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1、制冷原理及设备制冷原理及设备第 3 章 制冷剂蒸气压缩式制冷中的制冷剂蒸气压缩式制冷中的制冷剂3.1 制冷剂概述制冷剂概述1.制冷剂的发展和种类制冷剂的发展和种类制冷剂制冷剂制冷剂制冷剂沸点温度沸点温度沸点温度沸点温度特点特点特点特点应用应用应用应用乙醚乙醚标准蒸发温度标准蒸发温度34.5，蒸发压力低于大气压力。蒸发压力低于大气压力。易燃，易爆易燃，易爆淘汰淘汰二甲基乙醚二甲基乙醚沸点沸点-23.6，蒸发压力比乙醚高的多。蒸发压力比乙醚高的多。淘汰淘汰CO2（干冰）（干冰）使用温度范围内压力较高使用温度范围内压力较高（常温下冷凝压力高达（常温下冷凝压力高达8MPa）无毒，安全，无毒，安全，机器
2、笨重机器笨重使用使用使用使用NH3广泛广泛广泛广泛SO2标准沸点标准沸点-10毒性大毒性大淘汰淘汰制冷剂制冷剂制冷剂制冷剂沸点温度沸点温度沸点温度沸点温度特点特点特点特点应用应用应用应用碳氢化合物碳氢化合物 （20世纪）世纪）易燃，易爆易燃，易爆石油化工石油化工氟里昂氟里昂（1930-至今）至今）毒性小，无燃爆危毒性小，无燃爆危险，腐蚀小，分子险，腐蚀小，分子量大，排气温度低量大，排气温度低实用广泛实用广泛共沸混合制冷剂共沸混合制冷剂使用使用使用使用非共沸混合制冷非共沸混合制冷剂剂（1950-至今）至今）广泛广泛广泛广泛1.制冷剂的发展和种类制冷剂的发展和种类著名的著名的“CFC问题问题”制冷
3、剂的种类制冷剂的种类 单一制冷剂单一制冷剂 混合制冷剂混合制冷剂 组组 成成 高温制冷剂高温制冷剂 中温制冷剂中温制冷剂 低温制冷剂低温制冷剂 标准大气压下标准大气压下沸点温度的高低沸点温度的高低 无机物无机物 氟里昂氟里昂 碳氢化合物碳氢化合物 化学成分化学成分2.制冷剂的命名制冷剂的命名 R（）制冷剂制冷剂 根据制冷剂的化学组成根据制冷剂的化学组成 按一定规则编写按一定规则编写（1）无机化合物：无机化合物：符号表示符号表示:R 7（）无机物分子量的整数部分无机物分子量的整数部分制冷剂制冷剂制冷剂制冷剂氢氢氢氢氦氦氦氦-4-4NHNH3 3H H2 2OOCOCO2 2SOSO2 2N N2
4、 2OO分子量分子量分子量分子量整数部分整数部分整数部分整数部分2 24 417171818444464644444符号表示符号表示符号表示符号表示R R7 70202R R7 70404R7R71717R7R71818R7R74444R7R76464R7R744a44a 举例举例:符号表示：符号表示：（2）氟里昂和烷烃类氟里昂和烷烃类：是饱和碳氢化合物的氟，氯，溴衍生物的总称。是饱和碳氢化合物的氟，氯，溴衍生物的总称。烷烃化合物的分子通式：烷烃化合物的分子通式：CmH2m+2 将将R换成物质分子中组成元素符号换成物质分子中组成元素符号例例如如:CFC113，HCFC22，HFC134a 氟里
5、昂的分子通式：氟里昂的分子通式：CmHnFxClyBrz R(m-1)(n+1)(x)B(z)例例如如:R11，R12，R113 符号表示法符号表示法1：符号表示法符号表示法2：含氯氟碳的完全卤代烃含氯氟碳的完全卤代烃CFC类类：例如：例如：CFC11，CFC12，CFC113 氟里昂的种类：氟里昂的种类：含氢含氢氯氟碳的不完全卤代烃氯氟碳的不完全卤代烃HCFC类：类：例如：例如：HCFC21，HCFC22 含含氢氢氟碳的无氯卤代烃氟碳的无氯卤代烃HFC类：类：例如：例如：HFC134a，HFC152a 符号表示：符号表示：R 5()()按该混合物命名的先后顺序按该混合物命名的先后顺序 （3）
6、共沸混合物）共沸混合物 举例：举例：R500：R12/R152a（最早命名）（最早命名）R501：R22/R12 R502：R22/R115（4）非共沸混合物：）非共沸混合物：符号表示：符号表示：R 4()()按该混合物命名的先后顺序按该混合物命名的先后顺序 举例；举例；R400；R22/114 R401A：R22/152a/124 R401B：R22/152a/124（5）环烷烃及其卤代物：）环烷烃及其卤代物：（6）链稀烃及其卤代物：链稀烃及其卤代物：符号：符号：RC()同氟里昂的书写规则同氟里昂的书写规则 举例：举例：RC318（C4F8）RC316（C4F6Cl2）符号：符号：R1()同
7、氟里昂的书写规则同氟里昂的书写规则 举例：举例：R1150（C2H4 乙烯）乙烯）R1120（CHCl=CCl 三氯乙烯）三氯乙烯）（1）热力性质方面；）热力性质方面；（2）传热性和流淌性方面；）传热性和流淌性方面；（3）物理化学性质方面；）物理化学性质方面；（4）环境的可接受性；）环境的可接受性；（5）价格便宜，来源足够。）价格便宜，来源足够。3.制冷剂选择的要求制冷剂选择的要求热力性质热力性质 在工作温度范围内有合适的压力和压力比；在工作温度范围内有合适的压力和压力比；希望：单位制冷量和单位容积制冷量比较大；希望：单位制冷量和单位容积制冷量比较大；希望：比功和单位容积压缩比功小，循环效率高
8、；希望：比功和单位容积压缩比功小，循环效率高；压缩终了排气温度不太高，以免润滑条件恶劣以及压缩终了排气温度不太高，以免润滑条件恶劣以及 制冷剂在高温下分解。制冷剂在高温下分解。传输性质传输性质 粘度，密度尽量小，减小制冷剂在系统中流淌阻力，粘度，密度尽量小，减小制冷剂在系统中流淌阻力，以及制冷剂的充注量；以及制冷剂的充注量；导热系数大，可以提高热交换设备的传热系数，削减导热系数大，可以提高热交换设备的传热系数，削减 传热面积，使设备结构紧凑。传热面积，使设备结构紧凑。物理化学性质物理化学性质 无毒，不燃烧，不爆炸，运用平安；无毒，不燃烧，不爆炸，运用平安；化学稳定性和热稳定性好；化学稳定性和热
9、稳定性好；运用中不变质，不与润滑油反应，不腐蚀机器构件，运用中不变质，不与润滑油反应，不腐蚀机器构件，在压缩终了高温下不分解等。在压缩终了高温下不分解等。环境可接受性环境可接受性 对大气环境无破坏作用；对大气环境无破坏作用；臭氧破坏指数和温室效应指数为零或尽可能小。臭氧破坏指数和温室效应指数为零或尽可能小。总结总结 完全满足上述要求的制冷剂很难找到；完全满足上述要求的制冷剂很难找到；其中，环境指标是硬指标；其中，环境指标是硬指标；制冷剂选定后，反过来要求制冷系统在流程安排，制冷剂选定后，反过来要求制冷系统在流程安排，结构设计及运行操作等方面要与制冷剂相适应。结构设计及运行操作等方面要与制冷剂相
10、适应。1.热力性质：热力性质：是指其热力参数之间的相互关系。是指其热力参数之间的相互关系。（1）制冷剂的饱和蒸气压力曲线）制冷剂的饱和蒸气压力曲线 不同制冷剂的饱和蒸气压力曲线。不同制冷剂的饱和蒸气压力曲线。（书中图（书中图3-25）3.2 制冷剂的性质制冷剂的性质 饱和蒸气压力和温度之间的关系，饱和蒸气压力和温度之间的关系，热力状态参数之间的关系，热力状态参数之间的关系，状态参数与比热容，绝热指数，声速的关系等。状态参数与比热容，绝热指数，声速的关系等。例如：例如：4.制冷剂的饱和蒸发压力制冷剂的饱和蒸发压力-温度特性确定了给定工作温度下温度特性确定了给定工作温度下 制冷循环的压力和压力比。
11、制冷循环的压力和压力比。3.在同一温度下，标准蒸发温度高的制冷剂压力低；在同一温度下，标准蒸发温度高的制冷剂压力低；标准蒸发温度低的制冷剂压力高标准蒸发温度低的制冷剂压力高。2.习惯上往往依据习惯上往往依据ts的凹凸，将制冷剂分为：的凹凸，将制冷剂分为：高温制冷剂，中温制冷剂，低温制冷剂。高温制冷剂，中温制冷剂，低温制冷剂。1.标准蒸发温度大体上可以反映制冷时能够达到的标准蒸发温度大体上可以反映制冷时能够达到的 低温范围。低温范围。ts越低的制冷剂，能够达到的制冷温度越低越低的制冷剂，能够达到的制冷温度越低。标准蒸发温度（标准沸点）标准蒸发温度（标准沸点）ts：制冷剂在标准大气压下的沸腾温度。
12、制冷剂在标准大气压下的沸腾温度。说说明明（2）临界温度）临界温度 是物质在临界点状态时的温度，用是物质在临界点状态时的温度，用 tc表示。表示。是制冷剂不行能加压液化的最低温度。是制冷剂不行能加压液化的最低温度。制冷剂的工作温度和压力的选择范围：制冷剂的工作温度和压力的选择范围：绝大多数物质其临界温度与标准蒸发温度的关系；绝大多数物质其临界温度与标准蒸发温度的关系；1.标准沸点温度低的低温制冷剂其临界温度也低，标准沸点温度低的低温制冷剂其临界温度也低，对每一种制冷剂，其工作温度范围是有限的；对每一种制冷剂，其工作温度范围是有限的；2.蒸发制冷循环应远离临界点。蒸发制冷循环应远离临界点。说明说明
13、（3）特鲁顿（）特鲁顿（Trouton）定律：定律：大多数物质在标准蒸发温度下蒸发时，其摩尔墒增大多数物质在标准蒸发温度下蒸发时，其摩尔墒增 的数值都大体相等。的数值都大体相等。即：即：分析分析1.标准蒸发温度相近的物质，分子量大的，标准蒸发温度相近的物质，分子量大的，汽化潜热小，单位质量制冷量小；汽化潜热小，单位质量制冷量小；2.各种制冷剂在一个大气压下汽化时，各种制冷剂在一个大气压下汽化时，单位容积汽化潜热大体相等；单位容积汽化潜热大体相等；3.相同蒸发温度下，压力高的制冷剂其相同蒸发温度下，压力高的制冷剂其 单位容积制冷量大。单位容积制冷量大。（4）压缩终温）压缩终温4.重分子的压缩终温
14、重分子的压缩终温 t2低，轻分子的低，轻分子的 t2高。高。说明说明1.压缩终温是实际制冷机必需考虑的一个平安指标。压缩终温是实际制冷机必需考虑的一个平安指标。2.相同吸气温度下，制冷剂等熵压缩终了温度相同吸气温度下，制冷剂等熵压缩终了温度 t2 与其绝热指数和压力比有关。与其绝热指数和压力比有关。3.压缩终温压缩终温 t2与制冷剂的比热容有关。与制冷剂的比热容有关。（5）粘度，导热性和比热容）粘度，导热性和比热容1.制冷剂的粘性，导热性和比热容等热物理性质制冷剂的粘性，导热性和比热容等热物理性质 是影响制冷机辅机设计的重要物性参数。是影响制冷机辅机设计的重要物性参数。说明说明2.粘性的大小与
15、流体种类，温度和压力有关。粘性的大小与流体种类，温度和压力有关。3.气体的热导率很小，且随温度上升而上升。气体的热导率很小，且随温度上升而上升。规定规定R11：ODP=1，GWP=1。2.环境影响指标环境影响指标（1）臭氧衰减指数）臭氧衰减指数ODP：考察物质对臭氧层破坏的潜在影响程度考察物质对臭氧层破坏的潜在影响程度。（2）温室影响指数）温室影响指数GWP：考察物质造成温室效应危害的程度。考察物质造成温室效应危害的程度。国际上对国际上对CFC和和HCHC物质限制日程表：物质限制日程表：对对CFC，包括，包括CFC11,CFC112,CFC113,CFC114等，等，发达国家发达国家:1996
16、.1.1 完全停止生产和消费；完全停止生产和消费；发展中国家：发展中国家：2010最终停用。最终停用。对对HCFC，包括，包括HCFC22,HCFC42b,HCFC123等等 发达国家：发达国家：1996年冻结，年冻结，2004年削减，年削减，2020年停用；年停用；发展中国家：发展中国家：2016年冻结生产，年冻结生产，2040年完全停用。年完全停用。3.物理、化学性质物理、化学性质（2）电绝缘性电绝缘性 （1）平安性）平安性 通过制冷剂的毒性，燃烧性和爆炸性来评价制冷通过制冷剂的毒性，燃烧性和爆炸性来评价制冷剂剂 的平安程度。的平安程度。（3）热稳定性及与材料的相容性）热稳定性及与材料的相
17、容性 （4）与润滑油的互溶性与润滑油的互溶性 （5）溶水性溶水性 （6）渗透性渗透性 毒性指数毒性指数TLVs 用造成中毒的制冷剂用造成中毒的制冷剂气体在空气中体积含气体在空气中体积含量的极限值表示；量的极限值表示；毒性指数为毒性指数为1000或或以上，可认为无毒；以上，可认为无毒；注意无毒制冷剂在注意无毒制冷剂在高温或火焰作用下分高温或火焰作用下分解产生有毒光气。解产生有毒光气。毒毒 性性（1）平安性）平安性 爆炸极限爆炸极限制冷剂制冷剂在空气中发生爆炸在空气中发生爆炸时的体积百分比的时的体积百分比的范围。范围。爆炸极限下限越小，爆炸极限下限越小，越易燃易爆；越易燃易爆；下限相同，范围越下限
18、相同，范围越宽，越易燃易爆。宽，越易燃易爆。爆炸性爆炸性 可燃性低限可燃性低限LFL用引起燃烧的空气中用引起燃烧的空气中制冷剂含量的极限值制冷剂含量的极限值表示。表示。避免使用易燃工质。避免使用易燃工质。燃烧热燃烧热HOC 单位单位质量制冷剂燃烧时的质量制冷剂燃烧时的发热量发热量kJ/kg。燃烧性燃烧性 旧标准：分别以毒性和可燃性作出规定。旧标准：分别以毒性和可燃性作出规定。新标准：将毒性与可燃性合在一起，规定了六个平安等级。新标准：将毒性与可燃性合在一起，规定了六个平安等级。（国际标准（国际标准ISO5149-1993和美国标准和美国标准ANSI/ASHRAE34-1993）平安等级：平安等
19、级：A1、A2、A3、B1、B2、B3（2）电绝缘性：）电绝缘性：要求制冷剂和润滑油有较好的电绝缘性；要求制冷剂和润滑油有较好的电绝缘性；留意；微量杂质和水分的存在造成冷冻机油和制冷剂留意；微量杂质和水分的存在造成冷冻机油和制冷剂 电绝缘性降低。电绝缘性降低。（3）热稳定性及与材料的相容性）热稳定性及与材料的相容性 热稳定性热稳定性 正常运转时，制冷剂不会发生裂解；但在温度较正常运转时，制冷剂不会发生裂解；但在温度较高且有高且有 油，钢铁，铜存在时，长时间运用会发生变质甚油，钢铁，铜存在时，长时间运用会发生变质甚至热解；至热解；规定制冷剂的最高运用温度不得超过允许极限值。规定制冷剂的最高运用温
20、度不得超过允许极限值。（R717：不超过：不超过150；R22：不超过：不超过145）与材料的相容性与材料的相容性 系统设计时，应考虑不同制冷剂的腐蚀性特点，选择系统设计时，应考虑不同制冷剂的腐蚀性特点，选择 与制冷剂相容的结构材料。与制冷剂相容的结构材料。制冷剂对金属的作用制冷剂对金属的作用 氢，氦，氮及其它惰性气体工质，碳氢化合物工质对氢，氦，氮及其它惰性气体工质，碳氢化合物工质对 金属无腐蚀作用；金属无腐蚀作用；纯氨对钢铁无腐蚀；对铝，铜或铜合金有稍微腐蚀；纯氨对钢铁无腐蚀；对铝，铜或铜合金有稍微腐蚀；若氨中含水，对铜和几乎全部铜合金（磷青铜除外）有若氨中含水，对铜和几乎全部铜合金（磷青
21、铜除外）有 猛烈腐蚀；氨制冷机中不能用黄铜，纯铜和其它铜合金；猛烈腐蚀；氨制冷机中不能用黄铜，纯铜和其它铜合金；氟利昂几乎对全部金属都无腐蚀。但对镁和含镁氟利昂几乎对全部金属都无腐蚀。但对镁和含镁2%以上以上 的铝合金除外。镁和镁合金材料不能用在氟利昂系统中。的铝合金除外。镁和镁合金材料不能用在氟利昂系统中。氟利昂中含水时，将水解生成酸性物质，对金属有腐蚀氟利昂中含水时，将水解生成酸性物质，对金属有腐蚀 作用；氟利昂与润滑油混合物能水解出现作用；氟利昂与润滑油混合物能水解出现“镀铜现象镀铜现象”。氟利昂制冷系统中应尽量避开水分存在。氟利昂制冷系统中应尽量避开水分存在。制冷剂对非金属的作用制冷剂
22、对非金属的作用 氟利昂制冷剂极易溶解自然橡胶和树脂材料；氟利昂对氟利昂制冷剂极易溶解自然橡胶和树脂材料；氟利昂对 高分子化合物，会起高分子化合物，会起“膨润作用膨润作用”。氟利昂制冷机中不得。氟利昂制冷机中不得 运用自然橡胶和和树脂化合物。运用自然橡胶和和树脂化合物。氟利昂制冷机中密封材料和绝缘材料应运用耐氟材料，氟利昂制冷机中密封材料和绝缘材料应运用耐氟材料，如氯丁乙烯，氯丁橡胶，或其它耐氟塑料制品。如氯丁乙烯，氯丁橡胶，或其它耐氟塑料制品。氟利昂制冷剂要求运用与它互溶的润滑油；氟利昂制冷剂要求运用与它互溶的润滑油；氟利昂比油重，溶油性差会带来不利因素；氟利昂比油重，溶油性差会带来不利因素；
23、满液式蒸发器：机器回油困难，以及影响制冷剂蒸发；满液式蒸发器：机器回油困难，以及影响制冷剂蒸发；干式蒸发器：依靠制冷剂蒸气裹挟油滴回油制冷剂溶油干式蒸发器：依靠制冷剂蒸气裹挟油滴回油制冷剂溶油 越充分，越简洁将油带回压缩机。越充分，越简洁将油带回压缩机。溶解度与温度有关，温度变更时，溶解度与温度有关，温度变更时，有限溶解与完全溶解有限溶解与完全溶解 会发生转化；会发生转化；氨与油是典型的有限溶解，氨比油轻，可便利从设备下部氨与油是典型的有限溶解，氨比油轻，可便利从设备下部 回油或放油。回油或放油。（4）与润滑油的互溶性与润滑油的互溶性 重要性：对系统设备的工作特性，结构设计都有影响；重要性：对
24、系统设备的工作特性，结构设计都有影响；制冷剂与油的溶解性分为：完全溶解和有限溶解；制冷剂与油的溶解性分为：完全溶解和有限溶解；有限溶解：制冷机与油的混合物出现明显分层；有限溶解：制冷机与油的混合物出现明显分层；完全溶解：制冷剂与油的混合物形成匀整溶液。完全溶解：制冷剂与油的混合物形成匀整溶液。氟利昂和烃类物质都难溶于水；氟利昂和烃类物质都难溶于水；氨易溶于水；氨易溶于水；制冷系统中必需严格限制含水量。制冷系统中必需严格限制含水量。（5）溶水性溶水性 （6）渗透性渗透性 （7）泄露性泄露性 “氢脆氢脆”现象。现象。氨：通常用酚酞试剂和试纸检漏，不能用肥皂水检漏；氨：通常用酚酞试剂和试纸检漏，不能用肥皂水检漏；氟利昂：卤素喷灯和电子检漏仪。氟利昂：卤素喷灯和电子检漏仪。3.3 混合制冷剂混合制冷剂1.混合制冷剂：由两种或两种以上的纯制冷剂混合制冷剂：由两种或两种以上的纯制冷剂 组成的混合物。组成的混合物。2.共沸混合物和非共沸混合物共沸混合物和非共沸混合物3.4 各种好用制冷剂各种好用制冷剂1.无机物无机物:氨氨2.氟里昂氟里昂:R134a/R12，R142b/R223.碳氢化合物碳氢化合物:R600a/R124.混合制冷剂混合制冷剂:R507/R502，R407c/R22，R410A/R22