蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)

蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日液體汽化時要吸收熱量，此熱量稱為汽化潛熱。汽化潛熱來自被冷卻對象，使被冷卻對象變冷。為了使這一過程連續(xù)進行，就必須從容器中不斷地抽走蒸汽，并使其凝結成液體后再回到容器中去。從容器中抽出的蒸汽如直接冷凝成蒸汽，則所需冷卻介質的溫度比液體的蒸發(fā)溫度還要低，我們希望蒸汽的冷凝是在常溫下進行，因此需要將蒸汽的壓力提高到常溫下的飽和壓力。制冷工質將在低溫、低壓下蒸發(fā)，產生冷效應；并在常溫、高壓下冷凝，向周圍環(huán)境或冷卻介質放出熱量。蒸汽在常溫、高壓下冷凝后變?yōu)楦邏阂后w，還需要將其壓力降低到蒸發(fā)壓力后才能進入容器。液體汽化制冷循環(huán)是由工質汽化、蒸汽升壓、高壓蒸汽冷凝、高壓液體降壓四個過程組成。第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日壓焓圖為一熱力狀態(tài)圖。圖中縱坐標表示絕對壓力的對數lnp，橫坐標表示焓值h。壓焓圖二、壓焓圖第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日圖中臨界點k左邊的粗實線為飽和液體線，線上的任何一點代表一個飽和液體狀態(tài)，干度x=0；右邊的粗實線為干飽和蒸汽線，線上任何一點代表一個飽和蒸汽狀態(tài)，干度x=1。這兩條曲線將圖形分為三個區(qū)域：飽和液體線的左邊是過冷液體區(qū)，該區(qū)域的液體稱為過冷液體，過冷液體的溫度低于同一壓力下飽和液體的溫度；干飽和線的右邊是過熱蒸汽區(qū)，該區(qū)域內的蒸汽稱為過熱蒸汽，過熱蒸汽的溫度高于同一壓力下飽和蒸汽的溫度；兩條線之間的區(qū)域為兩相區(qū)，制冷劑在該區(qū)域處于汽、液混合狀態(tài)（濕蒸汽狀態(tài)）。第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日圖中共有六種等參數線簇：等壓線p—水平線；等焓線h—鉛垂線；等溫線t—液態(tài)區(qū)幾乎為鉛垂線。兩相區(qū)內由于制冷劑的狀態(tài)變化是在等壓等溫下進行，與等壓線重合，為水平線。過熱蒸汽區(qū)為向右下方彎曲的傾斜線；等熵線s—向右上方傾斜的實線；等容線v—向右上方傾斜的虛線，但比等熵線平坦等干度線x—只存在于濕蒸汽區(qū)域內，其方向大致與飽和液體線或飽和蒸汽線相近，視干度大小而定。第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日對于理論循環(huán)，離開蒸發(fā)器、進入壓縮機的制冷劑蒸汽是處于蒸發(fā)壓力下的飽和蒸汽；離開冷凝器和進入膨脹閥的液體是冷凝壓力下的飽和液體；等熵過程：制冷劑在壓縮機中壓縮是等熵過程；等壓過程：制冷劑在冷卻及冷凝過程為等壓過程等焓過程：制冷劑通過膨脹閥節(jié)流時，節(jié)流前后焓值相等：等溫過程：制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中沒壓力損失。第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日點2表示表示制冷劑出壓縮機、進入冷凝器時的狀態(tài)。過程線1-2表示制冷劑蒸汽在壓縮機中的等熵壓縮過程（s1=s2），壓力由蒸發(fā)壓力p0壓縮到冷凝壓力pk。等熵線與于壓力為冷凝壓力pk等壓線的交點為2點。壓縮過程中外界對制冷劑作功，使制冷劑溫度增加，2點處于過熱蒸汽狀態(tài)。點1表示制冷劑出蒸發(fā)器、進入壓縮機時的狀態(tài)。對應于蒸發(fā)溫度t0的飽和蒸汽。根據壓力和飽和溫度的關系，該點應處于與蒸發(fā)壓力p0相對應的等壓線與飽和蒸汽線（x=0）的交點上。第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日點3表示制冷劑出冷凝器、進膨脹閥的狀態(tài)，位于與冷凝溫度tk相對應的飽和液體線上。過程2-2′-3表示制冷劑蒸汽在冷凝器中冷卻（2-2′）和冷凝（2′-3）的過程。由于這個過程是在冷凝壓力pk不變的情況下進行的，為等壓過程。進入冷凝器的過熱蒸汽首先將一部分熱量放給外界冷卻介質，在等壓下變成飽和蒸汽（點2′），然后再在等壓、等溫下繼續(xù)放出熱量，直至最后冷凝成飽和液體（點3）。壓力為pk的等壓線與干度x=0的飽和液體線的交點即為點3的狀態(tài)。第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日點4表示制冷劑出節(jié)流閥、進蒸發(fā)器的狀態(tài)。過程線3-4表示制冷劑通過節(jié)流閥的節(jié)流過程。在這一過程中，制冷劑的壓力由冷凝壓力pk降低到蒸發(fā)壓力p0，溫度由冷凝溫度tk降低到蒸發(fā)溫度t0，并進入兩相區(qū)。由于節(jié)流前后制冷劑的焓值不變，過程3-4為等焓過程。

由點3作等焓線與等壓線p0的交點即為點4的狀態(tài)，由于節(jié)流過程是不可逆的，所以用一虛線表示。第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日過程4-1表示制冷劑在蒸發(fā)器中的汽化過程。這一過程是在等溫、等壓（溫度為t0、壓力為p0）下進行的，液體制冷劑吸收被冷卻對象的熱量而不斷汽化，其狀態(tài)沿等壓線p0向干度增大的方向變化，直到全部變?yōu)轱柡驼羝麨橹?。制冷劑的狀態(tài)又變回到進入壓縮機前的狀態(tài)點1，完成了一個完整的循環(huán)。第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日§

2蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的構成壓縮機熱交換設備節(jié)流機構管道各種控制閥輔助部件蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的構成第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日單級蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成，用管道連接成一封閉系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動。制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻對象的熱量并沸騰汽化成蒸汽，與之相對應的壓力P0稱為蒸發(fā)壓力，溫度t0稱為蒸發(fā)溫度；壓縮機不斷地抽吸蒸發(fā)器中產生的蒸汽并將其壓縮到冷凝壓力Pk，然后送往冷凝器，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)圖在冷凝壓力下冷凝成液體，并將放出的熱量傳給了冷卻介質（水或空氣）。一、蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的組成第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日壓縮式制冷系統(tǒng)的心臟主機有用能的輸入制冷劑在系統(tǒng)中的循環(huán)流動整機性能可靠性壽命噪聲1.壓縮機第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日與冷凝壓力相對應的溫度tk稱為冷凝溫度，tk一定要高于冷卻介質的溫度；冷凝后的高壓液體通過膨脹閥或節(jié)流元件使其壓力從冷凝壓力pk降低到蒸發(fā)壓力p0，使部分液體汽化，剩余液體溫度降至t0；離開膨脹閥的制冷劑變?yōu)闇囟葹閠0的汽液混合物?；旌衔镏械囊后w在蒸發(fā)器中從被冷卻對象中吸收他所需要的蒸發(fā)熱，使被冷卻對象冷卻；混合物中的蒸汽通常稱為閃發(fā)蒸汽，不起吸熱作用。在整個循環(huán)過程中，壓縮機起著壓縮和輸送制冷劑蒸汽和造成蒸發(fā)器中低壓的作用，推動系統(tǒng)循環(huán)，是整個系統(tǒng)的心臟；節(jié)流閥對制冷劑起著節(jié)流降壓的作用，并用作調節(jié)進入蒸發(fā)器的制冷劑流量；蒸發(fā)器是輸出冷量的設備，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻對象的熱量，達到制冷的目的；冷凝器是輸出熱量的設備，制冷劑從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗的功所轉化的熱量在冷凝器中一起被冷卻介質帶走。第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)根據熱力學第二定律，壓縮機消耗的功起了補償作用，使制冷劑不斷從低溫熱源吸取熱量，并不斷向高溫熱源放出熱量，從而完成整個制冷循環(huán)。

第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日活塞式壓縮機

機體（曲軸箱）氣缸活塞吸、排氣閥曲軸連桿機構組成第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日活塞式壓縮機有以下特點：①作往復運動，轉速不宜太高②氣缸工作腔有余隙容積③氣缸工作腔必須設置吸、排氣閥，使吸、排氣過程產生阻力損失④結構復雜，零部件多。⑤往復式壓縮機不允許吸氣帶液第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.熱交換設備

制冷系統(tǒng)的熱交換設備主要是冷凝器和蒸發(fā)器，它們是制冷劑與外部熱源介質之間發(fā)生熱交換的設備

第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日1）冷凝器

用冷凝器將制冷劑從低溫熱源吸收的熱量及壓縮后增加的熱焓排放到高溫熱源。冷凝器按冷卻方式空氣冷卻式冷凝器中根據管外空氣流動方式空氣冷卻式水冷式蒸發(fā)冷卻式自然對流空氣冷卻式冷凝器強制對流空氣冷卻式冷凝器第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日自然對流空氣冷卻式冷凝器1-肋片2-傳熱管3-上封板4-左端板5-進氣集管6-彎頭7-出液集管8-下封板9-前封板10-通風機11-裝配螺釘空氣強制對流冷凝器第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日氨臥式殼管式冷凝器氟利昂套管式冷凝器第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日2）蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是制冷機中的冷量輸出設備。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，吸收低溫熱源介質（水或空氣）的熱量，達到制冷的目的。

第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日冷卻空氣的蒸發(fā)器空氣自然對流時多采用光盤管結構空氣強制對流時采用翅片管結構殼管式沉沒式

冷卻液體（水或其它液體載冷劑）的蒸發(fā)器第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日臥式滿液式蒸發(fā)器結構干式殼管蒸發(fā)器第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日空氣強制對流的蒸發(fā)器及其肋片管型式a)蒸發(fā)器b)繞片管c)套片管1-傳熱管2-肋片3-擋板4-通風機5-集氣管6-分液器

第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.節(jié)流機構

節(jié)流機構是實現(xiàn)制冷循環(huán)系統(tǒng)必須的四個基本組成部件之一，安裝在冷凝器與蒸發(fā)器之間。作用為：對制冷劑的流動起調節(jié)作用，使來自冷凝器的高壓液態(tài)制冷劑壓力降低控制進入蒸發(fā)器的制冷劑質流率第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日1）毛細管

毛細管用在小型而且不需要精確調節(jié)流量的制冷裝置。家用冰箱冷柜房間空調器簡單便宜便于大批量生產應用特點第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2）手動膨脹閥

通常與其它控制元件配合使用，一般只在短時期內使用，例如在冷凍初期輔助送液，或者在自動膨脹閥出故障時作為旁路備用閥。

3）定壓膨脹閥

從保持蒸發(fā)壓力恒定為目的，自動調節(jié)蒸發(fā)器供液量。其結構原理是：由設定彈簧力和蒸發(fā)壓力產生的流體壓力之差提供閥打開方向的驅動力。當蒸發(fā)壓力降低時，閥開大，供液量增多，以補償蒸發(fā)壓力的下降；當蒸發(fā)壓力升高時，閥關小，供液量減少，抑制蒸發(fā)壓力上升。第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日4）浮球閥

用液位控制供液量。以浮球—杠桿機構產生閥動作的驅動力。根據制冷機的情況，又分兩種。對于制冷劑液體主要在高壓側（冷凝器或高壓貯液器）的制冷機，采用高壓浮球閥。它的浮球感受冷凝器或高壓貯液器的液位。當液位升高時，閥開大，增大蒸發(fā)器供液量；當液位降低時，閥關小，減少供液量。第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日4.管道

用管道將制冷機各組成部件連接成一個完整的制冷系統(tǒng)，使制冷劑在封閉的系統(tǒng)中循環(huán)。制冷劑管道應考慮的問題：管道的材質應與制冷劑相容管道與管道、管道與設備連接處必須可靠密封，采用焊接或可拆連接（法蘭或螺絲連接）連接處采用密封材料時，密封材料也必須與制冷劑相容管道與外界環(huán)境接觸，將與管內制冷劑發(fā)生熱交換制冷劑在管道中流動會產生管道壓降第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日5.其它部件四個主要部件壓縮機冷凝器節(jié)流件蒸發(fā)器不可缺少管道附加凈化貯集分離設備⒈過濾器

⒉干燥器⒊貯液器⒋集油器⒌油分離器⒍空氣分離器第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日§3制冷劑和載冷劑一、制冷劑的選用原則

只有在工作溫度范圍內能夠汽化和凝結的物質才有可能作為制冷劑使用。第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日1.制冷劑熱力學性質

(1)工作溫度范圍內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高冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過大(4)等熵壓縮終了溫度t2不能太高，以免潤滑條件惡化或制冷劑自身在高溫下分解。第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.物理化學性質方面

(3)無毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。(4)化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。(5)對大氣環(huán)境無破壞作用。

原料來源充足，制造工藝簡單，價格便宜。(1)粘度、密度盡量小。

(2)

導熱系數大，可提高傳熱系數，減少傳熱面積。第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、制冷劑制冷劑按其化學組成主要有三類

無機物氟里昂碳氫化合物第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日字母“R”和它后面的一組數字或字母表示制冷劑根據制冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫1.無機化合物

2.氟里昂和烷烴類簡寫符號規(guī)定為R7()()括號中填入的數字是該無機物分子量的整數部分。簡寫符號規(guī)定為R(m-1)(n+1)(x)B(z)數值為零時省略不寫，同分異構體則在其最后加小寫英文字母以示區(qū)別。編寫規(guī)則制冷劑的簡寫符號第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、制冷劑的物理化學性質及其應用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分解出極毒的光氣。第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日(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。2.熱穩(wěn)定性制冷劑在正常運轉條件下不發(fā)生裂解。在溫度較高又有油、鋼鐵、銅存在長時間使用會發(fā)生變質甚至熱解。爆炸極限第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日“冰堵現(xiàn)象”

當溫度降到0℃以下時，水結成冰而堵塞節(jié)流閥或毛細管的通道形成“冰堵”，致使制冷機不能正常工作。泄漏性氨有強烈臭氣，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色無臭，鹵素噴燈和電子檢漏儀檢漏第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日

沸點-33.3℃，凝固點-77.9℃單位容積制冷量大粘性小，傳熱性好，流動阻力小毒性較大，有一定的可燃性氨蒸氣無色，具有強烈的刺激性臭味氨液飛濺到皮膚上會引起腫脹甚至凍傷氨系統(tǒng)中有水分會加劇對金屬腐蝕，同時減小制冷量。以任意比與水互溶但在礦物潤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可能爆炸氨液比重比礦物潤滑油小，油沉積下部需定期放出在氨制冷機中不用銅和銅合金材料(磷青銅除外)

四、常用制冷劑1.無機物氨第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸點-29.8℃，凝固點-158℃。無色，有較弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系統(tǒng)里應嚴格限制含水量，一般規(guī)定不得超過0.001%常用溫度范圍內能與礦物性潤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2%鋁鎂合金。(2)R134a（四氟乙烷CH2FCF3）毒性低，不可燃，安全。與礦物潤滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯類?；瘜W穩(wěn)定性很好，溶水性比R12好，對系統(tǒng)干燥和清潔性要求更高，用與R12不同的干燥劑。第四十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日五、載冷劑當蒸發(fā)器距離被冷卻對象較遠，或在氨制冷系統(tǒng)中為了避免制冷劑對被冷卻對象造成污染，可利用載冷劑來傳遞冷量。載冷劑先在蒸發(fā)器中與制冷劑發(fā)生熱量交換獲得冷量，將獲得的冷量貯存于冷媒罐中，用泵輸送到需要冷量的地方，對被冷卻對象進行冷卻，這種冷卻方式稱為間接蒸發(fā)式冷卻。在葡萄酒生產中，大多采用這種供冷方式。采用載冷劑供冷的優(yōu)點在于可將制冷劑的使用限制