[工学]第一章 空气调节与制冷原理基础.ppt

第一章 空气调节与制冷原理基础知识,第一节 常用名词及概念,一、湿空气的物理性质 空气：是一种混合气体，它是氮、氧、氩、二氧化碳等气体和水蒸气所组成的。 干空气：将水蒸气以外的所有气体,湿空气的物理性质,湿空气：由干空气和一定量的水蒸气混合而成的大气。大气中的水蒸气含量是不多的，它与干空气的质量比在千分之几到千分之二十几的范围内。虽然湿空气中水蒸气的含量少，但其变化会引起湿空气干、湿度变化，进而对人体感觉、产品质量、工艺过程和设备维护等都有直接影响：同时，湿空气中水蒸气含量的变化又会使湿空气的物理性质随之变化。因此，从空气调节的角度来说，空气的潮湿程度是我们十分关心的问题。,空气的基本组成,（湿）空气 = 干空气水蒸气,湿空气的物理性质除和它的组成成分有关外，还决定于它所处的状态。湿空气的状态通常可以用压力p、温度t、相对湿度 、含湿量d及比焓h等参数来度量和描述。这些参数称为湿空气的状态参数。,（1）压力 在空调工程中所处理的湿空气就是大气，所以湿空气的总压力就是大气压力（pb）,pb= pg + ps,湿空气的物理性质,(a)正压 (b)负压,不同压力间的关系,湿空气的物理性质,饱和空气：干空气具有吸收和容纳水蒸气的能力，并且在一定温度下只能容纳一定量的水蒸气。在一定温度下，空气中所含水蒸气达到最大值的空气称为饱和空气。 在一定温度下，湿空气中水蒸气分压力的大小，是衡量水蒸气含量即空气干燥或潮湿的指标。,湿空气的物理性质,（2）温度 是表示空气冷热程度的标尺。 热力学温标 又称开尔文温标或绝对温标，符号为T，单位为K；热力学温标是在一个标准大气压下定义纯水的冰点温度为273.16K，沸点温度为373.16K，其间分为100等份，每等份称为热力学温度1度(1K)。 摄氏温标 又叫国际温标，符号为t，单位为；在一个标准大气压下，把纯水的冰点温度定为0，沸点温度定为100，其间分成100等份，每一等份就叫1。,湿空气的物理性质,华氏温标, 以符号tF,单位,oF表示 ； 它们之间的换算公式如下： T=t+273.15t+273 （K） t=5/9(tF-32) (),湿空气的物理性质,（3）湿度 湿度是表示空气干湿程度的物理量。 绝对湿度（Z）：l m3 湿空气中含有水蒸气的质量，称为空气的 “绝对湿度”。,Z（湿）空气的绝对湿度，kg/m3； mq水蒸气的质量，kg； V湿空气的总体积，m3。,湿空气的物理性质,相对湿度（）：湿空气中水蒸汽分压力和同温度下饱和水蒸汽分压力之比。 = ps/ psb 值越小，空气越干燥，远离饱和状态，吸收水蒸气的能力就强。,含湿量（d）：即湿空气中，伴随 1 kg 干空气的水蒸气质量（g），其单位为 g/kg。其表达式为 d= mq / mg,d湿空气的含湿量，g/kg（d.a）；mq湿空气中水蒸气的质量，g；mg湿空气中干空气的质量，kg。,相对湿度表示的是湿空气接近饱和的程度，含湿量确切表示空气中实际含有的水蒸气的多少。,湿空气的物理性质,（4）密度,（湿）空气的密度，kg/m3； m（湿）空气的质量，kg； V（湿）空气的体积，m3。,比容单位质量工质所占有的容积, m3/kg;,湿空气的物理性质,（5）焓的基本概念 内能是物质内部分子所具有的能量 。焓是物质内能与推动功之和。 h = u + pv 1 kg 干空气的焓与（0.001d）kg 水蒸气焓的和，称为（1 + 0001d）kg 湿空气的焓，单位为 kJ/kg（d.a），其表达式为,h湿空气的焓值，kJ/kg（d.a）； hg1 kg 干空气的焓，kJ/kg； hq1 kg 水蒸气的焓，kJ/kg。,湿空气的物理性质,焓的物理意义：是指特定温度作为起点时物质所含的热量。 例如：通常把水在压力p=101325pa、温度为0 时的焓定为零。而1kg的水由0 上升至100 需要吸热418.68kJ，由100 至全部汽化需要吸热2257kJ。所以，水从0 至全部蒸发所吸总热量为2675kJ，也就是蒸汽在该状态下地焓值为2675kJ/kg。 当对物质加热或加给外功时，焓值增大；反之，物质被冷却或蒸汽膨胀向外做功时，焓值减少。,湿空气的物理性质,焓的变化量即是工质的热量，定压过程焓的表达式为,q= h2- h1,湿空气的物理性质,（6）露点温度（tL）:在给定含湿量的前提下，使空气冷却到饱和状态（ 100 %）时的那个温度。空气温度低于露点温度，空气中部分水蒸气冷凝为水。 空气达到露点温度时，空气由未饱和状态变为饱和状态。,湿空气的物理性质,干球温度和湿球温度 干球温度即为普通温度计测量的温度, 即我们一般天气预报里常说的气温 。 湿球温度是在温度计上包裹湿布，由于水的蒸发造成温度指示下降，此时的温度成为湿球温度 既有干球温度计又有湿球温度计的装置称为干湿计，可用来测量大气中的相对湿度。,湿空气的物理性质,干湿计：即有干球温度计和湿球温度计的装置。,讨论：若干球温度计和湿球温度计差值大，空气的相对湿度怎样？,湿空气的物理性质,湿空气焓湿图,空气的主要状态参数包括t、d、 、h、p、 B。理论上，对于一定的大气压，只要知道空气的任意两个参数，就能算出所有其他参数。在工程应用中，用公式计算和用查表方法来确定空气状态和参数，比较繁琐，而且对空气的状态变化过程的分析也缺乏直观的感性认识。因此，为了便于工程实际应用，通常把一定大气压力下，各种参数之间的相互关系作成线算图来进行计算。根据所取坐标系的不同，线算图也有好几种，国内常用的是焓湿图，简称h-d图。,这里需要强调的是，每一张h-d图都是按规定的大气压绘制的，因此在计算工作中，应选用与要求大气压相符的（或接近的）焓湿图。,二、焓-湿图及其应用,湿空气的焓-湿（h - d）图即性质图，是空气调节设计计算和运行管理的主要工具。,1h d 图的基本构成与内容，如图所示。,二、焓-湿图及其应用,湿空气焓湿图,等 线是曲线 等h 线是倾斜直线 等d 线是垂直线 等t 线接近水平，看似平行，实际互不平行。 最低的一根等 线，其值为 =100%。这条曲线称为饱和线。状态在这条线上的空气处于饱和状态。在其他 线上的空气都是非饱和的。空气状态不可能位于饱和线以下的区域中。,二、焓-湿图及其应用,h,=1000×h/ d,湿空气的焓含湿量图 (即h-d图),湿空气状态的确定,ts,二、焓-湿图及其应用,湿空气的 h d 图是用斜坐标构成的。,纵坐标湿空气的焓值。,与纵坐标成 135°夹角的斜坐标表示湿空气的含湿量d，作一水平辅助轴代替实际轴。在辅助轴上取一定的间距作为1g含湿量之值。通过各点作含湿量不变的垂线（d = 常数）。,在纵轴上，同样取一定的间距作为焓值，并规定0点以上的焓为正值，0点以下的焓为负值。通过既得各点引平行于实际轴线，且 h = 常数的直线，这些直线与 d = 常数的直线相交成 135°的角度，这些平行的斜线表示等焓线。,热湿比 : 湿空气状态变化前后的焓差和含湿量差之比值 线表示了空气状态变化的方向和特征,对于空调区域而言，热量Q和湿量W表示房间的余热和余湿,二、焓-湿图及其应用,二、焓-湿图及其应用,2湿空气 h d 图的应用,第一，决定湿空气的状态参数：在给定大气压力下，根据湿空气任意两个已知量在 h d 图上确定的状态点，可求得其它状态参数。,第二，表示湿空气的状态变化过程：在空气调节工程中，不仅要在h - d图上确定某一空气的状态参数，还要研究某一状态下的空气在加热、冷却、加湿或减湿过程中的状态变化。,二、焓-湿图及其应用,（1）露点温度在 h d 图上的表示，从露点温度的形成过程可知，保持含湿量不变时，随着温度的降低 值增加， = 1 时所对应的温度即为露点温度。,（2）干式加热过程等湿加热。空气 h 0，d = 0，故 = h / d = 。空调工程中，过程曲线如图所示。,B,二、焓-湿图及其应用,（3）干式冷却过程 等湿冷却过程。冷却过程中，空气焓值减少，即h 0， d = 0, = h /d = - ，如图所示。,（4）减湿冷却过程 空气冷却过程中，如图所示点D的位置。 h 、d均为负值， 0。,D,C,表面式换热器是让媒质通过金属管道而对空气进行加热或冷却的。采用这种方式时，空气和媒质之间并无直接接触，换热在金属管道表面进行，故称为表面式换热器。,二、焓-湿图及其应用,（5）加热加湿过程 在空气加热的同时进行加湿。这一过程的 h 、d均为正值， 0，其过程如图所示。,F,二、焓-湿图及其应用,（6）等焓减湿过程 采用固体吸湿剂对空气进行等焓减湿处理。 = h /d = 0/ d =0,固体吸湿剂有两类：一类，吸湿后仍为固体状态；另一类为吸湿后固态逐渐变为液态。 固体吸湿剂处理空气的过程可看作等焓减湿过程，变化过程线如图所示。,G,E,（7）等焓加湿过程 采用喷水室循环水处理空气，进行等焓减湿处理。 = h /d = 0/ d =0,h,D,G,两种不同状态的空气混合在空气调节系统的设计过程中是经常遇到的情况，为此，必须研究空气的混合规律。 在空调工程中，为了节省冷量（或热量），通常利用从空调房间抽回的一部分室内空气（回风），与一定数量的室外空气（新风）或经过处理后的空气相混合，再送入房间，这就需要确定混合后空气的状态参数。,两种不同状态空气混合过程的计算,冷冻式除湿机是由风扇将潮湿空气抽入机内，经过制冷系统(压缩机，蒸发器，冷疑器)相互作用下疑结成霜，系统自动升温化霜成水流入盛水箱， 产生出干燥空气排出， 如此循环使室内湿度降低，潮湿空间逐步达到干爽的效果。 转轮式除湿机是采用空气固体吸附的转盘式金属硅胶吸附体。在除湿过程中，吸附转盘在驱动装置带动下缓慢转动，当吸附转盘在处理空气区域吸附水分子达到饱和状态后，进入再生区域由高温空气进行脱附再生，这一过程不断周而复始，干燥空气连续的经温度调节后送入指定空间，达到高精度的温湿度控制。,干式冷却技术是通过提高进入表冷盘管的冷冻水温度,使盘管表面空气层温度高于被处理空气的露点温度,被处理的空气只有温度降低,而含湿量不变。表冷盘管表面无冷凝水产生,从根本上消除了盘管在湿工况下引发的病菌滋生的问题1-2。该技术已在制药、电子等洁净空调系统中得到广泛应用1。随着人们对室内空气品质要求日益提高,干冷却技术在民用空调中也开始推广应用2。目前卷烟厂空调系统在夏季运行时,很多工况下只需要对空气进行降温处理而不需要进行除湿,由于表冷盘管进水温度为7,远远低于表冷器入口空气,两种不同状态空气混合过程的计算,dA,dB,GB,GA,GC,dC,绝热混合过程,已知：质量流量GA（kg/s），状态为A（hA,dA）的空气和质量流量为GB（kg/s），状态为B（hB,dB）的两种空气相混合，混合后状态点为C点（hC,dC）。确定：混合后的状态参数。 混合后的空气质量流量为：GC= GA+ GB（kg/s）,GAhA+ GBhB= GChC GAdA+ GBdB= GCdC GC= GA+ GB GA/GB=(hB-hC)/(hC-hA) GA/GB=(dB-dC)/(dC-dA) GA/GB=(hB-hC)/(hC-hA) =(dB-dC)/(dC-dA) (hB-hC)/(dB-dC) =(hC-hA)/(dC-dA)= ,绝热混合过程,d,h,B,A,hC,hA,C,hB,dC,dB,dA,CB/CA=(dB-dC)/(dC-dA) =(hB-hC)/(hC-hA) = GA/GB,混合点C将AB分成两段，两段长度之比和参与混合的两种空气的质量成反比，混合点靠近质量大的空气状态一端。 混合规律 利用混合规律，可以求出混合空气状态点。,1.汽化和液化 汽化：物质从液态转变为气态的过程。 汽化的方式：蒸发（表面汽化）、沸腾（表面及内部同时汽化）。 加快汽化的措施：提高温度、降低表面压力。 液化：物质从气态转变为液态的过程。 加快液化的措施：降低温度、提高压力。,第二节 蒸气压缩式制冷原理,一、制冷技术中常用的热力学名词,2.显热和潜热,显热：不改变物质状态只引起物质温度变化的热量。 潜热：不改变物质温度只改变物质状态的热量。,一、制冷技术中常用的热力学名词,一、制冷技术中常用的热力学名词,3饱和温度和饱和压力,液体沸腾时所维持不变的温度称为沸点，热工学中又将其称为在某一压力下的饱和温度，也叫蒸发温度。该温度所对应的压力叫饱和压力。饱和温度与饱和压力一一对应。压力升高，饱和温度升高，同一液体，不同饱和压力，对应不同的蒸发温度。不同液体，同压力下饱和温度不同。,4过热与过冷,（1）过热 过热度即过热蒸气的温度与饱和温度之差。 （2）过冷 过冷也有过冷度的概念，过冷液体温度比饱和液体温度所低的数值，称为制剂液体的过冷度。,一、制冷技术中常用的热力学名词,5临界温度和临界压力,压力增加，气体的液化温度随之升高，温度升高到某一数值时，气体的液化温度与压力之间就不是正比的关系了，即使再增大压力不能使气体液化，此时的温度就叫做临界温度；与临界温度对应的压力被称之为临界压力。,1、制冷的基本思路,利用液体的蒸发可以吸收周围环境的热量。,二、制冷基本原理,请仔细观察左图，总结一下制冷基本原理。,二、制冷基本原理,2、制冷循环,提高压力，强制冷却，使制冷剂从气体转化为液体而放出热量。,二、制冷基本原理,高压的液体通过小孔，迅速膨胀降压、气化而吸热。,二、制冷基本原理,将上述两个过程组合起来，就可以形成一个制冷循环 。从制冷循环可以看出，所谓制冷就是通过制冷剂的状态变化（气态液态，放热；液态气态，吸热）将一个地方（蒸发器周围）的热量带到另一个地方（冷凝器周围）。,二、制冷基本原理,蒸发器,冷凝器,70 PSI,263 PSI,低压,高压,压缩机,膨胀阀,蒸气,液体,二、制冷基本原理,四个必要组成部分: 压缩机 冷凝器 节流（膨胀）装置 蒸发器,二、制冷基本原理,二、制冷基本原理,制冷四大金刚,压缩机： 作用：提升压力 低压（低温）气体被吸入压缩机并被压缩成高压（高温）气体。 冷凝器： 从压缩机出来的高温制冷剂气体进入冷凝器，在一定压力下 释放热量变成液体。高温制冷剂在冷凝器中冷凝。,节流装置 (膨胀阀) ： 液体经过节流装置使压力下降。常温低温 孔板、热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管等,蒸发器： 液体制冷剂进入蒸发器蒸发为气体。 制冷剂在蒸发器中吸收热量。,制冷四大金刚,完成一个循环只经过一次压缩，称为单级压缩制冷循环。,逆向可逆循环,工质循环方式： 正向循环(亦称动力循环) 逆向循环:分可逆循环及不可逆循环。 可逆循环:一种理想循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的各种损失。 不可逆循环:工质循环过程中考虑了各种损失（制冷剂在流动内部摩擦及换热器存在传热温差 ）。,三、制冷循环原理,逆向可逆循环：又叫逆卡诺循环,逆卡诺循环 逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环 逆卡诺循环组成： 绝热压缩过程12，制冷剂的温度由T0升至Tk，外界输入功w； 等温冷凝过程23，制冷剂在等温Tk向高温热源放出热量qk； 绝热膨胀过程34，制冷剂的温度由Tk降至T0，膨胀机输出功we； 等温蒸发过程41，制冷剂在等温T0吸收低温热源中的热量q0,1,2,3,4,三、制冷循环原理,低 压 液 体,逆卡诺循环 从低温热源吸收的热量为： q0 = T0 (SaSb) (kJkg) 向高温热源放出的热量为: qk = Tk(SaSb) (kJkg) 外界输入压缩机的功为： wc= w we = qkq0 =( TkT0)(SaSb) (kJkg) 制冷系数 ： c= q0 / wc= T0 (SaSb)/ (TkT0)(SaSb) = T0/( TkT0) 结论： (1) c仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。 (2) T0升高，Tk降低时，c增大。 (3)在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数c最大。,三、制冷循环原理,逆卡诺循环 结论：实际循环的制冷系数总小于相同热源温度时的逆卡诺循环制冷系数。 而一切实际制冷循环均为不可逆循环。 可用热力完善度大小反映实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。 热力完善度 = c' /c,逆向可逆循环,三、制冷循环原理,组成理论制冷循环的主要设备：压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀。 理论制冷循环的热力过程： 制冷剂气体在压缩机中的绝热压缩过程，1-2 制冷剂气体在冷凝器中定压放热过程，2-3 制冷剂液体在膨胀阀节绝热膨胀过程，3-4 制冷剂液体在蒸发器中定压吸热过程，4-1。 理论制冷循环与逆卡诺循环不同之处： 1制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环，而且具有传热温差； 2采用膨胀阀代替膨胀机； 3压缩机吸入饱和蒸气而不是湿蒸气。,三、制冷循环原理,1、用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失 损失了膨胀功：wc = h3h4“ (相当于面积34“03) 减少了制冷量：q01=h4h4“ (相当于面4“4bc4“) 节流过程 h3 = h4 节流损失-制冷剂在绝热膨胀中的作功能力全部用来克服绝热节流过程中的各种阻力损失，而这些损失最终转化为热量，被流过膨胀阀的制冷剂吸收，减少了制冷能力。 结论：a、增加了制冷循环的耗功量wc；b、损失了制冷量q01；c、使制冷系数和热力完善度有所下降。,三、制冷循环原理,2、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失 饱和损失：压缩机吸入湿蒸气 ，多消耗功量，使制冷系数和热力完善度的降低的损失。 压缩机吸入湿蒸气 ，湿蒸气中的液体制冷剂将在蒸发器中继续吸热汽化，增加了制冷量q02(面积“1ad1”)，同时也增加了耗功量wb(面积122“1”1)。比逆卡诺循环多消耗相当于面积522“5的功量，结果制冷系数和热力完善度的降低。,三、制冷循环原理,3、液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响 （1）液体过冷对制冷循环的影晌 过冷温度：温度T3(或用t3表示) 过冷度： (TkT3) 分析： a、过冷液体节流比饱和液体节流增加了制冷量q03 b、没有增加压缩机的耗功量 c、液体过冷能增加循环的制冷系数。 c= q0 +q03/ w q0 / w 过冷温度： 一般比冷凝温度低5左右,三、制冷循环原理,（2）吸气过热对制冷循环的影响 吸气过热温度：T1 (Tl T0) 吸气过热度：(TlT0) 提高压缩机的吸气过热度： a、能增加制冷量q04； b、增加了压缩机的耗功量w； c、制冷系数的变化，取决于q04/ w值是否能大于理论循环的制冷系数q0 / w值。,三、制冷循环原理,结论： 1、吸气过热度增加，能提高制冷系数的制冷剂为：氟利昂12等； 2、吸气过热度增加，降低制冷系数的制冷剂为：而对氨氟利昂11、氟利昂22等。 ， 蒸气具有一定的过热度，能进一步防止在气缸中产生液击现象 吸气过热度： 氮：一般在35之内 氟利昂：在1040范围之内,三、制冷循环原理,（3）回热制冷循环 制冷剂液体过冷和吸气过热是利用流出蒸发器的低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换器（回热器）的传热过程而产生。 回热循环特别适用于增加吸气过热度能提高其循环制冷系数制冷剂，例如氟利昂12等，对于氨制冷剂不采用回热循环。,三、制冷循环原理,回热制冷循环 在回热循环的热交换器中，制冷剂过冷时的放热量等于其过热时的吸热量(即图中面积1'1cdl'等于面积44'034)。,三、制冷循环原理,制冷剂的压-焓图(lgP-h图) c点：临界点； c点左侧的粗实线：饱和液体线，干度x =0； c点右侧的粗实线：饱和蒸气线(或称干饱和蒸气线)，干度x=1； 饱和液体线的左侧区：过冷液体区 饱和蒸气线的右侧区：过热蒸气区 两条饱和线之间区：湿蒸气 lgP-h图中绘出了六种等状态线簇，即： 等压、等焓、等温、等比容、等熵和等干度线。,三、制冷循环原理,（4） 单级蒸气压缩式理论制冷循环热力计算,在制冷循环中，循环流动的每千克制冷剂从被冷却物体吸收的热量叫做单位重量制冷量，用符号 q表示，单位是kcal/kg，单位重量制冷量是表示制冷循环效果的一个特殊参数，这由制冷剂的性质，循环温度等条件决定，蒸发温度越低，冷凝温度越高，其值越小，反之越大。 制冷装置的产冷量是单位时间内从被冷却物体吸收并在冷凝器中放掉的热量，用符号Q表示，单位是kcal/kg。Q值的大小等于冷重量流量G与单位重量制冷量q的乘积，即： QG·q,在实际工作中，有时为了方便的获得制冷量的粗略计算也可通过下式计算 QL·(t2 t1 ) 式中L循环风量，(t2 t1 )为进出风温度差。 在日本、欧美等国家制冷量常用冷吨来表示，但日本冷吨与美国冷吨在数值上略有差别，在日本，产冷量的单位用日本冷吨， 1日冷吨表示1000克0oC的水 在24小时内制成 0oC的冰所消耗的冷量： 1日冷吨3320kcalh 1美冷吨3024Lcalh,常用制冷量的单位换算： 1KW=860kcal/h(大卡小时) 1kcalh3.968BTUh(英热单位小时),热力计算 理论制冷循环组成： 12为绝热压缩过程，23为等压冷凝过程， 34为绝热节流过程，41为等压蒸发过程。 制冷剂在蒸发器中的单位质量制冷量为 ：q0 = h1h4 (kJkg) 压缩机的单位质量绝热压缩耗功量为：w = h2h1 ( kJkg) 制冷剂在冷凝器中的单 位质量放热量为 ：qk = h2h3 ( kJkg),三、制冷循环原理,低 压 液 体,h1,h2,h3,h4,热力计算 制冷剂节流前、后的焓值不变 ：h3 = h4 ( kJkg) 单位容积制冷量qv-压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气所产生的制冷量。 qv = q0 / v1 ( kJm3) 式中，v1为压缩机吸入蒸气的比容m3/kg。 制冷剂的质量循环量： Mr = Q0 / q0 (kg / s ) 式中，制冷循环的总制冷量为Q0(Kw） 压缩机的吸气体积流量为 ：Vr = Mr v1 = Q0 / qv (m3 / s ) 冷凝器的热负荷Qk为： Qk = Mr qk = Mr（h2h3） (kW) 压缩机的理论耗功率N为： N = Mr w= Mr（h2h1） (kW) 理论制冷系数为： = Q0 / N =（h1h4）/（h2h1）,三、制冷循环原理,第三节 制冷剂,制冷剂（Refrigerant）是制冷装置中的循环工作介质。制冷剂在制冷系统中循环流动，通过自身热力状态的循环变化,完成与外界的能量转换和传递，实现制冷的目的。,在蒸气压缩式制冷机中，制冷剂从低温热源中吸取热量，在低温下气化；向高温热源排放热量，在高温下凝结。所以，只有在工作温度范围内能够气化和凝结的物质才有可能作为蒸气压缩式制冷机的制冷剂使用。多数制冷剂在大气压力和环境温度下呈气态,3.1 制冷剂的种类与命名,3.2 制冷剂性质,3.3 载冷剂性质,3.1 制冷剂的种类与命名,按照化学成分分： 1.无机物：NH3 、 H2O、N2、CO2 2.有机物： 1）碳氢化合物：CH4、C2H6、C2H4 2）氟利昂：饱和碳氢化合物的卤族取代物。 CHClF2、CCl2F2、C2H2F4 3.混合物： 1）非共沸混合物：蒸发过程中混合物温度发生变化。 R401 2）共沸混合物：具有共同的沸点，蒸发过程中混合物温度不发生变化。 R501,高温(低压)制冷剂,中温(中压)制冷剂,低温(高压)制冷剂,ts0 pc0.20.3MPa,0ts-60, 0.3MPapc2.0MPa,ts-60 pc2.0MPa,标准蒸发温度：1个标准大气压下的饱和温度。,按照制冷剂的标准蒸发温度，将其分为三类：,以制冷剂（Refrigerant）第一个字母R开头，后面接数字，数字含义如下：,1、氟利昂（饱和碳氢化合物的卤族取代物）,四氟乙烷C2H2F4,二氟乙烷C2H4F2,R134,R134a,R152a,R152,2、碳氢化合物(烃类),R50,R170,R1150,R1270,3、共沸(液体)制冷剂,R5XX,已经商品化的共沸混合物，依应用先后在500序号中顺次地规定其识别编号。,4、非共沸(液体)制冷剂,已经商品化的非共沸混合物，依应用先后在400序号中顺次地规定其识别编号。,5.无机化合物,R717,R744,R718,3.2 制冷剂性质,CFCS、HCFCS的限制与替代,1）具有较大的制冷工作范围：临界温度高、标准蒸发温度低、凝固温度低。 2）具有适当的工作压力和压缩比：,1.热力学方面的要求：,3）单位质量和单位体积制冷量均大：,蒸发压力：最好接近且稍高于大气压力。 冷凝压力：不宜过高，一般不超过1.21.5Mpa。,q0大：获取相同的制冷量时，可减少制冷剂的循环量。 qv大：压缩机尺寸小，设备小，可减少材料消耗和投资。,4）绝热指数低：可减少耗功率，降低排气温度，有利于润滑。,2.物理化学方面的要求：,1）流动性好（粘度小，密度小）：可减少流动阻力损失，降低能耗，缩小管径，减少材料消耗。 2）传热性好：可减少传热面积。 3）化学稳定性好：对金属和非金属材料不腐蚀。,在工作温度范围内不燃烧、不爆炸。 无毒或低毒，相对安全性好。 具有易检漏的特点。,3.安全性方面的要求：,1）臭氧衰减指数ODP： 表示物质对大气臭氧层的破坏程度。应越小越好，ODP=0则对大气臭氧层无害。 2）温室效应指数GWP： 表示物质造成温室效应的影响程度。应越小越好，GWP=0则不会造成大气变暖。,制冷剂的生产工艺简单，价廉、易得。,5.经济性方面的要求,4.对环境的亲和友善:,1)离心式压缩机要求制冷剂的分子量要大，以提高级压比，减少级数。 2)制冷量在200W以下的制冷机要求制冷剂的单位容积制冷量要小，以免压缩机的尺寸过小，加工困难；制冷量大于1000W 的制冷机要求制冷剂的单位容积制冷量要大，以减小压缩机的尺寸和制冷剂容积流量。 3)全封闭和半封闭式制冷压缩机要求制冷剂电绝缘性能好。,不同型式的制冷系统和制冷压缩机对制冷剂还有一些特定要求。,大气温室效应： 全球变暖潜值GWP ：Global Warming Potential 平流层臭氧耗损： 臭氧衰减指数ODP：Ozone Depletion Potential 酸雨： 对人体、地表物质破坏。,将R11的ODP值规定为1。,1.对环境的主要影响,大气中的O3主要分布在平流层的中部，距地面2540km处。,2.什么是臭氧层？,O3的浓度秋季开始下降，冬末春初浓度最低；春季开始上升，夏末秋初浓度较高.,太阳辐射中的包含的波长为0.200.28m的紫外线和波长为0.280.32m的紫外线对地球生物有强烈的杀伤作用，而平流层中O3吸收的吸收带恰在这二个波段，从而阻止这二个波段的紫外线到达地面。,据UNEP（联合国环境规划署）提供的资料，臭氧每减少1,紫外线辐射量约增加2。,臭氧层的破坏将导致： 危及人类健康，可使皮肤癌、白内障的发病率增加，破坏人体免疫系统； 危及植物及海洋生物，使农作物减产，不利于海洋生物的生长与繁殖； 产生附加温室效应，从而加剧全球气候转暖过程； 加速聚合物（如塑料等）的老化。,CFC消耗臭氧的过程,一个Cl自由基能消耗十万个臭氧分子,1974年，莫林纳(M.J.Molina)和罗兰(F.S.Rowland) 首次提出氟利昂破坏臭氧层。,2000年臭氧空洞的形状,2002年臭氧空洞变形了,为简单定性判别制冷剂对臭氧层的破坏能力,将氯氟烃类物质代号中的R改用字母CFC,氢氯氟烃类物质代号中的R改用字母HCFC,氢氟烃类物质代号中的R改用字母HFC,碳氢化合物代号中的R改用字母HC，数字编号不变,1）CFC CFC表示全卤化氯(溴)氟化烃类物质。这类物质不含氢原子，对臭氧的破坏作用和温室作用均很强、化学性质稳定、大气寿命长。这类物质作为制冷剂使用已经被禁止了。,3.第二种命名法 美国杜邦公司首先提出了卤代烃类物质新的命名方法，并已为全世界所接受。,二氟二氯甲烷(CCl2F2),一氟三氯甲烷(CCl3F),CFC12,HCFC表示含氢的氯氟化烃类物质。这类物质对臭氧的破坏作用和温室作用均较CFC类物质弱，由于含氢，化学性质不如CFC类物质稳定，因此大气寿命也缩短了。 作为短期过渡制冷剂使用。,二氟一氯甲烷(CHClF2),HCFC22,2）HCFC,HFC表示含氢无氯的氟化烃类物质。这类物质由于不含氯和溴，对臭氧不产生破坏作用，温室作用也较弱。且由于含氢，大气寿命较短。 长期过渡制冷剂使用。,HFC134a,HFC152a,CHF2CHF2,CHF2CH3,3）HFC,各种制冷剂在一个大气压力下汽化时，单位容积汽化潜热rs/vs大体相等。单位容积汽化潜热 近似反应单位容积制冷量qv。故相同蒸发温度下，压力高的制冷剂单位容积制冷量大；压力低 的制冷剂单位容积制冷量小。,1）完全溶解,制冷剂与油的液体混合物成均匀溶液。不会形成油膜而妨碍传热，,制冷剂与油的混合物出现明显分层。,2）有限溶解,1.制冷剂与润滑油的溶解性,润滑油会在换热器中形成油膜，增大换热热阻。,但是制冷剂中润滑油含量较多时，容易引起蒸发温度升高、制冷量减少，润滑油黏度降低，沸腾时泡沫多，蒸发器液面不稳定。,氨与油是典型的有限溶解。氨比油轻，混合物分层时，油在下部。所以可以很方便地从下部将油引出（回油或放油）。,氟利昂制冷剂溶油性差，由于为氟利昂一般都比油重，发生分层时，下部为贫油层。 满液式蒸发器，油浮在上面，造成机器回油困难；另外，上面的油层影响蒸发器下部制冷剂的蒸发。 干式蒸发器，因为制冷剂是在管内沿程蒸发的，靠制冷剂气流裹挟油滴回油。,对于难溶于水的制冷剂，若系统中的含水量超过制冷剂中水的溶解度，则系统中存在离态的水。当制冷温度到达0以下时会结冰，堵塞膨胀阀或其它狭窄流道。这种冰堵现象将使制冷机无法正常工作。 对于溶水性强的制冷剂，制冷剂溶水后发生水解作用，生成的物质对金属材料会有腐蚀危害。,2.制冷剂的溶水性,氟利昂和烃类物质都很难溶于水，氨易溶于水。,3.金属的腐蚀性,1）烃类制冷剂对金属无腐蚀。 2）纯氨对钢铁无腐蚀；对铝、铜或铜合金有轻微腐蚀。但若氨中含水，则对铜和几乎所有铜合金（磷青铜除外）产生强烈腐蚀作用。 3）氟利昂几乎对所有金属都无腐蚀，但对镁和含镁2%以上的铝合金是例外。氟利昂中含水时，将水解生成酸性物质，对金属产生腐蚀作用。,制冷剂热稳定性最重要的性能指标是热分解温度与最高使用温度。,4.热稳定性,1）热分解温度 是制冷剂的在热作用下开始产生分解的温度，部分制冷剂的热分解温度见下表。,制冷剂在与润滑油共存的环境中，在有金属存在的条件下，能够长期稳定工作的温度。最高使用温度限制了压缩机的排气温度。,2）最高使用温度,5.毒性,美国国家标准ANSI/ASHRAE 34-1997将制冷剂的毒性根据其允许暴露量划分为两个等级。 A类为根据确定时间加权平均阈限值(TLV-TWA)或类似指标所用的数据，在容积浓度小于或等于400ppm时，未发现该制冷剂有毒性。 B 类为根据确定时间加权平均阈限值(TLV-TWA)或类似指标所用的数据，在容积浓度小于或等于400ppm时，发现该制冷剂有毒性。,时间加权平均阈限值(TLV-TWA)指根据8小时工作日和40小时工作周的时间加权平均浓度，几乎全部工人可以重复地日复一日地暴露在这种状态下而无不良反应。,ppm是英文parts permillion的缩写，译意是每百万分中的一部分，即表示百万分之（几），或称百万分率。如1ppm即一百万千克的溶液中含有1千克溶质。ppm与百分率（）所表示的内容一样，只是它的比例数比百分率大而已。,美国保险商实验室(UL)根据豚鼠在制冷剂作用下造成损害的时间来划分毒性等级，将毒性划分为六个基本等级，从16毒性递减；相邻两个等级之间还用a、b、c 作了细分。,需要说明，有些制冷剂虽然无毒，但在空气中若浓度高到一定程度，会由于缺氧窒息成对人体的伤害。另外，含C1的氟利昂物质（R11，R12，R21，R22等）遇到明火时会分解出剧毒的光气。这些都必须在使用中注意防范。,6.燃烧性和爆炸性,美国国家标准ANSI/ASHRAE 34-1997将制冷剂的燃烧性分成三类。1类为在101kPa和18的空气中试验时，该制冷剂未显示火焰蔓廷。2类制冷剂的燃烧性下限在101kPa和21时高于0.10kg/m3且燃烧热小于19kJ/kg。3类制冷剂的特点是燃烧性好，在101kPa和21时，燃烧性下限小于或等于0.10kg/m3或燃烧热大于或等于 19kJ/kg。,氟利昂：电子卤素检漏仪（3×10-13m3/s） 氦质谱仪检漏,7.制冷剂的检漏,氨：嗅觉 酚酞试纸（玫瑰红色） 石蕊试纸（红色变为蓝色）,1.常用制冷剂及其性质,CCl4(R10),CH4 (R50),CF4 (R14),受控制的消耗臭氧层物质,HCFC禁用时间表（发达国家）,中国制冷空调和化工行业最终淘汰消耗臭氧层物质时间表,注：允许维修使用到2010年。,2.替代制冷剂的研究动向,R12 、R134a 、R600a主要物性及性能对比,常用制冷剂的性质,属于无机物类制冷剂，来源最广，最为安全而便宜的工质。水不宜在压缩式制冷机中使用，适合在空调用的吸收式和蒸汽喷射式制冷机中,1.水的特性（R718）,氨的压力适中，单位容积制冷量大，流动阻力小，热导率大，价格低廉，对大气臭氧层无破坏作用。 氨的主要缺点是毒性较大、可燃、可爆、有强烈的刺激性臭味、等熵指数较大，若系统中含有较多空气时，遇火会引起爆炸。 氨制冷系统中应设有空气分离器，及时排除系统内的空气及其它不凝性气体。 氨系统中不必设置干燥器，含水量仍限制在0.2的范围内。 氨制冷系统中往往设有油分离器。 氨制冷系统中，不允许使用铜及其铜合金材料。,2.氨的特性（R717）,R12无色、气味很弱、毒性小、不燃烧、不爆炸， R12等熵指数小，压缩机的排气温度较低。单位容积制冷量小、相对分子质量大、流动阻力大、热导率较小。 水在R12中的溶解度很小，低温状态下水易析出而形成冰堵，因此在充灌R12前，必须经过干燥处理 R12能与矿物性润滑油无限溶解，在蒸发器中，随R12 的不断蒸发，润滑油在其中逐渐积存，使蒸发温度升高，传热系数下降。,3.氟利昂的特性,1）R12,R12由于压力适中、压缩终温低、热力性能优良、化学性能稳定、无毒、不燃、不爆等优点，它广泛用于冷藏、空调和低温设备，从家用冰箱到大型离心式制冷机中都有采用。 R12对一般金属没有腐蚀作用，但能腐蚀镁及含镁量超过2的铝镁合金。含水后会产生镀铜现象。R12对天然橡胶及塑料等有机物有膨润作用，R12极易渗透。,R22是最为广泛使用的中温制冷剂。 R22属安全性制冷剂。 R22化学性质不如R12稳定。 R22 能部分地与润滑油互溶，R22对一般金属没有腐蚀作用，但能腐蚀镁及含镁量超过2的铝镁合金。含水后会产生镀铜现象。泄漏性与R12相同。 R22由于无毒、不燃、不爆等优点，广泛用于冷藏、空调、低温设备中。在活塞式、离心式、压缩机系统中均有采用。由于它对大气臭氧层仅有微弱的破坏作用，故可作为R12的近期、过渡性替代制冷剂。,2）R22,对大气臭氧层有轻微破坏作用，并产生温室效应。它是