制冷與空調(diào) 制冷劑與載冷劑

制冷與空調(diào)

制冷劑和載冷劑彭榕北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院pengrong@冷系統(tǒng)原理圖冷卻水冷凍水冷媒冷凝器主機(jī)膨脹閥壓縮機(jī)蒸發(fā)器冷卻塔空調(diào)末端空調(diào)制冷系統(tǒng)流程示意圖低溫低壓氣體7℃12℃32℃37℃高溫高壓氣體低溫高壓液體低溫低壓液體中央空調(diào)的基本組成風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)回風(fēng)冷凍水新風(fēng)冷凍水回風(fēng)風(fēng)管風(fēng)機(jī)盤管中央空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道制冷劑的種類和要求制冷劑：是制冷機(jī)中的工作流體，它是制冷系統(tǒng)中為實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，也稱為制冷工質(zhì)，或簡(jiǎn)稱工質(zhì)?？照{(diào)機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)空調(diào)主機(jī)循環(huán)體統(tǒng)蒸發(fā)器冷卻水系統(tǒng)膨脹閥/泵冷凝器壓縮機(jī)水處理設(shè)備的安裝部位冷卻水/熱媒水系統(tǒng)冷卻塔中央空調(diào)主機(jī)制冷劑循環(huán)系統(tǒng)

在正常大氣壓力條件（760毫米汞柱）下，是要達(dá)到100℃才沸騰蒸發(fā)，而在低于大氣壓力（即真空）環(huán)境下，水可以在溫度很低時(shí)沸騰。中央空調(diào)主機(jī)里可以制造6毫米汞柱的真空條件，水的沸點(diǎn)只有4℃。

溴化鋰溶液就可以創(chuàng)造這種真空條件，因?yàn)殇寤?LiBr)是一種吸水性極強(qiáng)的鹽類物質(zhì)，可以連續(xù)不斷地將周圍的水蒸汽吸收過來，維持容器中的真空度。

制冷劑的發(fā)展史

蒸氣制冷機(jī)中的制冷劑從低溫?zé)嵩粗形崃?，在低溫下氣化，再在高溫下凝結(jié)，向高溫?zé)嵩磁欧艧崃?。因此，只有在工作溫度范圍?nèi)能夠氣化和凝結(jié)的物質(zhì)才有可能作為制冷劑使用。乙醚1834年查爾斯·泰勒（CharlesTellier)二甲基乙醚

拉烏爾·皮克特（RaulPictel）SO2

1874年混合制冷劑二十世紀(jì)五六十年代

卡特·林德（CarlLinde)NH3

1870年

威德豪森（Windhausen）CO2

1866年

湯姆斯·米杰里（ThomasMidgley）鹵代烴1929-1930年

制冷劑的歷史：1834年，美國人Perkins使用乙醚為工質(zhì)的蒸氣壓縮裝置，并獲得英國專利（6662號(hào)）1886年二氧化碳專用壓縮機(jī)設(shè)計(jì)成功1869年氨制冷劑在美國開始應(yīng)用1875年二氧化硫制冷劑開始應(yīng)用1930年氟利昂被發(fā)現(xiàn)并開始應(yīng)用氟利昂對(duì)臭氧層的作用20世紀(jì)70年代初，Lovelock在南極試驗(yàn)船上發(fā)現(xiàn)CCl3F(R11)在大氣層中基本不分解美國加利福利亞大學(xué)的Molina和Rowland從1972年開始對(duì)CFCs對(duì)大氣層的影響開始研究，1974年在Nature雜志發(fā)表了CFCs中的氯離子對(duì)大氣臭氧層的破壞作用論文，該研究成果被授予1995年諾貝爾獎(jiǎng)。保護(hù)臭氧層的國際協(xié)定1985年在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署推動(dòng)下20多個(gè)國家簽署了《維也納公約》1987年，在《維也納公約》的基礎(chǔ)上制定《蒙特利爾議定書》，1989年1月生效我國已經(jīng)正式加入《蒙特利爾協(xié)議》，在2030年以前全部淘汰ODS物質(zhì)（OzoneDepletionSubstance,ODS）《蒙特利爾議定書》

1．對(duì)CFCs，包括CFC11、CFCl2，CFCll3、CFCll4、CFCll5等氯氟烴物質(zhì)：（1）對(duì)發(fā)達(dá)國家，規(guī)定從1996年1月1日起完全停止生產(chǎn)與消費(fèi)；（2）對(duì)發(fā)展中國家（CFCs人均消耗量小于0.3kg/年），最后停用的日期是2010年。2．對(duì)HCFCs，包括HCHC22、HCFCl42b、HCFCl23等：（1）對(duì)發(fā)達(dá)國家，從1996年起凍結(jié)生產(chǎn)量，2004年開始削減，至2020年完全停用；（2）對(duì)發(fā)展中國家，從2016年開始凍結(jié)生產(chǎn)量，2040年完全停用。

制冷劑的三原篩選法通則安全性環(huán)境可接受性裝置適用性

制冷劑的選擇原則安全方面：毒性和可燃性環(huán)境方面：臭氧層破壞、溫室和光霧效應(yīng)直接灌充：溶油性、材料兼容和容積冷量熱工參數(shù)：蒸發(fā)壓力、冷凝壓力等循環(huán)性能：性能系數(shù)、單位質(zhì)量制冷量?jī)r(jià)格方面：制造成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單制冷劑的替代發(fā)展方向歐洲國家主張采用碳?xì)浠衔锏壬鷳B(tài)系統(tǒng)中現(xiàn)有的天然物質(zhì)美國和日本主張采用HFCs等人工合成制冷劑制冷劑的命名規(guī)則

制冷劑的代號(hào)最早是針對(duì)氟里昂而規(guī)定的，目前世界上通用的是美國供暖制冷工程協(xié)會(huì)于1967年制定的標(biāo)準(zhǔn)(ASHRAEStandard34-67)中的規(guī)定。這一標(biāo)準(zhǔn)的編號(hào)方法是將制冷劑的代號(hào)同它的種屬和化學(xué)構(gòu)成聯(lián)系起來，只要知道它的化學(xué)分子式，就可以寫出它的代號(hào)。代號(hào)是由字母“R”和其后邊的數(shù)字組成的。R代表制冷劑（制冷介質(zhì)）“Refrigerant”,以前F代表氟里昂“Freon”，目前都用國際公認(rèn)的R命名制冷劑。制冷劑的分類和命名制冷劑的分類（1）無機(jī)物制冷劑。如NH3、CO2和H2O等。（2）鹵代烴制冷劑（氟利昂）。如R12、R134a、R22、R11、R123等。（3）碳?xì)浠衔镏评鋭?。如甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、乙烯、丙烯等。?）環(huán)烷烴的鹵代物、鏈烯烴的鹵代物也可作制冷劑使用，如八氟環(huán)丁烷，二氟二氯乙烯等。（5）共沸制冷劑。如R500，R502、R507等。（6）非共沸制冷劑。如R400，R402、R407等。制冷劑的命名規(guī)則（1）無機(jī)化合物類制冷劑

如氨命名為：R717（分子式NH3）水命名為：R718（分子式H2O）二氧化碳：R744（分子式CO2）

“7”代表無機(jī)化合物類，17，18，44為其分子量的整數(shù)部分。制冷劑的命名規(guī)則（2）氟里昂制冷劑

氟里昂是飽和碳?xì)浠衔铮ㄍ樽澹┑柠u族元素的衍生物的總稱

飽和碳?xì)浠衔锏姆肿邮绞牵篊mH2m+2，當(dāng)H2m+2被氟、氯或溴等部分或全部取代后，所得的衍生物就是CmHnFxClyBrz，這就是氟里昂的分子通式，且n+x+y+z=2m+2。

對(duì)于甲烷系，因?yàn)閙=1，所以n+x+y+z=4

對(duì)于乙烷系，因?yàn)閙=2，所以n+x+y+z=6

氟里昂的代號(hào)是由R(m-1)(n+1)(x)B(z)組成的。如果z=0，則B可以省略，例如：

二氟一氯甲烷，分子式為CHF2Cl，m-1=0,n+1=2,x=2,z=0，因而代號(hào)為R22。

二氟二氯甲烷，分子式為CF2Cl2，m-1=0,n+1=1,x=2,z=0，因而代號(hào)為R12。制冷劑的命名規(guī)則（3）飽和碳?xì)浠衔?/p>

代號(hào)的編號(hào)規(guī)則與氟里昂相同，

如：甲烷為R50

乙烷為R170

丙烷為R290

但丁烷不按上述規(guī)則書寫，而寫成為R600。

另外，如果屬于同素異構(gòu)物，在代號(hào)后邊加字母“a”或在個(gè)位數(shù)上加一個(gè)數(shù)字，如：異二氟乙烷為R152a，異丁烷為R601等。制冷劑的命名規(guī)則

（4）環(huán)狀化合物

環(huán)狀有機(jī)化合物在R后邊加上一個(gè)字母“C”，然后按氟里昂的編號(hào)規(guī)則書寫，

如：六氟二氯環(huán)丁烷寫作RC316

八氟環(huán)丁烷寫作RC318等。制冷劑的命名規(guī)則（5）非飽和碳?xì)浠衔锛八鼈兊柠u族元素衍生物

這一類制冷劑在R后邊先寫一個(gè)“1”，然后按氟里昂的編號(hào)規(guī)則書寫。

如：乙烯為R1150

丙烯為R1270

二氟二氯乙烯為R1112a等。制冷劑的命名規(guī)則（6）共沸制冷劑

由兩種或兩種以上互溶的單一制冷劑在常溫下按一定比例混合而成，它的性質(zhì)與單一制冷劑的性質(zhì)一樣，在恒定的壓力下具有恒定的蒸發(fā)溫度，且氣相和液相的組份液相同。

共沸制冷劑在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在R后邊的第一個(gè)數(shù)字為“5”，其后邊的兩位數(shù)字按實(shí)用的先后次序編號(hào)。

如:R500、R501、R502……R507制冷劑的命名規(guī)則（7）非共沸制冷劑

由兩種或兩種以上相互不形成共沸溶液的單一制冷劑混合而成的溶液，溶液被加熱時(shí)，在一定的蒸發(fā)壓力下，較易揮發(fā)的組份蒸發(fā)的比例大，難揮發(fā)的組份蒸發(fā)的比例小，因之，氣、液兩相的組成不相同，且制冷劑在蒸發(fā)過程中溫度是變化的，在冷凝過程中也有類似的特性。

在制冷劑編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非共沸制冷劑還未加以編號(hào)，只是留出R后邊的400號(hào)的編號(hào)順序，供增補(bǔ)編號(hào)使用。如:R400、R401、R402、…R411常用的替代制冷劑樓宇空調(diào)：R407C、R410A等替代R22冷水機(jī)組：R123、R134a等替代R11、R12或R500、R22低溫冷庫：R134a、NH3等替代R12、R22冰箱冷柜、汽車空調(diào)：R134a等替代R12CFCs的替代物國內(nèi)外提出的CFCs替代物一般由低公害純工質(zhì)組成共沸、近共沸或非共沸混合工質(zhì)，來滿足各種不同設(shè)備對(duì)制冷劑工質(zhì)特定性能的要求，達(dá)到對(duì)環(huán)境影響小、改善溶油性、抑制燃燒和提高能效比等目的。制冷劑的分類制冷劑按常溫下冷凝壓力的大小和在大氣壓力下蒸發(fā)溫度的高低，可分成三大類：（1）低壓高溫制冷劑蒸發(fā)溫度高于0℃，冷凝壓力低于29.41995×104Pa（2）中壓中溫制冷劑蒸發(fā)溫度-50~0℃，冷凝壓力（196.113~29.41995）×104Pa（3）高壓低溫制冷劑蒸發(fā)溫度低于-50℃，冷凝壓力高于196.133×104Pa自然工質(zhì)氨，R717，性能優(yōu)異空氣制冷循環(huán)使用空氣作為工質(zhì)，可以獲得0~-100度大范圍可調(diào)的溫度（壓縮制冷）水作為制冷劑的吸收式制冷機(jī)組二氧化碳制冷劑，被稱為21世紀(jì)最具前景工質(zhì)R290（丙烷）、R600a（異丁烷）、R120丙烯常用和新型的制冷劑氨：

它在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)壓力一般為0.098-0.491Mpa，在冷凝器內(nèi)的冷凝壓力一般為0.981-1.570MPa，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度為-33.4℃，凝固溫度為-77.9℃。氨具有較好的熱力學(xué)性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，單位容積制冷量大，粘性小，流動(dòng)阻力小，傳熱性能好。此外，氨的價(jià)格低廉，又易于獲得。氨的主要缺點(diǎn)是對(duì)人體有較大的毒性，也有一定的可燃性。氨的壓縮終溫較高。氨在礦物油中的溶解度很小。純氨不腐蝕鋼鐵。氨能以任意比例與水相互溶解。氨的檢漏方法：從刺激性氣味很容易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏氨；可以用石芯試紙或酚酞試紙化學(xué)檢漏。

二氧化碳制冷劑的優(yōu)點(diǎn)1.環(huán)境性優(yōu)良，自然界存在的物質(zhì)2.經(jīng)濟(jì)性能好，在大氣中大量存在3.化學(xué)性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)金屬無腐蝕4.完全無毒不可燃5.熱物理性質(zhì)優(yōu)良，蒸發(fā)潛熱大，單位容積制冷量高，氨的1.58倍，R22的5.12倍，R12的8.25倍亞臨界循環(huán)或跨臨界循環(huán)方式二氧化碳制冷技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域1.汽車空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊2.熱泵型熱水器，被稱為“生態(tài)精靈”3.重疊式制冷，二氧化碳低溫黏度小，傳熱性能優(yōu)異二氧化碳制冷系統(tǒng)的高壓及跨臨界循環(huán)等特點(diǎn)使得其主要設(shè)備與傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)相差很大，需要開發(fā)與之配套的壓縮機(jī)、換熱器、膨脹機(jī)等設(shè)備。二氧化碳制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)：入口壓力可達(dá)3.5~4.5MPa出口壓力8~12MPa，壓比2.5~3.5，常規(guī)3.5~4.5單位容積制冷量大（22600kJ/m3）活塞式、斜盤式、渦旋式，分別有開式和閉式與R12壓縮機(jī)比較，重量輕30%~40%制冷劑的可燃性及安全性問題危險(xiǎn)性指標(biāo)—RF數(shù)泄漏的計(jì)算和測(cè)試方法結(jié)構(gòu)阻燃性能溴化鋰水溶液的性質(zhì)

水特點(diǎn)：便宜，安全，氣化潛熱大，常壓下蒸發(fā)溫度高（100℃），常溫下飽和壓力低，0℃以下結(jié)冰。溴化鋰屬鹽類，融點(diǎn)549℃,沸點(diǎn)高（1265℃,不揮發(fā)），易溶于水，性質(zhì)穩(wěn)定。溴化鋰水溶液

1．無色、咸味、無毒。

2．溶解度（質(zhì)量濃度）隨溫度降低而降低。不宜超過66%，防止結(jié)晶。

3．水蒸氣分壓力（=溶液蒸氣總壓力）很低。①具有吸收溫度比它低的水蒸氣的能力；同溫度下，溶液蒸氣分壓力遠(yuǎn)低于純水飽和蒸汽壓。②溶液中的蒸氣處于過熱狀態(tài)。同壓力下，溶液蒸氣溫度高于純水飽和溫度。溴化鋰-水溶液性質(zhì)溴化鋰-水溶液性質(zhì)溴化鋰水溶液4．密度大于水。5．比熱容小,熱力系數(shù)大。6．粘度大，表面張力大。7．導(dǎo)熱系數(shù)隨濃度增大而降低；隨溫度升高而增加。對(duì)黑色金屬和紫銅等材料腐蝕性強(qiáng)烈。

計(jì)算公式溶液的飽和溫度，定壓比熱，密度，質(zhì)量濃度，導(dǎo)熱率，動(dòng)力粘度，表面張力。

溴化鋰-水溶液的密度溴化鋰-水溶液的比熱容溴化鋰-水溶液的動(dòng)力粘度溴化鋰-水溶液的表面張力溴化鋰-水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)溴化鋰吸收式制冷機(jī)原理

工作原理與循環(huán)1）原理：溶液中水蒸氣分壓力很低，具有吸收純水的水蒸氣的能力。使純水蒸發(fā)吸熱。為使吸熱連續(xù)進(jìn)行，設(shè)置發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、節(jié)流閥、溶液泵、溶液熱交換器等設(shè)備組成溴化鋰吸收式制冷機(jī)。吸收制冷的原理吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)節(jié)流閥冷凝器發(fā)生器工作蒸汽吸收器冷卻水蒸發(fā)器調(diào)壓閥單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)工作過程組成熱源回路冷卻水回路冷媒水回路冷劑水回路溶液回路溴化鋰吸收式制冷機(jī)的系統(tǒng)A-發(fā)生器B-冷凝器C,F-節(jié)流閥D-蒸發(fā)器E-吸收器G-溶液熱交換器H-泵載冷劑直接冷卻系統(tǒng)間接冷卻系統(tǒng)：被冷卻物體的熱量是通過載冷劑傳給制冷劑中央空調(diào)水系統(tǒng)中央空調(diào)水系統(tǒng)工作原理載冷劑的特性優(yōu)點(diǎn)：（1）減小制冷機(jī)系統(tǒng)的容積及制冷劑的充灌量；（2）熱容量大，被冷卻對(duì)象的溫度易于保持穩(wěn)定，蓄冷能力大；（3）便于機(jī)組的運(yùn)行管理，便于安裝。缺點(diǎn)：（1）增加了動(dòng)力消耗及設(shè)備費(fèi)用；（2）加大了被冷卻物與制冷劑之間的傳熱溫差，需要較低的制冷機(jī)蒸發(fā)溫度，總的傳熱不可逆損失增大。載冷劑的要求載冷劑在工作溫度下應(yīng)處于液體狀態(tài)；其凝固溫度應(yīng)低于工作溫度，沸點(diǎn)應(yīng)高于工作溫度。熱容要大。密度小。粘度??；化學(xué)的穩(wěn)定性好。對(duì)設(shè)備和管道無腐蝕。載冷劑應(yīng)不燃燒、爆炸、無毒，對(duì)人體無害。價(jià)格便宜，容易獲得。常用的載冷劑的性質(zhì)

常用的載冷劑是水、無機(jī)鹽水溶液或有機(jī)物液體。它們適用于不同的載冷溫度。各種載冷劑能夠載冷的最低溫度受其凝固點(diǎn)的限制。1．水水可以用于蒸發(fā)溫度高于0℃的制冷裝置中的載冷劑。由于水價(jià)格便宜、易于獲得、傳熱性能好，因此在空調(diào)裝置及某些0℃以上的冷卻過程中廣泛地用作載冷劑。水的缺點(diǎn)是只適合于載冷溫度在0℃以上的使用場(chǎng)合。2．無機(jī)鹽水溶液

鹽水，如氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂等的水溶液。無機(jī)鹽水溶液有較低的凝固溫度，適合于在中、低溫制冷裝置中載冷。它的主要缺點(diǎn)是對(duì)一些金屬材料有腐蝕作用。鹽水溶液的相圖（T—ξ圖）鹽水溶液的密度和比熱容都比較大，因此，傳遞一定的冷量所需鹽水溶液的體積循環(huán)量較小。鹽水溶液具有腐蝕性，尤其是略呈酸性且與空氣相接觸的稀鹽溶液對(duì)金屬材料的腐蝕性很強(qiáng)。為此需要采取一定的緩蝕措施。如在鹽水溶液中添加緩蝕劑，使溶液呈中性（pH值調(diào)整到7.0~8.5）。緩蝕劑通常采用二水重鉻酸鈉（Na2Cr2O7·2H2O）和氫氧化鈉（NaOH）。通常是在每1m3氯化鈣溶液里加1.6kg的重鉻酸鈉和0.432kg的氫氧化鈉；在每1m3氯化鈉溶液里加3.2kg的重鉻酸鈉和0.862kg的氫氧化鈉。磁化水處理設(shè)備的作用機(jī)理內(nèi)容提要水處理工藝的必要性各種水處理方法效果與費(fèi)用比較水的磁化效果概述TL-系列電子水處理設(shè)備簡(jiǎn)介循環(huán)水，水處理的必要性節(jié)水（略）防垢、除垢（節(jié)能）防腐改善產(chǎn)品改善環(huán)境（略）

結(jié)垢厚度熱量的損耗0.5MM

90%1MM

20-40%2.5MM95%循環(huán)水，水處理的必要性

1、節(jié)電：1毫米的水垢將使機(jī)組制冷量降低20%-40%，同時(shí)使冷凝器壓力升高，導(dǎo)致電機(jī)負(fù)荷增加，多消耗電能20%-30%，若機(jī)組容量為100萬大卡，設(shè)備能效比為3.2，平均負(fù)荷80%，一年運(yùn)行10個(gè)月共5000小時(shí)，則一年需多耗電：100×80%×3.2×5000×(10-30)%＝12.8-38.4萬度，以每年度電0.8元計(jì)，每年浪費(fèi)的電費(fèi)有10.24-30.72萬元。(溴化鋰機(jī)組浪費(fèi)的是燃料費(fèi))

2、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命：降低設(shè)備折舊費(fèi)中央空調(diào)機(jī)組各主要部件的耐用年限略有不同，實(shí)驗(yàn)表明，新機(jī)組經(jīng)預(yù)防處理后，設(shè)備耐用年限平均延長(zhǎng)一倍，中途進(jìn)行水處理，設(shè)備耐用年限平均延長(zhǎng)40%左右，如果一套中央空調(diào)機(jī)組價(jià)格為150萬，未經(jīng)水處理時(shí)機(jī)組耐用年限約為7年左右，則平均每年設(shè)備折舊費(fèi)約為21萬，經(jīng)RJ水處理后，耐用年限可延長(zhǎng)3年左右，則平均每年折舊費(fèi)約15萬，相當(dāng)于每年減少設(shè)備費(fèi)6萬元。

3、保證機(jī)組