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制冷剂基本常识 第一节制冷剂概述 第二节制冷剂的热物性参数及其计算方法 第三节制冷剂的物理化学性质及其应用 第四节常用制冷剂 1 第一节制冷剂概述 一 制冷剂的发展 应用与选用原则 只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用 2 第一节制冷剂概述 一 制冷剂的发展 应用与选用原则 3 4 2000年臭氧空洞的形状 2002年臭氧空洞变形了 5 6 第一节制冷剂概述 一 制冷剂的发展 应用与选用原则 7 1 热力学性质方面 2 迁移性质方面 1 工作温度范围内有合适的压力和压力比 2 单位制冷量q0和单位容积制冷量qv较大 3 比功w和单位容积压缩功wv小 循环效率高 蒸发压力 大气压力 以免系统出现负压冷凝压力不要过高 以免设备笨重冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大 降低输气系数 4 等熵压缩终了温度t2不能太高 以免润滑条件恶化 或制冷剂自身在高温下分解 作为制冷剂应符合的要求 8 3 物理化学性质方面 4 其它 原料来源充足 制造工艺简单 价格便宜 9 二 制冷剂命名 制冷剂按其化学组成主要有三类 10 字母 R 和它后面的一组数字或字母 表示制冷剂 根据制冷剂分子组成按一定规则编写 1 无机化合物 2 氟里昂和烷烃类 编写规则 制冷剂的简写符号 11 表2 1制冷剂符号举例 12 3 非共沸混合工质 4 共沸混合工质 5 环烷烃 链烯烃以及它们的卤代物 简写符号规定 环烷烃及环烷烃的卤代物用字母 RC 开头 链烯烃及链烯烃的卤代物用字母 R1 开头 其后的数字排写规则与氟里昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同 由两种或两种以上的制冷剂按一定的比例混合而成 在气化或液化过程中 蒸气成分与溶液成分始终保持相同 在既定压力下 发生相变时对应的温度保持不变 由两种或两种以上的制冷剂按一定的比例混合而成 在定压下气化或液化过程中 蒸气成分与溶液成分不断变化 对应的温度也不断变化 13 此外 有机氧化物 脂肪族胺用R6开头 其后数字任选 详细可从表2 2制冷剂标准符号表示中查出 14 第二章制冷剂 载冷剂及润滑油 第二节制冷剂的热物性参数及其计算方法 15 一 热力性质 制冷剂的常用热力性质 压力 温度 比体积 比内能 比焓 比熵 比热容 声速 都是状态参数 彼此之间存在一定的函数关系 热力学参数关系 通过实验方法测定出来 它们常被表示成两种形式 一种是热力学性质图和表 参数关系方程式 最基本的热力学性质数据 表2 3制冷剂的基本热力性质导出热力学量是通过热力学关系式计算得到 在使用热力性质图和表时 应当注意不同表的焓和熵等参数的基准值的选取 16 热力参数的关系 方程式 1 压缩性系数 2 饱和蒸气压一般由实验数据拟合得到 3 汽化热 与单位质量制冷量有关 4 比热容 一般由实验测得 5 液体的密度 压缩系数Z可用实验测定 式中 17 二 热物性参数的计算机计算方法 1 气相热力性质计算 状态方程 很多 如马丁 侯方程 有了精确的状态方程 利用热力学关系式 可推导出比焓 比熵等热力性质 它是压力 温度 比体积关系式 式中 18 1 气相热力性质计算 由状态方程计算亥姆霍兹自由能的余函数公式为 由热力学的余函数理论可知 只要求得了亥姆霍兹自由能的余函数 其他余函数都可以由此经过简单求导或加减运算得到 19 1 气相热力性质计算 20 2 液相热力性质计算 计算饱和液体比体积 计算饱和液体比焓 饱和蒸气的比焓 气化热 计算过冷液体比焓和比熵 计算饱和液体比熵 饱和蒸气的比熵 气化热 热力学温度 密度的倒数 21 3 物性计算程序示例 可以看出 计算热力参数的方法似乎有点繁琐 还不如查表方便 但实际上 不管是作制冷系统的设计还是作优化分析研究 都经常地反复地要查找大量的热力性质数据 这时 采用上述方法通过计算机计算就显得非常的方便 22 第三节制冷剂的物理化学性质及其应用 1 安全性 1 毒性 虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低 但在高温或火焰作用下会分解出极毒的光气 2 燃烧性和爆炸性 3 安全分类 表2 8与表2 9分别给出了6个安全等级的划分定义和一些制冷剂的安全分类 爆炸极限 23 表2 7制冷剂的毒性指标给出常用制冷剂TLVs或AEL值 24 表2 8一些制冷剂的易燃易爆特性 注 None表示不燃烧 na表示未知 25 表2 9ASHRAE34 1992以毒性和可燃性为界限的安全分类 26 表2 10一些制冷剂的安全分类 27 2 热稳定性 制冷剂在正常运转条件下不发生裂解 在温度较高又有油 钢铁 铜存在长时间使用会发生变质甚至热解 28 3 对材料的作用 正常情况下 卤素化合物制冷剂与大多数常用金属材料不起作用 只在某种情况例如水解作用 分解作用等下 一些材料才会和制冷剂发生作用 制冷系统中应尽量避免水分存在和铜铁共用 氨制冷机中不能用黄铜 紫铜和其它铜合金 因为有水分时要引起腐蚀 但磷青铜除外 橡胶与氟利昂会发生溶解 氟里昂对塑料等高分子化合物会起 膨润 作用 变软 膨胀和起泡 故在制冷系统中要选用特殊橡胶或塑料 29 4 与润滑油的互溶性 在大多数制冷机里 工质与润滑油相互接触是不可避免的 各种工质与润滑油之间的溶解程度不同 有的完全溶解 有的几乎不溶解 有的部分溶解 若工质与油不溶解 可以从冷凝器或贮液器中将油分离出来 避免将油带入蒸发器中 降低传热效果 若制冷工质与油溶解 会使润滑油变稀 影响润滑作用 且油会被代入蒸发器中 影响到传热效果 30 5 与水的溶解性 冰堵现象 当温度降到0 以下时 水结成冰而堵塞节流阀或毛细管的通道形成 冰堵 致使制冷机不能正常工作 6 泄漏性 31 表2 11水分在一些制冷剂中的溶解度 25 注 na表示没有找到可用的数据 32 表4 5制冷剂的安全 环境特性表注 LFL 燃烧低限 它是可燃性的一个标志 TLV TWA 低限值的时间加权平均值 臭氧消耗潜能值ODP OzoneDepletionPotential 是一个规范化的标志 选用CFC11的值作为基准值1 0 表示制冷剂消耗大气臭氧分子潜能的程度 全球变暖潜能值GWP GlobalWarmingPotential 是衡量制冷剂对气候变暖影响的指标值 当选用CFC11的值作为基准值1 0时 称为HGWP 近年来人们将作用100年的CO2作为基准 并将CO2的温室效应潜能值定为1 0 称为GWP或GWP100 7 制冷剂与大气环境 氟利昂类制冷剂中 凡分子内含有氯或溴原子的制冷剂对大气臭氧层有潜在的消耗能力 表4 5所示GWP数值是相对于一百年年限产生的二氧化碳的量 所示混合物的GWP100是由质量分数计算得来 要全面反映温室效应必须考虑机器的泄漏量 使用年限 能耗等多方面的因素 33 总体温室效应值TEWI TotalEquivalentWarmingImpact 是综合反映一台机器对全球变暖所造成影响的指标值 其计算方法如下 TEWI m I GWP n E n B式中 GWP 以CO2为基准的全球变暖潜能值 m 系统中制冷剂总质量 kg I 制冷剂的年泄漏率 n 系统运行年限 年 E 系统每年的能耗 kWh B 每度电CO2的释放量 kg kWh TEWI由两项构成 直接使用制冷剂产生的温室效应 制冷机使用期内电厂发电产生的间接温室效应 前者指计算年限内泄漏的制冷剂相当于多少公斤CO2的积聚效果 后者体现产生1kWh电 由燃料燃烧所释放的CO2量 需要指出的是 间接温室效应对各个国家而言是不同的 取决于该国火力发电和水力发电的比例 以及火力发电的全厂热效率 34 大气寿命 是制冷剂排放到大气中一直到分解前时间 也就是制冷剂在大气中的存留的时间 制冷剂的寿命长 说明其潜在的破坏作用就大 寿命期气候性能LCCP LifeCycleClimatePerformance 是在TEWI基础上补充了制冷机和制冷剂生产过程中的能耗引起的温室效应 若用LCCP衡量和分析 其直接温室效应均很小 且可以通过提高能效比来补偿 间接温室效应占主要部分 35 表4 5制冷剂的安全 环境特性表 36 7 制冷剂与大气环境 37 表4 6绿色环保制冷剂的趋势 38 沸点 33 3 凝固点 77 9 单位容积制冷量大粘性小 传热性好 流动阻力小毒性较大 有一定的可燃性 安全分类为B2氨蒸气无色 具有强烈的刺激性臭味氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀同时减小制冷量以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气爆炸氨液比重比矿物润滑油小 油沉积下部需定期放出在氨制冷机中不用铜和铜合金材料 磷青铜除外 第四节常用制冷剂 1 无机物 39 2 氟利昂 1 R12 二氟二氯甲烷CF2Cl2 2 R134a 四氟乙烷CH2FCF3 40 R134aChemicalname 1 1 1 2 TetrafluorethaneChemicalformula CF3 CH2F SubstituteforR12Solkane134ahassimilarVapourpressureasR12ExistingR12equipmentcanberetrofittedwithSolkane134aSolkane134aisnon flammableandsafetouseSolkane134aisenvironmentallyacceptableApplicationsSolkane134acanreplaceR12inmostapplications HouseholdrefrigeratorsCarairconditioningsystemsHeatpumpsChillersTransportrefrigerationCommercialcooling 41 3 R11 一氟三氯甲烷CFCl3 4 R22 二氟一氯甲烷CHF2Cl 42 R22 Chemicalname ChlordifluormethaneChemicalformula CHCIF2 IncomparisontoCFC12 theODPofSolkane22isreducedby94 5 ItisusedinabroadspectrumofdifferentapplicationsMostlyusedrefrigerantworldwidePossiblereplacementforCFC12andCFC502inlow temperatureapplicationWell knownandapprovedrefrigerantApplicationFrozenfooddisplaycaseChestfreezerAirconditionerColdstorageroomHeatpumpransportcoolingsystemCommercialrefrigeration e g supermarket inmediumandlowtemperaturerange Industrialrefrigeration 43 R123Chemicalname 1 1 Dichloro 2 2 2 trifluorethaneChemicalformula CHCI2 CF3 LowpressurerefrigerantPhysicalpropertiescomparabletoR11Non flammableUseofconventionaloilspossibleODPreducedby98 relatedtoR11LowHGWPSolkane123isaninterimreplacementforCFC11 CentrifugalchillersforindustrialandcommercialuseCentrifugalcompressorsORC processesHeat pumpsCFC11compatiblemineraloilscanbeusedwithSolkane123 Solkane123 asaninterimrefrigerant ensurestheoperationofexistingCFC11 equipmentwithlowresiduallifetime ToxicityPAFT Results ProgramforAlternativeFluorcarbonToxicityTesting Short termstudies lowtoxicityLong termstudies onratsanincreasedincedenceofbenigntumourswasobservedAttention lassifiedaccordingTRGS905 category3substancesaresuspectedcarcinogens Measurementsoncentrifugalchillersshowedthattheoperationunderapprovedtechnicalprocedurescanbesafelymaintained 44 R142bblowingagentsproducefoamssuchaspolyurethanefoamandextrudedpolystyrene whichprovideinsulation DescriptionAppearance colourlessgasOdour faintlyetherealSolkane142b ahigh puritygasliquefiedunderpressure hasawiderangeofapplicationsintheplasticfoamssectoreitheraloneorasamixturewithSolkane22 OnaccountofitspropertiesSolkane142bconstitutesanidealalternativeforfullyhalogenatedchloro fluorocarbons 45 R23Chemicalname TrifluormethaneChemicalformula CHF3 SubstituteforR13Highpressurerefrigerantforultra lowtemperatures 60 Cto 100 C Solkane23featuresamongotherssimilarVapourpressureasR13Solkane23isnotflammableandsafetohandleSolkane23presentsnotoxicologicalrisksCompressorsmustbechargedwithpolyolesteroilsApplicationsThelow temperaturerefrigerantSolkane23findsitsexclusiveuseincascadesystemsatanevaporatingtemperatureof 60 Cto 100 Candatacondensingtemperatureofapprox 10 Cto 40 C Industrialrefrigerationsystemsfore g gasseparationandchemicalprocessengineeringPharmaceuticalmanufacturingplantsMedicalapplicationsMaterialtestingCryomatsandcryostatsHigh vacuumchambersTestchambers testbenchesRetrofittingofexistingR13 systemsispossible 46 R404AChemicalname Pentafluorethane 1 1 1 Trifluorethane 1 1 1 Tetrafluorethane Chemicalformula CHF2 CF3 CH3 CF3 CF3 CH2F SubstituteforR502NearazeotropicrefrigerantcontainingR125 R143aandR134a 44 52 4 byweight RefrigerantmustbechargedfromliquidphasePhysicalandthermodynamicalpropertiescomparabletoR502Non flammableCompressorsmustbechargedwithpolyolesteroilsapplicationCold storagecellsSupermarketdisplaycasesIcemachinesReplacementforR502intransportrefrigerationRetrofitofexistingR502 installationswithSolkane404Aispossible 47 R407C Chemicalname Difluormethan Pentafluorethane 1 1 1 2TetrafluorethaneChemicalformula CH2F2 CF3 CHF2 CF3 CH2F InterimreplacementforR22RefrigerantcontainingR32 R125andR134a 23 25 52weight temperatureglideapprox 7KRefrigerantmustbechargedfromliquidphasePhysicalandVapourpressurecomparabletoR22NoflammabeandsafetohandleCommerciallyavaiblemixablewithpolyesteroilenvironmentallyacceptableapplicationAir conditioningsystemesHeat pumbsIndustrialandcommercialcooling Solkane407cisapplicablefornewair conditioningunitsorforretrofitofexistingR22installations notforsystemswithfloodedevaporation 48 R410Chemicalname Difluormethane PentafluorethaneChemicalformula CH2F2 CHF2 CF3 NearazeotropicrefrigerantcontainingR32andR125DistincthigherefficiencyincomparisionwithR22Non flammableSolkane410isatngfavouredworldwideaslong termalternativeforR22CommerciallyavailableCompressorsmustbechargedwithpolyolesteroilsApplicationsAir