制冷基本原理及循环过程-化工单元过程与操作

( 一) 制冷原理

制冷操作是从低温物料中取出热量，并将此热量传给高温物体的过程。根据热力学第二定律，这种传热过程不可能自动进行。只有从外界补充所消耗的能量，即外界必须做功才能将热量从低温传到高温。

液体汽化为蒸汽时，要从外界吸收热量，从而使外界的温度有所降低。而任何一种物质的沸点( 或冷凝点) ，都是随压力的变化而变化，如氨的沸点随压力变化的情况见表4 -2。

表4-2　氨的沸点与压力的关系

从表中可以看出，氨的压力越低，沸点越低;压力越高，沸点越高。利用氨的这一特性，使液氨在低压(101.325kPa) 下汽化，从被冷物质中吸取热量降低其温度，而达到使被冷物质制冷的目的。同时将汽化后的气态氨压缩提高压力( 如压缩至1220kPa) ，这时气态氨的冷凝温度(30℃) 高于一般冷却水的温度，因此可用常温水使气态氨冷凝为液氨。

因此，制冷是利用制冷剂的沸点随压力变化的特性，使制冷剂在低压下汽化吸收被冷物质的热量降低其温度达到被冷物质制冷目的，汽化后的制冷剂又在高压下冷凝成液态。如此循环操作，借助制冷剂在状态变化时的吸热和放热过程，达到制冷的目的。

( 二) 制冷循环

制冷循环是借助一种工作介质——制冷剂，使它低压吸热，高压放热，而达到使被冷物质制冷的循环操作过程。

图4-13　冷冻循环

1—压缩机( 又称冷冻机) 2—冷凝器3—膨胀机 4—蒸发器 5—节流阀

在制冷循环中的制冷剂由低压气体必须通过压缩做功才能变成高压气体，即外界必须消耗压缩功，才能实现制冷循环。如果把上述的制冷循环用适当的设备联系起来，使传递热量的工作介质——制冷剂( 氨) 连续循环使用，就形成一个基本的蒸汽压缩制冷的工作过程，如图4 -13 所示的制冷循环。

理想制冷循环( 逆卡诺循环) 由可逆绝热压缩过程( 压缩机) 、等压冷凝过程( 冷凝器) 、可逆绝热膨胀过程( 膨胀机) 、等压等温蒸发过程( 蒸发器) 等组成。而实际制冷循环则为:

(1) 在压缩机中绝热压缩。气态氨以温度为T1、压力为p1 的干饱和蒸气进入压缩机1 压缩后，温度升至T2，压力升至p2，变成过热蒸气。

(2) 等压冷却与冷凝。过热蒸气通过冷凝器2，被常温水冷却，放出热量Q2，气态氨冷凝为液态氨，温度为T3。

(3) 节流膨胀。液态氨再通过节流阀( 膨胀阀)5，减压降温使部分液氨汽化成为气、液混合物。温度下降为T1，压力下降为p1。(www.xing528.com)

(4) 等压等温蒸发。膨胀后的气、液混合物进入蒸发器4，从被冷物质( 冷冻盐水) 中取出热量Q1，全部变成干饱和蒸气，回到循环开始时的状态，又开始下一轮循环过程。

在整个制冷循环过程中，氨作为工作介质( 制冷剂) ，完成从低温的冷冻物质中吸取热量转交给高温物质( 冷却水) 的任务。制冷循环过程的实质是由压缩机做功，通过制冷剂从低温热源取出热量，送到高温热源。

查一查 温熵图( T—S 图) 的构造和应用。

( 三) 制冷系数

制冷系数是制冷剂自被冷物料所取出的热量与所消耗的外功之比，以ε 表示。

式中:Q1——从被冷物料中取出的热量，kJ;

N——制冷循环中所消耗的机械功，kJ;

Q2——传给周围介质的热量，kJ。

上式表明，制冷系数表示每消耗单位功所制取的冷量。

制冷系数是衡量制冷循环优劣、循环效率高低的重要指标。其值越大，表明外加机械功被利用的程度越高，制冷循环的效率越高。

对于理想循环过程，制冷系数可按下式计算

式中:T1——制冷剂的蒸发温度，K;

T2——制冷剂的冷凝温度，K。

由上式可知，对于理想制冷循环来说，制冷系数只与制冷剂的蒸发温度和冷凝温度有关，与制冷剂的性质无关。制冷剂的蒸发温度越高，冷凝温度越低，制冷系数越大，表示机械功的利用程度越高。实际上，蒸发温度和冷凝温度的选择还要受别的因素约束，需要进行具体的分析。