制冷与低温的热力学基础课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,制 冷 原 理 与 技 术,第一章制冷与低温的热力学基础,第一节 制冷与低温原理的热工基础,第二节 制冷与低温工质,第三节 制冷技术与学科交叉,,,第一章制冷与低温的热力学基础第一节 制冷与低温原理的热工,第一节 制冷与低温原理的热工基础,,自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一1.1.1 制冷与低温原理的热力学基础,1.热力学第一定律,,,第一节 制冷与低温原理的热工基础 能量守恒与转换定律是自然界,用符号U表示，单位是焦耳 （J）,热力学能,1kg物质的热力学能称比热力学能,用符号u表示，单位是焦耳/千克 （J／kg）,比热力学能,热力学能,,热力学能和总能,热力状态的单值函数两个独立状态参数的函数 状态参数，与路径无关用符号U表示，单位是焦耳 （J） 热力学能1kg物质的热力学,工质的总储存能,内部储存能,外部储存能,热力学能,总能,,,,,动 能,位 能,E－总能， E,k,－动能 E,p,－位能,E=U+E,k,+E,p,,(1-2),内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观,运动动能及位能的总和 。

若工质质量m，速度c,f,，重力场中高度z,宏观动能,,重力位能,工质的总能,(1-3),,,,工质的总储存能内部储存能外部储存能热力学能总能动 能位 能,能量从一个物体传递到另一个物体有,两种方式,作功,借作功来传递能量总和物体宏观位移有关传热,借传热来传递能量无需物体的宏观移动推动功,因工质在开口系统中流动而传递的功对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功推动功只有在工质移动位置时才起作用力学参数c,f,和z只取决于工质在参考系中的速度和高度,,2.能量的传递和转化,(1-4),比总能,,,能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式作功借作功来传递能量,图1-1a所示为工质经管道进入气缸的过程工质状态参数p、v、T，用p-v图中点C表示工质作用于面积A的活塞上的力为pA，工质流入气缸时推动活塞移动距离 ，作功pA =pV=mpvm表示进入气缸的工质质量，这一份功叫做,推动功,1kg工质的推动功等于pv如图中矩形面积所示图1-1a所示为工质经管道进入气缸的过程图1-1b所示考察开口系统和外界之间功的交换取一开口系统，1kg工质从截面1-1流入该热力系，工质带入系统的推动功,p,1,v,1,，作膨胀功由状态1到2，再从截面2-2流出，带出系统的推动功为,p,2,v,2,。

是,系统为维持工质流动所需的功，,称为流动功,,,图1-1b所示考察开口系统和外界之间功的交换焓,用符号H表示，单位是焦耳 （J）,H= U+pV,,(1-5),比焓,,(1-6),,用符号h表示，单位是焦耳/千克 （J／kg）,焓是一个状态参数焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数如：h=f(T,v) 或 h=f(p,T); h=f(p,v),(1-9),3．焓,,,焓用符号H表示，单位是焦耳 （J）比焓,进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加,,(1-10),4.1 闭口系统的能量平衡,4．热力学第一定律的基本能量方程式,工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功W若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则,工质储存能的增加即为热力学能的增加ΔU,,,(1-11),热力学第一定律的解析式,,,进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加4.1,加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界对微元过程，,第一定律解析式的微分形式,(1-12a),对于1 kg工质，,,(1-12b),(1-12c),式(1-12) 对闭口系普遍适用，适用于可逆过程也适用于不可逆过程，对工质性质也无限制。

加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存于工质内部，余,热量Q,热力学能变量ΔU,功W,代数值,系统吸热Q,+,,系统对外作功W,+,,系统热力学能增大ΔU,+,可逆过程,,,(1-13),(1-14),,完成一循环后，工质恢复原来状态,,(1-15),闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的热量等于与外界交换的净功量,(1-16),,,,,,热量Q热力学能变量ΔU功W代数值系统吸热Q+ 系统对外作功W,4.2 开口系统的能量平衡,由系统能量平衡的基本表达式有,图示开口系统，dτ时间内，质量 的微元工质流入截面1-1，质量 的微元工质流出2-2，系统从外界得到热量 ，对机器设备作功 过程完成后系统内工质质量增加dm, 系统总能增加dE,CV,,(1-17),图1-2 开口系统流动过程中的能量平衡,,,,,,,,,4.2 开口系统的能量平衡 由系统能量平衡的基本表达式有,由E=me,V=mv,h=u+pv,得,,(1-19),,稳定流动,,系统只有单股流体进出，,,(1-21),,微量形式,,(1-22),,当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程,,,由E=me,V=mv,h=u+pv,得 (1-19) 稳定流,工质流经压缩机时，机器对工质做功,w,c,,,使工质升压，工质对外放热,q,,每kg工质需作功,,(1-24),膨胀过程均采用绝热过程,图1-3 压缩机能量平衡,,,图1-4 膨胀机能量平衡,,,,,,,,5.能量方程式的应用,(1-25),稳定流动能量平衡方程,,,工质流经压缩机时，机器对工质做功wc,使工质升压，工质对外放,图1-6 喷管能量转换,,图1-5 换热器能量平衡,,,工质流经换热器时和外界有热量交换而无功的交换，动能差和位能差也可忽略不计,,1kg的工质吸热量,,1kg工质动能的增加,工质流经喷管和扩压管时不对设备作功 ，热量交换可忽略不计,,,,,,,,图1-6 喷管能量转换 图1-5 换热器能量平衡 工质流经换,工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流。

设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能差忽略，因过程无对外做功，故,节流前后的焓相等,,该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节流过程段节流,,,工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律,热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高,温物体,1.制冷循环的热力学分析,热力学循环,,正向循环,,热能转化为机械功,逆向循环,消耗功,循环除了一二个不可避免的不可逆过程外其余均为可逆过程可逆循环是理想循环理想循环,2.热力学第二定律,,,研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律 热不,热力学第二定律涉及的温度为热力学温度(K),,T=273.16+t,,(1-29),,熵,是热力学状态参数，是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据定义式,,(1-30),,q,rev,是可逆过程的换热量，T为热源温度,可逆过程1-2的熵增,克劳修斯积分,,,=0 可逆循环,＜0 不可逆循环,＞0 不可能实行的循环,,,热力学第二定律涉及的温度为热力学温度(K) T=273.16,p、T状态下的比熵,定义为,(1-33),2.热源温度不变时的逆向可逆循环,——逆卡诺循环,当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。

在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失p、T状态下的比熵定义为 (1-33) 2.热源温度不变时的,卡诺制冷,机,是热力,理想的等,温制冷机,,,,卡诺制冷,过程1－2,,压缩工质，同时放热至热,源，维持制冷剂温度恒定,,过程2－3,,工质从热源温度T,h,可逆绝热膨胀到冷源温度T,c,,过程3－4,热量从冷源转移到工质中同时工质做功以使制冷剂维持一定的温度,过程4－1,,制冷剂从冷源温度可逆绝热压缩到热源温度,,,,过程1－2 压缩工质，同时放热至热过程2－3 工质从热源温度,制冷工质向高温热源放热量,(1-34),,制冷工质从低温热源吸热量,,(1-35),,系统所消耗的功,,(1-36),卡诺制冷系数,,(1-37),卡诺热泵循环效率,,,(1,-,38),热力完善度,,,(1-39),,,制冷工质向高温热源放热量(1-34) 制冷工质从低温热源吸热,,,温,,度,T,熵 S,图,1-10,洛伦兹循环的,T-s,图,,,3.热源温度可变时的逆向可逆循环—洛伦兹循环,洛伦兹循环,工作在二个变温热源间与卡诺循环不同之处主要是,蒸发吸热和冷却放热均为变温过程,,,,,,,,温 度 T熵 S图1-10 洛伦兹循环的T-s图,(假设制冷过程和冷却过程传热温差均为ΔT ),制冷量,,排热量,,耗功,,(1-40),洛伦兹循环制冷系数,,,,(假设制冷过程和冷却过程传热温差均为ΔT )制冷量 排热量,,以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是卡诺循环制冷机，而第二类循环则是理想的热源驱动逆向可逆循环——三热源循环。

图1-11 两类制冷循环能量转换关系图,,(a)以电能或机械能驱动,,(b)以热能驱动,,,4.热源驱动的逆向可逆循环——三热源循环,,,以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是卡诺循环制冷机,对可逆制冷机,热力系数,(1-45),,1.1.2 制冷与低温的获得方法,1.焦耳汤姆逊效应,(1) 节流过程的热力学特征,通过膨胀阀时焓不变,，因阀中存在摩擦阻力损耗，所以它是个,不可逆过程，节流后熵必定增加,,,对可逆制冷机热力系数(1-45) 1.1.2 制冷与低温的获,节流阀、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等多种形式焦耳－汤姆逊效应,理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化,焦耳－汤姆逊系数,,(1-46),制冷系统中的节流元件,结构简单，价格低廉，在小型制冷空调装置中应用广泛,,,,节流阀、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等多种形式焦耳－汤姆,零效应的连线称为,转化曲线,，如图上虚线所示若节流后气体温度保持不变，这样的温度称为,转化温度,焦耳－汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率,,转化曲线上,节流后升温,节流后降温,,图1-12 实际气体的等焓节流膨胀,,,,,零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。

若节流后气体温度保,进一步推导得,(1-50),对理想气体,(2) 节流过程的物理特征,,,节流时温度降低,,,节流时温度不变,,节流时温度升高,,实际气体表达式可通过实验来建立,(1-51),对空气和氧,在P＜15×10,3,kPa,,,进一步推导得 (1-50) 对理想气体 (2) 节流过程的物,(3) 转化温度与转化曲线,转化温度,(1-55),(1-56),转化温度与压力的关系,,在T－P图上为一连续曲线，称为,转化曲线,,针对范德瓦尔气体的最高转化温度,,(,此时 或 ),(1-53),范德瓦尔,状态方程,,,(3) 转化温度与转化曲线 转化温度 (1-55) (1-5,表1-1 最大转化温度,列出了一部分气体的最高转化温度气体,最高转化温度(K),气体,最高转化温度(K),He,4,45,CO,652,H,2,205,Ar,794,Ne,250,O,2,761,N,2,621,CH,4,939,空气,603,CO,2,1500,,,NH,3,1994,,,表1-1 最大转化温度列出了一部分气体的最高转化温度气体最,2.绝热膨胀,气体等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的温度变化。

微分等熵效应,(1-58),对理想气体,(,,为绝热指数),(1-60),,,2.绝热膨胀 气体等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的温度变化,等熵膨胀过程的温差，随着膨胀压力比P,1,/P,2,的增大而增大，还随初温T,1,的提高而增大3.绝热放气,,,,等熵膨胀过程的温差，随着膨胀压力比P1/P2的增大而,(1)假定放气过程进行很慢，活塞左侧气体始终处于平衡状态而等熵膨胀，所作功按其本身压力计算，因而对外作功最大，温降也最大2)设想阀门打开后活塞右侧气体立即从P,1,降到P,2,，因而当活塞左侧气体膨胀时只针对一恒定不变压力P,2,作功，对外作功最小，温降也最小1-61),(1-62),,,(1)假定放气过程进行很慢，活塞左侧气体始终处于平衡状态而等,实际放气过程总是介于上述两种极限情况之间，过程进行得越慢，愈接近等熵膨胀过程图1-14 放气过程中温度与压力的变化关系,,,,,实际放气过程总是介于上述两种极限情况之间，过程进行得,分析这两种极限情况可得结论：,,(1)气体绝热指数越大，则温比T,2,/T,1,(P,2,/P,1,一定时)越小，温降越大，用单原子气体可获较大温降2) 随压比P,1,/P,2,增大，温比T,2,/T,1,减少越来越慢，单级压比不宜过大，一般取3到5。

分析这两种极限情况可得结论： (1)气体绝热指数越大，则温比,4.1 热力理想等温源系统,,“冷源”,指需冷却的空间,,“热源”,则指制冷机放热的对象,4.低温气体制冷的热力学基础,,,4.1 热力理想等温源系统 “冷源”指需冷却的空间4.低温气,表1-2 卡诺制冷机在300K和低温T,c,时的性能系数COP,冷源温度（K）,COP,i,=,-,Q,0,/W,net,-,W,net,/Q,0,111.7,0.5932,1.686,77.4,0.3477,2.876,20.3,0.07258,13.778,4.2,0.01420,70.43,1.0,0.003344,299.0,0.1,0.0003334,2,999.0,0.01,0.0000333,29,999.0,,,表1-2 卡诺制冷机在300K和低温Tc时的性能系数COP冷,4.2 热力理想等压源系统,在工质未冷凝的气体制冷机系统中，吸热过程是变温的，而不象在卡诺制冷机中那样在等温下吸热这样，实际系统与卡诺系统比较是不公平的，因为,实际系统的冷源温度不恒定,没有一个制冷系统的制冷系数可大于相同温限下工作的卡诺制冷机，否则就可以制造第二类永动机。

要达到相同的制冷效应，所有实际的制冷机都要比卡诺制冷机花费更多的功热力学第二定律的推论之一,,,4.2 热力理想等压源系统 在工质未冷凝的气体制冷机,制冷剂在T,1,和T,2,之间可逆等压吸热，放热过程是可逆等温过程制冷剂在T1和T2 之间可逆等压吸热，放热过程是可逆等温过程,对理想等压源制冷机,(1-66),上式对任何工质都适用对许多气体制冷机而言，压力足够低时，工质气体可近似为理想气体对具有定压比热的理想气体,(1-70),COP与用作制冷剂的理想气体无关COP,i,仅与最高冷源温度与最低冷源温度之比和热源温度与最低冷源温度之比有关对理想等压源制冷机 (1-66) 上式对任何工质都适用,,,,图1-16 理想等压源制冷机的性能系数,,性 能 系 数COP,T,0,是高温热源温度,T,1,和T,2,分,别是低温,热源的最,高和最低,温度图1-16 理想等压源制冷机的性能系数 性 能 系,1.1.3 制冷与低温温区的划分,1.制冷与低温温区的划分,通过一定的方式将物体冷却到环境温度以下冷”相对于环境温度而言，一般是指环境温度至绝对零度通过123Ｋ来分界温区,制冷温区,,123K以上,低温温区,,123K以下,,制冷,,,1.1.3 制冷与低温温区的划分 1.制冷与低温温区的划分,制冷的温度范,围是从环境温,度开始，一直,可达接近绝,对零度即0Ｋ,图1-17 低温温度范围,,,,,制冷的温度范图1-17 低温温度范围,2.制冷与低温技术的发展历史,(一)制冷技术的发展历史,人工制冷的方法是随着工业革命而开始的。

空气制冷机的发明比蒸气压缩式制冷机稍晚空调技术的应用起始于1919年2.制冷与低温技术的发展历史 (一)制冷技术的发展历史 人工,第二节 制冷与低温工质,1.2.1 制冷剂的发展、应用与选用原则,只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有,可能作为制冷剂使用乙醚是最早使用的制冷剂1866年 威德豪森(Windhausen)提出使用CO,2,作制冷剂1870年 卡尔·林德(Cart Linde)用NH,3,作制冷剂1874年 拉乌尔·皮克特(Raul Pictel)采用SO,2,作制冷剂SO,2,和CO,2,在历史上曾经是比较重要的制冷剂SO,2,毒性大，但作为重要制冷剂曾有60年历史CO,2,在使用温度范围内压力特高，致使机器极为笨重，但它无毒使用安全曾在船用冷藏装置中作制冷剂达50年之久，1955年才被氟里昂所取代第二节 制冷与低温工质 1.2.1 制冷剂的发展、应用与选,1.热力学性质方面,2.迁移性质方面,(1) 工作温度范围内有合适的压力和压力比2) 单位制冷量,q,0,和单位容积制冷量,q,v,较大3) 比功,w,和单位容积压缩功,w,v,小，循环效率高蒸发压力≧大气压力,冷凝压力不要过高,冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大,(4) 等熵压缩终了温度,t,2,不能太高，以免润滑条件恶化,或制冷剂自身在高温下分解。

1) 粘度、密度尽量小2) 导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积作为制冷剂应符合的要求,,,,1.热力学性质方面 2.迁移性质方面 (1) 工作温度范围内,3.物理化学性质方面,,4.其它,,(1) 无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全,2) 化学稳定性和热稳定性好3) 对大气环境无破坏作用原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜3.物理化学性质方面 4.其它 (1) 无毒、不燃烧、不爆炸,1.2.2 制冷剂命名,制冷剂按其化学组成主要有三类,,,无机物,氟里昂,碳氢化合物,,,1.2.2 制冷剂命名制冷剂按其化学组成主要有三类 无机物,字母“R”和它后面的一组数字或字母,,表示制冷剂,,根据制冷剂分子组成按一定规则编写,1.无机化合物,,2.氟里昂和烷烃类,简写符号规定为R7( )( ),括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)B(z),数值为零时省去写，同分异构体则在其最后加小写英文字母以示区别正丁烷和异丁烷例外，用R600和R600a(或R601)表示,编写规则,制冷剂的简写符号,,,字母“R”和它后面的一组数字或字母 表示制冷剂 根据制冷剂分,3.非共沸混合工质,简写符号为R4( )( ),括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从00开始若构成非共沸混合工质的纯物质种类相同，但成分含量不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别,4.共沸混合工质,简写符号为R5( )( ),括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从00开始,5.环烷烃、链烯烃以及它们的卤代物,简写符号规定：环烷烃及环烷烃的卤代物用字母“RC”开头，链烯烃及链烯烃的卤代物用字母“R1”开头，其后的数字排写规则与氟里昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同。

3.非共沸混合工质 简写符号为R4( )( ) 括号中的,表1-4 制冷剂符号举例,,化合物名称,分子式,m、n、x、z值,简写符号,一氟三氯甲烷,CFCl,3,m=1,n=0,x=1,R11,二氟二氯甲烷,CF,2,Cl,2,m=1,n=0,x=2,R12,三氟一溴甲烷,CF,3,Br,m=1,n=0,x=3,z=1,R13B1,二氟一氯甲烷,CHF,2,Cl,m=1,n=1,x=2,R22,二氟甲烷,CH,2,F,2,m=1,n=2,x=2,R32,甲烷,CH,4,m=1,n=4,x=0,R50,三氟二氯乙烷,C,2,HF,3,Cl,2,m=2,n=1,x=3,R123,五氟乙烷,C,2,HF,5,m=2,n=1,x=5,R125,四氟乙烷,C,2,H,2,F,4,m=2,n=2,x=4,R134a,乙烷,C,2,H,6,m=2,n=6,x=0,R170,丙烷,C,3,H,8,m=3,n=8,x=0,R290,,,表1-4 制冷剂符号举例 化合物名称分子式m、n、x、z值,此外，有机氧化物、脂肪族胺用R6开头，其后数字任选详细可从,表1-5 制冷剂标准符号表示,中查出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,,,此外，有机氧化物、脂肪族胺用R6开头，其后数字任选。

详细可从,1.2.3 制冷剂的物理化学性质及其应用,1.安全性,(1) 毒性,虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或火焰作用下会分解出极毒的光气1.2.3 制冷剂的物理化学性质及其应用1.安全性(1) 毒,表1–6 制冷剂的毒性指标,给出常用制冷剂TLVs或AEL值,制冷剂,代 号,,TLVs,或AEL,ppm·hr,制冷剂,代 号,TLVs,或AEL,ppm·hr,制冷剂,代 号,TLVs,或AEL ppm·hr,11,1000,124,500,290,1000,12,1000,125,1000,500,1000,22,1000,134a,1000,502,1000,23,1000,142b,1000,600a,1000,32,1000,143a,1000,717,1,123,10,152a,1000,718,1000,,,表1–6 制冷剂的毒性指标给出常用制冷剂TLVs或AEL值,(2) 燃烧性和爆炸性,在空气中发生燃烧或爆炸的体积百分比范围这一范围的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，则范围越宽越易燃3) 安全分类,表1–8与表1–9,分别给出了6个安全等级的划分定义和一些制冷剂的安全分类。

2.热稳定性,制冷剂在正常运转条件下不发生裂解在温度较高又有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解爆炸极限,,,(2) 燃烧性和爆炸性在空气中发生燃烧或爆炸的体积百分比范围,表1–7 一些制冷剂的易燃易爆特性,制冷剂,代 号,爆炸,极限,(容积%),制冷剂,代 号,爆炸,极限,(容积%),制冷剂,代 号,爆炸,极限,(容积%),11,None,124,,None,290,2.3-7.3,12,,None,125,,None,500,,None,22,,None,134a,,None,502,,None,23,,None,142b,6.7-14.9,600a,1.8-8.4,32,14-31,143a,6.0-,na,717,16.0-25.0,123,,None,152a,3.9-16.9,718,,None,注：None表示不燃烧，na表示未知表1–7 一些制冷剂的易燃易爆特性制冷剂爆炸制冷剂爆炸制冷剂,表1–8 ASHRAE34-1992以毒性和可燃性为界限的安全分类,,毒 性,可 燃 性,TLVs值确定或一定的系数，制冷剂体积分数≥4×10,-4,TLVs值确定或一定的系数，制冷剂体积分数<4×10,-4,无火焰传播,不 燃,A1,B1,制冷剂LFL>0.1kg/m,3,,,燃烧热<19000kJ/kg,低度可燃性,A2,B2,制冷剂LFL≤0.1kg/m,3,,,燃烧热≥19000kJ/kg,高度可燃性,A3,B3,,低毒性,高毒性,LFL 燃烧下限,,,表1–8 ASHRAE34-1992以毒性和可燃性为界限的安,表1–9 一些制冷剂的安全分类,,制冷剂,代 号,安全,分类,制冷剂,代 号,安全,分类,制冷剂,代 号,安全,分类,11,A1,124,A1,290,A3,12,A1,125,A1,500,A1,22,A1,134a,A1,502,A1,23,A1,142b,A2,600a,A3,32,A2,143a,A2,717,B2,123,B1,152a,A2,718,A1,,,表1–9 一些制冷剂的安全分类 制冷剂安全制冷剂安全制冷剂安,(二)低温技术的发展历史,1908年，Onnes最先液化了氦气,1911年，超导电性首次被发现,1942年，德国V-2武器试验成功，低温技术军事应用开始,1961年，土星V号是首个用液氢液氧混合推进剂的飞行器,我国的低温研究工作从20世纪50年代开始。

制冷与低温技术已广泛应用于工农业各个部门及一切科学领域,(,表1-3 制冷与低温技术的应用,),,,(二)低温技术的发展历史 1908年，Onnes最先液化了氦,3.对材料的作用,正常情况下，卤素化合物制冷剂与大多数常用金属材料不起作用只在某种情况例如水解作用、分解作用等下，一些材料才会和制冷剂发生作用镀铜”现象,当制冷剂在系统中与铜或铜合金部件接触时，铜溶解到混合物中，当和钢或铸铁部件接触时，被溶解的铜离子析出并沉浸在钢铁部件上形成一层铜膜制冷系统中应尽量避免水分存在和铜铁共用氨制冷机中不能用黄铜、紫铜和其它铜合金（磷青铜除外），因为有水分时要引起腐蚀氟里昂对塑料等高分子化合物会起“膨润”作用(变软、膨胀和起泡)，故在制冷系统中要选用特殊橡胶或塑料3.对材料的作用 正常情况下，卤素化合物制冷剂与大多,4.与润滑油的互溶性,对每种氟利昂存在一个,溶解临界温度,，,即溶解曲线最高点的温度,,,图1-18 制冷剂与润滑油的溶解曲线,,),,,4.与润滑油的互溶性 对每种氟利昂存在一个溶解临界温度，即溶,制冷剂与油溶解会使润滑油变稀，影响润滑作用，且油会被带入蒸发器中影响到传热效果。

若制冷剂与油不相溶解，可以从冷凝器或贮液器将油分离出来，避免油带入蒸发器中降低传热效果常温下氟利昂与矿物润滑油溶解关系可用经验公式判别,,,互溶(Z≤1/2),部分溶解,(1/2≤Z≤2/3),微量溶解(Z>2/3),,,制冷剂与油溶解会使润滑油变稀，影响润滑作用，且油会被带入蒸发,5.与水的溶解性,“冰堵现象”,当温度降到0℃以下时，水结成冰而堵塞节流阀或毛细管的通道形成“冰堵”，致使制冷机不能正常工作6.泄漏性,氨,有强烈臭气，靠嗅觉易判是否泄漏易溶于水故不用肥皂水检漏，,用酚酞试剂和试纸检漏,,氟利昂,无色无臭，,卤素喷灯,和,电子检漏仪,检漏,,,5.与水的溶解性“冰堵现象” 当温度降到0℃以下时，水结成冰,表1–10 水分在一些制冷剂中的溶解度（25℃）,,制冷剂,代 号,溶解度,(质量%),制冷剂,代 号,溶解度,(质量%),制冷剂,代 号,溶解度,(质量%),11,0.0098,124,0.07,290,na,12,0.01,125,0.07,500,0.05,22,0.13,134a,0.11,502,0.06,23,0.15,142b,0.05,600a,na,32,0.12,143a,0.08,123,0.08,152a,0.17,注：na表示没有找到可用的数据。

表1–10 水分在一些制冷剂中的溶解度（25℃） 制冷剂溶解,沸点-33.3℃，凝固点-77.9℃,单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小,毒性较大，有一定的可燃性，安全分类为B2,氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味,氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤,氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀同时减小制冷量,以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小,系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气爆炸,氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出,在氨制冷机中不用铜和铜合金材料(磷青铜除外),,1.2.4 常用制冷剂,1.无机物,氨,,,沸点-33.3℃，凝固点-77.9℃1.2.4 常用制冷剂,2.氟利昂,(1) R12（二氟二氯甲烷 CF,2,Cl,2,）,沸点-29.8℃，凝固点-158℃无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过0.001%,常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶,不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过2%铝镁合金对天然橡胶和塑料有膨润作用2) R134a（四氟乙烷 CH,2,FCF,3,）,毒性非常低，不可燃，安全与矿物润滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯类。

化学稳定性很好，溶水性比R12强得多，对系统干燥和清洁性要求更高，用与R12不同的干燥剂2.氟利昂(1) R12（二氟二氯甲烷 CF2Cl2）沸点-,(3) R11（一氟三氯甲烷 CFCl,3,）,沸点23.8℃，凝固点-111℃毒性比R12更小，安全水在R11中的溶解能力与R12相接近对金属及矿物润滑油的作用关系也与R12大致相似与明火接触时，较R12更易分解出光气4) R22（二氟一氯甲烷 CHF,2,Cl）,沸点-40.8℃，凝固点-160℃毒性比R12略大，无色无味，不燃不爆，安全属于HCFC类制冷剂，也要被限制和禁止使用对金属与非金属的作用以及泄漏特性都与R12相似化学性质不如R12稳定，对有机物的膨润作用更强部分与矿物润滑油互溶溶水性稍大于R12，系统内应装设干燥器3) R11（一氟三氯甲烷 CFCl3）沸点23.8℃，凝,3.碳氢化合物,(1) R600a（异丁烷 i-C,4,H,10,）,(2) R290（丙烷 C,3,H,8,）,沸点和凝固点比R600a低，蒸气压较高和容积制冷量比R600a大，其他制冷特性及安全特性均与R600a相似沸点-11.73℃，凝固点-160℃。

毒性非常低，在空气中可燃，应注意防火防爆与矿物润滑油能很好互溶，与其他物质的化学,相溶性很好，与水的溶解性很差3.碳氢化合物(1) R600a（异丁烷 i-C4H10）(,4.混合制冷剂,(1) 共沸制冷剂,共沸制冷剂特点：,一定蒸发压力下蒸发时具有几乎不变的蒸发温度，而且蒸发温度一般比组成它的单组分的蒸发温度低一定蒸发温度下，共沸制冷剂单位容积制冷量比组成它的单一制冷剂的容积制冷量要大共沸制冷剂化学稳定性较组成它的单一制冷剂好在全封闭和半封闭压缩机中，采用共沸制冷剂可使电机得到更好的冷却，电机绕组温升减小4.混合制冷剂(1) 共沸制冷剂共沸制冷剂特点： 一定蒸发压,表1–11几种共沸制冷剂的组成和沸点,,代号,组分,质量成分,分子量,沸点,(℃),共沸温度,各组分的沸点(℃),R500,R12/152a,73.8/26.2,99.3,-33.5,0,-29.8/-25,R501,R22/12,84.5/15.5,93.1,-41.5,-41,-40.8/-29.8,R502,R22/115,48.8/51.2,111.6,-45.4,19,-40.8/-38,R503,R23/13,40.1/59.9,87.6,-88.0,88,-82.2/-81.5,R504,R32/115,48.2/51.8,79.2,-59.2,17,-51.2/-38,R505,R12/31,78.0/22.0,103.5,-30,115,-29.8/-9.8,R506,R31/114,55.1/44.9,93.7,-12.5,18,-9.8/3.5,R507,R125/143a,50.0/50.0,98.9,-46.7,－,-48.8/-47.7,,,表1–11几种共沸制冷剂的组成和沸点 代号组分质量成分分子量,(2) 非共沸制冷剂,一定压力下溶液加热时，首先到达饱和液体点A(泡点)，再加热到达点B，即进入两相区，继续加热到点C(露点)时全部蒸发完成为饱和蒸气。

泡点温度和露点温度的温差称之为,温度滑移,,,图1–19 非共沸制冷剂的,T-ξ,图,,,,,(2) 非共沸制冷剂 一定压力下溶液加热时，首先到达饱,表1-12 一些非共沸混合制冷剂,显示了目前应用较多的非共沸制冷剂的种类及组成3) 常用混合制冷剂的特性,沸点-33.5℃，ODP值较高1) 共沸制冷剂R500,,可代替R12用于活塞式制冷机,沸点-45.4℃，ODP值较高溶水性比R12大1.5倍，在82℃以上有较好的溶油性沸点-88℃，不燃烧，无毒无腐蚀性，ODP值较高适用于复叠式制冷机的低温级沸点-46.7℃，ODP值为零不溶于矿物油，但溶于聚酯类润滑油2) 共沸制冷剂R502,,可代替R22用于获得低温,3) 共沸制冷剂R503,可代替R13使用,4) 共沸制冷剂R507,用R502的场合都可用R507替代,,,,表1-12 一些非共沸混合制冷剂显示了目前应用较多的非共沸制,5) 非共沸制冷剂R401A和R401B,性能与R12较接近能溶于聚醇类和聚酯类润滑油可作为过度性替代物,,泡露点温差大，使用时最好将热交换器作成逆流形式,不能与矿物润滑油互溶，但能溶于聚酯类合成润滑油,低温工况下，容积制冷量比R22要低得多。

不能与矿物润滑油互溶，但能溶于聚酯类合成润滑油泡露点温差仅0.2℃，可称之为近共沸混合制冷剂具有与共沸混合制冷剂类似的优点不能直接用来替换R22的制冷系统7) 非共沸制冷剂R410A,两元混合制冷剂,6) 非共沸制冷剂R407C,三元非共沸混合制冷剂,,,5) 非共沸制冷剂R401A和R401B性能与R12较接近1.2.5 低温液体的性质,表1-13 大气压下一些饱和低温液体的性质,(1) 常规气体,液氮,纯净无色,具有两种稳定的同素异形体标准大气压下在77.36K沸腾, 63.2K凝固液氧,蓝色，有轻微磁性,在0.1MPa大气压下在90.18K时沸腾，54.4K时凝固具有三种稳定的同素异形体液氩,纯净无色 氩是无毒的惰性气体在0.1MPa大气压下在87.3K沸腾, 83.8K凝固具有三种稳定的同素异形体液氖,纯净无色 氖是惰性气体,在0.1MPa大气压下在27.09K沸腾, 24.54K凝固具有三种稳定的同素异形体1.2.5 低温液体的性质表1-13 大气压下一些饱和低温液,液氟,淡黄色，密度最大的低温液体之一,通常状态下沸点为85.24K，在0.1MPa,53.5K时,液氟凝结,成黄色固体,过冷到45.6K时转变为白色固体。

氟有剧毒，化学性质非常活泼,甲烷,纯净无色，天然气的主要成分,在0.1MPa大气压下在111.7K沸腾, 88.7K凝固液态甲烷能装在容器中大量运输2) 氢,液氢无色无味，不自燃，低温液体中最轻之一氢与氧气或空气混合时,极易燃烧甚至爆炸天然氢气是两种同素异形体的混合物：氢和氘还存在第三种不稳定的氢的同素异形体：氚氢具有两种不同的分子形态:,o-H,2,和,p-H,2,,,液氟淡黄色，密度最大的低温液体之一 通常状态下沸点为85.,表1-14 e-H,2,中p-H,2,的含量,列出了,e-H,2,中,p-H,2,的平衡含量随温度的关系温度(K),20.27,30,40,50,60,70,80,90,摩尔含量,0.9980,0.9702,0.8873,0.7796,0.6681,0.5588,0.4988,0.4403,温度(K),100,120,140,160,180,200,250,300,摩尔含量,0.3947,0.3296,0.2980,0.2796,0.2676,0.2597,0.2526,0.2507,,,表1-14 e-H2中p-H2的含量列出了e-H2中p-H2,这两种不同形式的氢的区别在于组成氢分子的粒子的相对自旋转方向不同。

这两种不同形式的氢的区别在于组成氢分子的粒子的相对自旋转方向,氘也有o-D,2,和p-D,2,存在，温度降低时氘中的p-D,2,向o-D,2,转变而氢在温度降低时由o-H,2,向p-H,2,转变,(3) 氦4,氦有两种同位素:He4 和He3,液氦4在其蒸气压下不会凝固故,不存在氦的固、液、气三相点,,而其它物质都存在三相点LHe有两种不同液相,,液氦Ⅰ(HeI),正常液体,液氦Ⅱ(HeII),超流体,,,氘也有o-D2和p-D2存在，温度降低时氘中的p-D2向o-,λ线与蒸汽压曲线相交的点叫,λ点,λ点温度为2.172K压力为5.073kPa,区分两种液相的相转变曲线叫,λ线,,压 力,固态,临,界,点,λ点,液氦Ⅰ,,液氦II,,,温,,度,(K),,图,1-21,氦,4,的相图,,,λ线与蒸汽压曲线相交的点叫λ点区分两种液相的相转变曲线叫λ线,热导率随温度的下降而下降氦Ⅰ,液氦Ⅱ,热导率非常大,在气泡生成之前热量已迅速传到液体表面,使液体中无法生成气泡，这种特性在自然界是独一无二在特定条件下,它表现为粘度为零由常流体和超流体组成的混合物,其常流体成分和超流体成分比随温度的变化而变化。

表1-15两流体模型中常流体在HeⅡ中的质量比,,,热导率随温度的下降而下降 氦Ⅰ液氦Ⅱ热导率非常大,在气泡生,当温度降低通,过λ点时，液,体比热有一个,大幅度跳跃图,1-22,饱和液态氦,4,的比热,,温,,度,(K),,饱和液体的比热,KJ/Kg·K,,,,当温度降低通图1-22 饱和液态氦4的比热 温 度,喷泉效应,,,,喷泉效应,,,,制冷与低温的热力学基础课件,(4) 氦3,图,1-25,氦,3,的相图,,温,,度,,压,,力,,气态,,液态,,固态,,临界点,,,,(4) 氦3图1-25 氦3的相图 温 度 压,0.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自发分离为两相，一种是,超流体(富含氦4相),，,另一种是,常流体(富含氦3相),这种,相的分离现象,成为氦稀释制冷机的基础无色无味液体, 标准沸点3.19K,液氦3在其蒸汽压下即使降到绝对零度也保持为液态,,,,0.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自发分离为两相，一,第三节 制冷技术与学科交叉,制冷与低温技术的学科交叉领域举例,10.,,火箭推力系统与高能物理,1.,,空气调节,2.,,人工环境,3.,,食品冷冻与冷冻干燥,4.,,低温生物医学技术,5.,,低温电子技术,6.,,机械设计,7.,,红外遥感技术,8.,,加工过程,9.,,材料回收,,,第三节 制冷技术与学科交叉制冷与低温技术的学科交叉领域举例,制冷在空调中的作用,,(1)干式冷却,(2)减湿冷却,(3)减湿与干式冷却混合方式,,,1. 空气调节,,图,1-26,制冷与空调的关系,,制冷和空调,的关系相互,联系又独立,,,制冷在空调中的作用 (1)干式冷却 (2)减湿冷却 (3)减,,用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。

2.人工环境,与制冷有关的人工环境试验有以下几种,(1) 低温环境试验,(2) 湿热试验,(3) 盐雾试验,(4) 多种气候试验,(5) 空间模拟试验,,,,用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包括地面的各种气,,根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺可分,三类,：,(1) 食品的冷藏与冷却,(2) 食品的冻结与冻藏,(3) 冷冻干燥,3. 食品冷冻与冷冻干燥,,,,根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺可分三类： (1),,研究低温对生物体产生的影响及应用的学科低温生物学,研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低温技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科低温医学,低温生物医学,低温生物学和低温医学的统称典型应用例子,,(1)细胞组织程序冷却的低温保存,(2)超快速的玻璃化低温保存方法,(3)利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤,而坏死的低温外科4. 低温生物医学技术,,,研究低温对生物体产生的影响及应用的学科 低温生物学研究温度,,微波激射器,必须冷到液氮或液氦温度,以使放大器元素原子的热振荡不至于严重干扰微波的吸收与发射超导量子干涉器,即SQUIDs,被用在相当灵敏的数字式磁力计和伏安表上。

在MHD系统、线性加速器和托克马克装置中，超导磁体被用来产生强磁场5. 低温电子技术,,,微波激射器必须冷到液氮或液氦温度,以使放大器元素原子的热振荡,,运用与超导电性有关的Meissner效应,用磁场代替油或空气作润滑剂,可以制成无磨擦轴承在船用推进系统中,无电力损失的超导电机已获得应用偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来时速500km/h的低温超导磁悬浮列车已经在日本投入试验运行6. 机械设计,,,运用与超导电性有关的Meissner效应,用磁场代替,,,采用红外光学镜头可以拍摄热源外形，并可以对热源进行跟踪一些红外材料往往工作在120K以下的低温下，使得热源遥感信号更为清晰，为了拍摄高灵敏度的信号往往需要更低的温度一般红外卫星需要70-120K的低温，往往通过斯特林制冷机、脉冲管制冷机、辐射制冷器来实现空间远红外观测则需要2K以下的温度，往往通过超流氦的冷却技术来实现7. 红外遥感技术,,,采用红外光学镜头可以拍摄热源外形，并可以对热源进行跟,,炼钢时氧起到某些重要的作用制取氨时也用到低温系统压力容器加工时,将预成形的圆柱体放在冷却到液氮温度的模具中,在容器中充入高压氮气,让其扩胀15%,然后容器被从模具中移开并恢复到室温。

使用这个方法,材料的屈服强度能增加4至5倍8. 加工过程,,,炼钢时氧起到某些重要的作用8. 加工过程,,目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一有效的方法，这种方法采用了低温粉碎技术利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进行粉粹低温粉碎技术,材料温度降低到一定程度，材料内部原子间距显著减小，结合紧密的原子无退让余地，吸收外力使其变形的能力很差，失去弹性而显示脆性9. 材料回收,,,目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一有效的方法，这种方法,,所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂宇宙飞船的推进也使用液氧和液氢观察研究大型粒子加速器产生的粒子的氢泡室要用到液氢10. 火箭推力系统与高能物理,LHC-CERN,27km超导磁体,过冷态超流氦冷却,,,所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂10. 火箭推力系,。