机房专用空调制冷原理和制冷量的计算及常用制冷剂

       摘要：制冷的方法很多，制冷机的种类也很多，根据制冷的基本工作原理可分为气体制冷，蒸汽制冷(如压缩式制冷、吸收式制冷和蒸气喷射式制冷)和温差电制冷(如半导体制冷)。机房专用空调机通常采用的是蒸气压缩式制冷。

一、蒸气压缩式制冷原理
       蒸气制冷是利用某些低沸点的液态制冷剂在不同压力下汽化时吸热的性质来实现人工制冷的。
在制冷技术中，蒸发是指液态制冷剂达到沸腾时变成气态的过程。液态变成气态必须从外界吸收热能才能实现，因此是吸热过程，液态制冷剂蒸发汽化时的温度叫做蒸发温度，凝结是指蒸汽冷却到等于或低于饱和温度，使蒸汽转化为液态。
       在日常生活中，我们能够观察到许多蒸发吸热的现象。比如，我们在手上擦一些酒精，酒精很快蒸发，这时我们感到擦酒精部分反应很凉。又如常用的制冷剂氟利昂F—12液体喷洒在物体上时，我们会看到物体表面很快结上一层白霜，这是因为F—12的液体喷到物体表面立即吸热，使物体表面温度迅速下降(当然这是不实用的制冷方法，制冷剂F—12不能回收和循环使用)。目前一些医疗机构采用的冷冻疗法即是利用了这一原理。
       蒸气压缩式制冷是利用液态制冷剂汽化时吸热，蒸汽凝结时放热的原理进行制冷的。

二、制冷循环
       压缩机是保证制冷的动力，利用压缩机增加系统内制冷剂的压力，使制冷剂在制冷系统内循环，达到制冷目的。开始压缩机吸入蒸发制冷后的低温低压制冷剂气体，然后压缩成高温高压气体送冷凝器；高压高温气体经冷凝器冷却后使气体冷凝变为常温高压液体；当常温高压液体流入热力膨胀阀，经节流成低温低压的湿蒸气，流入蒸发器，从周围物体吸热，经过风道系统使空调房间温度冷却下来，蒸发后的制冷剂回到压缩机中，又重复下一个制冷循环，从而实现制冷目的。
三、制冷剂在制冷系统中状态
       从压缩机出口经冷凝器到膨胀阀前这一段称为制冷系统高压侧；这一段的压力等于冷凝温度下制冷剂的饱和压力。高压侧的特点是：制冷剂向周围环境放热被冷凝为液体，制冷剂流出冷凝器时，温度降低变为过冷液体。
      从膨胀阀出口到进入压缩机的回气这一段称为制冷系统的低压侧，其压力等蒸发器内蒸发温度的饱和压力。制冷剂的低压侧段先呈湿蒸气状态，在蒸发器内吸热后制冷剂由湿蒸气逐渐变为汽态制冷剂。到了蒸发器的出口，制冷剂的温度回升为过热气体状态。过冷液态制冷剂通过膨胀阀时，由于节流作用，由高压降低到低压(但不消耗功、外界没有热交换）；同时有少部分液态制冷剂汽化，温度随之降低，这种低压低温制冷剂进入蒸发器后蒸发（汽化）吸热。低温低压的气态制冷剂被吸入压缩机，并通过压缩机进入下一个制冷循环。

四、制冷量
       在制冷循环中，循环流动的每千克制冷剂从被冷却物体吸收的热量叫做单位重量制冷量，用符号q表示，单位是kcal/kg，单位重量制冷量是表示制冷循环效果的一个特殊参数，这由制冷剂的性质，循环温度等条件决定，蒸发温度越低，冷凝温度越高，其值越小，反之越大。制冷装置的产冷量是单位时间内从被冷却物体吸收并在冷凝器中放掉的热量，用符号Q表示，单位是kcal/kg。Q值的大小等于冷重量流量G与单位重量制冷量q的乘积，即：Q＝G8226;q
      在实际工作中，有时为了方便的获得制冷量的粗略计算也可通过下式计算Q＝L8226;(t2－t1)，式中L循环风量，(t2－t1)为进出风温度差。
       在日本、欧美等国家制冷量常用冷吨来表示，但日本冷吨与美国冷吨在数值上略有差别，在日本，产冷量的单位用日本冷吨，1日冷吨表示1000克0oC的水在24小时内制成 0oC的冰所消耗的冷量：
       1日冷吨＝3320kcal／h
       1美冷吨＝3024Lcal／h
       常用制冷量的单位换算：
       1KW=860kcal/h(大卡／小时)
       1kcal／h＝3.968BTU／h(英热单位／小时)

五、制冷剂
      制冷剂是进行制冷循环的工作物质。
    （一）对制冷剂的要求
       理想的制冷剂要求化学性质是无毒、无刺激性气味、对金属腐蚀作用小、与润滑油不起化学反应，不易燃烧、不易爆炸、并且要求制冷剂有良好的热力学性质，即在大气压力下它在蒸发器内的蒸发温度要低、蒸发压力最好与大气压相近；制冷剂在冷凝器中、冷凝温度对应的压力要适中，单位制冷量要大，汽化热要大，而液体的比热要小，气体的比热要大。要求制冷剂的物理性质：凝固温度要低、临界温度要高(最好高于环境温度)，导热系数和放热系数要大，比重和粘度要小，泄漏性要小。
     （二）制冷剂的种类
       制冷剂种类很多，实际应用时可根据制冷剂类型，蒸发温度、冷凝温度和压力等热力学条件以及制冷设备的使用地点来考虑。制冷剂可分为四类：即无机化合物、碳氢化合物、氟里昂和共沸溶液。
       1、无机化合物制冷剂有氨、水和二氧化碳等；
       2、碳氢化合物制冷剂有乙烷、丙烯等；
       3、氟里昂(FREON)是十九世纪三十年代开始使用的一种制冷剂，比氨晚60年左右，它是饱和碳氢化合物的卤族(氟、氯、溴)衍生物的总称，或者说是由氟、氯和碳氢化合物组成的。目前作为制冷剂用的主要是甲烷(cH4)和乙烷(C2H6)中的氢原子、全部或部分被氟氯溴的原子取代而形成的化合物，除名称而外，化学分子式规定了氟里昂各种类别的缩写代号。
           ①氟里昂的缩写代号把不含氢原子的氟里昂分子化合物的起首数编为1，乙烷编为11，丙烷(C3H8)编为21，然后写上氟原子数。例如F—12，称为二氯二氟甲烷，分子式CF2CL2中有一个碳原子，不含氢为甲烷。故起首数编为1，又有2个氟原子，故编写成F—12。
           ②把含氢的甲烷衍生物数字首位定为l，再加上氢原子数目为起首数。然后写上氟原子例如F—22(CHF2CL)又叫一氯二氟甲烷，因为甲烷是1，氢原子数为1，相加为2，又有氟原子数为2，所以缩写成F—22。
        4、共沸溶液是由两种以上制冷剂组成的混合物。蒸发和冷凝过程也不分离。就像一种制冷剂一样。目前实用的有R500、R502等。与R22相比其压力稍多，制冷能力在较低温度下提高13％左右。此外在相同蒸发温度和冷凝温度下。压缩机的排气温度较低。可以扩大单组压缩机的使用温度范围，所以发展前景看好。
       关于制冷剂对大气环境的污染问题，这是关系到人类健康和生存的大事，也是我们大家共同关心的问题。多年来很多专家为此进行了深入研究，一种新的CFC替代品，不仅对大气臭氧层损耗潜值(ODP)为零，更重要的是制冷剂排放入大气对温室效应的直接影响造成全球变暖潜值(GwP)方面也必须符合要求。臭氧层破坏，已经成为全球普遍关注的环境焦点问题，国际社会分别于1985年和1987年制定了《保护臭氧层维也纳公约》和《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，中国于1991年加入了《蒙特利尔议定书》国际公约组织，并承诺了消耗臭氧层物质的控制时间表，即R12和R22的完全淘汰时间分别于2010年和2030年。目前许多R12和R22的替代产品正相继问世，例如：R134a、R600aKLB、R407c等等。它们的使用效果和各项性能指标的对比，正在通过实验室和实际运用不断得以反馈，我们相信随着时间的推移和科技不断进步，性能更加卓越、更符合环保要求、更具性价比竞争能力的制冷剂将会更多的应用于制冷空调行业当中。
      （三）制冷剂的使用与存放
       各种制冷剂，物理化学性质各不相同，在不同温度下，具有不同的饱和压力，在常温下，有的压力高，有的压力低，但无论压力如何，各种制冷剂钢瓶均为压力容器，使用时要多加小心。由于各种制冷剂性质不同，大多数属于易爆物。在钢瓶腐蚀未作检验，或遇到外界的突然暴晒或火源时，有发生爆炸的可能，有的制冷剂还是有毒物。因此，对制冷剂的存放、搬运、使用都必须小心。
       无论何种制冷剂用完后，应立即关闭钢瓶阀门，在检修系统时，如果从系统中将制冷剂抽出压入钢瓶时，应得到充分的冷却，并严格控制注入钢瓶的重量，决不能装满，一般不超过钢瓶容积的60％，让其在常温下膨胀有一定余地。另外，在用卤素灯给制冷系统检漏时，遇颜色改变，确定漏点后，应立即移开吸口，以免光气中毒。