制冷基础
一、冷却的概念及人工制冷
1、冷却的基本概念
冷却的过程伴随着物体本身热能的减少。
自热冷却的程度受周围介质的影响，冷却的极限温度不可能低于周围介质的温度。要想把某一物体的温度降到低于周围介质的温度，只能借助于人工冷却的方法，即：人工制冷。
2、人工制冷
人工制冷：就是通过消耗一定的外功，利用不同的制冷方式，使被冷却的物体温度下降到低于周围介质温度的某一预定温度。
普冷技术：利用人工制冷所制取的温度不低于120K（-153.15℃）时，称为普冷技术。
深冷技术：利用人工制冷制取的温度范围在120K至绝对温度零度（-273.15℃）的制冷技术称为深冷技术。人工制冷所采用的制冷方式，按制冷原理分，主要有以下5种：（1）高压气体膨胀制冷
使常温下的高压气体在膨胀机中绝热膨胀，达到较低的温度，再让气体复热，即可产生冷量，而对被冷却物体制冷。
（2）液体蒸发制冷
电动牙刷结构使常温下的冷凝液体经过节流降压，达到较低的温度，再让液体在低压下蒸发，即可产生冷量，而对被冷却物体制冷。
（3）气体涡流制冷
使常温下的高压气体在涡流管中分流，分离出冷、热两股气流，再让冷气流复热，即可产生冷量，而对被冷却物体制冷。
（4）半导体制冷
用导电片将N型半导体和P型半导体串联起来，构成电偶，接在直流电路中，电流便由N型半导体流向P型半导体，从而在电偶的一端产生吸热现象，另一端产生放热现象，利用电偶吸热的一端产生的冷量而对被冷却物体制冷。
（5）化学方法制冷
利用有吸热效应的化学反应过程，可产生冷量而对被冷却物体制冷。
3、常用的几种制冷系统
人工制冷所采用的方式，按制冷系统分主要由4种：
（1）压缩式制冷系统
依靠压缩机提高制冷剂的压力，以实现制冷循环的系统称为压缩式制冷系统，主要由压缩机、冷凝器、节流或膨胀装置、蒸发器等组成封闭的制冷循环系统，制冷剂在系统中循环工作。 （2）吸收式制冷系统
依靠吸收器——发生器组的作用完成制冷剂和吸收剂之间的热交换，从而实现制冷循环的制冷系统，主要由发生器、吸收器、冷凝器、节流装置，蒸发器组成封闭系统，二元溶液工质在系统内循环工作，其中低沸点组份作为制冷剂用以蒸发制冷，高沸点组份作为吸收剂，利用其对制冷剂蒸气的吸收作用完成工作循环。 （3）蒸气喷射式制冷系统
电磁感应采暖炉（4）半导体制冷系统
目前家用电冰箱和空调器的制冷系统普遍采用蒸气压缩式制冷系统，而吸收式制冷系统和蒸汽喷射式制冷系统也均以液体蒸发制冷原理为基础，所以我们重点对蒸气压缩式制冷原理进行研究和探讨。
4、蒸气压缩式制冷原理
蒸气压缩式制冷就是根据物质相变过程中能吸收或放出较多热量、相变温度又会随压力条件变化的物理特性，压缩机将制冷剂蒸气压缩成高压高温过热蒸气，经过冷凝、节流后变成低压低温液体，吸收被冷却物质的热量而产生汽化，变成蒸气再被压缩机压缩，如此不停地循环，不断地将被冷却物质的热量转移出去，从而达到对被冷却物质制冷的目的。由于制冷的循环是通过压缩机对制冷剂蒸气所做的压缩功来实现的，所以称作蒸气压缩式制冷。
二、制冷剂的有关知识
制冷剂是制冷系统中完成制冷循环的工作介质，又称制冷工质。制冷剂在蒸发器内吸收被冷却对象的热量而蒸发汽化，在冷凝器中将热量传递给周围介质而冷凝成液体，制冷系统就是利用制冷剂的状态变化过程中的吸、放热现象达到制冷目的的，制冷系统所产生的冷量就是制冷剂的汽化潜热。
1、制冷剂热力状态的术语
（1）饱和状态
制冷剂在一定压力和温度下气、液两相处于动态平衡时的状态称为饱和状态。动态平衡是建立在一定的温度及压力条件下的，如果温度或压力改变时，平衡条件就会受到破坏，经过一段时间后，又会达到新的平衡，出现新的饱和状态。
（2）饱和温度
制冷剂处于饱和状态时的温度称作饱和温度。
（3）饱和压力
制冷剂处于饱和状态时的压力称作饱和压力。
（4）饱和液体
制冷剂在一定压力下具有饱和温度的液体称作饱和液体。
（5）干饱和蒸气
制冷剂在一定压力下具有饱和温度的蒸气称作干饱和蒸气。
（6）湿蒸气
处于饱和状态下的制冷剂气、液混合物称作湿蒸气，它是由干饱和蒸气和许多细小的液体微滴组成的。
（7）干度
制冷剂湿蒸气中含有干饱和蒸气的比例。
（8）过热蒸气
比干饱和蒸气在相同压力下具有更高温度的蒸气称作过热蒸气。
（9）过热度
过热蒸气与干饱和蒸气的温度差称作过热度。
（10）过冷液体
比饱和液体在相同压力下具有更低温度的液体称作过冷液体。
（11）过冷度
过冷液体与饱和液体的温度差称作过冷度。
（12）临界状态
随着蒸气压力的升高，蒸气的比容逐渐接近于其液体的比容，当压力增高到某一值时，饱和蒸气和饱和液体之间就没有明显的区别了，这种状态称为临界状态。
（13）临界点
临界状态所处的状态点称作临界点。
每一种气体都有自己的临界点。
临界点对气体的液化有着非常重大的意义。在临界点以上的蒸气，无论施加多大的压力，都不会使其达到液化。
（14）临界温度、临界压力、临界比容
各种气体，对应于其各自的临界点的温度、压力和比容，分别称作临界温度、临界压力、临界比容。
2、制冷剂的选择要求
（1）制冷剂的工作温度和工作压力要适中
在大气压力下，制冷剂的蒸发温度要足够低，以满足冷却的温度要求；
在常温下，制冷剂要有比较低的冷凝压力，因为冷凝压力过高时对制冷系统的密封性能剂结构强度要求就高。一般要求制冷剂的冷凝压力为：12×105 ~ 15×105 Pa；
在常温下，制冷剂要有比较高的蒸发压力，因为如果蒸发器内的压力低于大气压力时，外界的空气容易通过缝隙进入制冷系统，使系统中的压力升高，减少制冷量，增加功耗。同时空气中的水分会造成制冷系统产生冰堵及其它恶果。
（2）制冷剂要有比较大的单位容积制冷量
同一规格的制冷设备，当选用的制冷剂单位容积制冷量大时，可以获得较大的制冷量。
在同一工况下，当制冷量一定时，制冷剂的单位容积制冷量大，就可以减少系统的制冷剂容积，也可以相应的缩小压缩机的尺寸。
（3）制冷剂的临界温度要高，凝固点要低
临界温度高，便于制冷剂在环境温度下冷凝称液体；凝固点低，可以制取较低的温度，扩大制冷剂的使用温度范围，减少节流损失，提高制冷系数。
（4）制冷剂的粘度和密度要尽量小
粘度和密度小，可以使系统中制冷剂循环的流阻小，降低循环耗功量，适当的缩小管道口径，并允许管路有较小的弯曲半径（而这一点对于降低蒸发器的压力损失是非常重要的），还能减轻制冷机对压缩机中阀组的冲击力，延长压缩机的使用寿命。
（5）制冷剂的导热系数和放热系数要高
导热系数和放热系数高，可以适当减小制冷系统中换热器的结构，并可提高换热器的换热效率。
（6）对制冷剂其它方面的要求
不燃烧、不爆炸、无毒、无腐蚀性作用、价格适宜、易于购买等。
3、制冷剂的分类
制冷剂按常温下冷凝压力的大小和在大气压力下蒸发温度的高低，可分成三大类：（1）低压高温制冷剂
蒸发温度高于0℃，冷凝压力低于29.41995×104Pa。
（2）中压中温制冷剂
蒸发温度-50 ~ 0℃，冷凝压力（196.113 ~ 29.41995）×104Pa。
（3）高压低温制冷剂
蒸发温度低于-50℃，冷凝压力高于196.133×104Pa。
4、制冷剂的命名与代号
制冷剂的代号最早是针对氟里昂而规定的，目前世界上通用的是美国供暖制冷工程协会于1967年制定的标准（ASHRAE Standard 34-67）中的规定。这一标准的编号方法是将制冷剂的代号同它的种属和化学构成联系起来，只要知道它的化学分子式，就可以写出它的代号。代号是由字母“R”和其后边的数字组成的。
（1）无机化合物类制冷剂
代号中字母“R”后边的第一个数字是“7”，7后边的数字为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后边加上一个a，b，c，……字母加以区别。
（2）氟里昂制冷剂
氟里昂是饱和碳氢化合物（烷族）的卤族元素的衍生物的总称。
饱和碳氢化合物的分子式是：CmH2m+2 ，当H2m+2 被氟、氯或溴等部分或全部取代后，所得的衍生物就是CmHnFxClyBrz ，这就是氟里昂的分子通式，且n+x+y+z = 2m+2 。
对于甲烷系，因为m = 1，所以n+x+y+z = 4
对于乙烷系，因为m = 2，所以n+x+y+z = 6
氟里昂的代号是由R（m-1）（n+1 ）（x）B（z）组成的。如果z = 0 ，则B可以省略，例如：
二氟一氯甲烷，分子式为CHF2Cl ，m-1=0, n+1=2, x=2, z=0 ，因而代号为R22。
二氟二氯甲烷，分子式为CF2Cl2 ，m-1=0, n+1=1, x=2, z=0 ，因而代号为R12。（3）饱和碳氢化合物
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代号的编号规则与氟里昂相同，如：甲烷为R50，乙烷为R170，丙烷为R290；但丁烷不按上述规则书写，而写成为R600。另外，如果属于同素异构物，在代号后边加字母“a”或在个位数上加一个数字，如：异二氟乙烷为R152a ，异丁烷为R601等。（4）环状化合物
环状有机化合物是在R后边加上一个字母“C”，然后按氟里昂的编号规则书写，如：六氟二氯环丁烷写作RC316，八氟环丁烷写作RC318等。
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（5）非饱和碳氢化合物及它们的卤族元素衍生物
这一类制冷剂在R后边先写一个“1”，然后按氟里昂的编号规则书写，如：乙烯为
R1150，丙烯为R1270，二氟二氯乙烯为R1112a等。
（6）共沸制冷剂
由两种或两种以上互溶的单一制冷剂在常温下按一定比例混合而成，它的性质与单一制冷剂的性质一样，在恒定的压力下具有恒定的蒸发温度，且气相和液相的组份液相同。共沸
制冷剂在标准中规定在R后边的第一个数字为“5”，其后边的两位数字按实用的先后次序编号。
（7）非共沸制冷剂
由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的溶液，溶液被加热时，在一定的蒸发压力下，较易挥发的组份蒸发的比例大，难挥发的组份蒸发的比例小，因之，气、液两相的组成不相同，且制冷剂在蒸发过程中温度是变化的，在冷凝过程中也有类似的特性。
在制冷剂编号标准中对非共沸制冷剂还未加以编号，只是留出R后边的400号的编号顺序，供增补编号使用。
5、制冷剂的物理性质
（1）制冷剂的物理性质
三、制冷剂的热力学性质
制冷剂的热力学性质可通过热力参数之间的关系来描述，而制冷剂的热力参数之间的关系是通过实验方法测定出来的，一般用热力学性质图、表来表示。
1、制冷剂的热力学性质图
常用的热力学性质图有lgP—h图（压—焓图）、T—s图（温—熵图）等。
（1）制冷剂的lgP—h图（压—焓图）
明框玻璃幕墙制冷剂的lgP—h图：(又称莫里尔图(Molliev Diagram)）
图中：
K ——临界点P ——等压线h ——等焓线t ——等温度线
s ——等熵线v ——等比容线x ——等干度线
在lgP—h图上任意一点都能表示制冷剂的一种热力状态，在一个状态点上，制冷剂具有确定的压力、
温度、比容、焓和熵，以及蒸气所占的比例，即干度值X。X = 制冷剂蒸气质量/ 制冷剂总质量
饱和液体线（X=0）：
在lgP—h图上，将不同温度下的饱和液体的各点连接起来的曲线叫做饱和液体线。在饱和液体线上的各点所表示的是制冷剂饱和液体在此点压力下的饱和温度。
干饱和蒸气线（X=1）：
在lgP—h图上，将不同温度下的干饱和蒸气的各点连接起来的曲线叫做干饱和蒸气线。在干饱和蒸气线上的各点所表示的是制冷剂干饱和蒸气在此点压力下的饱和温度。
饱和液体线和干饱和蒸气线均为粗实线，相交于临界点，这两条线将lgP—h图分成三个区域。饱和液体线左边是过冷液体区，干饱和蒸气线右边是过热蒸气区，两条曲线中间的区域为饱和区，也就是湿蒸气区，在这个区域内的制冷剂为饱和状态，区域内各点上的饱和蒸气均为湿蒸气。
等温线（t）：
将表示温度相同的各点用点划线连接起来成一条折线，这条折线就是等温线。
等温线在过冷液体区为竖直线，与等焓线重合；在湿蒸气区为水平直线，与等压线重合；在过热蒸气区为向右下方向的曲线。
等比容线（v）：
将比容相同的各点用虚线连接起来的曲线叫做等比容线。
等熵线（h）：
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将熵值相同的各点用细实线连接起来的曲线叫做等熵线。
等干度线（x）：
在饱和区内将干度相同的点连接而成的曲线叫做等干度线。
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