制冷原理基础课件

剂为循环工质，通过制冷剂的循环和热力学状态的变 化，完成从低温热源吸收热量，并将热量排放到环境 中。
制冷剂
制冷剂是制冷系统的工作介质，在制冷系统中循环流
动，就像人体的血液一样。制冷剂在循环过程中，通 过自身热力学状态的变化，与外界发生能量交换，从 而达到制冷的目的。
冰箱常用制冷剂有： 1）R600a
热运动而产生的热量传递称为导热（热传导）。 热传导定律（傅里叶定律）：
dt A dx
dt q dx
热流量Φ：单位时间内通过某一给定面积的热量(W) 热流密度q： 单位时间内通过单位面积的热量（W/m2)
λ : 导热系数（Wm-1K-1)
导热系数
导热系数的大小取决于物质的种类。金属的导热系数
当热量的吸收和释放时，伴随着物体的温度的升高和 降低，而物体本身的相态没有发生改变，则可将物体 吸收和释放的热量称为显热。 比热容 单位质量的物体温度升高1K所需要的热量成为比热容 C（单位:J/(kg· K)）：物体吸收和释放显热的多少可以 用下式来计算： Q=CM⊿T
相变
相变： 物质的状态依据一定的外界条件存在，当外界条件改变 时，物质会从一种状态转变为另一种状态，在状态改变的 过程中，伴随着能量的吸收和释放。 相变的种类有如下几种：
机多为“全封闭往复活塞 式曲轴连杆压缩机”。压 缩机是制冷系统关键设备 和动力部件，其作用犹如 人的心脏一样，将来自蒸 发器的低温蒸汽压缩成高 温高压的气体并且给制冷 剂的循环流动提供动力。
压缩机工作原理
冰箱压缩机是利用活塞在气缸内往复运动来改变气缸的容积，以改变 制冷剂气体的压力，并使制冷剂气体在制冷系统管道中循环。活塞由 曲轴连杆机构带动，在气缸中作来回的直线运动完成对制冷剂蒸气的 压缩，而压缩机每完成一次对吸入气体的压缩，需要经过吸气、压缩、 排气、膨胀四个过程。
制冷剂在蒸发器中的状态
一般情况下，进入蒸发器的制冷剂
为饱和的汽液混合物，进入蒸发器 后，开始从环境中吸收热量，开始 沸腾，而制冷剂的温度不会发生变 化，若蒸发器较大或制冷剂流量偏 小，液态制冷剂在未到达蒸发器出 口时已经全部蒸发完毕，则气态制 冷剂会继续从箱内吸收热量而变成 过热制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽的温 度开始升高。一般情况下，要求在 制冷系统设计时，蒸发器出口的过 热度不得超过3℃。
较高,在常见金属中：λ铜> λ铝> λ铁。 我国国家标准规定，凡平均温度不高于350 ℃时导热 系数不高于0.12Wm-1K-1的材料就可以称为保温材料。 冰箱的环戊烷发泡层的导热系数约为0.022Wm-1K-1。 个别冰箱上使用的真空隔热板的导热系数可以达到 0.002Wm-1K-1。
对流传热
压缩机的工作过程，实质上是一个将电能转化为活塞的机械能，通过
对进入的蒸发器的低温低压气态制冷剂压缩做功，将其转化为高温高 压的气体，从压缩机排气口出来的制冷剂全部为过热蒸汽。
冷凝器
冷凝器为冰箱的散热部件，用于
为制冷系统排出显热和潜热，排 出的热量包括蒸发器吸收的热量 、压缩机压缩过程中产生的压缩 热、机械摩擦热和制冷剂进入压 缩机前在吸气管线上因过热吸收 的热量。
分子筛过滤器
分子筛过滤器由铜管、分子筛 和两个过滤装置组成并安装 在制冷系统中吸附水分和滤 除杂质的部件，一般安放在 冷凝器的末端，另一头接毛 细管。 分子筛是一种人工合成的，具 有微孔型立方晶体孔穴结构 ，能吸附制冷系统 中的残 余水分，并能保持制冷剂正 常工作的硅铝酸盐化合物。 按冰箱用制冷剂可分为： XH9 可用于使用R134a和R600a 为制冷剂的系统 ； XH-5 可 用于使用 R600a 为制冷剂的 系统 。
潜热
物体在发生相变时，会伴随着能量的吸收和释放，但
此时物体本身的温度却不会发生变化，如大家熟知的 冰水混合物温度始终为零度，水沸腾时温度最高也只 能到达100℃等。将物体在相变过程中吸收和释放的热 量称为潜热：可以用下式来计算：
Q m
Q：物体在相变过程中吸收和释放的热量，单位：J
λ ：单位质量的物体的相变潜热，单位：J/kg 根据相变类型的不同， λ 的取值也不同。
压强（压力）
单位面积上承受的压力称为压强，单位为帕斯卡
（Pa) : 1Pa=1N/m2,一般工程技术应用时，所称的压 力即为压强。 际计量标准将在海平面高度测量出的大气压力称为标 准大气压（单位：atm）：1atm=101.325kPa
大气压力：由大气的重量产生的压力称Baidu Nhomakorabea大气压，国
显热
显热
M：物体的质量，单位：kg
传热理论基础
凡是有温差的地方，就有热量自发的从高温物体传向
低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。热量 传递是自然界和生产技术中一种非常普遍的现象。 传热的基本方式： 1 热传导 2 对流 3 热辐射
热传导
物理各部分之间不发生相对位移时，依靠微观粒子的
XH-9 分子筛
毛细管（膨胀机构）
毛细管是冰箱制冷系统的膨胀机构，通过节流效应使高温高压制
冷剂液体膨胀为低温低压的饱和汽液混合物。 由于毛细管的流量直接影响制冷系统的蒸发温度，因此流量是毛 细管检测的重要参数，而毛细管的规格（内径、长度）仅作参考 。在保证毛细管入口压力不变的情况下：内径相同的毛细管其流 量与其长度成反比；长度相同的毛细管其流量与内径成正比。 因为毛细管的内径很小，其水份或杂质的进入很容易造成冰堵或 脏堵。一般对其制冷系统中的部件都有其水份含量和杂质含量的 要求，同时在毛细管进口处装有干燥过滤器。 在采用毛细管作为节流元件的小型制冷装置中，一般把靠近蒸发 器部分的吸气管和靠近冷凝器部分的毛细管进行并列辅助换热， 从而使高压侧液体过冷，压缩机吸入蒸气过热，以减少节流损失 ，防止压缩机液击，提高制冷效率。
储液器
储液器一般安放在蒸发器的出
口，用于存储未在蒸发器内完 全汽化的制冷剂液体，防止液 态制冷剂进入压缩机产生液击 现象，保护压缩机。 在单循环直冷冰箱中，由于流 经蒸发器的制冷剂流量比较固 定，可以通过精确调整制冷剂 灌注量来保证不会有液态制冷 剂流入压缩机，故此部件可以 取消。而对于风冷冰箱和多循 环的直冷冰箱，储液器仍然是 必须零部件。
如果液态制冷剂的温度低于其压力对应的饱和冷凝温
度，则称为“过冷”态
如果气态制冷剂的温度高于其压力对应的饱和蒸发温
度，则称为“过热”态
冰箱制冷系统的基本部件
冰箱的制冷系统包括如下8个基本部件：1压缩机2冷凝器 3防凝管4过滤器5毛细管6蒸发器7储液器8回气管
压缩机
目前在冰箱上使用的压缩
2）R134a
都属于低温制冷剂
R600a、R134a制冷剂的性能比较：
R600a ODP GWP 冷凝压力（40℃） (单位：BAR) 蒸发压力（-30℃） (单位：BAR) 0 0 5.3 0.468 100~105 608 矿物油 敏感 极微 一般 R134a 0 875 10.2 0.85 125~130 1371 酯类油 高度敏感 极易溶 高
常见的冰箱冷凝器有贴附于冰箱
左右侧板的内藏式钢管冷凝器、 放置在冰箱后背的丝管冷凝器、 放置在压缩机仓的风冷冷凝器、 根据结构不同有丝管卷焊式、悬 翅式等多种形式。
冷凝器的工作原理
内置钢管冷凝器 此类冷凝器主要依靠热传导， 将制冷剂散发的热量Qk传递 到左右侧板，利用左右侧板 较大的换热面积和环境空气 进行自然对流换热,同时由于 冷凝器的温度要大大高于冰 箱间室的温度，所以也会有 少量的热量Q’传递到箱内。
对流是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间
发生相对位移、冷热流体相互扩散所引起的热量传递 过程。对流仅限于流体中，并且伴随着热量传导。 自然对流： 由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的流动，如空 气遇热上升，遇冷下沉。 强制对流： 在压力差的驱动下形成的流动 如水泵和风扇。在风冷冰 箱中，靠风扇驱动冷风流经间室进行换热就是强制对 流换热。
R600a
理论排气温度（℃）
液相密度（-25） （kg/m3) 润滑油 杂质敏感度 溶水性
R134a
真空度要求
制冷剂的热力学状态
在制冷剂的相变过程中，如果既存在液态、也存在气
态，则此时制冷剂处于“饱和”状态，饱和状态时， 制冷剂的温度和压力存在一定的对应关系。饱和压力 越大，饱和温度越高，饱和压力减小，则相应的饱和 温度降低。
热辐射
构成物质的微观粒子的能量状态发生改变，会伴随电磁波的吸收和释放，高温 物体通过电磁波形式向外界释放能量的方式称为热辐射。热辐射不需要传输介 质，在真空中也能传播。 热辐射的行为可以用斯忒藩-玻耳兹曼定律来描述：
E b = σεT
4
T—物体的绝对温度 σ—即为斯忒藩-玻尔兹曼常数；自然界中 σ=5.67×10-8 W/(m2K4)； ε——为比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐 射本领之比值，黑体的ε=1，一般物体的ε<1。 物体的温度越高，ε越大，热辐射的能力也越强。
空气 Qk Q’
冷凝器的工作原理
丝管冷凝器
此类冷凝器一般置于冰箱后背 ，依靠钢管表面点焊的钢丝 增大换热面积，和环境空气 进行自然对流换热，同时由 于冷凝器的表面温度较高， 也会通过热辐射形式向外散 发部分热量，故一般都把丝 管冷凝器表面涂成黑色。丝 管冷凝器在装配时不得紧靠 后背，冰箱在使用时也不能 将后背紧贴在墙上，以保证 和空气的对流换热的正常进 行。
蒸发器的工作原理
蒸发器是制冷系统的中的吸热部件，制冷剂流经蒸发器 时，若蒸发器所处的环境温度比处于饱和态的制冷剂 的蒸发温度，则进入蒸发器的液态制冷剂会吸热而沸 腾（汽化），从而给蒸发器所处的环境降温。 常见的冰箱用蒸发器有如下几种： 1）板管式蒸发器（一般常用于直冷冰箱的冷藏蒸发器） 2）丝管式蒸发器（一般用作制冷冰箱的冷冻蒸发器） 3）吹胀板式蒸发器（一般用作单门冷藏箱的蒸发器） 4）翅片管式蒸发器（一般用于风冷冰箱的蒸发器）
制冷
制冷就是把不需要的热量从某一空间或物体中带走，
然后排放到环境介质中，使重要的空间或物体的温度 维持在一个低于环境温度的状态下，如冰箱、空调、 冷库等。
制冷可以通过很多种方式来进行，如压缩蒸汽式，吸
收式、热电制冷和磁制冷等。
蒸汽压缩式制冷循环
目前电冰箱大都采用蒸发器压缩式制冷循环，以制冷
美菱股份有限公司 冰箱事业部产品开发中心 2011-8-30
温度与温标
温度
从宏观讲：温度是衡量物体冷热程度的物理量 从微观讲：温度是衡量构成物体的分子热运动强弱的物理量。 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺 叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较 多的温标有华氏温标(°F)、摄氏温标（°C）和热力学温标(K) 。 摄氏温标：“在一个标准大气压下，把冰水混合物的温度定为零度，把沸水的温度定为 一百度，它们之间分成100等份，每一等份是摄氏度的一个单位，叫做1摄氏度（℃）。 华氏温标：1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计， 选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，把水 银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作 “1℉”。按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸点为212℉。 F=9/5℃+32, 或 ℃=5/9(F-32) 目前此温标仅少量原英联邦国家使用。 热力学温标（绝对温标）：将分子热运动停止的温度定义为0K，冰点温度为273.15K， 和摄氏温标的换算关系为： ℃=K+273.15
制冷剂在冷凝器中的状态
进入冰箱冷凝器的都是过热的高温高压 的制冷剂蒸汽，在冷凝器管道内流动的 过程中逐渐向外释放显热，温度降低； 在冷凝内流过一段距离后，制冷剂蒸汽 的温度降低到饱和冷凝温度，开始有制 冷剂蒸汽冷凝成液体，此后制冷剂蒸汽 开始释放潜热，而温度维持不变；若冷 凝器较大，制冷剂蒸汽全部冷凝成液态 后还未到达冷凝器出口，则会在靠近冷 凝器出口的一段继续冷却，此处制冷剂 的温度低于其饱和冷凝温度，处于过冷 态。 一般内置冷凝器的饱和冷凝温度比环境 温度高10-15℃，在冰箱的制冷系统设计 时要求制冷剂在冷凝器出口有1-2 ℃的 过冷。