制冷剂与压焓图.ppt

第一章制冷基本原理 1 4制冷剂与压焓图 一 制冷剂的作用 制冷剂是制冷系统完成制冷循环所必需的工作介质 制冷剂在制冷系统中不断的与外界发生热交换 制冷剂借助压缩机的做功 将被冷却对象的热量连续不断传递给外界环境 从而实现制冷 制冷剂在蒸发器中是低压低温下汽化 在冷凝器中是高压常温下凝结 因此只有在工作温度范围内能气化和凝结的物质才能作为制冷剂 多数制冷剂在大气压力和环境温度下是气态 制冷剂在制冷系统中状态只发生物理变化 没有化学变化 如果系统不泄漏 制冷可以长期循环使用 二 常用制冷剂分类和命名 1 无机物化合物2 饱和碳氢化合物3 不饱和碳氢化合物4 氟里昂5 共沸溶液6 非共沸溶液7 有机化合物8 环状有机化合物 按化学组成分类 按工作温度压力分 1 高温低压类2 中温中压类3 低温高压类 1 无机物化合物类 主要有 氨 空气 水 co2等 代号由字母R7 组成 如 氨 NH3 R717 水 R718 空气 R729 它们是较早采用的天然制冷剂 2 饱和碳氢化合物类 主要有 甲烷 CH4 R50 乙烷 CH3CH3 R170 丙烷 CH2CH2CH3 R290 丁烷 CH3CH2CH2CH33 R600 异丁烷 CH CH3 3 R600a 从经济观点来看 它们是出色的制冷剂 但易燃 安全性很差 3 不饱和碳氢化合物类 4 氟类 它是饱和碳氢化合物的卤族元素的衍生物总称 卤代烃的一类 生产氟里昂主要是甲烷 乙烷 丙烷 它的分子通式是 CmHnFpClqBrr氟里昂的代号是 R m 1 n 1 p B r 若r 0 B可省去 例如 二氯二氟甲烷CCl2F2 R12 一氯二氟甲烷CHClF2 R22 四氟乙烷CH2FCF3 R134a 5 共沸溶液类 混合制冷剂 由两种以上互溶的单组分制冷剂组成 在常温下按一定比例混合而成 命名是R500序号中编号 例如 R501是R22和R12按质量比75 25混合 R502是R22和R115按质量比48 8 51 2混合 特点 在一定压力下具有恒定沸点 和单组制冷剂一样 但它比单组制冷剂区别是 在相同工作条件下 蒸发温度变低 制冷量增大 化学稳定性好 压缩机排气温度降低 它可使封闭压缩机电机得到更好的冷却 改善提高制冷循环性能 表1 共沸制冷剂的组成和沸点 6 非共沸溶液类 混合制冷剂 由两种以上沸点相差较大的 相互不形成共沸的单组分制冷剂溶液组成 其溶液在加热时 虽然在相同蒸发压力下 易挥发的蒸发比例大 难挥发的蒸发比例小 使得整个蒸发过程中温度在变化 所以相变过程是不等温的 能使制冷循环获得更低蒸发温度 可增大制冷量 例如 R407C由 R32 R125 R134a 组成 R410a由 R32 R125 组成的混合物 特点 不能与矿物冷冻油互溶 能溶于聚酯类合成冷冻油 7 有机化合物类 主要是有机氧化物 有机硫化物 有机氮化物 命名是R600序号中编写 6后面的1代表氧化物 2硫化物 3氮化物 如 乙醚C2H5OC2H5 R610 甲胺CH3NH2 R630 8 环状有机化合物类 命名是R后面先加字母C 后面按氟里昂编号规则编写 按工作温度压力分 在一个大气压下 环温30 下的冷凝压力分为 1 高温低压制冷剂 沸点在0 以上 冷凝压力小于0 3MPa的制冷剂 包括R11 R21 R114 2 中温中压制冷剂 标准沸点在 60 0 范围内 压力在03MPa 2MPa范围内的制冷 包括R717 R12 R22 R502等 3 低温高压制冷剂 标准沸点低于 60 冷凝压力高于2MPa的制冷剂 包括R13 R14 R503 三 制冷剂的环保问题 臭氧层破坏和温室效应是当今全球性环境问题 它对人类健康和人类赖以生存的生态环境造成了巨大的有害影响 大气的总臭氧层包括平流层和对流层 它们对人类的影响不同 离地面10公里以上的臭氧约占总臭氧80 能吸收大部分太阳紫外线辐射 此层臭氧常称为臭氧层 平流层臭氧减少是造成南极臭氧空洞与全球臭氧量减少的主要原因 近地面10公里以内的对流层臭氧约占总臭氧15 对流层臭氧增加 会增强温室效应 平流层 3 1臭氧层被破坏的危害 1 会影响人类的健康 臭氧层被破坏后 其吸收紫外线的能力大大降低 使得人类接受过量紫外线辐射的机会大大增加了 一方面 过量的紫外线辐射会破坏人的免疫系统 使人的自身免疫系统出现障碍 患呼吸道系统传染性疾病的人数大量增加 另一方面 过量的紫外线辐射会增加皮肤癌的发病率 据统计 全世界范围内每年大约有10万人死于皮肤癌 大多数病例与过量紫外线辐射有关 臭氧层的臭氧每损耗1 皮肤癌的发病率就会增加2 另外 过量紫外线辐射还会诱发各种眼科疾病 如白内障 角膜肿瘤等 2 会影响农作物的生产 实验表明 过量的紫外线辐射会使植物叶片变小 减少了植物进行光合作用的面积 从而影响作物的产量同时 过量紫外线辐射还会影响到部分农作物种子的质量 使农作物更易受杂草和病虫害的损害 一项对大豆的初步研究表明 臭氧层厚度减少25 大豆将会减产20 25 3 2哪些气体可以破坏臭氧层 臭氧层在氯原子 氟原子和溴原子附近会被毁坏 这些元素含在很稳定的氟氯烃 如氟里昂 中 这些气体分子升到平流层 在紫外线照射之后 分解成各种单元素气体 破坏臭氧 这些气体比空气重 最终会降落到地球表面 和有机物质反应之后被吸收 但是在平流层已经破坏了很多臭氧 氯气破坏性最大 可以破坏它十万倍的臭氧 1973年 美国化学家马里奥 莫利纳首次提出氟里昂对臭氧层有影响 氟里昂是一种氟氯烃 在冰箱和空调器中已经做了20多年的制冷剂 但是当时没有学者测试臭氧层厚度 也没有多少臭氧层研究 各国政府没有在意 臭氧层空洞是在做南极研究时逐步发现 这些研究在地面和空中一起测量 由各国合作测量 3 3臭氧层破坏原因实验 最着名的是1987年代表19个组织和四个国家 在智利的蓬塔阿雷纳斯 进行的一项大规模研究 即机载南极臭氧实验 这项实验表明1987年臭氧洞大小达到历史最大 引起科学界和政界的注意 同时持氟里昂破臭氧层观点的学者认为 南极上空之所以会出现臭氧层空洞是因为当地的极度寒冷所至 他们认为云层中粒子无论属何性质 由什么构成 当其表面温度低于 73摄氏度时 任何形式存在的氯转都会发生转变为活性氯的化学反应 当南极洲处于暖季 11月 3月 时 南极上空臭氧层中的氯化合物只受到太阳紫外线辐射的影响 分解缓慢 但当进入酷寒的冬季 4 10月 其气温可达 88 3摄氏度 云层中冰冷的粒子此时便成了释放活性氯的化学反应的催化剂 这就更大破坏了南极上空臭氧 因此出现臭氧层空洞 3 4臭氧层破坏结论及蒙特利尔议定书 1974年 美国科学家莫里纳和罗兰德宣布 氟利昂中的氯原子和哈龙物质中的溴原子是破坏臭氧层的元凶 这一发现令陶醉于自己智慧的人类十分尴尬 被大量使用的制冷剂 发泡剂 清洗剂及发胶中的氟利昂 哈龙等原来是消耗臭氧层的物质 ODS 本世纪30年代 含氟的制冷剂被研究发明后在美国进入商业化生产 前苏联 日本和欧洲各国也不甘落后 氟利昂的应用范围也由制冷剂 其产量与日俱增 到1974年 全球氟利昂的产量已达到80多万吨 1986年全球ODS的年消费量已高达100多万吨 人类已经把1500万吨以上的氯氟烃排放到大气中 是人类自己陷入了眼下的尴尬境地 在国际社会的共同努力下 1985年 保护臭氧层维也纳公约 签署 1987年 关于消耗臭氧层物质的 生效 根据 共担责任但又有区别 的原则 联合国对发达国家和发展中国家提出了消耗臭氧层物质使用的时间限制 并建立了旨在帮助发展中国家履约的多边基金 由此 ODS的生产和消费量得以逐年减少 臭氧空洞的扩大得到了有效的控制 联合国环保组织1987年在加拿大蒙特利尔市召开会议 36个国家和10个国际组织共同签署了 关于消耗大气臭氧层物质的蒙特利尔议定书 我国1992年正式宣布加入修订后的 蒙特利尔议定书 对于CFCs 发达国家 从1996年1月1日起完全停止生产和消费 发展中国家 最后停用日期是2010年 对于HCFCs 发达国家 从1996年起冻结生产量 2004年开始削减 2020年完全停用 发展中国家 从2016年开始冻结生产量 2040年完全停用 以上时间表可能还会提前 R12 R22目前已禁止使用 R134a日本和美国的无氟替代制冷剂 R600a我国最佳无氟替代制冷剂 3 5中国正式加入 蒙特利尔议定书 卤代烃 氟里昂 是链状饱和碳氢化合物的氟 氯 溴衍生物的总称 可以分为八类 全卤代烃 PFCs 碳氢化合物中氢原子被氟置换 具有无毒不燃的性质 结构稳定 不易分解 对臭氧层不产生影响 如CF4 C2F6等 氯氟烃 CFCs 碳氢化合物中氢全被氯和氟置换 在紫外线照射下分解出氯原子 如R11 R12等 氢氯氟烃 HCFCs 碳氢化合物中氢部分被氯和氟置换 如R22等 对臭氧层仍有一定的破坏 只能作为过渡性物质 限期使用 四 氟里昂从环保角度的分类 续 氟里昂从环保角度的分类 氢氟烃 HFCs 碳氢化合物中氢原子部分被氟置换 没有氯原子 如R134a R410a R407c等 因此不破坏臭氧层 是替代CFCs的首选物质 碳氢化合物 HC 碳氢化合物 如丙烷R290 丁烷R600 异丁烷R600a等 全氯代烃 PCCs 碳氢化合物氢原子全部被氯置换 如 R10等 含氯代烃 HCCs 碳氢化合物氢原子部分被氯置换 如 R40 R30等 溴氟烷烃 BCFC 这类氟里昂如CClF2Br等能分离出氯和溴 会消耗臭氧分子 很少用于制冷剂 主要是灭火剂 4 2制冷剂类别与环境保护 科学家的研究证实R11 R12 R13等氯氟烃化合物 CFCs 制冷剂 当它们泄漏或排放后扩散到地球的平流层中 会破坏臭氧层 结果使地球上生物遭到紫外线的损害 另一方面 氯氟烃化合物的排放会加剧地球的温室效应 会像二氧化碳那样使地球温度升高 CFCs中含氯元素 对臭氧层具有最大的破坏作用 是禁用制冷剂 而HCFCs中由于氢元素的存在 大大减弱了对臭氧层的破坏作用 目前还可以继续使用 属过渡制冷剂 至于无氯的HFCs 则不会对臭氧层破坏 受到国际社会的重视 成为替代制冷剂 HFCs和HC这一类不含氯的制冷剂 对环境无害 4 3制冷剂环保指标 表2目前制冷剂的替代趋势 五 制冷剂安全性分类 1 毒性 TLV TWA 短时间高浓度或长时间低浓度通过呼吸道 口吸入和皮肤接触有害身体或致人死亡的能力 5 1 1美国工业与环境卫生专家大会用最高允许浓度 TLVs 指标作为毒性指标 美国杜邦公司用 AEL 作为毒性指标 上述两个指标数量非常接近 如果这些指标的数值不小于1000 则认为这种制冷剂是无毒的 注意 虽然有些氟里昂制冷剂的毒性较低 但是他们在高温或是火焰作用下会分解出极毒的光气 使用时要特别注意 如 R12 R22 5 1 2制冷剂毒性指标 制冷剂TLVs或AEL值 请找出有毒性的制冷剂 5 2燃烧性和爆炸性 LFL 注 No表示不燃烧 na表示未知 5 3 1安全分类 5 3 2一些制冷剂的安全分类 6 1安全和环保方面的要求 对人的生命和健康不应有危害性 即不应有毒性 窒息性及刺激性作用 与食物也不应有反应 应符合环境要求 氧消耗潜能值 ODP 与全球变暖潜能值 GWP 尽可能小 以减小对大气臭氧层的破坏及引起全球气候变暖 在工作温度范围内不燃烧 不爆炸 避免使用易燃易爆制冷剂 必须使用时一定要有防火防爆安全措施 原料来源广 价格低廉 制造工艺简单 容易获得 六 制冷剂性质和选择的要求 6 2热力学方面的要求 温度要求两低一高 a 制冷剂的沸点要低 才能获得较低的蒸发温度 b 凝固点要低低 以保证较广的温度范围内安全工作 c 临界温度要高 在常温条件内能够冷凝液化 压力要求适中 a 在低温下工作 蒸发压力最好不要低于大气压力 以防止外部的空气或水分渗入系统内 b 在常温下 冷凝压力不宜过高 以避免多消耗压缩功和设备笨重 降低对设备的强度要求和成本 减少渗漏的可能性和密封的困难 c 冷凝压力与蒸发压力比 Pk P0 及压力差 Pk P0 不要太大 避免压缩终温过高和压缩输气系数减低 单位容积制冷量尽可能大 减小制冷剂的循环量 而缩小压缩机的尺寸 降低能耗 提高效率 绝热指数小 可使压缩过程耗功减少 压缩终温不高 6 3物理 化学方面的要求 黏度和密度应小 以减少制冷剂在系统中流动时的阻力损失 较高的导热系数和放热系数 以提高热变换器 蒸发器和冷凝器 的工作效率 减小热交换器的尺寸 提高传热效率 热化学稳定性好 在高温条件下不易分解 对金属无腐蚀性 对密封材料膨润作用尽可能小 制冷剂纯度要高 没有不溶性杂质 污物 不凝性气体 具有一定吸水性 以避免系统中残存微量水分 导致冰堵 与润滑油有良好互溶性 有利于低温装置 对机器缝隙的渗透能力低 且发生渗漏时易查出 七 常用制冷剂 1 R717 氨 NH3 2 R12 二氟二氯甲烷 CCl2F2 3 R22 二氟一氯甲烷 CHClF2 4 R134a 四氟乙烷 CH2FCF3 5 R600a 异丁烷 C4H10 6 R410a R32 R125 7 1R717 氨 NH3 氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂 氨的凝固温度为 77 7 标准蒸发温度为 33 3 在常温下冷凝压力一般为1 1 1 3MPa 即使当夏季冷却水温高达 时也绝不超过1 5MPa 氨的单位标准容积制冷量大约为520kcal 3 氨有很好的吸水性 即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结 故系统内不会发生 冰堵 现象 氨对钢铁不起腐蚀作用 但氨液中含有水分后 对铜及铜合金有腐蚀作用 且使蒸发温度稍许提高 因此 氨制冷装置中不能使用铜及铜合金材料 并规定氨中含水量不应超过0 2 氨的比重和粘度小 放热系数高 价格便宜 易于获得 但是 氨有较强的毒性和可燃性 若以容积计 当空气中氨的含量达到0 5 0 6 时 人在其中停留半个小时即可中毒 达到11 13 时即可点燃 达到16 时遇明火就会爆炸 因此 氨制冷机房必须注意通风排气 并需经常排除系统中的空气及其它不凝性气体 综上所述 氨作为制冷剂的优点是 易于获得 价格低廉 压力适中 单位制冷量大 放热系数高 几乎不溶解于油 流动阻力小 泄漏时易发现 其缺点是 有刺激性臭味 有毒 可以燃烧和爆炸 对铜及铜合金有腐蚀作用 7 2R12 二氟二氯甲烷 CCl2F2 12为烷烃的卤代物 学名二氟二氯甲烷 分子式为CF2Cl2 它是我国中小型制冷装置中使用较为广泛的中压中温制冷剂 12的标准蒸发温度为 29 8 冷凝压力一般为0 78 0 98MPa 凝固温度为 155 单位容积标准制冷量约为288kcal 3 12是一种无色 透明 没有气味 几乎无毒性 不燃烧 不爆炸 很安全的制冷剂 只有在空气中容积浓度超过80 时才会使人窒息 但与明火接触或温度达400 以上时 则分解出对人体有害的光气 12能与任意比例的润滑油互溶且能溶解各种有机物 但其吸水性极弱 因此 在小型氟利昂制冷装置中不设分油器 而装设干燥器 同时规定 12中含水量不得大于0 0025 系统中不能用一般天然橡胶作密封垫片 而应采用丁腈橡胶或氯乙醇等人造橡胶 否则会造成密封垫片的膨胀引起制冷剂的泄漏 R12对一般金属不腐蚀 但能腐蚀镁及含镁超过2 的铝镁合金 7 3R22 二氟一氯甲烷 CHClF2 22也是烷烃的卤代物 标准蒸发温度约为 41 凝固温度约为 160 冷凝压力同氨相似 单位容积标准制冷量约为454kcal 3 22的许多性质与 12相似 但化学稳定性不如 12 毒性也比 12稍大 但是 22的单位容积制冷量却比 12大的多 接近于氨 当要求 40 70 的低温时 利用 22比 12适宜 故目前 22被广泛应用于 40 60 的双级压缩或空调制冷系统中 R22仍属于不溶于水的物质 系统中含水量超标则有可能引起冰堵和 镀铜 现象 R22对有机物的膨润作用很强 系统的密封件应采用耐氟的丁基橡胶或氯乙醇橡胶 R22与冷冻机油有限溶解 在系统高温侧部分 冷凝器 贮液器中 R22与油完全溶解 在低温侧 R22与油的混合物处于溶解临界温度以下时 蒸发器或低压贮液器中液体将出现分层 上层主要是油 下层主要是R22 所以要有专门的回油措施 干式蒸发器为了保证顺利回油 一般采用 上进下出 的进液方式 管内制冷剂要有足够的流速 特别是上升回气立管 在管径设计时 必须考虑满足最小带油速度 另外 压缩机排气管上应设油分离器 以便将运行中有可能从压缩机带入系统的冷冻机油减到最少 7 4 1R134a 四氟乙烷 CH2FCF3 R134a作为R12的替代制冷剂 它的许多特性与R12很相像 R134a的毒性非常低 在空气中不可燃 安全类别为A1 是很安全的制冷剂 单位容积标准制冷量约为299kcal 3 R134a的化学稳定性很好 然而由于它的溶水性比R22高 所以对制冷系统不利 即使有少量水分存在 在润滑油等的作用下 将会产生酸 二氧化碳或一氧化碳 将对金属产生腐蚀作用 或产生 镀铜 作用 所以R134a对系统的干燥和清洁要求更高 R134a对钢 铁 铜 铝等金属未发现有相互化学反应的现象 仅对锌有轻微的作用 R134a是目前国际公认的替代CFC 12的主要制冷工质之一 常用于汽车空调 商业和工业用制冷系统 以及作为发泡剂用于硬塑料保温材料生产 也可以用来配置其他混合致冷剂 如R404a和R407c等 7 4 2R134a特性 7 5 1R600a 异丁烷 C4H10 制冷剂R600a是一种性能优异的新型碳氢制冷剂 取自天然成分 不损坏臭氧层 无温室效应 绿色环保 其特点是蒸发潜热大 冷却能力强 流动性能好 输送压力低 耗电量低 负载温度回升速度慢 与各种压缩机润滑油兼容 注 R600a在制冷系统中含量不足时 会造成压力值过大 机器声音异常 压缩机寿命缩短 异丁烷的含量不小于99 9 含硫量小于1ppm 水份含量不大于5ppm 烯烃含量小于0 01 R600a 2 甲基丙烷 分子量为58 R600a比空气重很易聚积 无色气体 微溶于水 性能稳定 它最大的特点是与空气能形成爆炸性混合物 爆炸极限为1 9 8 4 体积比 当达到或高于此比例时 如遇明火即刻会引起爆炸 所以安全是最应注意的问题 主要用作超低温致冷剂 与F22组成的制冷系统用于 80 120 的超低温制冷装置 也用作泡沫塑料的发泡剂 作为制冷剂主要替代R12 7 5 2R600a特性 7 6 1R410a R32 R125 R410A 是一种新型环保制冷剂 不含氯元素 不破坏臭氧层 工作压力为普通R22空调的1 6倍左右 制冷 暖 效率更高 提高空调性能 R410A新冷媒由两种准共沸的混合物而成 具有稳定 无毒 性能优越等特点 另外采用新冷媒的空调在性能方面也有一定的提高 R410A是目前为止国际公认的用来替代R22最合适的的冷媒 并在欧美 日本等国家得到普及 R410A 是一种混合制冷剂 它是由R32和R125组成的混合物 R410A外观无色 不浑浊 易挥发 沸点 51 6 凝固点 155 临界温度72 5 临界压力4 95Mpa 其主要特点有 1 不破坏臭氧层 其分子式中不含氯元素 故其臭氧层破坏潜能值 ODP 为0 全球变暖潜能值 GWP 小于0 2 2 毒性极低 容许浓度和R22同样 都是1000ppm 3 不可燃 空气中的可燃极性为0 4 化学和热稳定性高 5 水分溶解性与R22几乎相同 6 是混合制冷剂 由两种制冷剂组成 7 不与矿物油相溶 与酯润滑油 醚润滑油相溶 7 6 2R410特性与应用 与R22相比 R410A的制冷量显著提高 其制冷量是R22的1 45倍 因此为设计更小更紧凑的空调设备提供了可能 并且由于R410A具有近共沸的物性 在整个运行范围内 制冷剂温度滑移小于0 2 R410A在制冷空调系统中不会发生显著的分离 即不会由于泄漏而改变制冷剂的成分 因此在售后维修再补充过程中 无需排放掉系统中剩余的制冷剂 R410A是目前世界公认的家用空调R22制冷剂的中长期替代品 其需用多元醇酯POE冷冻机油 R410A主要应用于家用空调 变频空调和中小型中央空调中 因为与HCFC 22相比 R410A的压力要高得多 所以HCFC 22压缩机不可使用R410A制冷剂 7 6 3R410a中国市场 在中国 制冷剂替代过程的发展是比较缓慢的 这主要由