《制冷及低温原理》课程讲课教案

1 绪论

1.1制冷的定义 要点：

（1）人工方法

（2）被冷却对象温度 （3）过程

实现制冷需要有补偿过程即有能量输入。 用热力学第二定律说明内在本质原因。

120K普冷：制冷温度范围划分：120——0.3K 深冷（低温）：超低温：0.3K掌握术语：制冷剂、制冷量

制冷循环

制冷机、制冷设备 制冷装置

1.2研究内容、应用和发展

内容： （1）方法——机理——循环：热物理过程

（2）制冷剂：热物理性质、物理化学性质 （3）制冷机械与设备：原理——性能——设计

要点：研究目的意义

课外学习

应用：生活、生产、科研

发展历史

2 制冷方法

2.1物质相变制冷 要点：基本概念：（1）物质集态：

（2）相变 （3）潜热

相变制冷：

2.1.1固体相变冷却

（1） 冰冷却：融点：0C、潜热335kJ/kg

o吸热效应——制冷

固体融化升华液体蒸发 1

冰融化吸热（2） 冰盐冷却：

盐溶液吸热冰盐种类制冷温度冰盐浓度

（3） 干冰冷却：

固态CO2：三相点：-56.6C，0.52MPa

三相点上吸热融化，下吸热升华，常压升华温度-78.5C。 2.1.2液体蒸发制冷

汽化吸热制冷

要点：循环的基本原理：

①气液平衡饱和状态

oopt对应

②

保持低温低压下蒸发（汽化）四个过程

保持高温高压下冷凝（凝法） ③增压、降压

实现循环方式多样 （1） 蒸气压缩式制冷： 要点①

+冷剂

②工作过程

③压缩机作用：增压，循环动力 ④膨胀阀作用：降压，控制流量 ⑤耗能：机械能，电能

（2） 蒸气吸收式

设备、工质对要点：①系统组成冷剂回路 工作回路溶液回路②工作过程

③热压缩概念 ④耗能：热能

（3） 蒸气喷射式制冷：

要点：①系统组成：喷射器，工质泵

②工作过程：循环T——S图 ③循环的热力分析： ④制冷剂：H2O、R等 ⑤能耗：热能

描述循环性能的指标： 制冷量， 锅炉热负荷

2

冷凝器热负荷，泵功 喷射系数，循环热平衡

详解T-S图

（4） 吸附制冷

要点：1）制冷原理：a、固体吸附剂吸附冷剂蒸汽作用，b、吸附能力t，c、周

期冷却与加热吸附剂形成吸附和解吸（脱附）

物理吸附2）吸附机理

化学吸附3）工质对

①物理吸附制冷：

1）沸石（铝硅酸盐矿物）+水 2）系汽组成：吸附床+Con+Eva 3）间歇式制冷

4）连续制冷：多吸附器连续作用

循环制冷速率吸附床传热传质特性（改善措施） ②固——气热化学制冷（反应法）

1）固气化学吸附：氯化物与氨的反应热现象

固气

2）单效液体蒸发吸附循环：见参考教材P20 3）工质对：氯化钡（Bacl2）+氨（NH3）

化学反应（合成与分解）分解/冷凝过程系气组成与工作过程：

合成/蒸发过程固——气相平衡图：（见参考教材P20）

2.2电磁声制冷 2.2.1热电制冷： 要点：西贝克效应

3

两种材料温差电制冷（半导体），热电效应（帕尔帖效应）：电回路冷热节点

直流电注意：热电效应强度 材料的热电势

热电制冷元件（热电偶）：P型+N型半导体，连接铜线式铜片 热电堆：并联式串联多个热电偶

2.2.2磁制冷

要点：磁热效应的物理意义

补充知识：

磁感应强度：表示磁场强弱和方向的物理量：

BFlI F——受力，l——导线长度，I——电流强度

磁场强度：H

磁导率：B=H

磁矩： 磁熵：

课外自习：

1. 低温磁制冷 2. 高温磁制冷

2.2.3声制冷 要点：

热声效应：热能与声能之间相互转换现象

声波传播时会产生压力波动，位移波动，温度波动，当其与固体边界相遇，相互作用而有能量之转换。 课外自习：

2.3气体涡流制冷

2.3.1原理：1.2方法，使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，冷气流去制冷。 工作介质：空气、CO2、NH3 涡旋（流）管：构成 2.3.2工作过程：高压室温气体详解工作过程的T——S图：

等熵膨胀）····冷热气流分离 ·

（压力能速度能） 4

2.3.3制冷计算

涡流管的冷却效应：TCT1TC 等熵膨胀强度效应：TST1TS 冷却效率：CTC TS涡流管加热效应：ThThT1

制冷量：qocpTc Q0qmcq0 制热量：qhcpTh Qhqmhqh 质量平衡、能量平衡可应用于过程，则：Q0Qh

3 单级蒸气压缩式制冷

3.1可逆制冷循环

3.1.1制冷的热力学原理

要点：①逆向循环制冷循环 ① 热源、热汇概念

② 制冷循环的热力学本质：能量补偿实现热量转移：低温热源至高温热汇

③

制冷逆向循环能量转换关系 见图3-1

制热描述循环性能的参数（指标）：热泵、制冷机、热泵型制冷机

COP=收益能量补偿能量

COPRQ0E COPHQHE

5

重点理解

关系式：COPH=COPR+1 （有条件才成立） 制冷系数，供热系数（热泵系数） 循环效率（热力完善度）：COP

3.1.2逆卡诺制冷循环：

COPC

循环构成及工作过程： 循环中的能量转换关系： 热力学第一定律应用 循环的性能系数：COPCQ0WTC1 TTHTLH1TLCOPC的讨论 TL分析其特性：①，②，③，注意应用：要点：COP，的特点、区别与联系

3.1.3劳论茨循环

要点：条件是热源热汇是变温的

制冷剂吸、放过程也是变温的 循环构成：

条件：任何过程无传热温差

等熵压缩与膨胀过程。

6

可逆劳化茨循环的性能系数： 放热量：qTdsT3142m(S2S3) (S1S4)

吸热量：q0TdsTTomomTm、Tom平均变量温差 输入功：w=q-q0

COPq0wTmTom

3.2单级蒸汽压缩式制冷理论循环 要点：

3.2.1循环系统组成与工作过程

1、 系统：四部件+Pipe+R 2、 工作过程：

单级蒸汽压缩：一次性压缩 p0pk

3.2.2制冷剂的状态图

热力状态参数：p、T、v、s、h

（1）压——焓图：

图的结构特性：一点、两线、三区、五态 等值线族：等 t、p、v、s、h、x

临界点：在临界温度以上，物态只能以汽相存在 （2）温——熵图：

3.2.3理论循环：（饱和循环） 1、 理论循环的假定：（见参考教材P69）五条 2、 理论循环在状态图上的描述：

（见参考教材P70）

3、 循环特性：

循环各过程包括：功、热转换与交换

7

应用热力学第一定律（开口系） 循环特性指标：

要点：单位质量概念 （1）：q0 （2）：qzv：压缩机吸气 （3）：w 单位：kJ/kg，kJ/m3 （4）：wv （5） （6） （7） （8） （9）

qk

压比：（压机） 排气温度：T2 COP 

注意点：

对于某一制冷剂采用理论循环分析可知：

①系统压力水平 ②压机工作条件 ③制冷能力 ④经济性

制冷机性能指标：

0（kw） P(w) COP qvh(m3s) 压缩机理论输气量

（1）制冷循环量：qmqvhv1 kg/s

（2）0q0qmqvhqzv kw （3）Pqmwqvhwv kw （4）COP=

0Pq0w

4、 理论循环的意义：（见参考教材P73表3—1）

（1） 不可逆性：不可逆损失

（2） 循环指标与温度及制冷剂物性有关

①实际循环的基准与参照， ②用于评价制冷剂

3.3 单级蒸汽压缩式制冷的实际循环

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3.3.1实际循环：

1、 实际工作存在的影响因素：

① 有传热温差 （外部条件） ② 非饱和态 （内部条件） ③ 流动阻力，及散热损失 ④ 非等熵压缩

2、 实际循环的状态图

3、 实际循环的工作过程：

① 蒸发过程：4——0——1a

② 吸气过程：1a——1b——1：过热 ③ 压缩过程：吸热压缩（熵增），放热压缩（熵减） ④ 排气过程：2——2a

⑤ 冷却凝结过程：2a——3：过冷 ⑥ 节流过程：3——4：绝热

4、 实际循环的简化

为工程设计方便，做如下简化

（1） 忽略冷凝器蒸发器中压降，以压缩机排气压力作冷凝压力（或排气压力减

去压降后），以压缩机吸气压力作蒸发压力（或吸气压力加上吸气压降），认为T0，TK为定植。

（2） 压缩过程简化为有损失的简单压缩过程。 （3） 节流为等焓过程

简化后的实际循环P——h图：

9

循环性能指标：

q0h1h2 q2

q0 w0h2ah1 v1qkh2h4 wiw0i

指示比功：因非等焓及阻力损失 i：压缩机指示效率

3.3.2各种实际因素对循环的影响 1、 液体过冷：

概念：过冷

过冷度：TgT3T3 过冷循环：

TgT3T3 ，hh3h3cTg

过冷循环与饱和循环对比：见P75，表3－2。 Tq0,qzv,COP

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难点：思考书上过冷度对不同冷剂的影响情况 实现过冷的方法： （1） 利用冷凝器 （2） 利用增加过冷器 （3） 利用回热

过冷状态3点比焊的确定： h3h3cTg or ： h3hs(T3) 2、 吸气过热：

概念：过热，

过热循环的P-h 图

过热度：TrT1T1

有用过热：

无用（有害）过热： (1) 无用过热时的循环对比：

见表3－3， 结论：有害 (2) 有用过热对比：

见表3－4， 结论：

q0,w0qzv,COP不确定

有用过热是否使qzv，COP增加取决于制冷剂性质，

增加幅度与过热度大小有关。 见图3－14，3－15。

3、 回热（循环）：

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系统组成及工作过程。 回热器，气－液热交换器

回热循环的性能指标：① 回热器热平衡

h3h3h1h1h4h4

② q0h1h4h1h4

与理论循环对比，其等价于用有用过热循环与理论循环对比， 前者的结论适用。

蒸发温度低的制冷机适合采用回热。

4、 管管压力损失及热交换

吸热：有害（保温）（1） 吸气管： 

阻力：降低吸气压力放热：有利（不保温）（2） 排气管： 

阻力：提高排气压力吸或放热（1） 高压液管：

阻力：降低阀前压力吸热（2） 低压液管：

阻力：提高出口压力5、 压缩机不可逆过程

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功率损失耗功Q压缩机损失： 容积损失输气量COP概念：

（1） 指示功：wi 直接用于气体压缩

指示功率：iw0/wi

轴功： ws输入到主轴上的比功 机械功率：mwi/ws 输入电功：we电机输入功 电机功率：m0ws/we

压缩机容积功率：qvs/qvh 实际输气量 m3/s ，理论输气量

（输气系数）

6、 相变传热不可逆的影响：

存在传热t，使：Tk,Pk,T0,P0

,q0,qzv,w0COP,Q 3.3.3单级蒸汽压缩式制冷机的热力计算

热力计算目的：为了系统部件设计或选型提供依据 计算内容 ：① 确定计算工况

② 计算实际循环特性

③ 计算制冷机性能和换热的各负荷

计算方法与步骤：

① 确定制冷系统，工质

② 确定制冷温度、冷却介质温度，制冷量Q或压缩机理论输气量 ③ 确定循环工况：确定 P-h图 循环

TkTHTK ,T0TLT0 T1TkTr ，T3T3TL

注意点：吸气温度T1 是否考虑无用过热视情况而定。 换热温差的选取： 水冷冷凝器：Tk4～6K 风冷冷凝器：Tk10～14 K

冷却液体的蒸发器：T03～5 K

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冷却空气的蒸发器：T08～10 K ④ 计算实际循环特性：

确定进出口各设备制冷剂热力状态参数 （由图、表、物性计算程序） 计算各项性能指标

注意点：各效率的确定 ⑤ 制冷机性能及设备热负荷计算

qvsqvhqmqvs/v1

0qmq0qvsqzvpiqmwipkqmwkpeqmwe

COP0/pe(封）COP0/p（开）k qq

KmKGqmqGHqmqH计算示例见P86～88。

习题：

1、 一台制冷量为50KW的活塞式制冷机（开启式）冷却介质温度为32℃，被冷

却物温度为－10℃，制冷剂为R22，采用回热循环，吸气温度为0℃，试进行

制冷机的热力计算。（取i＝0.8，m＝0.92，＝0.75）

2、 一房间空调器KC-25（Q＝2500W）制冷循环工况为：蒸发温度t0＝7.2℃，冷凝温度tk＝54.4℃，过冷温度：46℃；蒸发器出口温度：15℃，压缩机吸气温

度：35℃，试进行热力计算。（R22，i＝0.9，m＝0.95，e＝0.95，＝0.85）

3．4 制冷机变工况特性

重点：

1、 工况变化对制冷剂性能的影响

要点：工况参数：T0，Tk，T1，T3，φ0，p，COP ∝工况参数。 外部参数：热源、热汇即冷却介质，被冷却物温度参数，流量参数。 外部参数 内部参数（工况） （1） Tk变化的影响：

以饱和循环为例，由p－h图说明

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当tktk： 循环：1234112’3’4’1 循环特性变化：

tkw0,q0,,t2,COP 制冷机性能变化：

qvs(qvn)qm0q0 tk

qm,wpqmw不定COP(2) t0变化的影响：t0 t0” 循环：123411’2’3’4’1

循环特性变化：

v1,,T2w0,q0,qzv t0

v1,w0wvw0/v1(由此式不确定） 对此，用理想气体压缩过程分析，有：

pKKK1Kp0v1()1 w0K1p0

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pKKK1w0Kp0()1 wvv1K1p0当pK一定，对于某一制冷剂，K一定 ∴wvf(p0) 对该式求导，且： dwvdp00，wv取得极值 pkKK1条件是：(pK/p0)wpmaxK

当tK(pk)一定，T0p0，

当＜时，wv

当时，wvwvmax

当＞时，wv

对于大多数制冷剂：3

制冷机性能变化：t00,COP,p 同上wv

3.4采用混和制冷剂的单级蒸气压缩式制冷循环 3.4.1理论循环：

循环假设：① 忽略流阻损失，和成分变化

② 吸、放热过程为定压，节流等焓压缩，等熵 对于共沸混合物，其循环情况与纯质相同；

对于非共沸混合物，由相变变温特点，可用劳伦茨循环作为理想化的基准循环。 对二元混合物的制冷循环，可表示为T-S图上，



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3.4.2实际循环

与纯质循环类似要考虑实际因素。

相变温度滑移特别考虑两器中温度分布

分流中成分改变1、 蒸发器中制冷剂温度的实际分布 设定压蒸发时的温度滑移TG，使得

蒸发器入口处：T01 蒸发器出口处：T02

制冷剂沿程压降，P出口蒸发温度改变T,两种效应是综合影响的，相叠加的结果，造成蒸发器中制冷剂温度的实际分布三种可能的情况：

A:T(P)TG B: T(P)TG C: T(P)TG

2、 成分偏移

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定压相变时，气、液相成分在变，不等于充注时的成分。 实际中造成成分偏移的原因：P114

4 制冷剂

4.1概述

无机物纯质，天然 制冷剂分类，氯化物合成混合物碳氢化合物1、 命名：据ISO0817制冷剂编号规定

R 数字或字母

① 无机物：R7（）（） ② 氟利昂和烷烃：

其分子式：CmHnFxCly,Brz

CmH2m+2

R(m-1)(n+1)(x)B(z)

③ 共沸混合物 ：R5()() （按命名先后顺序） ④ 非共沸混合物：R4()() （按命名先后顺序） 2、 制冷剂的选用

考虑因素：① 制冷性能 ② 实用性

③ 环境可接受性

4.2制冷剂的性质

3、 热力性质：

p，t，v，h，s，cp，cv，k，a ① 饱和蒸气压与温度关系 ② 临界温度

③ 粘性，导热性和比热容 4、 环境影响指数 （1） 臭氧衰减指数ODP：物质气体逸散到大气中对臭氧破坏的潜在影响程度。

以R11的臭氧平衡影响做基准（为1），其他则相比于R11。

（2） 温室影响指数（GWP）：对大气变暖的直接潜在影响程度；以CO2的温

室影响做基准（为1）。

5、 物理化学性质（见参考教材P93）

4.3混和制冷剂

要点：

混合物的T-x相图，定压下相变时的热力特征： （1）

非共沸混合物：相变温度滑移：Ttdtb

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定压下，蒸发与冷凝要变温。

（2） 共沸混合物：

定压下，蒸发与冷凝不变温

（3）

近共沸混合物

T 很小

概念：分馏，精馏 混合物制冷剂的特点

4.4实用的制冷剂

要点：※ 近年由于涉及臭氧层的损耗情况，为了能显示制冷剂元素的组成，知道是否含有氯（Cl）或溴（Br）等消耗臭氧的元素，因此制冷剂命名符号中，用组成元素符号代替字母R，方法是：C-碳，F-氟

B-溴， C-氯，H-氢

则符号有：CFC-含氯，氟，碳的完全卤代烃 HCFC-含氯，氟，碳的不完全卤代烃 HFC-含氯，氟，碳的天然卤代烃 HC -碳氢化合物

臭氧层：位于地球表面上空10-50Km的区域内，为平流层占80％（和位于10Km以下，为

对流层，占15％）

前者吸收大部分太阳辐射紫外线，可避免其危害地表生物。

制冷剂扩散到平流层中，在紫外线照射下，分解出氯原子，其促成臭氧（O3）分解成氧

原子（O2），造成臭氧层衰减。

温室效应：地球周围的CO2和水蒸气可使太阳短波辐射穿过，而加热地球，但拦截地球发

射的长波热辐射，会使地表气温达到平衡温差（入射能量与反射能量处于平衡时）

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大气的这种保温作用称之为～

CO2－称为温室气体，还包括，甲烷，N02,制冷剂，温室气体过度排放后，增强地球温室效

应，导致全球变暖。

A:T(P)TG B: T(P)TG C: T(P)TG

5多级蒸气压缩制冷循环

单级压缩在常温冷却条件下，能获得的低温程度有限，受压比和排气温度制约。 当TH（TK）一定，TL（T0）下降就会使得，t2。 对于往复式压缩机有如下影响：

1、 因有余隙容积，当时，会使0 2、

i0,COP

3、 T2超过允许值

一般基于经济性和可靠性考虑，对氟机10，氨机8，对于回转式容积压缩机，主要影响是t2；对于离心式，单级压比3－4

解决单机压缩的问题即采用分级压缩，中间冷却：即多级压缩后可完成总压的要求，在每一级压缩可使压比减小，并在压缩后进行排气冷却，可使在一级压缩的排气温度降低。 见表3－13

5.1两级压缩制冷的循环形式

过程：压缩两个阶段。P0Pm，PmPk

完全冷却中间冷却

不完全冷却（一次节流：PkP0TkT0）节流过程二次节流：PkPm，PmP （0TkTm，TmT0）有四种基本循环形式：见表3－14，F3－34 5.2两级压缩制冷的系统流程与循环分析

1、 一次节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环

（1） 系统流程及循环的p－h图，见F3－35

20

（2） 工作过程：

要点：中间冷却器的作用 高压级吸由三部分 中间冷却器端差：tFt7tm35C （3） 热力计算：假定已知制冷量单位制冷量q0＝h1－h7

比功w0＝h2－h1

低压级制冷剂流量：qm.D＝0/q0 低压级制冷剂耗功率：Pk.D=qmDwD/kD 低压级输气量：实际：qvs.D=qmDv1 理论：qvh.D= qvs.D/D

高压级比功：wG=h4-h3

高压级流量：可由中间冷却器热平衡确定 质量平衡：qm.G=qm.D+qm6=qm6+qm7 qm7=qm.D

热平衡：qm.Dh2+qm.Dh5+(qm.G-qm.D) h6=qm.Gh3+qm.Dh7 所以qm.G=qm.D（h2-h7）/(h3-h6) 高压级耗功率： Pk.G=qm.GWG/k.G 高压级输气量：实际：qvsG=qmGv3 理论：qvhG= qvsG/G

性能系数：

冷凝器热负荷：见P120，实测见F3－37

2、 一次节流中间不完全冷却的两级压缩制冷循环

（1） 系统流程及p－h图

0

0 21

（2） 工作流程

（3） 热力计算：基本同前一样，只是高压级流量的计算有所不同，其吸气为过

热

对中间冷却器热平衡有：

(qm.Gqm.D)(h3h7)qm.D(h6h8) h7h6

所以qm.Gqm.D(h3h8)/(h3h6) 对于混合点4，有：

(qm.Gqm.D)h3qm.Gh2qm.Gh4 h4h3(h3h6)(h2h3)/(h3h8)

实测见图：F3－41

3、（参考教材P123），自学

5.3两级压缩制冷循环中间压力的确定及热力计算

确定循环型式，tk，t0，使tm（pm）即可进行计算 1.中间压力确定

（4） 按最佳中间压力，使COP最佳，方法是试算：在已知tk，t0条件下， 确定一组中间温度Tmi，对应每一个Tmi，对循环计算得COPi，取对应COPmax的Tmopt，即对应的Pmopt为最佳。

作图式依据经验公式，如式（3－62）

基于Pmopt值下的循环计算，确定高、低的压缩机容量：qvhg，qvh.D （5） 已知选配好压缩机，通过试算，确定Pm，使得

qvhGqvDmGG定值 qvh.DGqmDvD2.热力计算

例题：P125

22

5.4复叠式制冷

要点：采用复叠式制冷的原因

制冷系统与循环 （参考教材P131），自学

5.5 CO2制冷

采用CO2作制冷剂通过制冷循环实现连续制冷 5.5.1近临界循环和跨临界循环 CO2临界点，31℃，7.28Mpa,

-10℃2.65Mpa 0℃3.48Mpa 5℃3.97Mpa

在常温冷却介质冷却下，冷却（或冷凝）在近临界温度，或超过临界温度，故单级压缩循环可能是上两种情况，近临界或跨临界循环。 两种循环表示在p－h图上

由图可知两种循环的单位制冷量q0都很小，对于跨临界循环，可以进一步提高高压侧压力来增加q0（原因是等温线t3存在一斜度平缓段），但提高压力对COP的影响是先增后减，因此，存在一最佳Pn值，其确定方法见图3－54。 要点，解释：P138 *号段 5.5.2跨临界循环的应用装置 1、 CO2汽车空调

系统组成：见F3－55b，循环p－h图

23

工作过程：

特点：无凝，系统压力高，但压比小，贮液器及回热器的作用，见P140 2、 热泵式水加热器

系统组成：见F3－56 工作过程：

特点：见P140，P141

3、单机双级制冷压缩机应用R22，按一级节流中间不完全冷却的两级压缩循环工作，tk＝35℃，t0＝－40℃，高低压级理论输气量之比＝1/3，取D0.66 G0.76

试确定中间压力，绝对效率i0.77

6 热交换过程及热换热器

6.1 过程 见p230～238

6.2 蒸发器

要点：各类蒸发器的特点

6.2.1蒸发器的分类和结构

1、 干式蒸发器：制冷剂在管内一次完全汽化见F6－6， P238

特点：在正常运转条件下，液体体积占管内体积15－20%,有效沸腾面积均为管内表面积30％。

（1） 干式壳管式蒸发器：用于冷却液体，管内制冷剂 管外（壳侧）载冷剂

直管式管组排列方式

U型管式见F6－8 F6－9 （2） 板式蒸发器：由金属传热板片叠加而成，板片为波纹状，波纹形式有人字、

水平、锯齿。

24

属高效紧凑式。

（3） 冷却完全型：蛇形管式，外加翅片

干式蒸发器优缺点：P244

2、 再循环式蒸发器，制冷剂经多次循环后完全汽化

见F6－17（重力供液） F6－18 F6－20（泵力供液） 3、 满液式蒸发器：

见F6－21 优缺点：P247

6.2.2蒸发器内的对流换热

管内流动沸腾制冷剂池？沸腾 包括 强迫对流换热被冷却介质自然对流换热通用 表面传热系数计算关联式

专用1、 制冷剂侧：（1）（2）（3）见P247－250

2、 表面式蒸发器空气侧 3、 单机对流换热

6.2.3蒸发器的传热计算 1、 流动压力降：P

制冷剂的P运行工况（t0）COP 被冷却介质P泵送功率COP

所以针对具体蒸发器，计算P

（1） 干式管管内蒸发器

载冷剂侧：四部分，参见公式6－44－49

制冷剂侧：

Pl沿程Pm局部

P ＝Pl＋Pm

11Pl＝RfNug2g

2dif0.3106

Reg0.25Pm计算较复杂

25

通常：

Pl＝20－50％ P（2） 表面式蒸发器空气流动压降

见（6－54）

2、 蒸发器设计的一般原则

（1） 满液式

结构：要点：防止出气带液 载冷剂流体：盐水：0.5－1.5m/s 水：2－2.5m/s

温降： 水：4－5℃

（2） 干式壳管式

制冷剂质量流量qm：

qmiPl

存在qmopt

流程数：内肋管：二级U型管

光管：4、6？？

载冷剂水温降：4－6℃ 折流板数：

（3） 表面式蒸发器：见P257

结构参数

6.3 冷凝器

6.3.1分类与结构

1． 风冷冷凝器：多为蛇管式结构

（1） 自然通风：丝管式见F6-26 （2） 强制通风：管片式：F6-27

管带式：F6-28

壳管式2．水冷式冷凝器： 

套管式天然水水 自来水 循环水（1） 壳管式：

立式：见F6-30 卧式：见F6-29（2） 套管式：蛇形,螺旋形. F6-31

3. 蒸发式和淋激式.

26

直流式 4. 冷却水系统:  见F6-33

循环式自然通风冷却塔：

强制通风：F6346.3.2冷凝器内的对流换热

制冷剂侧： 冷却介质侧：

6.3.3冷凝器的传热计算：

2． 水冷式

（1） 给定条件：冷剂、QK、工况 （2） 主要参数选择：

材料： 水速：

冷却水进口温度及温升：tKtw18—12C tw2tw125C 污垢热阻：表6-1 （3）P计算：式（6-7） 3． 风冷式

（1） 给定条件： （2） 参数选择：

结构：

空气进口温度及温升：tktw11315C

000

tw2tw1100C

迎面风速: 35m/s

(3) P计算：

6.4 蒸发器供液量的自动调节

6.4.1热力膨胀阀

控制蒸发器出口过热度，随负荷变化自动调节制冷剂流量。 1． 内平衡式

结构与工作原理：见F-6-38

金属膜片受力： P1P0P3 膨胀阀特性：

27

静态特性：其容量（供液能力）与过热度关系。 关闭过热度：

SS 开启过热度：稍大于关闭过热度也称静态（或装配）过热度均为3C 。 OP 打开过热度：从开启至额定（或最大）中过热度变化值24C 。 （可变）

工作过热度：OPS=SS+OP ：5 7C

000

静特性曲线：F6-39

注意： 一般有20% 的容量裕度。 2． 感温包的充注.

液体充注气体充注充注形式： 充注工质 交叉充注：不同工质吸附充注相同于系统 不同于系统同种液体充注：要求温包内始终有液体存在，即保证膜片上方压力始终为保和压力。

见F6-40: 表示过热度控制示意图.

特点:

交叉充注特点： t0不同，但 tn n 才不变。

气体充注: 同种工质， 但限量。当 t0低于规定值时，温包内有液体存在，工作与

28

液体充注相同。但当t0 超过时，温包内全部汽化，压力几乎不再随温度变化，因

此阀的开度不变。 吸附充注：（见P290 底）

3. 外平衡式

采用外平衡式的原因：如采用内平衡式当存在PT0Tnqm有

效面积利用

外平衡式结构：增加了一根平衡管使膜片下的蒸气作用力为蒸发器出口压力，从而使

膨胀阀提供的过热度与蒸发器出口处的饱和温度相对应。 4． 热力膨胀阀容量：

补充内容：

定义：通过在某压差作用下处于一定开度的膨胀阀的制冷剂流量，在一定的蒸发温

度下完全蒸发时所产生的冷量Q0对应额定开度额定容量。

在一定t0,tK,t3时

流量计算式 ：MKCDAP1P2 K一常数与冷剂有关 CD一流量系数与阀有关 P1P2P阀进出口压差。 影响容量的因素: (1)MP ； (2) t0：t0MQ0 ；

（3）tCM 6.4.2热电膨胀阀:

(1)控制信号反馈滞后大热力膨胀阀不足之处 (2)控制精度较低(3)调节范围有限 热电式原理: 利用被调参数产生电信号其去控制阀上电压或电流,继而控制阀针动作而

实现调节。

1． 调节系统组成：

(1)见F644(a)传感器：检测过热度有两种方法

(2)见F644(b)电子调节器：输出控制信号。

执行器：控制阀针。 2． 阀的种类及工作特性

29

按驱动执行器方式分：

① 热动式：电加热产生的热力驱动。见F6-45 ② 电磁式：电磁线圈产生的磁驱动，见F6-46a ③ 电动式：步进电机正反向旋转带动阀针移动。 3． 特点：见P294

6.4.3毛细管与浮球阀

1. 毛细管: di：0.72.5mm, L: 0.66m

毛细管内制冷剂过程: 见图6-48 存在临界流动现象

液相长度+ 两相长度+ 自由膨胀区 临界压力 Pcr P0Pcr 毛细管供液能力的影响因素： 入口处：P1、t1、tC; di,L

P0影响较小或无。

另外，如热交换作用，管型状况，安装位置等。 参考计算式: qm5.44(P/L)0.571di2.71

毛细管的优缺点：（思考问题） 2． 浮球阀：（自学）

6.5 制冷系统的传热强化与消弱 要点：

6.5.1强化传热的原则及方法

1． 原则：从热阻较大侧进行

并要考虑如下约束：①应使效率高，功耗少 ②成本低 ③可靠性 应综合评判。

文献[10]给出一判据：见式（6-74）

2． 方法：主要是通过表面加工处理，使表面对流换热增强。

（1） 制冷剂凝结与沸腾换热强化

应用高效传热管：低肋、微肋、多空表面管。见P299-300

（2） 空气侧：

6.5.2蒸发器表面结霜及霜抑制

3． 结霜过程及其对蒸发器的影响

过程：见P302

影响：热阻增加，空气侧阻力增加，参见图6-56 4． 抑制结霜的措施：

30

7 载冷与蓄冷

间接冷却：制冷机载或蓄冷剂被冷却对象， （第二制冷剂） 载冷：载输冷量 蓄冷：储存冷量 7．1载冷剂与蓄冷剂

1． 载冷剂

特性要求：（P315） 常用传统载冷剂： ① 水

②无机盐水溶液 氯化钙（钠、镁）

其结晶点与浓度有关，因此根据使用温度来确定其配比浓度。 了解盐水溶液相图（T-W）

一般希望wwE，且对应的析冰点比蒸发温度低58C ③有机载冷剂：甲、乙醇、 乙二醇、丙二醇

2． 蓄冷剂： 共晶冰：共晶点温度及融化潜热。 见表7-1

7．2载冷新技术

利用流态冰进行载冷

3． 流态冰：组成：冰晶（微小冰粒）+水+不冻液，具有流动性。

由专用设备流态冰生成器制取。 载冷特点：①单位载冷能力大泵容量、功耗

②输送管道尺寸

③使用载冷换热器处，进出口温差小，使冷却温度分布均匀 ④可减少冷却器尺寸。

流态冰载冷技术0制冰晶机:常用氨制冷流态冰传输机理

属非牛顿流体

31

4． 新型载冷系统：参见实例说明：

7．3 蓄冷

普冷中的蓄冷: 蓄冷温度不太低,蓄冷量大。

显热蓄冷：储能密度低，占据空间大蓄冷方式

潜热蓄冷：储能密度高，空间占据小，释冷恒温实现制冷与用冷分时要求蓄冷的意义：

改善电制冷对电网供需的影响1． 空调蓄冷 方式：

水蓄冷冰蓄冷：蓄冷密度大蓄冷器体积小，但蓄冷导致T0P初投资

气体水气物发展方向 见表7-2. 各种蓄冷方式对比 优态盐共晶盐Fig. 7-6有无蓄冷空调系统。 3． 冰蓄冷：冰融化：335kj/kg 潜热 （1）制冰方式：

①静态制冰：换热表面结冰，冰不流动，结冰一融冰过程在同一处反复进行。

外融型融冰 见F.7-7

内融型 ② 动态制冰：通过间歇地或连续地剥离出冰片或冰粒，并与液体混合，可以流动。

方式多样，但技术复杂，示例说明，见图7-8 1）收获型制冰 2）流态冰制取

3）过冷冰制取： 水的冰点0C，但纯净水初始结冰可降至6C，开始而后恢复至0C，凝固起始温度低于正常凝固温度——称过冷之差为过冷度。 （2）制冰热交换器 主要型式：

①管装：结构简单，但形成块冰，结冰过程热阻 ②球灌式（冰球） ③流态冰形式：

蓄冷系统见图7-10

（3）空调冰蓄冷系统实例：见表7-3

000 32

8 液态低温工质的制取

8.1低温工程的性质

8.1.1 低温工程的种类

120K级的低温：天然气组分，如烃类（烷、烯、炔）约120K； 80K级的低温：空气成分：如O2ArN2约80K；

20K级以下的低温：氢气的液化（H2, 20K），氦的液化（He, 4.2K）。

(1)(2)(3)氧O2氮N2氩ArM32M28M40Ts:90k——炼钢Ts:77k空气主要成分——保护气

——焊接保护气Ts87k（4）其他气体：如甲烷CH4、氖Ne、氢H2、氦He 通常所指的低温技术包括：

获得纯净的低温介质（分离技术）； 获得低温液态工质 （液化技术）；

利用低温工质获得所需的低温温度（低温制冷技术）； 利用低温制冷获得高真空（低温泵）； 低温工质的储藏与运输； 低温绝热技术。

8.1.2空气及其组成气体的性质

空气=干空气+水蒸气 其中干空气：N2O2ArCO2......

可写作理想气体对待，M=28.97， Ts78.9(泡点)/81.7(露点) 在相平衡（汽/液）情况下：液体中，N2：59% O2：40% Ar：1%

所谓的空分：就是从空气中提取N2、O2、Ar以及Ne等稀有气体。主要是低温分离，此外还有常温分离方法：分子筛变压吸附（PSA）、膜分离等。 8.1.3 氢的性质

（1）性质最为复杂的低温工质有三个同位素 H D T。

H2的密度最小，易燃易炸，可用作制冷工质、洁净燃料、重氢的原料

33

（2）正氢与仲氢

Ortha-Hydrogen 正氢，双原子同向旋转；Para-Hydrogen 仲氢，双原子异向旋转 平衡氢( e- ) = OH2PH2f(T)

（O—P）正—仲转化，放热反应，且转化热 > 汽化潜热。故生产LH2时加催化剂。促使O→p转化。 8.1.4 氦的性质

主要是天然气中提取，氦有两种同位素4He、3He，通常指的氦为4He，同位素3He含量很少。氦是最难液化的气体。

氦有两个三相点，在2.5MPa以下得不到固体He，但存在一个高阶的液态相变LHeILHeII：叫做超液氦，中间的线叫线。

“”显示了Cp的突变，无气化潜热。 LHeILHeII 转变点约2.17K，

（1）超流性0,“爬膜”、“喷泉”现象；（2）超导热性。 HeII 特性：

34

8.2 气体液化循环

低温气体液化，必须降温至Tcr以下，需要制冷降温；维持低温系统所需制冷以补偿冷损；如生低温液体，补偿带走的的冷量。

8.2.1 绝热节流

何谓节流过程：h1h2；实际气体hh(p,T) 理想气体hf(T) 焦一汤效应：实际气体在节流前后的温度变化效应

Tvv微分节流效应 2 理想气体 pTTh积分节流效应 Thdp

p1p2h01vThTvh0PhcpTph0T不变T降低 T增加vdhcdTTvcp 取决于节流前的气体状态。 pTp三种情况内在机理，

dhdudpv0即dud(pv)

uu动u势，节流后du势0，但d(pv)不定， du动du势d(pv)也不确

定。

转化温度与转化曲线

T根据微分节流效应 np关系，可以求出h0时的状态

h此时h0Tinv，即转化温度，实践证明，当ppmax时出现一条转化温度的曲线。节流前气体状态如果是ppmax效果。

等温节流的效应hT：hTh1h0cp(T1T0)，即节流的制冷量。 8.2.2 气体等熵膨胀

T1、通过膨胀机实现，对外做功；微分等熵效应 sp

s\"'TinvTTinv，则节流后产生制冷

35

Tdsdhvdp已知

v

dhCpdTTvdpTpv则TdscpdTTdp

TpTTv故s0；等熵膨胀总是具有冷效应的。 pscpTp2、制冷量计算

We为膨胀输出功。

qh0h2(h0h1)(h1h2)hTWe；其中hT为等温节流效应，

3、提高膨胀前后温差、制冷量的方法：增加初温T1和增加膨胀比

hprhthp1 p2h1h2' h1h2s4、膨胀机效率—绝热效率，即实际焓降与理论焓降之比，

vh5、绝热节流与等熵膨胀比较：scp温降和制冷量均是等熵膨胀高

qsqhWe 36

8.2.3 气体液化理论最小功

获得低温实现热量从低——高的转移，必须投入能量。 理想过程：等温压缩+等熵膨胀 理想最小功WminWTWs 按

TdsdhdwtTshwt

WTTsT(s1s2)T(s1s0)，WminTsh Whhh10sscplnT2pRln2 T1p18.2.4液化循环指标

W[W为1kg气体耗功 Z为1kg气体的液体量] Zq（2）制冷系数，制冷量与耗功之比，0；其中q0z(h1h0)

W（1）单位能耗：W0（3）循环效率：热力不完善度，实际制冷系数pr与理论循环系数th之比。

agprq0thwprq0wWminWpr；也是理论最小功与实际耗功之比。 th8.2.5 空气 氧 氮的节流液化循环

低温液化循环：

（1） 节流液化循环：利用节流装置，获得等温节流效应；

（2） 带膨胀机的液化循环：利用膨胀机获取大的等熵膨胀制冷量； （3） 带气体制冷机的液化循环：利用低沸点气体工质的制冷效应； （4） 复叠式液化循环：利用不同沸点工质逐级冷却最终液化。 1. 一次节流液化循环

是最早的液化循环，被德国的林德所采用，故命名林德循环。

37

(1-Z)kg Q 1kg 1 Ⅰ T T=T2=T1 2 1 ΔT=T1’ -T1 、 1 2 Ⅱ P2 Ⅲ 3 Ⅳ 4 Ⅴ 0 3 5 P1 0 4 5 S 一次节流液化循环流程图以及T-S图 （1）理想循环

等温压缩 → 等压冷却 → 节流膨胀 → 液化 ↓

——————————←等压复热 液化量：1kg空气，h2h0z(1z)h1 zh1h2hTh1h0hh0kgkgA ir单位冷量 q0hT，等温节流效应；由于h1h0一定（状态参数）z~hT

(hT)0 液化量大，即等温节流效应大，T一定时hT是压力的函数pT（2）实际循环

压缩过程存在不可逆因素、换热器有温差、不完全换热以及跑冷等因素。 实际液化量 zprhTqh1'h2

单位（加工空气）制冷量为 q0hTq

p2适当升高，p1升高，高压气体T下降，对提高有利。

2. 有预冷的一次节流液化循环 降低高压气体温度，减小换热器的温差

zpr

hTq0cqhh0`1

38

3. 二次节流液化循环 提高p1

循环气体 高压气体节流 进高压压机

中压节流 进低压压机

液体 8.2.6等膨胀机的空气液化循环 1. 克劳特循环

根据系统能量守恒的关系，并考虑跑冷损失q3，不完全热交换损失q2

q2(1zpr)(h1`h1)

则有zprhTVe(h3h4)qhh0`1q0prhh0`1

膨胀机的非等熵过程，定为膨胀机等熵效率

1 c 1kg 2 A 1 B T

Ⅰ 3 Ⅱ 8 4 Ⅲ 5 6 7 P2 1-Ⅴe 5 Ⅴe 9 Ve E T=T2=T1 2 1kg p2 3 p1 1 1 (1-Zpr)kg 、、4 0 D Zprkg C 0 6 4s 7 S

克劳特液化循环流程图以及T-S图

39

2. 海兰德循环

高压常温膨胀，增加绝热焓降；可预冷，增加zr置。

3. 卡皮查循环

低压低温膨胀，液体节流，流程简单，能耗小，投资低，适用于大中型空分。 8.2.7 氦液化循环

`临界点低，为5.2K，Tinv也低4.6K，7K以下节流才会产生液体；故必须

w；适用于小型液态装

预冷+节流，或膨胀对外输出功+节流。 1. 节流液化循环 2. 带膨胀机液化循环 3. 其它型式的He液化循环

节流氦液化循环图

8.2.8 天然气液化循环 1.复叠式制冷液化循环 2. 用混合制冷剂的液化循环

40

Zpr H2 N2 17 14 (1-Zpr) Ⅰ 12 2 液N2 13 Ⅱ 3 4 液H2 15 5 6 7 Ⅵ Zpr 9 10 11 3. 热膨胀机的循环

9 溶液热力学基础

9.1概述

1. 溶液：两种级以上物质组成的均匀，稳定的液体，可以蒸发和凝固。

组成：两种液体混合、固体溶解于液体或气体溶解于液体 2. 成分：各组成物质的比分

质量成分、摩尔成分以及二者相互关系

3. 溶解度：溶质在溶剂中可溶解的最大量，它是T，p的函数。 4. 溶解热，溶解通常伴着热效应——吸热或放热反应。 9.2 溶液的基本定律 1. 理想溶液及拉乌尔定律

拉乌尔定律：蒸气混合物中某一组分的分压，等于该纯净物质同一状态下的饱和蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔成分的乘积。

pixipi0ppixip0i 适用于理想溶液，实际溶液可能有出入

2. 康诺瓦罗夫定律

理想溶液中液相中和气相中的成分是不同的

0,由拉乌尔定律 pAxApA0pBxBpB（溶液）

0pAxApA,由道尔顿定律 yApp0pBxBpByB

pp00pAyAxApA0 如果饱和蒸气压01则

yBxBpBpB0pA高沸点0pB低沸点

则

yAxA yBxB9.3 溶液相平衡条件

1. 相：凝聚态内部均匀的部分；通过相的界面进行物质的转移称为相变。 2. 相平衡（溶液）

在等温（T=C）、等压(p=C)的条件下，相平衡的条件是同一成份在不同相内的化学势相等。

iigNp某个组分i，在多相平衡系统中的条件是g1ig2 Np1个式子

3. 吉布斯相律

41

按相平衡系统的自由度（可变条件）与组分数及相数间的关系。 分析知：独立变量（自由度）=Np(Nc1)2

Np 相数 Nc成份数 2状态参数（p，T）

相关关系式个数 =Nc(Np1)个式子，使其相关 所以独立变量Nf(Np1)2Nc(Np1)NcNp2 9.4 二元溶液的相平衡 1. 气液相平衡

Nc2,Np2则Nf2

h(或x)图 yi不同

有p(x)图，T(或x)图，

由康诺瓦罗夫定律知：xi在T—x图上可看出

与0和TB0之间 x的浓度时，露点温度TD和饱点温度TB在TA压力越高，气液浓度差越小，越难以分离。 2. h(或x)图

在p一定期时，按T图指出h图，反映过程热量的进出 特点：

（1）两条饱和线不相交，在0和100处反映了A和B的气化潜热 （2）两相区的等温线由垂直到倾斜又到垂直的变化。 （3）压力变化升高时，饱和线上移。 9. 5 多种分气体的相平衡 1. 逸度与活度的概念

逸度代替压力 fp ，拉乌尔定律 fixifi0 逸度系数 fp ，考虑其偏差

活度代替浓度 ixi

ififi0T 类似道尔顿分压定律 活度系数 i

ixi

42

2. 气液平衡系的分类

气相为理想气体混合物（服从道尔分压定律）（1）完全理想系

液相为理想溶液（服从拉乌尔定律）（2）理想系 气相和液相均为理想溶液（服从拉乌尔定律、逸度规律） （3）非理想系 有一相为非理想溶液，用活度系数考虑其修正。， 3. 气液相平衡表示

yifi``yi`fi`0````0相平衡常数 ki `xiyififi平衡时，气液中，T，p，g，均相同，则fifiyixi```yi`fi0`ki````0

yifi（1）xixiyi1，露点方程 ki已知yi，假定Tkixixi1 则TTD

（2）yixikiykxiii1，泡点方程

则TTB

已知xi,假定Tkiyiy21

9.6 溶液基本热力（工作）过程 1. 混合

m1,t1,h1,1

m,t,h, m2,t2,h2,2

质量守恒：m1m2m；能量守恒：m1h1m2h2mh；以及溶质质量守恒：

1m12m2m 2. 蒸发与冷凝

蒸发：质量守恒：m`m``m

溶质质量守恒：`m```m``m 3. 节流

43

前后：h1h24. 吸收

12p1p2；

（1）气体溶于溶液之中叫吸收（气体溶于固体中叫吸附） （2）冷凝和吸收的区别 （3） 溶液 m1,1,h1,t1 m2,2,h2,t2

气体D,r,hr,tr

44

10 气体的低温分离

气体混合物的分离：空气，天然气，焦炉气„„ 气体的分离与气体的液化相关，低温分离是主要手段。

气体分离方法：（1）精馏，多次的蒸发与冷凝，适用于沸点相近物质

（2）分凝，部分蒸发与冷凝，适用于沸点较远物质。 （3）吸收（4）吸附（5）薄膜渗透法---常温法

下面以空气为对象进行分析

10.1空气组成及其主要成分间的气液平衡

O2: 20.95%, 90.188K, N2:78.084%, 77.36K, 二元气液平衡：O2:20.9%N2:79.1%

Ar: 0.93%, 87.29K, 其它

近似认为：气体为理想气体，液体为理想溶液 （道尔顿） （拉乌尔）

pO2pyO2 

ppyN2N20pO2pO2xO2 且 ppN2pO2 0ppxN2N2N2则yO2pO2ppO2pO2pN2pO2pxO2pxN20O20N2

10.2空气的精馏

以二元组成为例在高压下进行。 1. 液空部分蒸发与空气部分冷凝

蒸气不断引出后，液相中的氧浓度不断增加，获得很少量的高浓度LO2。空气凝结后不断把凝液取走，剩余蒸气中的N2浓度增加，最后获得高浓度的

N2。

2. 空气精馏（多次蒸发+多次冷凝）

部分蒸发使得液体量越来越少，必须补充液体获得纯LO2；而部分冷凝气体量越来越少，必须补充气体获得N2。把部分蒸发与部分冷凝连结起来。 3. 精馏塔

筛板塔：高温的气体穿过低温的液体层，热质交换 填料塔：气体与液体连续双向热质交换，大量交换面积。

单级塔：高纯氮、高纯氧制取；双级塔：单级塔叠加，下塔提N2，上塔提O2 拉赫曼原理：上塔精馏所需气液比小，即气体量可以更大，精馏效果更好。

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10.3 精馏过程计算 1. 塔板上工作过程

质量守恒：V1L2V2L1Ly2y1 得： 气液比 氮组分守恒：VyLxVyLx11222211Vxx21能量守恒：Vh``Lh`Vh``Lh`112222112. 理想塔板数确定 10.4 精馏塔塔板效率 1. 塔板效率的定义

（1） 全塔效率：理论塔板数与实际塔板数之比；

（2） 板效率：某个塔板上实际浓度变化与理论浓度变化之比； （3） 点效率：塔板上某点处实际浓度变化与理论浓度变化之比。 2. 塔效率：可以由分析计算和经验方法给出。

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