制冷工程师考试手册全

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1、第一章 制冷技术热力学理论基础工程技术上所谓的制冷，就是使某一系统（即空间或物体）的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程，这里所说的环境介质是指自然界的空气和水。制冷与空调设备以流体（气体与液体的总称）作为载能物质，实现热能与其它形式能量（主要为机械能）之间的转换或热能的转移。本章介绍流体的性质、热能与机械能之间的转换规律和热量的传递规律，这些知识是空调技术必不可少的理论基础。第一节 热力学基本概念工质在制冷系统中，一会儿从气体变为液体，一会儿又从液体变为气体，制冷剂的这种物态变化以及温度的升降、压力的变化、吸热与放热等现象，是具有一定的热力学内在关系的。现在介绍一些参数、术语和基

2、本概念，为掌握热力学基础知识作准备。1 温度：是用来度量物体冷、热程度的参数。温度的指示单位有三种：摄氏温度（） 华氏温度（F） 绝对温度（K）它们之间的换算关系是：=5/9（F 32） F=9/5+32 K=+273.152 干球温度：用一般温度计所测得的空气温度，它是该空气的真正温度。3 湿球温度：湿球温度计感温球部位包着潮湿棉纱，用这种温度计测量空气的温度时，由于棉纱中的水在蒸发时要吸收空气的热量，当空气传递给水的热量恰好等于水表面蒸发所需热量时所测得的温度称为湿球温度。 干湿球温度差：用干湿球温度计测量未饱和空气时，干球温度计显示的温度较高，湿球温度计显示的温度较低，两个温度差称“干湿

3、球温度差”。该温差大，表示空气干燥；温差小，表示空气潮湿。4 湿度：湿度代表空气中水蒸汽含量的多少。在每千克空气中所含有的水蒸汽重量称为含湿量，单位为克/千克。 湿度又分为绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指每立方米的淡空气所含水蒸汽的重量，也是水蒸汽在其分压力及湿空气温度下的重度，单位为千克/米3。相对湿度是指湿空气的绝对湿度与饱和状态下的绝对湿度之比，数值为百分数。当相对湿度为0%时，则为干空气；而相对湿度为100%时，则为饱和蒸汽。人体感到舒适的相对湿度是60%70%。5 露点温度：湿空气在含湿量不变的情况下，冷却使温度降低到空气内部所含水蒸气开始冷凝液化时（即达到完全饱和）的温度。6 压力

4、（物理学中称压强）：工程上把单位面积上所受的垂直作用力称为压力。国际单位为帕（Pa）、千帕（kPa）、兆帕（Mpa），过去用的工程单位为千克力/厘米2（kgf/cm2）和bar。 1Mpa=10.2 kgf/cm2=7500.6mmHg（毫米汞柱）=100mH2O（米水汞）=10bar 绝对压力=表压力+大气压力 真空度=大气压力-绝对压力7 热量：是物质热能转移的度量。单位是焦尔（J）、千焦（kJ），过去用（Cal）、千卡（kCal）。它们的换算关系是：1Cal=4.18J。8 比热：1千克重的物质温度升高或降低1时所吸收或放出的热量。符号为C，单位千焦/千克度（kJ/kgK）。9 显热：物

5、体被加热或冷却时，只发生温度变化而没有状态变化，这时它所吸收或释放的热量。10 潜热：物质在加热或冷却过程中，发生状态变化而保持温度不变，这时它所吸收或释放的热量。10蒸发：液体表面的汽化现象。液体可以在各种温度下蒸发。11沸腾：液体表面和内部同时发生激烈的汽化现象。液体在一定压力下达到一定的沸点温度才能沸腾。12冷凝：气体液化为液体的现象。分冷却和凝结两个过程。13比容：单位重量的物质所占有的容积。单位：米3/千克（m3/kg）。14密度：单位容积的物质，所具有的重量。单位：千克/米3（kg/m3）。15内能：内能是气体分子的动能和内位能的总和。动能就是分子运动能量的总和，内位能就是因分子之

6、间吸引力所具有的能量。工程上常取1kg工质作为研究对象，所以通常说的内能是指1kg工质所具有的能量。16外能：分子保持它原有的比容，与外部相对抗所具有的能量。17功：功是能的一种。当用外力去移动物体时需要消耗能，这个能就是功。单位：牛顿米（Nm）,过去用千克力米(kgfm)。功=外力力方向所移动的距离。18功率：单位时间内所做的功。单位：瓦（W）、千瓦（KW）。19过热：饱和蒸气在饱和和压力条件下，继续受热到饱和温度以上，称为“过热”气体，过热气体的温度与饱和温度的差值叫过热度。20过冷：饱和液体在饱和压力条件下，继续冷却到饱和温度以下，称为“过冷”液体，过冷液体的温度与饱和温度的差值叫过冷度

7、。21焓：焓是一个复合状态参数，是表征系统中具有的总能量，它是内能和压力能之和。通常是对1千克工质而言，单位为千焦/千克（Kj/kg）,过去用千卡/千克（kcal/kg）。I=u+pv式中：i焓，kj/kg； u内能，Kj/kg； p压力，kpa； v比容，m3/kg 22熵：是一个导出状态参数，它表示工质状态变化时，其热传递的程度。单位为千焦/千克度（kj/kgk） 熵、热量和温度的关系如下：ds=dq/t式中：S熵，kj/kgK； q1千克物件所获得热量，KJ/Kg： T物质获得热量时的绝对温度，K。23节流：流体在管道中流动，通过阀门、孔板、毛细管等设备时，由于局部阻力，使流体压力降低的

8、现象。第二节 热力学第一定律及其应用热力学第一定律是能量守恒定律在热力过程中的具体表述，并应用于确定各种热力系统与外界交换能量的数量关系包括热能与机械能转换或热能转移在内的能量方程。一、 热力学第一定律的基本表达式热力学第一定律的内容是：无论何种热力过程，在机械能与热能的转换或热能的转移中，系统和外界的总能量守恒。即W总e1dm1E2dm2Q 图1-2-1输入系统的能量一输出系统的能量=系统贮存能量的变化 (1-2-1)如图1-2-1所示的任意一个开口系统，假定在一微元过程中，外界对它加热Q；它对外界所作总功为W总 ；同时因系统与外界有质量交换，流入和流出系统的工质还将给系统带入或带出能量。设

9、入口和出口处每kg工质的能量分别为e1和 e2，入口和出口处工质的流量分别为dm1 和dm2，则流入与流出工质带入与带出系统的能量分别为e1dm1和e2dm2。那么，在此微元过程中，输入系统的能量为（Q+ e1dm1），输出系统的能量为（W总 + e2dm2），若系统贮存能量的变化为dE，由（1-2-1）式并经移项整理可得Q= dE+（e2dm2- e1dm1）+W总 （1-2-2）式（1-2-2）对任何工质的各种热力过程都适用，它是热力学第一定律的普遍表达式。其物理意义是：外界加给系统的热量（Q），一部分用于增加系统贮存的能量（dE），一部分通过质量交二、 稳定流动能量方程制冷与空调设备中的

10、工质可以视作稳定流动。从热力学观点看，工质作稳定流动的特征是：(1)系统中任何位置上工质的热力状态参数（如p、v、T、u、h、s）和宏观运动参数（如流速c）及单位时间与外界交换的能量都保持一定，不随时间变化；(2)系统的总质量保持恒定，即入口和出口质量相等：dm1=dm2=dm；(3)系统的总能量保持恒定，即系统贮存的能量不变：dE=0；(4)系统与外界通过作功交换的能量，一是通过机器轴传递的功，称为轴功，用ws表示；二是由于工质流入或流出系统所作净流动功Wf，因此，W总 = Ws + Wf，对1kg流动工质W总 =ws+(p2v2- p1v1)。将稳定流动工质的上述特征代入式（1-2-2）并

11、代入各项有关参数整理后可得，1kg工质作稳定流动时的能量方程：q=(h2-h1)+1/2(c22-c12)+g(z2-z1)+ ws （1-2-3）注：这三部分机械能的和称为技术功,z代表高度，c代表工质流动速度。工质在入口和出口处具有的能量，应是工质在该处的内能、宏观动能1/2mc2和重力势能mgz三者之和。式1-2-3表明，稳定流动工质从外界吸收热量，一部分用于增加工质的焓，一部分用于增加工质的宏观动能及重力势能，一部分通过机轴传递对外作功。制冷与空调设备在多数情况工质进出系统时，宏观动能与重力势能的变化相对都很小，可以忽略不计，在这种条件下，技术功就近似地等于轴功。三、稳定流动能量方程在

12、制冷设备中的应用制冷压缩机、热交换器（蒸发器和冷凝器）、节流阀（毛细管）是制冷与空调系统中常见的设备。可将稳定流动能量方程应用于这些设备，从而确定这些设备中的能量转换关系。(一) 制冷压缩机工质流入和流出这类设备时，宏观动能与重力势能的变化相对于外界提供的轴功ws的量值来说很小，可以忽略不计；工质流经这类设备向外界的散热量也相对很小，可近似为绝热的，即q=0。于是由（1-2-3）式可得-ws=h2-h1 （1-2-4）式1-2-4表明，制冷压缩机消耗的外功大小等于工质在压缩机出口和入口的焓差，即等于工质焓的增加。(二) 热交换器工质流经热交换器时，只通过传热与外界交换能量，没有轴功，即ws=0

13、；其宏观动能与重力势能的变化相对于传递的热量也很小，可忽略不计。于是，由式（1-2-3）可得q=h2-h1 （1-2-5）对于制冷系统的蒸发器，液态制冷剂在其中吸收周围物体或介质的热量沸腾汽化，q0，焓增加，即在蒸发器中工质吸收的热量等于其焓的增加；对于制冷系统的冷凝器则与蒸发器恰好相反，气态制冷剂在其中向周围介质放热冷凝液化，q0约300，如R11在冷凝温度为50时的冷凝压力为235.5kPaR11、R113、R114、R21中温制冷剂（或称中压制冷剂-600约在10003000,如在冷凝温度为55时的冷凝压力,R12为1358.8kPa,R22的为2163.5kPaR12、R22、R717

14、、R142、R502低温制冷剂（或称高压制冷剂3000R13、R14、R503、烷、烯(二) 对制冷剂的要求1 热力学性质(1) 在大气压力下制冷剂的蒸发温度要低，这是一个必要条件，以获得较低的致冷温度。(2) 压力适中。在蒸发器内制冷剂的压力最好和大气压力相近，并稍高于大气压力，因为当蒸发器中制冷剂的的压力低于大气压时，外部的空气就可能从不密封处渗入制冷系统，将影响换热器的传热效果，增大压缩机的耗功量；对易燃易爆的制冷剂还可能引起爆炸。为了减小制冷设备承受的压力，降低对设备制造材料的强度要求和制造成本，避免制冷剂向外渗漏，减少密封的困难等，制冷剂在常温下的冷凝压力不应过高，一般要求不超过12

15、16bar。为提高压缩机的输气系数，减小压缩机的耗功量，并降低压缩机的排气温度，以利于润滑，要求制冷剂在给定的温度条件下，对应的冷凝压力和蒸发压力比较小，绝热指数也比较小。(3)临界温度颇高于环境大气温度，凝固温度要低。便于用一般冷却介质（水或空气）进行冷却。2 物理化学性质(1)导热系数和放热系数要高，这样能提高蒸发器和冷凝器的传热效率和减少它们的传热面积。(2)制冷剂的粘度和密度应尽可能小，这样可减少制冷剂在制冷装置中流动时的阻力，降低压缩机的能耗或缩小流道管径。(3)具有一定的吸水性。当制冷系统中渗进极少的水分时，虽会导致蒸发温度升高，但不致在低温下产生“冰塞”而影响制冷系统的正常进行。

16、(3) 具有化学稳定性，在高温下不分解，不易燃烧，无爆炸危险，对金属和其它材料（如橡胶）无腐蚀和侵蚀作用。(4) 溶解于油的性质。制冷剂与油无限溶解时，可使润滑油随制冷剂渗透入压缩机各部件，对润滑有利；并且在换热器的换热面上不易形成油膜阻碍传热，对换热也有利；但是，这会稀释润滑油和提高蒸发温度，并使制冷剂沸腾汽化时泡沫增多，造成蒸发器中形成蒸发器中液面不稳定又不利。制冷剂只微溶于油时，蒸发温度较为稳定，制冷剂与油易于分离是有利的；而在换热面上易形成难于清除的油膜阻碍伟热又是不利的。因此，只能根据具体情况权衡利弊加以选择，或增加附属设备以抑制或减少不利的一面。(5) 良好的绝缘性能。电动机的线圈

17、是与制冷剂及润滑油直接接触的。因此制冷剂应具有良好的绝缘性能。此外，若含有微量杂质如灰尘等，都会使其绝缘电组显著下降，困而使进行闭式压缩机的漏电增加。(三) 常用制冷剂制冷剂标准大气压下的沸腾温度临界温度临界压力bar临界比容标准气压下凝固温度水100.0374.1522.1143.2600.0R12-29.8112.044.1121.793-155.0R22-40.896.04.9321.905-160.0目前，房间空调器一般用R22作制冷剂，电冰箱一般用R12作制冷剂。R22是一种很安全的中温制冷剂，但毒性比R12稍大，与明火接触，它会分解产生有毒的光气；与铁共存的情况下，若温度上升到55

18、0，就开始分解。水在R22中的溶解度要比在R12中的溶解度大二三十倍，而且水与R22反应后的生成物同样会腐蚀金属，因此，R22中的含水量应控制在2510-6以内。R22在饱和状态下的热力性质见表2-1-1。表2-1-1 R22饱和状态下的热力性质温度()绝对压力(Pa)比容焓汽化热(kJ/kg)熵液体(dm3/kg)蒸汽(m3/kg)液体(kJ/kg)蒸汽(kJ/kg)液体(kJ/kgK)蒸汽(kJ/kgK)-401049500.709360.20575155.413388.611233.1980.824891.82505 -381150700.712300.18878157.537389.5

19、31231.9940.833931.82046 -361259400.715290.17348159.671390.444230.7730.842931.81600 -341376100.718320.15967161.816391.350229.5340.851911.81165 -321501100.721390.14717163.972392.249228.2770.860851.80742 -301634800.724520.13584166.139393.140227.0010.869761.80330 -281777600.727690.12556168.317394.023225

20、.7060.878631.79928 -261929900.730920.11621170.507394.898224.3910.887481.79536 -242092200.734200.10770172.707395.764223.0570.896301.79153 -222264800.737530.09993174.919396.621221.7020.905091.78780 -202448300.740910.09284177.142397.469220.3270.913851.78416 -182642900.744360.08635179.376398.308218.9320

21、.922591.78060 -162849300.747860.08041181.621399.136217.5150.931291.77712 -143067800.751430.07495183.878399.954216.0760.939971.77372 -123298900.755060.06994186.147400.761214.6140.948621.77040 -103543000.758760.06533188.426401.558213.1320.957251.76714 -83800600.762530.06109190.718402.343211.6250.96585

22、1.76395 -64072300.766370.05718193.020403.117210.0970.974421.76083 -44358400.770280.05356195.335403.878208.5430.982971.75776 -24659400.774270.05022197.662404.627206.9650.991501.75476 04975900.778340.04713200.000405.364205.3641.000001.75180 25308300.782490.04427202.351406.087203.7361.008481.74890 4565

23、7100.786730.04161204.713406.796202.0831.016941.74605 66022800.791070.03914207.089407.491200.4021.025371.74325 86405900.795490.03684209.477408.172198.6951.033791.74048 106807000.800020.03471211.877408.838196.9611.042181.73776 127226500.804650.03272214.291409.488195.1971.050561.73507 147665000.809390.

24、03086216.719410.122193.4031.058921.73242 168122900.814240.02913219.160410.739191.5791.067261.72979 188600800.819220.02751221.615411.339189.7241.075591.72720 209099300.824310.02600224.084411.921187.8371.083901.72463 229618900.829540.02458226.569412.484185.9151.092201.72207 240.834910.02325229.068413.

25、027183.9591.100491.71954 260.840430.02201231.584413.551181.9671.108761.71702 280.846100.02084234.115414.053179.9381.117031.71451 300.851930.01974236.664414.533177.8691.125301.71201 320.857930.01870239.230414.990175.7601.133561.70951 340.864120.01773241.815415.423173.6081.141811.70702 360.870510.0168

26、1244.418415.830171.4121.150071.70451 380.877100.01595247.042416.211169.1691.158331.70200 400.883920.01513249.686416.563166.8771.166591.69947 420.890970.01436252.353416.886164.5331.174871.69693 440.898280.01363255.043417.177162.1341.183151.69436 460.905860.01294257.757417.435159.6781.191451.69176 480

27、.913740.01228260.497417.657157.1601.199771.68912 500.921930.01166263.265417.842154.5771.208111.68644 520.930470.01108266.063417.986151.9231.216481.68371 540.939390.01052268.892418.086149.1941.224891.68091 560.948720.00998271.755418.140146.3851.233331.67806 580.958500.00948274.655418.143143.4881.2418

28、31.67512 600.968780.00900277.595418.092140.4971.250381.67209 二、载冷剂载冷剂又称冷媒，用于向被间接冷却的物体输送制冷系统产生的冷量。为提高载冷量、增强传热及减小流动阻力，从而减小设备的尺寸重量和降低能耗，要求载冷剂的比热和换热系数要大，而粘度和密度要小。此外，还要求载冷剂的凝固点要低，挥发性和腐蚀性要小，不易燃烧，无毒无臭，对人无害，化学性质稳定，且价格低廉，易于获得。在空气调节中，常用水、空气和盐水作为载冷剂。显然，水是一种较理想的载冷剂，但水只适用于温度范围在0以上的工况。当致冷温度要求在0以下时，可使用盐水（氯化钙或氯化钠的水

29、溶液）作载冷剂，盐水的凝固温度随浓度的增加而降低，选择盐水的浓度时，一般使对应的盐水凝固点比制冷系统制冷剂的蒸发温度低至68。但盐水对金属的腐蚀性强，腐蚀程度与盐水中的含氧量相关，而氧主要来自空气，应尽量减少盐水与空气的接触。空气作载冷剂有很多优点，但是由于它的比热小，所以只有对空气直接冷却时才采用它，如房间空调器。三、冷冻油 压缩机所有运动零部件的磨合面，必须用润滑油加以润滑，以减少磨损。制冷压缩机所使用的润滑油叫做冷冻机油，简称冷冻油。冷冻油还把磨合面的摩擦热及磨屑带走，从而限制了压缩机的温升，改善了压缩机的工作条件。压缩机活塞与气缸壁、轴封磨合面间的油膜，不仅有润滑作用，而且还有密封作用

30、，可阻挡制冷剂的泄漏。 （一）冷冻油的性能与要求 冷冻油与制冷剂有很强的互溶性，并随制冷剂进入冷凝器和蒸发器，因此，冷冻油不但要对运动部件起润滑和冷却作用，而且不能对制冷系统产生不良影响。所以，冷冻油的物理、化学、热力性质应满足下列要求： 1粘度适当。粘度是表示流体粘滞性大小的物理量。粘度分为动力粘度和运动粘度两种，粘度随温度的升高而降低，随压力的上升而增大。粘度是冷冻油的一项主要性能指标，因此，冷冻油通常是以运动粘度值来划分牌号的。不同制冷剂要使用不同粘度（标号）的冷冻油。如R12与冷冻油互溶性强，使冷冻油变稀，应使用粘度较高的冷冻油。制冷系统工作温度低，应使用粘度低的冷冻油；制冷系统工作温

31、度高，应使用粘度高的冷冻油。转速高的往复式压缩机及旋转式压缩机应使用粘度高的冷冻油。 2浊点低于蒸发温度。冷冻油中残留有微量的石蜡。当温度降到某一值时，石蜡就开始析出，这时的温度称为浊点。冷冻油的浊点必须低于制冷系统中的蒸发温度，因为冷冻油与制冷剂互相溶解，并随着制冷剂的循环而流经制冷系统的各有关部分，冷冻油析出石蜡后，会堵塞节流阀孔等狭窄部位，或存积在蒸发器盘管的内表面，使传热效果变差。 3凝固点足够低。冷冻油失去流动性时的温度称为凝固点，凝固点总比浊点低。冷冻油的凝固点必须足够低，以R12、R22为制冷剂的压缩机，其冷冻油的凝固点应分别低于一30一40、一55C。冷冻油中溶入制冷剂后，其凝

32、固点会降低。如冷冻油中溶入R22后，其凝固点会比纯油时降低1530。 4。闪点足够高。冷冻油蒸汽与火焰接触时发生闪火的最低温度，叫做冷冻油的闪点。冷冻油的闪点应比压缩机的排气温度高2030，以免冷冻油分解、结炭，使润滑性能和密封性能恶化。使用R12或R22为制冷剂的压缩机，其冷冻油闪点应在160C以上；而在热带等高温环境（50左右）下使用的空调器，其冷冻油闪点宜在190以上。 5化学稳定性好。冷冻油在与制冷剂、金属共存的系统中，若温度比较高，则在金属的催化作用下，会起分解、聚合、氧化等化学反应，生成具有腐蚀作用的酸。因此，化学稳定性好的冷冻油，其含酸值比较低。各种牌号冷冻油的允许酸值表2-1-

33、2。牌 号表2-1-2 国产冷冻油主要性能指标项 目HD-13HD-18HD-25HD-30HD-40运动粘度（50）(cSt)111518222529303540凝固点（）-40-40-40-40-40闪点（）160160170180190酸值（mgKOH/g油）0.140.030.050.10.1机械杂质无无无无无 6杂质含量低。制冷剂、冷冻油溶液中若混入微量水分，则会加速该溶液的酸化作用，使制冷系统出现有害的镀铜现象，并使压缩机的电机绝缘性能降低。因此，1kg冷冻油中含水量应低于40mg。冷冻油在生产过程中虽然经过严格的脱水处理，但它有很强的吸水性，因此，冷冻油存贮中要做好容器的密封工作

34、，勿让其长时期与空气自然接触。冷冻油中若含有机械杂质，则会加速运动机件的磨损，并引起油路堵塞，所以，冷冻油应不含机械杂质。 7绝缘性能好。封闭式压缩机的电机绕组及其接线柱与冷冻油直接接触，因此，要求冷冻油有良好的绝缘性能。纯净冷冻油的绝缘性能一般都很好，但是，若油中含有水分、尘埃等杂质，则其绝缘性能就会降低。冷冻油的绝缘性能用击穿电压来表示。击穿电压测定的方法为：将冷冻油倒入装有一对25mm间隙的电极的玻璃容器内，电极通电后逐渐升高电压，直到冷冻油的绝缘被破坏而发出激烈的响声，此时的电压值就是这种油的击穿电压。冷冻油的击穿电压要求在25kV以上。 （二）冷冻油的选用 1牌号选择。目前，我国生产的冷冻油主要有5种，其牌号按运动粘度来标定，粘度大，标号高，其主要性能指标见表1。不同牌号的冷冻油不能混用，但可以代用，其代用原则是：高标号冷冻油可代替低标号冷冻油，而低标号冷冻油却不能代替高标号冷冻油。使用R12作制冷剂的压缩机宜用HD-18号冷冻油；使用R22作制冷剂的压缩机宜用HD-25号冷冻油。 2质量判断。从冷