氨是制冷剂，氨水溶液是吸收剂，氨对生态环境无破坏作用，有气化潜热大，蒸发温度低（即可用于冷冻工艺，又可用于空调）、粘性小、导热率高、价廉易得等优点。在氨吸收式机组通常的工作温度范围内，氨的蒸发和冷凝压力适中，氨水溶液不会结晶。氨与水的沸点相差很小，在发生过程中，蒸发出来的不全是氨气，还有一部分水蒸气，在氨吸收式机组中，必须通过精馏提高氨的纯度，因为精馏过程要消耗热量，所以氨吸收式机组的热力系数要比溴化锂吸收式机组低。 （三）氨水吸收式制冷机的工作过程

对浓溶液加热至沸腾产生氨蒸汽，进入精馏塔，浓度进一步被提高，从精馏塔顶出来的氨蒸汽进入冷凝器被冷凝成氨液，冷凝器下来的的氨液经过冷气过冷，然后进入节流阀，经节流阀节流后进入蒸发器制冷，从蒸发器出来的氨气经过冷凝器加热后进入吸收器被吸收。 （三） 循环的h—＆图

1a—1浓溶液由过冷状态加热到饱和状态过程 1—2 在精馏塔中经过热质交换的氨气发生过程 2—2a稀溶液的冷却过程

2a—3 稀溶液进吸收器前的节流过程 3—4 吸收过程

4—4a浓溶液经过溶液泵的增压过程 4a—1a浓溶液经热交换器的预热过程 ，，，，

1—5蒸汽的精馏过程

5—6 浓氨蒸汽在冷凝器中冷凝过程 6—6a 氨液经节流阀的节流过程 6a—7 氨液经节流阀的节流过程 7—8 蒸发器中蒸发制冷过程

8—8a氨气在过冷气中被加热过程

六 吸收式技术的发展 （一） 新工质对的研究 1多元盐溶液

它是钾钠和锂的盐溶液，多元溶液可在质量分数超过70%的高浓度工作，不会结晶，其工作温度可达260℃，可用作三效复叠循环的工质对，但是，其工作压力较高，达到0.4~0.6Mpa（表压） 2多元碱溶液

它是钾钠和铯的的氢氧化物溶液，可在高质量分数工作，其工作温度可达230℃，而且，氢氧化铯能起缓蚀剂作用，多元碱溶液也可用作三效复叠循环的工质对，由于工作压力仅为0

.05Mpa左右，机组在负压下工作较安全。 3 氨盐工质对

氨盐工质对NH3—LiNO3和NH3—NaSCN，以氨为制冷剂，汽化潜热大，以盐类为吸收剂，不需精馏，吸收能力大，这二重氨盐工质对可以在低的蒸发温度（—5℃~—20℃）下，得到较高的热力系数（0.47~0.70），也可在太阳能驱动的系统或热电联产系统中适用。 4 醇盐工质对

醇盐工质对以醇类为制冷剂，可以达到0℃以下的蒸发温度，可以在低的热源温度下工作，气化潜热较大，但醇类有一定的毒性，可以燃烧，以盐类为吸收剂，不需要精馏，吸收能力大，但会出现结晶现象，醇盐工质对可在低的蒸发温度下工作，也可在太阳能驱动或辅助加热系统中应用。

（二）高效传热管的研究与开发

再吸收式制冷机中最早采用高效传热管的部件是蒸发器，现在国外不少公司在几大部件中均采用了不同形状的高效传热管，发生器采用低肋管或微细多孔管，溶液热交换器采用小孔径的无缝钢管。吸收器采用纵槽管或下管。蒸发器采用低肋管或C管。 （三）吸收机理的研究

吸收式制冷机中吸收器是最关键部件，因而国外一直注重吸收机理的研究，进行吸收器新设计方法的讨论，从传热与传质的观点考虑传热面积与管排合理配置等。 （四） 控制方法的研究实现智能化

通过微机对运转程序进行控制对溶液循环量的控制，通过对停机稀释运转进行控制做到节能运转，通过微机控制使制冷机经济运转。

，，

第六章蒸汽喷射式制冷机原理

常见的制冷循环除了蒸汽压缩循环，蒸汽吸收循环外，还有蒸汽喷射式循环。本章将介绍蒸汽喷射式制冷机的原理，工作过程，蒸汽喷射式制冷机的理论循环和实际循环，以及循环的热力计算和其他相关知识点，蒸汽喷射式制冷机的特点及应用等。 一 蒸汽喷射式制冷机概述

（一） 蒸汽喷射式制冷的原理

蒸汽喷射式制冷机也是依靠液体的汽化来制冷的，这一点与蒸汽压缩式及吸收式完全相同，不同之处仍在于如何从蒸发器中抽取并压缩制冷机蒸汽。 在喷射式制冷中是利用一台喷射器来代替一台压缩机，通过对高压气体的喷射，吸引及扩压作用来实现对工质的压缩。

（二） 蒸汽喷射式制冷机的组成

蒸汽喷射式制冷机是由蒸汽喷射器、冷凝器、蒸发器及节流阀和水泵等组成。 （三） 喷嘴和扩压管的简介

已知稳定流动能量方程为

q=(h2－h1)+(c22－c12)/2+g(z2－z1)+Ws

式中h1 h2为1，2点焓值。 C1 C2为1，2点流体的流速 z1 z2 为1，2点高度。Ws为轴功

在一般管道中 z1 ≈ z2 Ws=0 在绝对情况下q=0 所以 （c22—c12）/2=h1—h2 即dc2/2=—dh c．dc=—dh

由热力学第一定律的解析式 dh=T．ds+Vdp 对定熵过程ds=0 dh=Vdp 所以C．dc=—Vdp

可见在管道内做定熵流动时，dc与dp符号相反

气流速度增加（dc>0）,毕导致气体压力的下降（dp<0）,这就是喷管中特性，喷管的目的就是使流体降压增速（dp<0,dc>0）

当气体速度下降（dc<0）时，将导致气体压力的升高（dp>0）,这就是扩压管中的流动特性，扩压管的目的是使气流减速增压（dc<0,dp>0）. （四） 蒸汽喷射式制冷的工作过程 图9—1

具体的工作过程如下：从锅炉1出来的高温高压蒸汽经喷射器2的喷嘴在其中膨胀，在喷嘴出口处造成压力很低的真空吸引蒸发器6内的蒸汽，6中的水被部分蒸发吸收热量。因而使未汽化的水温降低，用冷媒水泵输送到用户9，经吸热升温后在通过节流阀5返回蒸发器。在喷嘴出口处，工作蒸汽与被隐射蒸汽相混合后，一同在扩压器中被压缩到冷凝压力Pk，然后进入冷凝器3被冷凝成水，水从冷凝器出来后分成2路，一路用来冷凝水泵7送回锅炉，另一路经节流阀4减压后进入蒸发器。 二蒸汽喷射式制冷机的理论循环

（一） 蒸汽喷射式制冷机的理论循环 图6—3

图中1—2为工作蒸汽，在喷嘴中的等熵膨胀过程

2—3 0—3为等压混合过程

3—4在扩压器中混合蒸汽等熵压缩过程 4—8在冷凝器中冷凝过程

8—10—11—1进入锅炉重新加热汽化为工作蒸汽

经节流阀减压到蒸发器压力，成为过热水，然后在蒸发器中，部分水自 0 行蒸发至状态0的蒸汽，其余部分水冷却至状态12的饱和水

↗ 8—9

↘ 12

因此可以看出，蒸汽喷射式制冷机的循环是由两个循环组成，其中1—5—8—10—11—1为动力循环 3—8—9—3为制冷循环 （二） 理论循环的热力计算

① 单位制冷量q0=h0—h8

制冷量 Q0t=G0t(h0—h9)

② 锅炉热负荷 qh=h1—h10

Qh=G1tqh=G1t(h1—h10)

③ G1t和G0t的关系可由喷射器的热平衡式得 G0th0+G1th1=C(G0t+G1t)h4

Ut=G0t/G1t=(h1—h4)/(h4—h0)

式中Ut为喷射系数，它表示每千克工作蒸汽所能隐射的低压蒸汽量，是衡量喷射器性能的一个重要指标。

④ 冷凝器热负荷 qk=h4—h8

Qkt=(G1+G0t)(h4—h8)=G0t(1+1/Ut)(h4—h8) ⑤ 凝结水泵所耗功 Qpt=G1t(h10—h8) ⑥ 制冷机的热平衡 Q0t+Qht+Qpt=Qkt

其中Qpt数值相对较小，可忽略 则 Q0t+Qht=Qkt

⑦ 热力系数 ＆=循环的制冷量/循环的耗能量=Q0t/Qpt+Qht≈Q0t/Qht=Ut (h0—h8)/h1—h10

三 实际循环过程

，

图中1—2工作蒸汽的不可逆膨胀的实际过程

0—6 被隐射蒸汽自蒸发气流入喷射器时的膨胀过程 ，，，

2—3 6—3 为工作蒸汽与被隐射蒸汽的等压混合过程 ，，

3—4 为混合蒸汽在扩压器中的不可逆压缩过程 ，

4—8 为混合蒸汽在冷凝器中的冷却和冷凝过程 其余过程同理论循环过程 （三） 实际循环的热力计算

制冷量Q0=G0(h0—h9)

锅炉热负荷Qh=G1(h1—h10)

，

冷凝器热负荷Qk=(G1+G0)(h4—h8) 凝结水泵耗功 Qp=G1(h10—h8) 热力系数 ＆=Q0/Qh=G0/G1×(h0—h9)/h1—h10=u(h0—h9)/(h1—h10) 式中 G0 —实际循环中隐射的蒸汽量 G1— 实际循环的工作蒸汽流量

U— 实际喷射系数

U=(0.756△h1/△h2)—1

△ h1—工作蒸汽在喷嘴中由p1等熵膨胀至p0的焓差 △ h2—被隐射蒸汽在扩压器中由p0等熵膨胀至pk的焓差

四 蒸汽喷射式制冷机的特点

以热能为补偿能量方式，结构简单，加工方便，没有运动部件，使用寿命长，固具有一定的使用价值，例如用于制取空调所需的冷量，但这种制冷机所需的工作蒸汽的压力高，喷射器的流动损失大，因而效率较低

蒸汽喷射式制冷机除采用水作为工作介质外，还可以用其它制冷剂做工作介质，如用低沸点的氟利昂制冷剂，可以获得更低的制冷温度，另外，将蒸汽喷射式制冷机中的喷射器于压缩机组合使用，喷射器作为压缩机入口前的增压器，这样可以用于制取更低的温度

第七章制冷装置的热交换设备

在蒸汽压缩式制冷系统中，除了压缩机和节流机构外，还有许多设备。这些按其在制冷系统中所起的作用，可分为2大类：一类便是热交换设备，包括冷凝器，蒸发器等，这些是完成制冷循环必不可少的设备。 本章主要介绍冷凝器的分类，各类冷凝器的特点和使用，蒸发器的分类以及各种蒸发器的特点和应用；中间冷却器、回热器、冷凝蒸发器、冷却水塔等的作用及工作原理等 一 热交换设备的概述

在各种形式的争气制冷机、吸收式制冷机及蒸汽喷射式制冷机中，除了起主导作用的压缩机外，还必须有一系列的辅助设备，制冷设备按他们在制冷系统中所起作用分为两类。一类是完成制冷循环所必不可少的设备，包括冷凝器、蒸发器、节流机构以及复叠式制冷机的冷凝蒸发器。吸收式制冷机的发生器，吸收器，溶液泵，喷射式制冷机的喷射器的。另一类辅助设备包括各种分离器储存容器及辅助换热器，它们的功用是改善制冷机的工作条件或提高制冷机的经济性以及安全可靠性。 二冷凝器

（一） 冷凝器的概述

在制冷机中，冷凝器是一个由制冷剂向外放热的热交换器，压缩机的排气（或经油分离器后）进入冷凝器后，将热量传递给周围介质—水或空气，制冷剂蒸汽冷却凝结为液体。冷凝器按其冷却介质和冷却方式，可分为水冷式、空气冷却式和蒸发及淋激式。 （二） 水冷式冷凝器 1卧室壳管式冷凝器

（1） 卧室壳管式冷凝器概述

卧式壳管式冷凝器系水平放置，在这种冷凝器中，制冷剂蒸汽是在管子外表面上冷凝，冷却水是在泵的作用下经管内流过，制冷剂蒸汽从上部进入壳管内，凝结成液体后由筒壳的下部流入贮液器中，它的两端用两个端盖封住，端壳内部用隔板分开，两个端盖的分隔要互相配合，以便使冷却能在管子内多次往返运动，冷却水每向一端流一次称为一个管程。管程数一般为双数，以便冷却水的进、出口设在同一端盖上。且冷却水从下面流进, 为提高整体的传热系数，现在卧室壳管式冷凝器向着增加长径比的方向发展，长径比大多控制在3~8之间，以减少垂直方向管子排数，冷却水温高，一般在4~6℃固节约用水 （2） 卧式冷凝器的选择

对于氨失冷凝器传热管一般采用25mm.32mm或38mm的无缝钢管。为了强化传热效果，还

采用螺纹管或横纹管，螺纹管由25mm×2.5mm光管轧制而成。在相同条件下的传热系数比光管提高40%以上，横纹管的传热系数比光管提高65%。氨卧式冷凝器传热系数可达800~1100W/m2k，热流密度q=4500~5000W/m2，相应条件为冷却水温升△t=4~6℃,单位面积冷水量0.5~0.9，水速为0.8~1.5m/s,传热管为光管。 对于氟利昂卧式冷凝器，它的传热管一般采用铜管，除了使用铜管外，还有大量使用低肋管。低肋管与光管相比，传热效果大为提高。在选择计算时，氟式卧式冷凝器传热系数一般取800~1200W/m2.k.传热密度q=5000~8000W/m2.相应条件为冷却水温升△t=4~6℃,传热温差为Qm=7~9℃,冷却水流速1.5~2.5m/s.低肋铜管，肋化系数≥3.5 （3） 特点及适用范围

适用于大中小型氨及氟利昂制冷装置，传热效果比立式好容易小型化，容易和其他设备组装，但冷却水要求高，冷却管易腐蚀。 2立式壳管式冷凝器 （1） 立式壳管式冷凝器概述

这种冷凝器直立安装，只用于大中型氨制冷机，同卧式相比立式客管式冷凝器不仅是直立安装，而且两端没有端盖，水及氨的流动方式也有所不同，氨蒸汽从冷凝器外壳的中部偏上（约为壳体高度的2/3处）进入圆筒内的管外空间，冷凝后的液体沿管外壁从上流下，和在冷凝器低部经出液管流入贮液器。冷却水从上部进入冷凝器管内，但水并不充满钢管的整个断面，而是在水分配器作用下呈膜状沿管内壁流下。 （2） 立式壳管式冷凝器的选择

冷凝器的传热管一般用51mm×3.5mm或38mm×3mm的无缝钢管，为了提高传热效果，国内曾进行过螺纹管实验。 在进行选择时，一般取传热系数k=700~900W/m2.k.热流密度为3500~4000W/m2,相应条件为：冷却水温升△t=2~3℃，传热温差Qm=4~6℃.单位面积冷却水量为1~1.7m3/m2.h.传热管用光钢管 （3） 特点及适用范围

适用于大中型氨制冷装置中，可装于室外，占地面积小，传热管容易清洗，但冷却水量大，体积教卧式大 3套装式冷凝器 （1） 套管式冷凝器概述

它由两种不同直径的管子套在一起组成，主要用于小型氟利昂空调中，一般用在单级制冷量小于25W的制冷机，制冷剂蒸汽从上方进入套管得空腔，在内管外表面上冷凝，液体在外管底部依次下流，从下端流入贮液器中，冷却水从冷凝器下方流入，流动方向是自下而上，与氟利昂流动方向相反，这样能实现比较理想的逆流换热，提高传热系数 （2） 套管式冷凝器的选择

冷凝器的传热管一般用Φ51mm×3.5mm或Φ38mm×3mm的无缝钢管，为了提高传热效果，国内曾进行过螺纹管试验

在选行选择时，一般取传热系数k=800~1200W/m2.k,热流密度q=7500~10000W/m2,冷却水流速1~2m/s，传热温差Qm=8~11℃,采用低肋铜管，肋化系数≥3.5。 （3） 特点及适用范围

适用于小型氟利昂或氨制冷装置中，传热系数较高，结构简单易制造，但冷却水流动阻力大，清洗困难。 4.螺旋板式冷凝器 （1） 螺旋板式冷凝器概述

它由本体和接管组成，本提部分又两张平行的钢板在专用卷板机上卷制而成为具有两个

螺旋通道的螺旋体。中心部分用隔板将两个通道隔开，通道的上下端分别加上顶盖，最外一圈通道端部焊上渐阔形冷却水进管，冷却水出口又引出。隔板隔开的另一侧焊上制冷剂蒸汽进口管，凝结的液体由底端几根出液管汇集于出液总管。 （三） 空气冷却式冷凝器 1.空气冷却式冷凝器概述

在空气冷却式冷凝器中，制冷剂冷凝放出的热量被空气带走，这种冷凝器多用于小型氟利昂制冷装置中，如电冰箱、冷藏柜、窗式空调器、汽车及铁路车辆用空调装置，冷藏车等移动式制冷装置

空气冷却式冷凝器一般为蛇管式，制冷剂蒸汽在管内冷凝，空气在管外流过。根据空气运动方式的不同又有自然对流式和强迫对流式之分。 2.自然对流式冷凝器

（1） 自然对流式冷凝器概述

主要依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂冷凝放出的热量带走，它的冷凝管多由紫铜管或表面镀铜的特制钢管组成，管子外径为5~8mm,主要用于家用冰箱或微型制冷装置中。

（2）自然对流式冷凝器特点及适用范围

自然对流式冷凝器用于小型氟利昂制冷系统中，它不需要冷却水，无噪声，不需动力，但体积庞大，制冷机功率消耗大 3. 强迫对流式冷凝器

（1）强迫对流式冷凝器概述

为了使冷凝器结构紧凑，通常由几根蛇形管并联在一起，做成长方形，氟利昂蒸汽从上部的分配集管进入每根蛇管中，凝结成的液体沿蛇管下流，汇于液体集管中，然后流入贮液器中，空气在风机作用下从管外掠过 （2） 强制对流式冷凝器的选择

近年来强制对流空气冷却式冷凝器广泛使用带翅片的内螺纹管，内螺纹管是在管子内表面上加工出许多细微的螺纹槽，槽深以0.2mm为易，螺旋角以100以上为佳

在进行选择时，一般取传热系数k=30~40W/m2.k,热流密度为250~300W/m2,迎面风速为2.5~3.5m/s，传热温差Qm=8~12℃,采用铝平翅片套铜管，冷凝温度与进风温度≥15℃。 （3） 特点及适用范围

适用于中小型氟利昂制冷装置中，不需要冷却水，不需水配管，可装于室外，节省机房面积，但体积大，传热面积大，制冷机功率消耗大。 （四） 蒸发淋激式冷凝器 1蒸发淋激式冷凝器

（1） 蒸发式冷凝器概述

在蒸发冷凝器中，制冷剂冷凝时放出的热量同时被水和空气带走，它的传热部分是一个由光管或肋片管组成的蛇形冷凝管组。制冷剂蒸汽由蒸汽分配管进入每根蛇形管，冷凝的液体则经集液管流入贮液器中。冷却水用水泵压送到冷凝器管的上方，经喷嘴喷淋到蛇形管组上面，沿冷凝管组的外表面流下，水受热后一部分变成蒸汽，其余的沿蛇形管外表面流入下部水盘内，经水泵再送至喷嘴循环使用

根据风机的不同位置，可分为吸入式和鼓风式 （2） 蒸发式冷凝器的选择

在对氨蒸发式冷凝器进行选择时，一般取传热系数k=600~800W/m2.k,热流密度q=1800~2500W/m2.响应条件为单位面积冷却水量0.12~0.16m3/m2h.补充水量为循环水量的5%~10%，传热温差Qm=2~3℃,单位面积通风量为300~340m3/m2.h,采用光钢管

（3） 特点及适用范围

适用于大中型氨及氟利昂制冷装置，冷却水耗量小，冷凝温度较低，但体积大，占地面积较大，清洗和维修困难。 2淋激式冷凝器

（1） 淋激式冷凝器概述

如图所示 氨整齐由下面的管子进入，氨液则由蛇形管的一端经排液管流入贮器中，冷却水由泵打入配水箱，再由配水箱分配给各组管上面的水槽内，经水槽下面的缝隙流到每组蛇形管顶端，沿蛇形管壁成末状流下，落入下部水池，再经冷却后循环使用，氨冷凝是依靠水在蛇形管外的温升和蒸发而吸热。 （2） 淋激式冷凝器的选择

在进行选择时，一般取传热系数k=600~750w/m2h, 热流密度q=3000~3500w/m2,相应条件为：单位面积冷却水量0.8~1.0m3/m2h,补充水量为循环量的10%~12%，采用光钢管，进口湿球温度为29℃。

（3） 特点及适用场合

适用于大、中型制冷装置中，制造方便，清洗维修方便，水质要求低，但占地面积大，金属耗量大，传热效果较差。 三 蒸发器

（一） 蒸发器的概述

蒸发器是制冷装置中另一种热交换设备，在蒸发器中，制冷剂液体在较低温度下沸腾，转变为蒸汽，并吸收被冷却物体或介质的热量，按被冷却介质特性可分为三大类，即冷却液体载冷剂的蒸发器，冷却空气的蒸发器和冷却固体物的接触式蒸发器 （二） 冷却液体载冷剂的蒸发器

1卧式壳管式蒸发器（满液式蒸发器） （1） 卧式壳管式蒸发器的概述

这种蒸发器的结构型式与卧式壳管式冷凝器基本相似，工作时壳内应充装相当数量的制冷剂液体，一般其静液面高度约为壳体直径的70%~80%，蒸发后的蒸汽从上部引出，载冷剂的进出口设在同一端盖上，从下方流入，在蒸发器管子内及端盖中往返流过多次，然后从上方流出，氨蒸发器传热管一般用无缝钢管，而氟利昂蒸发器多用铜管式滚扎翅片管。 （2）卧式壳式冷凝器的选择

对于氨式卧壳式冷凝器，当载冷剂为水时，传热系数k=500~700W/m2k,热流密度为q=3000~4000W/m2,当载冷剂为盐水时，k=450~600W/m2.k,q=2500~3000W/m2,同时，传热温差Qm=5~7℃,载冷剂流速1~1.5m/s,采用光钢管。

对于氟利昂式卧式壳管式冷凝器，当载冷剂为水时，k=800~1400W/m2.k,水速1.0~2.4m/s,低肋管，肋化系数≥3.5，当载冷剂为盐水时，k=500~750W/m2.k,传热温差Qm=4~16℃,载冷剂流速为1~1.5m/s,采用光铜管。 2 干式蒸发器

（1） 干式蒸发器概述

它实际上是管内蒸发的卧式壳管式蒸发器，其制冷剂液体充装量小，大约为管组内部容积的35~40%，而且制冷剂在汽化过程中不存在自由液面，工作时，制冷剂液体在蒸发器管内蒸发，而载冷剂在管外被冷却，为了增加管外载冷剂流速，在壳体内横跨管簇装设折流板，折流板常用的为圆缺形，一般为20块，采用奇数块，以便载冷剂进出口在蒸发器同侧，干式蒸发器的换热管一般用铜管制造，可以是光管，也可以是具有纵向肋片的内肋片管。 （2） 干式蒸发器的选择

干式蒸发器的传热管一般采用铜管制造，除采用光管外，还可以采用肋管铝内翅管，波

纹管和波纹状内肋管等，在进行选择时，一般取传热系数 k=800~1000W/m2.k,热流密度q=5000~7000W/m2,以水作为载冷剂时，传热温差Qm=4~8℃,水速1.0~1.5m/s. (3)特点及适用场合

适用于氟利昂制冷系统中，制冷剂不易冻结，回油方便，制冷剂充灌量小，但制造工艺复杂，不医清洗。

3 U形管式干式蒸发器概述

它的壳体，折流板等与直管式干式蒸发器完全一样，所不同的是它的管组是许多根具有不同弯曲半径U形管组成。U形管的开口端是膨胀或焊接在同一管板上。这种结构的优点是：管子两头在一块管板上，消除了因管子热胀冷缩所造成的热应力；缺点是：流程少（只有两个）、弯管工艺麻烦需要较多弯模、管组内部损坏不易更换。 4立管式蒸发器

（1）立管式蒸发器概述

这种蒸发器现在只用于氨制冷装置，所以蒸发管组全由无缝钢管制成，蒸发管组油上集管，下集管，直立管组成。直立管有粗细之分，中间立管较粗，侧立管较细，蒸发器的一端装有液体分离器，液冷剂进入下集管，沿侧立管上升并在其中吸热汽化，蒸汽经上集管液体分离器返回压缩机。液滴则经中立管返回下集管中，整个液体管束沉浸在盛有液体载冷剂的长方形水箱内。

(2) 立管式蒸发器的选择

当采用水作为载冷剂时，传热系数k=500~700W/m2.k,热流密度q=2500~3500W/m2,当采用盐水为载冷剂时，k=400~600W/m2.k, q=2200~3000W/m2,同时，传热温差Qm=4~6℃，载冷剂流速为0.3~0.7m/s. (3)特点及适用范围

适用于氨制冷系统，载冷剂冻结危险性小，有一定蓄冷能力，操作管理方便，但体积大，占地面积大，容易发生腐蚀，金属耗量大，易积油。 5螺旋管式蒸发器

它的总体结构和制冷剂的流动情况与直管式蒸发器相似，所不同之处是蒸发器的直立管被螺旋管所代替，它同样只适用于按8制冷系统，除了与直管式相同的优点外，它的结构简单，制造方便，体积、占地面积比立管式小，但维修比立管式麻烦 6 蛇管式蒸发器

这种蒸发器只适用于氟利昂制冷系统，它由若干组铜盘管绕成的蛇管组成，氟利昂液体经液体分配器，从蛇形管的上部进入，整齐由下部导出，这样可以保证润滑油返回压缩机中，这种蒸发器也是整体沉浸在水或盐水箱中，水或盐水在搅拌器作用下，在水箱内循环流动。对于蛇管式蒸发器，在有搅拌器作用下，并且以水作为载制冷剂时，传热系数k可达350~450W/m2.k,它适用于小型氟利昂制冷系统中，结构简单，制造方便，但管内制冷记流速低，传热效果差。

（三） 冷却空气的蒸发器 1 冷却排管

（1） 冷却排管的概述

冷却排管常用于冷库的冷藏库房及其它制冷装置中，其共同特点是制冷剂在管内蒸发。管外空气作自然对流，冷却排管按安装位置可分为抢排管，顶排管，搁架排管，按结构可分为立管式，横管式和蛇管式。 （2） 立管式墙排管

这种排管通常用于冻结物冷藏间，只适用于氨，排管材料一般采用57×3.5mm或38×2.2mm的无缝钢管。立管的高度为2000~2500mm,立管式墙排管的充氨量为排管容积的80%

左右，工作时氨液从下集管进入各立管中，在上升的过程中蒸发，蒸汽经上集管由回气管被压缩机抽走，这种排管构造简单，但是氨液充装量大，液体静压力对蒸发温度影响较大。 （3） 横管式墙排管

它是由两根竖立的直管，其间焊接许多横管所组成，氨液从一侧集管的下部进入蒸汽从另一侧集管的上部导出，这种排管可以绕上翅片，除霜较方便，传热效果良好，但容氨量大，压缩机容易发生湿冲程。 （4） 蛇管式强排管

对于氨用蛇管式墙排管，可分为光管和翅片管两种，管中心距分别为110和180mm,氨液由下部一侧进入，蒸发产生的气体顺蛇管上升于上部同侧引出，每根蛇管的长度不易过长，否则后段蛇管为蒸汽所充满，传热效果很差，一般来说，没一供液回路总长度不应超过120m；对于氨泵供液系统，因其循环量比蒸发量大得多，管壁经常被氨液湿润，不会产生过热部分，固其长度可达350m.

对于氟利昂用的墙排管，其供液方式为上进下出，便于溶解在氟利昂液体中的润滑油顺利返回压缩机 （5） 顶排管

顶排管是指装于库房顶板下的冷却排管，通常用于冻结物冷藏间和冰库，现在常用的顶排管型式有双层光滑顶管，四层光滑顶管，双层带翅片顶管，V形带翅片顶管。

双层顶管结构比较简单，每一组排管各有上下两根集管，下集管进液，上集管回气，在上下集管之间焊接长度为4~10m的U形管组，供液管接在下集管的底部，而回气管则接在上集管顶部。当管组的U形管多于40根时，一般要求有两个进液口和出气口，以保证每根U形管供液均匀。

四层光滑顶管是在上下集管之间设置四根蒸发器，实际上是每排管子上并列两根管子。 V形顶管一般由两根无缝钢管外绕翅片组成，根据库房需要由若干组并联，位于上部的管子弯成U形水平放置，两个开口部分与回气集管相接，位于下部的管子，一端与供液管相接，另一端与上部U形管封闭端的下部相接。 （6） 搁架排管

它是由多根蛇形管组成，每根蛇形管下端与进液集管相接，上端与回气集管相接，排管由矩形无缝钢管焊成。 2 空气冷却器 （1） 冷风机概述：冷风机是依靠风机强制室内空气通过冷风机的蒸发管组成。喷淋的载冷剂产生热交换，使空气冷却，从而达到降低室内温度的目的，可分为干式，湿式，混合式冷风机。

（2）干式空气冷却器 （落地式）

其外形为一个由型钢和钢板焊制成的长方形箱体，下部有进风口，顶部装有若干台通风机箱体内中部装有若干组绕有翅片的错排管簇，管簇上方设有冲霜水的喷淋管。下方设有一个接水盘和排水管，空气在通风机作用下自下而上垂直流过管簇。制冷剂液体由管簇的下集管进入，产生的蒸汽由上集管导出，这种空气冷却器按用途可分为三种型号：KLD型用于冻结物冷藏间，KLL型用于冷却物冷藏间，KLJ用于冻结间。 （吊顶式）

它由轴流风机，蒸发盘管，水盘，冲霜进水管，下水管等部分组成。整台设备吊装在库房内的天花板下，通风机从库房吸入升温后的空气，经蒸发器管组冷却后再吹出，循环不息，按送风形式有单面送风和双面送风两种。 （3）湿式空气冷却器

这种空气冷却器与干式空气冷却器的不同之处是空气在通风机的作用下与喷淋的冷水或冷盐水直接接触而换热，冷却后的空气，可在加热后，可在加热器中加热，以调整空气的温度和湿度，使之达到规定的要求目前大多数用于空调系统，在冷库中已很少见。 （4） 干，湿混合式空气冷却器

这种空气冷却器，除有冷却排放管外，还有冷盐水或冷水的喷淋，也装有加热器，容易控制空气的温湿度，也多用于空气调节系统。 （五） 平板冻结机中的蒸发器

它属于冷却固体物的接触式蒸发器，都做成平板式，根据平板安装位置可分为卧式和立式两种，液态制冷剂由平板的下部进入，蒸发产生的蒸汽由平板上部回气管导至回气总管被压缩机吸回。平板的进液管和回气管均采用无缝刚管，平板冻结器冻结速度快，冻品质量好，结构紧凑，占地面积小，钢材耗量少。 四其它换热设备 （一） 中间冷却器 1中冷概述

中间冷却器用于两极或多级压缩制冷系统中，它除了用来冷却低压级压缩机的排气外，还对进入蒸发器的制冷剂液体进行过冷。此外，对低压级排气也起着油分离器的作用，它连接在低压级的排气管与高压级吸气管之间。 2 氨用中间冷却器

它的壳体是用钢板焊制而成，上面有一个来自低压机的氨气进口管，由顶部深入到容器的内部，管端周围开有出气口，底部焊有底板，以免进入的氨气冲击容器底部，将沉积的润滑油冲起，通过氨液进口管提供中冷的氨液，吸收了来自低压机的过热氨蒸汽放出的热量和蛇形管内被冷却氨液的热量而汽化，汽化后的蒸汽随同低压机排气一同进入高压机，容器内有一组蛇管，贮液器来的高压氨液由蛇形管下部氨液进口管进入。在蛇形管中被冷却后再由氨液出口管排出，蛇管中氨液流速为0.4~0.7m/s,蛇管出口处，过冷氨液温度比中间压力下的饱和温度高3~5℃，由于中间冷却器是处在低温条件下工作，因此整个壳体外面需做隔热层，以减少冷量损失。 3氟用中间冷却器

以氟利昂为制冷剂时，两级压缩所用中冷如图所示，它的结构比较简单，容器内只有一组蛇形管，被冷却的液体在蛇形管中流动，节流后的中间液体进入容器后，吸收管内液体的热量而汽化，使蛇形管内液冷剂得到过冷，产生的蒸汽被高压机抽走。 （二） 回热器

回热器通常指氟利昂制冷机中的气液热交换器，这种热交换器对节流前的制冷剂液体是过冷器，而对蒸发器出口蒸汽则是过热器，回热器一般采用壳管式结构，为了提高其热交换能力，有时在蒸汽侧加肋片，热交换器外壳用无缝钢管制成，制冷剂液体在盘内流动，蒸汽在管间流动，内外流体逆相流动换热。 （三） 冷凝蒸发器

冷凝蒸发器用于复叠式制冷装置，它利用高温级制冷剂制取的冷量，使低温级压缩机排出的制冷剂蒸汽凝结，即是高温级循环的蒸发器，又是低温级循环的冷凝器，一般是中温制冷剂如R22在内管中蒸发。低温制冷剂如R13在内外管之间冷凝

如图所示，它是由一组套在一起的盘管，装在一个圆形的壳体中组成的，高温级制冷剂液体从筒体侧上部经液体分配器进入盘管内，蒸汽从侧部下端引出，低温级蒸汽由上部进入筒体，在盘管外冷凝，低温级的液体由下部引出。 （四） 冷却水塔 1 冷却水塔的作用

制冷系统和工业过程中产生的热量，必须导走并耗散掉，常用水作为一种将热量从冷凝器或工业换热器带走的传热介质。过去曾将水从水源直接抽入换热器，水带走热量后直接排放至下水道或水源，由于用水量的增加和处理费用的上升，从水厂买水带走热量是很不经济的，而且还会引起水源温度上升，破坏生态环境。

冷却塔的作用便是将挟带热量的冷却水在塔内与空气进行换热，使热量传输给空气并散入大气。

2 水的冷却原理

冷却踏冷却水的过程属热质传递过程。被冷却的水用喷嘴布水器或配水盘分配至冷却踏内部填料处，大大增加水与空气的接触面积。空气由风机强制气流，自然风或喷射的诱导效应而循环。部分水在等压条件下吸热而汽化，从而使周围的液态水温度下降。 3冷却塔的类型 （1） 喷射式冷却塔

如图所示为一种喷射式冷却水塔，热水通过蒸发和接触传热，将热量传给空气，冷却后的水落入集水池，这种踏同样可以装有填料，但不用风机，因而没有风机噪声。 （2） 干湿式冷却塔

它是将常规冷却塔的蒸发部分和翅片管换热器的干表面给结合起来（串联或并联）的冷却塔，用于减少雾气和节约水资源，在比较冷的天气下，被冷却塔排放的热湿气流密度特别大，在有些装置中为避免道路，桥梁及周围建筑的能见度低，排放该气流受到。 此类踏往往带一小型空气部件，以减少排除气流的相对湿度，从而使其产雾的可能性减至最小。 （3） 通风式冷却塔

这种冷却水塔型式虽然很多，但其共同点都是强制通风，不受自然风速的影响，可以设置在冷凝器附近，当风机使冷却塔内风速达2.5m/s时，水的蒸发过程强化，传热效果好，设备结构紧凑。

常见的为玻璃钢式冷却水塔

如图所示，它的淋水装置为薄膜式，通常用0.3~0.5mm厚的硬质聚氯乙烯塑料板压制成双面凸凹的波纹形，分一层和数层放入塔体内，淋洒下的水沿塑料片表面自上而下呈薄膜流动，配水系统为一种旋转式布水器，布水器各只关侧面上开有小孔，水由水泵压入各支管中，当水从各支管小孔喷出时，所产生的反作用里使布水器旋转，从而达到均匀布水的目的，轴流式风机装在塔顶，空气由集水池上部四周的百叶窗吸入，经填料层后从塔顶排出，与水逆向流动，冷却后的水落入集水池，从出水管排出后循环使用

第十章 制冷热交换器的计算

在制冷系统中，存在着各种热交换器，在设计和选用这些热交换器时，必须根据各种工况、热负荷、工作要求等进行选型计算。本章主要介绍各种热交换器的选型计算。包括冷凝器的选择和计算，蒸发器的选型和计算等。通过对本章的学习，能够达到对主要换热设备的进一步了解，掌握设计计算过程使用的方法 一．传热学基础

（一）导热的基本定律和公式

。傅里叶定律：热流密度与该事件同一处的温度梯度成正比，而方向与温度梯度的方向相

反，其数学表达式为At n 。热导率qt热导律是物体种单位温度梯度，单位时间通过单位面积的热量，它n表征物体导热能力的大小

。通过平臂的导热：设有一厚度为的无限大平壁，材料导热率为常量。平壁两侧恒定

温度为tw1,tw2，导热面积为A 则QAtw1tw2At tw1twn1对于多层平壁，总热流量为QAii1inAtw1twn1Ri1n （W）

i 式中 Ri为第i层平壁的热阻

因此，对于换热器应尽量减少其壁厚，同时也要减少或避免换热器中内外表面油膜污垢

霜层和积灰等厚度，以减少其热阻。

。通过圆筒壁导热 设有一长度为l,内外直径各为d1,d2的圆管壁。且ld2热导率

为常量，内外壁面温度为 tw1,tw2且 tw1tw2

且 QAq2rl 分离变量，积分得 Qdt drtw1tw2l （W）

12lnd2d1 对多层圆筒壁 q1tw1twn1 nd1lni1dii12i（W/m）

（二）对流换热

对流换热式流动了流体与固体壁面直接接触，当两者温度不同时，相互间发生的热量传递过

2程，基本公式为 QAtftw或qtftw式中为表面传热系数w/mk tf为流体温度（℃） tw 为壁面温度（℃）

影响对流换得的主要因素有流动引起的作用，流体流动速度，流体的物理性质，换热表面的几何尺寸等。

（三）传热过程及传热系数

Atf1tf2。通过平壁的传热 传热公式为QkAtf1tf2 （W） 1112 式中 tf1,tf2为平壁两侧流体的温度。1,2为内、外表面的对流换

热系数

1k, 分别为对流热阻和导热热阻。

11121为

传热系数

。通过圆管壁的传热 设内外直径分别为 长度为 管壁两侧对流换热系数为 介质温

度为tf1,tf2

则单位管长传热热阻和传热系数分别为

d2111Rlln1d12d12d21d1ln21d12d12d211

kL 以管外表面面积为计算面积，传热量为Qd2ltf1tf2d2dd12ln21d12d121d2dd12ln21d12d12

传热系数为k(四)传热地增强和减弱

。传热地增强：指提高换热设备单位面积的传热量，使换热设备达到 体积小重量减轻节省

用材的目的。

主要途径有：1）提高传热温差，2）提高传热系数k值，包括减少导热热阻，

减少对流换热热阻，在传热系数小的一侧加肋片，适当增加流体流速等。

。传热的削弱：削弱是为了减少热设备及其管道的热损失，节省能源。

主要途径有 1）覆盖热绝缘材料，常用的材料有岩棉，各种泡沫塑料，微孔硅

酸钙，珍珠岩等。2）改变表面状况，主要采用选择性涂层的方

法，削弱本身对环境的辐射热损失。

二．流体力学基础

(一) 流体动力学基本方程 。连续性方程 u1A1u2A2或u1A2 式中u1,u2为流体的平均流速 u2A1。伯努利方称 根据能量守恒定律，不可压缩流体在管内流动时，各处能量不变，单位体积

流体中能量E可用能量方程式表示为

EPu22gz常数

式中gz------流体流动的位能（Pa）

u22-----流体具有的动能 （Pa）

Pu22-------流体的全压 （Pa）

Z---------流体断面上任意一点相对于选定基准面高度 （m） 。不可压缩实际流体稳定流动能量方程 沿流向取1、2断面 P1d122gz1P22u22gz2h12

式中h12为单位体积流体流经断面1-2的平均能量损失或称水头损失（Pa） （二）管道的阻力计算

流体流动的总能量损失为hwhhfm

式中hf为沿程阻力 hm为局部阻力

lu2。沿程阻力计算 hf

d2 式中

为沿程阻力系数 l为管长（m） d 为圆管直径（m）

u 为圆管有效断面的平均流速（m/s）

。局部阻力计算 采用局部阻力系数法 hmu22 式中  称为局部阻力系数 可通过查表求得

（三）泵与风机

泵与风机就是使流体产生压力能的两种流体机械传送液体地为泵、输送气体的为风机。

泵与风机主要为轴流式和离心式两类，轴流式靠叶轮 高速旋转时，叶片对流体产生的升力提高流体的压力能，通常使用在流量相对较大，压力能相对较小的场合，李新实施靠也轮高速旋转时，叶片产生的惯性离心力提高流体的压力能，通常使用在流量相对较小，压力能相对较大的场合

泵的扬程H的定义是：泵所输送的单位重量流量的流体从进口至出口的能量增量，也就是单位重量流量的流体通过泵所获得的有效能量

表达式为 HZ2Z1P2P1V22V12 （m）

2g风机的压头 P 系指单位体积气体通过风机所获得的能量增量

风机的静压 Pj定义为风机全压 减去风机出口到压 即假设Z2Z1时有 PjP2P1V22

三。制冷设备中介质的放热过程及计算 （一）无集态改变时放热

1。流体在管内受迫流动时放热

管内流体流动情况多系旺盛的紊流或属于由层流到紊流的过渡状态，层流很少见 紊流放热过程准则式为 Nu0.023ReP0.0.X

4 适用范围 Re10 Pr0.7~2500的所有液体和气体

2。鲁提在管外横向受迫流动时放热

（1）流过光管管簇 流体流动方向与管子垂直 Re200~200,000时，第三排及其后

的管子平均放热系数为

对空气：顺排Nu=0.21Re0.65

错排Nu=0.37Re 对液体 顺排Nu=0.23Re 错排Nu=0.41Re0.60.65Pr0.33

0.6Pr0.33

计算出第三排及其以后管子的平均放热系数后，顺排和错排第一排皆乘以系数

错排第二排乘以n0.7，顺排乘以 n=0.9 （2）流过翅片管簇

ndb Nu=CReSf

0.54hfSf0.14 该式适用范围为Re=（3~25）10及

3db，hf为翅片高度（M）。 3~4.8 其中db为基管外径Sf为翅片节距（M）

Sf Nu和Re是以空气平均温度作定性温度，以翅片尺寸Sf为定型尺寸

SfSf 即Nu Re

v 其中是管面最窄面Amin上流速 即=

v Amin 3。光管外纵横向流动

液体在具有折流板的热交换器中的流动即属这一种情况，如干式蒸发器内被冷却

的载冷剂的流动

0.6 当Re<2×104时， 当筒体内壁镗削时Nu=0.25Re Pr0.33

不镗削时 Nu=0.22Re

0.66Pr0.33

它是以流体平均温度TM为定型温度，管子外径 d0为定型尺寸

而Re是按靠近壳体轴线的一排管子横流截面AC上流速WC和折流板缺口截面Ab

上流速Wb 的几何平均流速W

即 Wm =WbWC Re=

来计算

mWmd0 v 而Wb=

VC122 Ab=KbDi--nb×d0 Ab4VS AC=（Di—nCd0）Sb AC WC

式中 nb 是缺口内所含管子数 nc 是邻近壳体直径处管子数 4。流体在大容积内自由运动时放热

对于多根横（光滑管）的放热系数

t141.448d+n

02 mk 式中t 为空气温度tf与壁面温度tm温差 n为附加对流放热系数 其值查表 对于立式墙排外表面 0.157gav0.333t0.333 2

mk与f 的平均值，

式中，物性参数的定性温度为 tf

 为空气导热

系数  为空气的容积膨胀系数 a 为空气导温系数 g 为重力加速度

5。液体呈膜状流动时放热

在立管内呈膜状流动时放热，如立式壳管式冷凝器中的冷却水

G 2

mkUkg 式中G 为喷淋水量 , U 为管子湿周长 C 为水膜平均温度

n 管内水侧放热系数 iCtm 有关的系数

在水平管外呈膜状流动 如淋激式冷凝器管外的水

13G13 管外水侧放热系数 02172lnd

0 L为管长 n 为第一排管数 d0 为管外径 （二）液体沸腾时放热

对于几种常用的氟利昂制冷剂 管内平均放热系数为

0.20.6Gdqi iBdi0.6 式中 Gd 为一根管内制冷剂流量 qi 为按管子内表面计算的单位面积热

负荷 di 为管内径 B 为与制冷剂种类及蒸发温度有关系数

（三）蒸汽凝结时放热

1.蒸汽在水平管外凝结时放热

卧式管式冷凝器管外制冷剂蒸汽的冷凝属于此种情况

12g3144 00.725n 或 00.725nbud0tkt0114 d0tkt0

 ----凝结潜热，以冷凝温度 tk 查表8-6

2g314 b=u 以液膜平均温度 tm 为定性温度，其值查表8-6

 计算时先假设液膜平均温度tm ，然后进行计算应满足 tmm0.25否则重新假设tm ，n 为管排修正系数 nnm nm 为水平管

上下重叠的平均排数

2。蒸汽在垂直管外凝结时放热

立式壳管式冷凝器中制冷剂蒸汽的冷凝属于此种情况 当Re100时 Re=

qlH ql为单位管长热流量 H为总高m

mdpu

14114 当Re<100时 01.13b b

Htkt0 当Re>100时 00.16 查表8-6

14g2v13ReP1313

Re10063P

3。蒸汽在水平管内冷凝

在淋激式和蒸发式冷凝器中，制冷剂蒸汽都在水平管内冷凝 对于R12 R22 R142

114 可得 i0.683b

ditkt0四。光管式热交换器的计算 （一）传热公式及计算 1.传热方程的表达式

对于光管热交换器，其传热方程可表示为 Q=kifiQm=K0F0Qm () 式中 ki k0 为内外表面的传热系数 Fi F0 为内外表面的面积 2。传热系数的公式 ki=

1411i k0=

ifi1fi0fm0f01  2mk1f0f01i00ififm  2mk

式中 fm 为单位管长平均表面积 fi f0 为单位管长内、外表面积 i 0 为管内、外侧污垢系数 其值查表 3。用图解法计算 t0 和q0

配图 图8-2 P190 三个

应用图解法按外表面进行计算，是将管壁外表面温度 作为参变数，将传热方

程分解 q0=

Q0Q0 F0 q0=

QmQ0

1f0f00iffmii

式中 Q0 为管外放热温差

以 q0 为纵坐标 t 为横坐标画曲线，得曲线交点即为q0和t0 （二）流体流动阻力计算

1.卧式壳管式冷凝器即满液式蒸发器 P1L2N1.5N1 Pa 2di 式中 流体在管内流速  -密度 L-- 单根管长

N--- 流程数  沿程阻力系数 2。干式蒸发器

制冷剂在管内流动时总阻力

// P2~5RPm Pn

Pm//12//LgVN Pn 2di 式中 R 是两相流动阻力的换算系数

// Pm 为假定管内全为饱和蒸汽单相流动时沿程摩擦阻力

V 为制冷剂饱和蒸汽比容  为沿程摩擦阻力系数 （三）冷凝器设计计算

（1）冷凝器传热面积的确定 1）冷凝器热负荷Qc

这是指制冷剂蒸汽在冷凝器中排放出的总热量。一般情况下，它包括制冷剂在蒸发器中吸收的热量及在压缩过程中所获得的机械功。可用下式表示： QcQePi

// 式中， Qc--------- 冷凝器热负荷（kW）

Qe--------- 压缩机在计算工况下的制冷量（kW） Pi---------- 压缩机在计算工况下的消耗功率（kW）

冷凝器热负荷也可按循环热力计算确定 即

Qc =qmh2h3

式中 qm---------- 制冷剂的质量流量(kg/s) h2----------- 制冷剂进入冷凝器的比焓(kJ/kg) h3----------- 制冷剂出冷凝器的比焓(kJ/kg)

对单位压缩制冷循环，冷凝器热负荷Qc也可按下式近似计算

QcQe

式中 ---------- 冷凝器符合系数，其值与制冷剂种类及进行工况有关，具体数值由图8-21予以确定 2）冷凝器传热系数K 其值可按传热学中有关公式计算，或按冷凝器生产厂提供的资料选取，作为初步估算，也可采用经过实验验证，符合通常使用条件的推荐值 3）传热温差m 可按下式计算

mt2t1

tct1lntct2 式中 t1 ---------- 冷却介质进口温度 （℃） t2 --------- 冷却介质出口温度 （℃） tc --------- 冷凝温度 （℃） 传热温差也可按表8-8推荐值选取

4)冷凝器传热面积A 可按下式计算 AQcQc Kmq 式中 q --------- 热流密度 kW/m （2）冷却介质流量

2，其经验数据可按表8-8所列推荐值选取

3 1）水冷式冷凝器的冷却水流量 qVm/h 可按下式计算

qV

3.6Qccpt2t1

式中 Qc --------- 冷凝器热负荷（W）

 --------- 冷却水密度kg/m3 取1000kg/m3

cP --------- 冷却水比定压热容 kJ/kgK,取cP4.186kJ/kgK t1,t2 --------- 冷却水进、出冷凝器温度（℃）

3 2）空气冷却时冷凝器的空气流量 qVm/h 可用下式计算

 qV3.6QK

cpt2t1 式中 Qc---------- 冷凝器热负荷 （W）

---------- 空气密度 kg/m3 取 1.1kg/m3

cP---------- 空气比定压热容 kJ/kgK,取cP1.0056kJ/kgK t1,t2-------- 空气进出冷凝器温度（℃）

3）冷凝器冷却水的计算 对于卧式壳管式冷凝器，其冷却水的流速可按下式计算 4qVz (8-8) 23600d1n ---------- 冷却水在管内流速(m/s)

3 qV--------- 冷却水循环量m/h

z--------- 冷却水流程数 d1--------- 传热管内径(m) n------------ 传热管总根数. 冷却水的总流动阻力可用以下经验公式求得 pL12fz1.5(z1) 2di 式中 p----------- 冷凝器冷却水的流动阻力

------------- 冷却水的密度]

------------- 冷却水流速

L------------- 传热管长度 di------------- 传热管内径 z-------------- 冷凝器流程数

f-------------- 与冷凝器传热污垢和绝对粗糙度有关的摩擦阻力系数

025 f0.178bdi

式中 b ---- 系数，钢管 b=0.098 ，铜管 b=0.075 （四）干式蒸发器的设计计算 1.蒸发器形式的选择，主要是从生产工艺和供冷方式来考虑。对于自带冷源的空气调节机组，应采用翅片式蒸发器；对于不挥发载冷剂的开式循环系统，可采用水箱式（沉浸式）蒸发器；对于具有挥发性的载冷剂循环系统，或采用闭式循环的集中空调冷水系统，应采用卧式壳管式蒸发器。 2.蒸发器选择计算

（1）蒸发器传热面积的确定

1）制冷量Q0。制冷量即蒸发器的热负荷，一般是给定的，也可根据生产工艺或空调符合进行计算，或根据制冷压缩机的制冷量来确定，同时应考虑到冷损耗和裕度等

2）蒸发器的传热系数Ｋ和热流密度q0蒸发器的传热系数可Ｋ按传热学公式进行计算，或按蒸发器生产厂提供的资料进行选取。作为初步估算也可采用经实际验证的推荐数值。各种蒸发器的传热系数Ｋ和热流密度qf的推荐值见表8-20 3）传热温差：m 可按表８－２０选取，或按下式进行计算

mt1t2

t1telnt2te 式中 t1--------- 载冷剂进口温度（℃） t2--------- 载冷剂出口温度（℃） te---------- 蒸发温度 （℃） 4）传热面积 Am。可按下式计算：

2 AQeQe Kmqf2 式中 q--------- 热流密度（kW/m）

3（2）蒸发器中载冷剂流量 对于液体载冷剂流量 qVm/h 为

 qV3.6Qe

cPt1t23 对于空气载冷剂流量qVm/h 为

 qV3.6Qe

h1h2 式中 t1,t2---------- 液体载冷剂进、出口温度（℃） h1,h2--------- 空气进出、口比焓 (kJ/kg)

--------- 载冷剂密度kg/m3

cP--------- 液体载冷剂比定压热容kJ/kgK Qe--------- 制冷量(kW) 五。翅片管热交换器的计算

（一）带翅表面传热过程分析 1.翅片表面传热及翅片效率 翅片表面对刘欢热量 Qf=FfQfFffQ0 fQfQ0

其中f 称为翅片效率 它是二次表面传热温差 Qf 与一次表面传热温差 之比

1）平板壁上等厚平直翅片

20fthml f 而m=式中l为传导距离 m为翅片参数 f翅厚 fml 2）圆管外表面等厚圆形及多角形翅片 fthMb1 式中bdb 为校正系数

mb2 2。带翅表面的传热及表面效率

（1）表面效率的定义

设一次表面换热量为 Qb 二次表面为Qf 则总换热量 Q=Qb+Qf=0fFbQ00fFffQ0

设带翅表面总面积FtFbFf 则

Q=0fFbFffQ0=

0fFtFbFffQFt0=0fFtsQ0

其中 s 成为表面效率

（2）带翅表面传热系数 Kof11ftft11i0fffms0fii

是去掉翅片后单位管长的平均表面积，与翅片形式及尺寸无关 （二）冷风机蒸发器的设计计算 1.干式冷却

图8-7 a P212

如图所示，当蒸发器管外壁面温度tw 高于进入空气的露点温度时，空气只是单纯被冷却，而无水分析出称为干式冷却

2。湿式冷却

如图所示 图8-7 b P212

当蒸发器外壁面温度tw 低于进入空气的露点温度时 t 空气中水蒸气就会凝结析出，此时空气不但被冷却了，而且也被干燥了，其冷却过程沿1-w连线进行，在空调、制冷、去湿机的蒸发器中，都是这种冷却过程

3。传热公式

对于湿式冷却 传热系数 Kof=

e

f1ft1iififmsof 式中e 为考虑水膜或冰壳对传热系数影响 一般取0.8-0.9

为析湿系数 =

II2C(t1t2)/P

而CP=1.004+1.96/dm 1000/ 其中CP 为湿空气比热 dm 为空气在冷风机内的平均含湿量 （三）典型例题分析 P215-P220