【正文】 1 / 112 第一章 制冷技術(shù)基本知識(shí) 167。11 概述 一、何謂制冷 日常生活中常說(shuō)的“熱”或“冷”是人體對(duì)溫度高低感覺(jué)的反應(yīng)。在制冷技術(shù)中所說(shuō)的冷，是指某空間內(nèi)物體的溫度低于周圍環(huán)境介質(zhì)（如水或空氣）溫度而言。因此“制冷”就是使某一空間內(nèi)物體的溫度低于周圍環(huán)境介質(zhì)的溫度，并連續(xù)維持這樣一個(gè)溫度的過(guò)程。 二、何謂人工制冷 我們都知道，熱量傳遞終是從高溫物體傳向低溫物體，直至二者溫度相等。熱量決不可能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體，這是自然界的可觀規(guī)律。然而，現(xiàn)代人類的生活與生產(chǎn)經(jīng)常需要某個(gè)物體或空間的溫度低于環(huán)境溫度，甚至低得很多。例如，儲(chǔ)藏食品需要把食品冷卻到０℃左右或－15℃左右，甚至更低。而這種低溫要求天然冷卻是達(dá)不到的，要實(shí)現(xiàn)這一要求必須有另外的補(bǔ)償過(guò)程（如消耗一定的功作為補(bǔ)償過(guò)程）進(jìn)行制冷。這種借助于一種專門裝置，消耗一定的外界能量，迫使熱量從溫度較低的被冷卻物體或空間轉(zhuǎn)移到溫度較高的周圍環(huán)境中去，得到人們所需要的各種低溫，稱謂人工制冷。而這種裝置就稱謂制冷裝置或制冷機(jī)。 三、人工制冷的方法 人工制冷的方法主要有相變制冷、氣體絕熱膨脹制冷和半導(dǎo)體制冷三種。 即利用物質(zhì)相變的吸熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。如冰融化時(shí)要吸取80 kcal/kg 的熔解熱；氨在１標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣化時(shí)要吸取 327kcal/kg 的氣化潛熱；干冰在１標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下升華要吸取 137kcal/kg 的熱量，其升華溫度為－℃。 ：利用氣體通過(guò)節(jié)流閥或膨脹機(jī)絕熱膨脹時(shí)，對(duì)外輸出膨脹功，同時(shí)溫度降低，達(dá)到制冷的目的。 ：珀?duì)柼?yīng)告訴我們：兩種不同金屬組成的閉合電路中接上一個(gè)直流電源時(shí)，則一個(gè)接合點(diǎn)變冷，另一個(gè)接合點(diǎn)變熱。但是純金屬的珀?duì)柼?yīng)很弱，且熱量通過(guò)導(dǎo)線對(duì)冷熱端有相互干擾，而用兩種半導(dǎo)體（Ｎ型和Ｐ型）組成的直流閉合電路，則有明顯的珀?duì)柼?yīng)且冷熱端無(wú)相互干擾。因此，半導(dǎo)體制冷就是利用半導(dǎo)體的溫差電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷地。2 / 112 目前生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用的制冷方法是：利用液體的氣化實(shí)現(xiàn)制冷，這種制冷常稱為蒸氣制冷。它的類型有：蒸汽壓縮式制冷（消耗機(jī)械能） 、吸收式制冷（消耗熱能）和蒸汽噴射式制冷（消耗熱能）三種。 四、制冷體系的劃分 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究上，人們通常根據(jù)制冷溫度的不同把人工制冷分為“普冷”和“深冷”兩個(gè)體系。一般把制取溫度高于－120℃的稱為“普冷” 、低于－120℃的稱為“深冷” 。由于低溫范圍的不同，制冷系統(tǒng)的組成也不同，因此，根據(jù)食品制冷要求，我們只介紹普通制冷溫度范圍內(nèi)的蒸氣壓縮制冷。 167。12 制冷技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ) 一、制冷工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)在制冷循環(huán)中，工質(zhì)不斷地進(jìn)行著熱力狀態(tài)變化。描述工質(zhì)所處熱力狀態(tài)的物理量稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)，簡(jiǎn)稱狀態(tài)參數(shù)。一定的狀態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)有確定的數(shù)值。工質(zhì)狀態(tài)變化時(shí)，初終狀態(tài)參數(shù)之間的差值，僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的過(guò)程無(wú)關(guān)。制冷技術(shù)中常見(jiàn)的狀態(tài)參數(shù)有：溫度、壓力、比容、內(nèi)能、焓與熵等。這些參數(shù)對(duì)于進(jìn)行制冷循環(huán)的分析和熱力計(jì)算，都是非常重要的。溫度：溫度是描述熱力系統(tǒng)冷熱狀態(tài)的物理量。制冷工程上常用的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)和絕對(duì)溫標(biāo)。二者的區(qū)別僅是起點(diǎn)不同而已（ t=0℃ 時(shí) ， T= 它 們 每 度 的 溫 度 間 隔 確 是 一 致 的 。 其 關(guān) 系 可 表 示 為 ： T=273+t（K）壓力：壓力是單位面積上所承受的垂直作用力，常用符號(hào) P 表示。在國(guó)際單位制中，壓力單位為帕斯卡（Pa） ，實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可用兆帕斯卡（Mpa）或巴（bar）表示,1MPa=10 6Pa 而 1bar=105 Pa。壓力的標(biāo)記有絕對(duì)壓力、表壓力和真空度三種情況。三者之間的關(guān)系是： P=PB+B 或 P=BP K 作為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)應(yīng)該是絕對(duì)壓力，而不是表壓力或真空度。 比容：比容是指單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的容積。比容是說(shuō)明工質(zhì)分子之間密集程度的一個(gè)物理量。比容的倒數(shù)為工質(zhì)的密度，即單位容積工質(zhì)所具有的質(zhì)量，用符號(hào) ρ 表示。 內(nèi)能：內(nèi)能是工質(zhì)內(nèi)部所具有的分子動(dòng)能和分子位能的總和。3 / 112分子動(dòng)能包括分子的直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子內(nèi)能、振動(dòng)能三項(xiàng)，其大小與氣體的溫度有關(guān)。而分子位能的大小與分子間的距離有關(guān)，亦即與工質(zhì)的比容有關(guān)。既然氣體的內(nèi)動(dòng)能決定于氣體的溫度、內(nèi)位能決定于氣體的比容，所以氣體的內(nèi)能是其溫度和比容的函數(shù)。也就是說(shuō)內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。焓：焓是一個(gè)復(fù)合的熱力狀態(tài)參數(shù)，表征系統(tǒng)中所有的總能量，它是內(nèi)能與壓力之和。對(duì)１kg 工質(zhì)而言，可表示為： ｈ＝ｕ＋Pυ （kJ/kg）或（kcal/kg）式中ｈ— 焓或稱比焓（kJ/kg 或 kcal/kg） υ— 比容（m 3/kg） ｕ— 內(nèi)能（kJ/kg 或 kcal/kg） ｐ— 絕對(duì)壓力（N/m 2或 Pa） 由于內(nèi)能和壓力位能都是溫度的參數(shù)，所以焓也是狀態(tài)參數(shù)。確切地說(shuō)，焓是一定質(zhì)量的流體，從某一初始狀態(tài)變?yōu)槿我粺崃顟B(tài)所加入的總熱量。熵：熵是一個(gè)導(dǎo)出的熱力狀態(tài)參數(shù)，熵的中文意義是熱量被溫度除所得的商，熵的外文原名意義是“轉(zhuǎn)變” ，指熱量可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ某潭?，它表征工質(zhì)狀態(tài)變化時(shí)，與外界熱交換的程度。二、熱力學(xué)第二定律與理想制冷循環(huán) 熱力學(xué)第二定律在熱量傳遞和熱、功轉(zhuǎn)換時(shí)，熱力學(xué)第一定律只能說(shuō)明它們之間的數(shù)量關(guān)系，確不能揭示熱功轉(zhuǎn)換的條件和方向性。對(duì)于能量傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行的方向、條件和限度則是由熱力學(xué)第二定律來(lái)揭示的，它指出：“熱量能自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體，而不能自發(fā)的從低溫物體傳向高溫物體” 。這正象石頭或水不可能自發(fā)的從低處向高處運(yùn)動(dòng)一樣。但這并不是說(shuō)石頭和水在任何條件下都不可能由低處移向高處，只要外界給它們足夠大的作用力，在這個(gè)力的作用下石頭或水就能由低處移向高處，這個(gè)外界作用力稱為補(bǔ)償。同樣，不能把熱力學(xué)第二定律的說(shuō)法理解為：“不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體” 。而是只要有一個(gè)補(bǔ)償過(guò)程，熱量就能自低溫物體傳到高溫物體。 循環(huán)與理想制冷循環(huán) (1)循環(huán)：熱變功的根本途徑是依靠工質(zhì)的膨脹。為了持續(xù)不斷地將熱轉(zhuǎn)換為功,工程上是通過(guò)熱機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但工質(zhì)在熱機(jī)汽缸中僅僅完成一個(gè)膨脹過(guò)程是不可能滿足要求的。為了能重復(fù)地進(jìn)行膨脹，工質(zhì)在每次膨脹之后必須進(jìn)4 / 112行壓縮，以便使其回到初態(tài)。我們把工質(zhì)從初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列狀態(tài)變化又回到初態(tài)的封閉過(guò)程，稱為“循環(huán)” 。 循環(huán)按其進(jìn)行方向不同又可分為正循環(huán)和逆循環(huán)。如下圖所示：衡量，循環(huán)熱效率是指工質(zhì)在整個(gè)熱力循環(huán)中，對(duì)外界所作的凈功 w0 與循環(huán)中外界所加給工質(zhì)的熱量 q1的比值。即： 膨脹壓縮循環(huán)按逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的，稱為逆循環(huán)。其循環(huán)的凈功為負(fù)值。若用 q1表示工質(zhì)向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?，?q2表示工質(zhì)從低溫?zé)嵩次盏臒崃浚瑒t有： 上式說(shuō)明，逆循環(huán)的效果是消耗外界的功，將熱量從低溫物體傳遞給高溫物體。如逆循環(huán)的目的是從低溫物體中吸收熱量，則稱為制冷循環(huán)。如逆循環(huán)的目的是給高溫物體供熱，則稱為熱泵循環(huán)。 逆循環(huán)的好壞通常用性能系數(shù) ε 來(lái)衡量。對(duì)于制冷機(jī)來(lái)說(shuō)，是指從冷源吸收的熱量 q2與消耗的循環(huán)凈功 w0的比值 ε 1稱為制冷系數(shù)。對(duì)于熱泵來(lái)說(shuō)，是指供給熱源的熱量 q1與消耗的循環(huán)凈功 w0的比值 ε 2稱為供熱系數(shù)。則有：從上述分析可見(jiàn)，伴隨著低溫?zé)嵩窗岩徊糠譄崃?q2傳送到高溫?zé)嵩粗腥サ耐瑫r(shí), 循環(huán)的凈功 w0也將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃坎⒘飨蚋邷責(zé)嵩矗@就是使熱量從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩此匦璧难a(bǔ)償條件。沒(méi)有這個(gè)補(bǔ)償條件，熱量是不可能從低溫q2q1q1=q1w0ηt=q1q2 =1w0q124q2q2q142w0υP3561υP3561正循環(huán) 逆循環(huán)圖 11 壓容圖上的任意循環(huán)w0=q1q2 或 q1=q2+w0ε 1=q2/ w0 w0ε 2= q1/ w0=q2+ w0=ε 1+1 膨脹壓縮循環(huán)按瞬時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的，稱為正循環(huán)。 正循環(huán)的單位質(zhì)量?jī)艄?w0 為正值，若設(shè)高溫?zé)嵩醇咏o工質(zhì)的熱量為q1，工質(zhì)放給低溫?zé)嵩吹臒崃繛?q2，則 w0=q1q2評(píng)價(jià)正循環(huán)的好壞，通常用循環(huán)熱效率 η t 來(lái)5 / 112熱源傳給高溫?zé)嵩吹摹? （2）理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)可通過(guò)逆卡諾循環(huán)說(shuō)明。逆卡諾循環(huán)如圖 12 所示，它由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。假設(shè)低溫?zé)嵩吹臏囟葹?T0，高溫?zé)嵩吹臏囟葹?Tk, 則工質(zhì)的溫度在吸熱過(guò)程中為 T0，在放熱過(guò)程中為 Tk, 就是說(shuō)工質(zhì)在吸熱和放熱過(guò)程中是在等溫下進(jìn)行的，壓縮和膨脹過(guò)程是在沒(méi)有任何損失情況下進(jìn)行。其循環(huán)過(guò)程為：首先工質(zhì)在 T0下從冷源（即被冷卻物體）吸取熱量 q0，并進(jìn)行等溫膨脹 41，然后通過(guò)絕熱壓縮 12，使其溫度由 T0升高至環(huán)境介質(zhì)的溫度 Tk, 再在 Tk下進(jìn)行等溫壓縮 23，并向環(huán)境介質(zhì)（即高溫?zé)嵩矗┓懦鰺崃縬k, 最后再進(jìn)行絕熱膨脹 34，使其溫度由 Tk 降至 T0即使工質(zhì)回到初始狀態(tài)4，從而完成一個(gè)循環(huán)。對(duì)于逆卡諾循環(huán)來(lái)說(shuō)，由圖 12 可知： q0=T0(S1S4) qk=Tk(S2S3)=Tk(S1S4） w0=qkq0=Tk(S1S4)T0(S1S4)=(TkT0)(S1S4)則逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù) ε k 為： 由上式可見(jiàn)，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，只取決于冷源（即被冷卻物體）的溫度 T0和熱源（即環(huán)境介質(zhì)）的溫度 Tk；降低 Tk，提高T0，均可提高制冷系數(shù)。此外，由熱力學(xué)第二定律還可以證明：“在給定的冷源和熱源溫度范圍內(nèi)工作的逆循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最高” 。任何實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)都小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)?？偵纤?，理想制冷循環(huán)應(yīng)為逆卡諾循環(huán)。而實(shí)際上逆卡諾循環(huán)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，但它可以用作評(píng)價(jià)實(shí)際制冷循環(huán)完善程度的指標(biāo)。通常將工作于相同溫度間的實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù) ε 與逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù) ε k之比，稱為該制冷機(jī)循環(huán)的熱力完善度，用符號(hào) η 表示。即： η=ε/ε k熱力完善度是用來(lái)表示制冷機(jī)循環(huán)接近逆卡諾循環(huán)循環(huán)的程度。它也是制冷循環(huán)的一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但它與制冷系數(shù)的意義不同，對(duì)于工作溫度不同q0qk43 2TkT0TS1w0圖 12 逆卡諾循環(huán) T—S 圖T0 (S1—S4）(Tk—T0) (S1—S4）ε k=q0w0 = = Tk—T0T06 / 112的制冷循環(huán)無(wú)法按其制冷系數(shù)的大小來(lái)比較循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性，而只能根據(jù)循環(huán)的熱力完善度的大小來(lái)判斷。7 / 112 167。13 制冷劑的相態(tài)變化及其狀態(tài)圖一、制冷劑的相態(tài)變化眾所周知，物質(zhì)有三種狀態(tài)，就是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。物質(zhì)的三種狀態(tài)，在一定的壓力和溫度條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。其轉(zhuǎn)化過(guò)程分別稱為： 物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程稱為汽化。 汽化有蒸發(fā)和沸騰兩種形式。其中，在液體表面進(jìn)行的汽化過(guò)程叫蒸發(fā)，在液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的劇烈汽化過(guò)程叫沸騰。在一定壓力下，蒸發(fā)在任何溫度下都可進(jìn)行，而沸騰只有液體被加熱到一定溫度才開(kāi)始進(jìn)行。當(dāng)汽液兩相共存并且保持平衡狀態(tài)時(shí)稱為飽和狀態(tài)。此時(shí)的蒸汽和液體分別叫做飽和蒸汽和飽和液體，處于飽和狀態(tài)的壓力與溫度稱為飽和壓力與飽和溫度。飽和壓力與飽和溫度總是相互對(duì)應(yīng)的，即一定的飽和壓力對(duì)應(yīng)著一定的飽和溫度，反之亦然。二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：飽和溫度愈高，飽和壓力也愈高。反之，飽和壓力愈高，飽和溫度也愈高。這是飽和狀態(tài)的一個(gè)重要特點(diǎn)。 物質(zhì)從汽態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程稱為冷凝或叫做液化。汽體的液化溫度與壓力有關(guān)，增大壓力，可使汽體在較高的溫度下液化。液化的基本方法是降低溫度和增加壓力。 物質(zhì)由固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程稱為升華。 物質(zhì)由氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝華。例如空氣中的水蒸汽在膨脹閥上結(jié)霜時(shí)發(fā)生的過(guò)程。 二、制冷劑的壓—焓圖及熱力性質(zhì)表制冷劑的熱力狀態(tài)可以用其熱力性質(zhì)表來(lái)說(shuō)明，也可以用壓—焓圖來(lái)表示。壓—焓圖(lgP—h 圖)是一種以絕對(duì)壓力的對(duì)數(shù)值 lgP 為縱坐標(biāo)，焓值為橫坐標(biāo)的熱工圖表。采用對(duì)數(shù)值 lgP（而不采用 P）為縱坐標(biāo)的目的是為了縮小圖的尺寸，提高低壓區(qū)域的精確度，但在使用時(shí)仍然直接從圖上讀出 P 的數(shù)值即可?！蕡D(lgP—h 圖)的結(jié)構(gòu)壓—焓圖中有兩條比較粗的曲線，左邊一條為飽和液體線(干度 χ=0)，右邊一條為干飽和蒸汽線(干度 χ=1)，兩線交于一點(diǎn) K，且將圖分成了三個(gè)區(qū)域。其中 K 稱為臨界點(diǎn)，飽和液體線左側(cè)為過(guò)冷液體區(qū)，干飽和蒸汽線右側(cè)為過(guò)熱蒸汽區(qū)，兩線之間為濕蒸汽區(qū)。壓—焓圖中有六種等狀態(tài)參數(shù)線，如圖 1—3 所示：① 等壓線 P：水平細(xì)直線。② 等焓線 h：豎直細(xì)直線。③ 等溫線 t：點(diǎn)劃線，其在過(guò)冷液體區(qū)為豎直線，在濕蒸汽區(qū)為水平線，在過(guò)熱蒸汽區(qū)為稍微向右下方彎曲的曲線。 圖 1—3 壓—焓圖8 / 1