非共沸混合制冷剂在高温空调中的实验研究

1、合肥工业大学硕士学位论文非共沸混合制冷剂在高温空调中的实验研究 姓名:赵鹏申请学位级别:硕士专业:制冷与低温工程指导教师:王铁军20100401非共沸混合制冷剂在高温空调中的实验研究摘 要高温空调通常在宽温度范围和高温工况下运行,常用的中温制冷剂难以获 得良好的空调特性。探求环境友好且热力性质良好的制冷剂成为解决高温空调 技术难题的关键因素之一。本文就探索适合高温空调运行特性的制冷剂而展开 相关研究工作。首先分析了非共沸混合工质R22/R142b的性质,指出高温空调使用 R22/R142b在理论上是可行的,其环保性质和热力性质都较理想。利用 R22/R142b热力性质,对原R12高温空调系统主

2、要部件进行了校核分析。之后, 用实验和仿真的方法探究了高温空调样机性能参数随R22/R142b质量比例变化 的规律,发现混合工质质量比为5/5-7/3时,空调系统在3575。C较宽的环 境温度范围可获得较理想的制冷量,且变化平坦,而排气温度和排气压力这两 个安全指标也在可接受的范围内。实验分析了空调样机的最佳充灌量,结果表明制冷剂充灌量在2.65kg左右 时空调的运行性能较好。本文对高温空调制冷剂替代问题的研究,为在技改费用较低的前提下对高 温空调的改进提供了清晰的思路和能较快实现的方法。而本文采用的研究方法 和实验及仿真结果对高温热泵的研究同样具有一定的参考价值。关键词:高温空调;非共沸混合

3、制冷剂;实验;研究;R22/R142bThe Experimental Study on Non-azeotropic Refrigerant in High Temperature AirConditionerAbstractHigh temperature airconditoners often run over a wide temperature range and in high temperature work conditions,SO some commonly used midtemperature refrigents are not suitable for high

4、temperature any longer.It is a key facter to search for a proper kind of refrigent to solve the problems of developing and manufacturing high temperature air-conditioners,which is environmentally friendly and has good thermodynamic properties.The maj or work of this thesis was to find a proper kind

5、of refrigent which is suitable for circulating in high temperature air.conditioners.Non-azeotropic mixture R22/R142bS properties were analyzed in this thesis at first,and it was found that it is feasible for high temperature airconditioners to use in theory,and not only the thermodynamic properties

6、of it are fairly good but also it is environmentally friendly.By using R22/R142bS thermodynamic properties,the main components of the high temperature air-conditioners which originally used R12as working fluids were checked and analyzed.Then the variation of the running performance with different ma

7、ss fractions was studied by method of experiment and simulation.It was found that the cooling capacity is fairly high and changes smoothly over a wide temperature range of 304-.75。C when the mass fractions of R22/R 142b range from 5/5to 7/3;Besides,both the exhaust temperature and the exhaust pressu

8、re are not SO high that they can damage the air.conditioner.Meanwhile,The optimal refrigerant charge was also tested in high temperature work conditions in this thesis,as a result,the sample machine ran relatively well when the refrigent charge was about 2.65kg.Good idea and methods for the improvem

9、ent of high temperature air。conditioners,on the premise of relatively low cost in the technological transformation,were provided through the study on the refrigerant replacement in high temperature airconditioners in this thesis.Reference was also provided for the study on high temperature heat pump

10、s by the research method and the results of experiment and simulation in the thesis.Key words:High temperature airconditioner,Non-azeotropic refrigerant, Experiment,study,R22/R 142b插图清单图1.1高温空调系统示意图1图1.2洛伦兹循环图2图1.3制冷机与热泵工作时能量转换示意图5图2.1制冷剂R12的溶油性临界曲线8图2.2制冷剂R134a溶油特性图12图2.3制冷剂R22溶油性临界曲线.15图2.4混合工质R22

11、/R142b在某定压下的T-x相图.17图2.5非共沸混合工质单级蒸气压缩制冷循环T-S图17图3.1涡旋式压缩机内部结构示意图19图3.2制冷循环P.h图.20图3.3外平衡式膨胀阀实物图27图4.1空气焓差法实验测试装置示意图.37图4.2空气取样装置.38图4.3高温空调室内外机39图5.1Visual Basic 6.0企业版界面.44图5.2高温空调性能仿真算法流程图一45图5.3高温空调性能模拟软件界面46图6.1制冷量仿真值随R22质量分数变化图.48图6.2制冷量仿真值与实验值对比图.48图6.3压缩机耗功仿真值随R22质量比例变化图一49图6-4压缩机耗功仿真值和实验值对比图

12、一50图6.5能效比随R22质量分数变化图.50图6-6能效比仿真值与实验值对比图50图6.7排气压力随R22质量比例变化图51图6.8排气压力仿真值与实验值对比图52图6-9排气温度随R22质量比例变化图.52图6.10排气温度仿真值与实验值对比图.53图6.11制冷量随充灌量变化图.54图6.12能效比随充灌量变化图54表格清单表2.1制冷剂R12物性表.7表2.2制冷剂R12电气性能.8表2.3制冷剂R134a物性表.10表2.4制冷剂R12和R134a热物性对比.11表2.5制冷剂R114物性表.13表2.6制冷剂R114电气性能.13表2.7制冷剂R142b物性表.13表2.8制冷剂

13、R22物性表.15表2-9不同温度下水在R12和R22液体中的溶解度(mg/kg一16表3.1空调性能试验工况.19表3.2冷凝器校核温度参数表.21表3.3蒸发器校核温度参数表.28表4.1仪器仪表配置及精度说明39表4.2高温空调运行实验工况.40表4.3系统充注R12时的性能参数表4l 表4.4不同配比R22/R142b在不同工况下整机性能参数41表4.5不同配比R22/R142b在不同工况下运行参数42表4.6不同充灌量R22/R142b不同工况下整机性能参数.43表5.1不同配比的混合工质在不同工况下的性能仿真结果46独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作

14、及取得的研究成 果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得 盒胆王些态堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:起鹂 签字日期:纱,晖铲月z,z,日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金目垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授 权金目巴王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采 用影印、缩印或扫描等复制手

15、段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名:赵 哟签字日期:冲年妒月2,日学位论文作者毕业后去向:工作单位:通讯地址: 电话:邮编:致 谢在论文完稿之际,回顾在合肥工业大学攻读硕士研究生这将近三年的时光, 老师的关怀和同学的友爱让我无法用言语表达内心的激动。我要衷心感谢我的导师王铁军副教授,无论是在学业上还是生活上,王老 师都给予了我极大的帮助,王老师严谨的治学态度、开阔而缜密的思维以及豁 达的胸怀令我由衷地敬佩!很快就要离开王老师去他乡工作,在此诚挚地向恩 师道一声“谢谢!感谢陈长琦教授在我攻读研究生期间给予我极大的帮助。在完成论文期间,教研室的刘向农老师、江

16、斌老师、倪宜华老师、唐景春 老师都给予了指导,在此一并感谢。在格兰仕集团工作的徐志亮工程师及在制冷论坛上结识的吴松华前辈,解 答了我在完成论文期间所遇到的一些问题,具有丰富工作经验和渊博学识他们 是我学习的榜样,感谢他们给予我的帮助!感谢仵宝龙在生活上给予我的帮助,兄弟情深,无需多言。感谢我的师弟师妹们在我收集资料和做实验过程中给予的大力协助,他们 分别是:王施文、万丽君和王正。特别感谢我的父母、姐姐和女友,正是他们的鼓励和支持,让我一路走来, 未感疲倦,也让一个平凡的我对未来的人生充满了希望。感谢在我攻读硕士研究生期间所有在生活和学习上帮助过我的人。本文作者:赵鹏 2010年4月第一章绪论制

17、冷技术自问世以来,在改善人们生活水平、提高人们工作效率以及改善 产品质量、提高生产效率等方面作用显著,因此制冷空调技术的发展与应用被 美国工程师学会评选为20世纪对人类活动有重要影响的工程界十大事件之一 【11。现代制冷工业在庞大的市场需求和激烈的国际竞争驱动下,已经取得了长 足的进步,然而随着人们节能环保意识的增强,传统的空调器,尤其是在空调 系统的制冷工质受到了诸多挑战。世界上主要的国家都投入了大量的人力和物 力,用以推动制冷技术朝着节能环保方向发展。上个世纪七、八十年代,随着国内冶金行业的快速发展,高温空调被引进 并得到普及【2J。高温空调与普通家用空调一样,主要用来调节空气的温度等舒适

18、性参数, 为人们日常生活和工作创造适宜的环境,但是高温空调与普通家用空调的运行 工况有较大差异,高温空调主要应用在冶金、工程机械和军工等行业中,经常 在高环境温度(55以上、宽温度变化范围(20一75和高粉尘环境中运行; 而且高温空调的载体一般会给高温空调较大的振动激励,如果振动的频率与空 调部件的固有频率相近,就会增大高温空调配管断裂的几率。而家用空调运行 时环境温度较高温空调要低的多,国内家用空调产品几乎均为Tl气候类型(室 外最高环境温度43产品,且家用空调受到的振动激励主要来自压缩机和风 机,外界对其影响小,可见高温空调工作环境远比家用空调的恶劣,这就决定 高温空调的设计和生产的要求更

19、为严格。压缩机分离器高温空调设计与制造的关键技术之一是制冷剂的选择与匹配。选用的制冷 剂不但要使高温空调在高温工况下安全高效地运行,获得较理想的制冷量和 EER;同时还必须为环境所接受:此外制冷剂与空调系统使用的材料要兼容。本课题的合作方生产的某款高温空调使用的制冷剂为R12,R12与目前国内 家用空调主要使用的工质R22相比,在相同的工况下,排气温度和排气压力低; 而且R12对人体的生理危害小31,因R12较好的热力性质,曾一度在汽车空调和 冰箱等制冷装置中被大量使用。但是R12属于CFC类物质,臭氧破坏指数(ODP 和温室效应指数(GWP很高,为环境不友好物质。根据蒙特利尔协议及 相关修正

20、案的规定,发达国家应从1996年1月1日起禁用CFC,发展中国家将 于2010年1月1日起禁用CFC引。发达国家把R12的完全禁用日期提前到了1995年,发展中国家则可推迟10年pJ。如果能够找到一种适合高温空调使用的制冷剂,能够获得良好的节能和环 保效应,这不仅响应了国家建设“节约型社会的号召,同时也为保护人类所 生存的环境做出了贡献。目前,在可以成为高温空调系统循环工质的制冷剂中, 已经商业化生产的纯组元的制冷剂似乎都不太理想,人们将目光投向了混合制 冷,特别是非共沸混合制冷剂。非共沸混合制冷剂就是由两种或几种可以相互溶合的纯质制冷剂混合得到 的。目前已经发现且使用广泛的纯质制冷剂几乎都不

21、同时具备较理想的热力性 能和环境友好性能,而符合现代制冷设备要求的的环保纯质制冷剂仍处在开发 研制阶段,上世纪60年代开始应用的非共沸混合制冷剂【6】,因为其一些性能优 于纯质制冷剂,特别是在定压下存在明显温度滑移的特性,与实际有限大热源 的变温特性相适应,可以减小蒸发器和冷凝器传热的不可逆损失,提高了可用 能的利用率【3,7J,业内人士希望能够通过这一特性,在制冷系统中实现近似的洛 伦兹循环(图1.2,以达到节能的目的【8】。世界上多个国家都在研究和开发非 共沸混合制冷剂。TS意大利学者ApreaiC和A.Maiorino对一台在稳态条件下使用非共沸制冷剂 2R407C(R32/R125/R

22、134a,质量分数23/25/52的空调进行了数值分析,并为 制冷剂在冷凝过程中建立了可以预测泠凝器性能的均相模型,模拟的结果与实 验结果做了对比,发现冷凝器出口制冷剂侧和空气侧的温度都偏大pj。Aprea.C, F.de Rossib,A.Greeo三位学者对小型蒸汽压缩式装置中使用的纯质制冷剂 R22和非共沸制冷剂R407C的换热性能作了对比实验,发现R22的传热系数比 R407C的大Il叭。瑞典学者Shao.D.W和E.Granryd通过实验研究了组分不同的 非共沸混合制冷剂R32/R134a、纯R32以及纯R134a在冷凝过程中的换热性能, 指出在相同条件下,液态R32的换热系数比其它

23、液体的大;而R134a的压力损 失则较大;在相同质量流量下,三种不同比例的混合制冷剂(R32/R134a的质 量比例分别为26.5/73.5,55/45,74.5/25.5的压力损失相差不太大u。南非的 两名学者F.J.Smit,J.P.Meyer对不同质量分数下非共沸制冷剂R22/R142b在冷 凝管道中传热系数作了研究,并得到以下结论:大体上,传热系数随着R142b 质量分数的增加而减小21。韩国学者Minsung Kim,Min Soo Kim,Yongchan Kim 就R32/R134a组分改变对热泵系统性能的影响做了实验研究,研究发现在制冷 工况下,R32和R134a的配比在50:

24、50时,COP值达到最大,为提高制热量, 可以增加R32的质量比例【l川。土耳其学者Omer Comakli,Cafer Celik,Sadik Erdogan在其论文里指出非共沸混合制冷剂质量比例的改变对热泵的COP和r/。 影响很大。同时也指出热泵的COP随着低温热源温度的上升和冷却水流速的增 大而增大【l引。斯里兰卡学者Leelananda Rajapaksha的论文定性地分析了非共沸 制冷剂的一些特殊性质对蒸汽压缩式制冷/热泵系统的性能和运行的影响,指出 非共沸混合制冷剂温度滑移程度越大,气液两相特性的非线性越明显,使用非 共沸混合制冷剂可能会使传热弱化;在系统正常运行中,混合制冷剂的

25、质量比 例会不同于原始的配比17J。东南大学陈九法总结了非共沸混合制冷剂的特点:汽液两相浓度不等;在 蒸发和冷凝时存在相变温度滑移。陈九法同时指出为克服非共沸混合制冷剂在 传热性能差的特点,可以采用优化的制冷剂流速来提高制冷剂侧的传热系数, 采用高性能的传热材料,适当加大冷凝器和蒸发器的传热面积等措施【1引。浙江 大学的张绍志,王剑峰和陈光明对非共沸混合制冷剂在两相区的热力学性质进 行了拟合【16】。天津大学赵力和蒋栋梁在研究空调工况下非共沸制冷剂蒸发时的 换热特性时发现非共沸制冷剂由于焓值随温度的非线性变化,可以导致蒸发过 程中制冷剂和换热流体之间温差的非线性变化;在相同物系中, 不同的配比

26、 对制冷剂性能具有明显的影响【I 71。武汉科技大学制冷空调研究所与武汉钢铁集 团公司合作,对高温空调机及非公共沸制冷剂进行了研究和开发,指出 R22/R142b完全可以取代R114和R142btl8】。上海交通大学在前几年对高温热泵系统中使用非共沸混合制冷剂R22/R141b进行过实验研究,发现即使冷却水 温度达到80左右,系统的最高压力仍然小于2.5MPatl9j。天津大学的高攀和 赵力两位学者对在中高温热泵系统内循环的两种非共沸混合制冷剂 R22/R236ea(质量比为O.48:0.52和在第一种基础上加入了R141b,即R22/ R236ea/R141b(质量比为0.46:0.5:0.

27、04作了多工况的理论计算与实验测 试,发现在工质中加入R141b后,系统的运行效率有了明显的提高,作者提出选 择适当的工质对提高系统的性能非常重要【201。天津大学学者赵力、朱禹、高攀、 张了根据实验数据发现换热流体在冷凝器中进口温度不变的前提下, 系统性 能系数(COP随换热流体流量的逐步增大呈现先升高后降低的特性,为解释此 现象提出了非共沸制冷剂非完全冷凝的假想2。国内外学者对非共沸混合制冷剂进行了积极地探索和研究,其结果对以后 的研究工作具有重要的参考价值。虽然非共沸混合制冷剂也因为本身的优势早 已在制冷行业被推广利用,但是高温空调系统中使用的非共沸混合制冷剂的研 究,还需要制冷工作人员

28、投入更多的精力和时间。超高温空调广泛应用于冶金行业和一些军工项目上,随着工业的蓬勃发展 和军队现代化建设步伐的加快,市场对超高温空调的需求量正逐年上升。然而 以前高温空调曾使用的制冷剂制约了高温空调技术及市场发展,这是因为高温 空调一般是在恶劣的工况下运行,同时人们也越来越注重环保,这就要求在高 温空调系统中循环的制冷剂不仅要具有良好的热力性能和安全性能,还一定要 被环境所接受,而曾在高温空调中使用过的R12、R114、R142b等制冷剂都不 能完全满足上述要求,其中原因将在本文第二章详细分析。本文的目的就是在 不改变高温空调结构的基础上,在现已商业化生产的纯质制冷剂中探究适合高 温空调运行的

29、混合制冷剂。经过分析和筛选,R22和R142b混合物是较为理想 的工质。R22和R142b都是容易获得的制冷剂,而且R22/R142b与高温空调的 原有设备兼容性好,不需要更换、或只需稍作改动高温空调的部件,如此便极 大地降低了技改费用,为企业节约了成本。而本文的研究过程及结果对高温热泵的研发也具有一定的参考意义。制冷 空调和热泵在热力学上并无区别,如图1.3所示,它们都是利用制冷剂在系统 中进行逆向循环,通过自身热力学状态的改变,实现从低温热源吸热,向高温 热源放热的过程。只是使用制冷空调的目的是为了从低温热源吸热;使用热泵 的目的是为了向高温热源放热13J。出力高温化是热泵技术发展的趋势1

30、2引,而合 适的工质是实现热泵出力高温化的必要条件和关键因素。本文主要工作就是在 使用替代制冷剂后,对高温制冷空调的运行情况进行研究。一般情况下,在室 外环境温度很高时,高温空调的冷凝温度也很高,而过高的冷凝温度可能会对4系统的安全运行产生负面作用。如果替代制冷剂能够使高温空调安全高效地工 作,则可以将R22/R142b或热力性质相近的其他非共沸混合制冷剂作为高温热 泵的工质进行相关研究。本课题来源于合肥工业大学制冷与空调研究所与合肥天鹅制冷科技有限公 司合作的中国航空工业集团公司创新基金项目“车载特种制冷空调设备关键技 术的子项目。合作方希望研制的高温空调能够达到以下技术指标要求:1在额定制

31、冷T3工况下,高温空调名义制冷量要达到4500W,制冷捎耗 功率为3000W,循环风量不小于800m3/h;2在标准制冷工况下,制冷量实测值不应小于名义值的95%;高温工况 制冷量不小于名义制冷量的70%;3高温空调在工作温度2075以及高污染、高粉尘和高湿度的环境 下可以正常运行。针对合作方对高温空调的技术要求以及对高温空调的调研,本文主要工作 如下:1收集高温空调曾使用过的工质及本课题研究的替代工质的资料,对它们 的环境友好性能、热力性能和安全性能等性质进行全面的分析。2对高温空调系统部件进行校核计算,主要是在制冷剂更换后,对高温空 调压缩机的排气量、冷凝器和蒸发器的换热面积和膨胀阀的规格

32、进行校核,如果合格,可以用原有设备进行实验研究,否则,需要进行相应的更改或替换。 3为检测高温空调能否正常运行,以及对比使用原有工质与替代工质的高 温空调整机性能的一些参数差异,对高温空调充注R12进行整机运行实验研究。 4对使用替换工质的高温空调进行整机循环性能实验研究,实验分为:在 稳态工况下,对充当系统冷媒的R22/R142b进行不同配比的实验;对系统使用 的冷媒R22/R142b进行不同充注量的实验。通过充注和配比试验,研究 R22/R142b的性质,同时研究影响高温空调系统运行的因素。5因为实验条件限制,对环境温度超过60的工况,建立基于VB平台 的高温空调数值模型,模拟仿真相应的整

33、机运行参数和系统性能参数。6结合实验和数值模拟的结果,全面系统地研究高温空调样机性能参数随 制冷剂混合比变化的规律;以及实验样机的最佳充注量;同时综合考虑实验和 数据模拟的过程和结果,对高温空调相关问题进行总结和展望。6第二章高温空调工质选择R12、R134a、R142b和R114都曾作为高温空调的工质,然而它们因为自 身的种种缺陷,有的已被禁止使用,有的被使用的频率越来越低。本节将从环 境性能、热力学性能、物理化学性能和输运性能等方面系统地分析它们的性质。R12是在193r年得到商业化生产的CFC类物质11,其物性见表2.1【31,因 其良好的热力性质在列车空调、汽车空调和冰箱等制冷设备中被

34、大量使用。但 是不同的制冷系统使用R12时选用的压缩机类型不同,小型冷冻装置中使用 R12,配置全密封或半密封容积式压缩机,中型空调装置以及汽车空调装置使用 R12,配置有半密封或开启式压缩机【3】。R12难溶于水,反之亦然,且随温度的降低水在R12中的溶解度减小,一 般规定在R12系统中含水量不超过0.025%(质量分数,在向制冷系统中充注 R12时,要在系统中安装干燥器将R12中的水分吸收掉6,23】。因为当温度低于 0时,制冷系统中游离水会结冰,堵塞系统节流部件,使系统工作发生异常; 水溶于R12后会产生水解作用,降低电绝缘性能以及腐蚀金属材料1。R12无色、气味很弱,有芳香味。对人体的

35、生理危害小,它的TLVs(Threshold Limit Values,美国工业与环境卫生专家大会用的毒性指标或AEL(Allowable Exposure Limit,美国杜邦公司用的毒性指标,其值与TLvS非常相近为1000, 可认为是无毒物质,根据美国传统制冷剂的毒性标准R12为6级,毒性最轻, R12气体不燃烧不爆炸。当R12在空气中的的浓度达到20%时,人们才有所感 觉,但是当容积浓度超过30%时,便会使人窒息,当遇到高温和明火,R12会 分解出剧毒的光气,因此要在通风条件良好的情况下进行相关操作18J。在单级系统中和常温范围内,可以与矿物油以任意比互溶,图2-l p J所示的 是R

36、12的溶油性临界曲线,所以R12系统为保证润滑效果,应使用粘度较高的 矿物油,且要注意回油问题I6J。R12基本上不腐蚀一般金属,但对含镁量大于2%的镁铝合金有腐蚀作用:对天然橡胶和塑料等有机物有膨润作用,因此R12系统选用的密封材料为丁氰 橡胶或氯醇橡胶,防止其它材料因发生碰润作用而膨胀,致使制冷剂泄露,进7而使制冷系统不能正常工作6,81。p 倒明含油量/%R12电气性能如表2.1【31所示,随着半封闭、全封闭制冷压缩机的广泛应用, 对制冷剂的电气性能也提出了更高的要求,不仅要求好的绝缘性,而且还要求 电流通过时制冷剂的特性不会改变,R12在全封闭式压缩机中使用时,压缩机 的绕组导线要涂覆

37、耐氟绝缘漆,如聚乙烯醇缩甲醛树脂绝缘漆3,8,231。全封闭式 压缩机使用的制冷剂气相、液相电阻值都要尽量的大,这样可以降低耗电量【231。表2-2制冷剂R12电气性能:未oj三 。,。 绝缘电阻 击穿电压(kV/cm 制冷剂种类电(率 ,60Hz,60(气态:压力 :压力9度 温度0 液1.0147.19148R12能够通过小孔与螺纹的结合处或空调系统部件的结合面泄露,渗透性 很强,可以用肥皂水、卤素灯以及电子卤素检漏仪检漏,检漏敏感度越来越高, 相应的成本也越来越高【j岗J。因为良好的性能,R12一度风靡全球,全世界R12的年产量曾高达50万 吨,占氟利昂总产量的一半【241。然而根据蒙特

38、利尔议定书及相关修正案的 规定,Rl 2已经被禁用。这是因为R12的ODP(臭氧衰减指数值和GWP(温 室效应指数值很高,为环境所不能接受。平流层臭氧衰减、温室效应和酸雨是三大环境公害,R12进入到大气层中, 因为化学性能稳定,在对流层几乎不分解,到达平流层后,在受到紫外线Uv-C 8强烈,分解出氯原子,氯原子将与臭氧发生链式反应。R12在紫外线的照射下, 与臭氧的反应如下【25】:cF2C12鐾2b缝-CF2CI+C101+03。 C10+02C10+0_ C1+02一个氯原子可以周而复始地与臭氧分子反应,一个R12分子会损耗掉大量的臭 氧分子,使臭氧层受到破坏并出现空洞,而R12在大气中的

39、的寿命为120年, 可见R12对臭氧的破坏作用之大。臭氧是地球的屏障,能够将太阳光中包括一 部分UV.B紫外线和全部UV-C紫外线吸收,过多的UV-B紫外线照射到地球上 会引起下列问题【1,25,26J:1破坏人体免疫力,会增加白内障和皮肤癌的发病几率。科学分析表明, 当大气层中的臭氧减少了l%,全世界因白内障而引起的失明者将增加10000到15000人;而据美国环保局统计,臭氧减少10%,将使常见皮肤癌的发病几 率上升26%。2加剧空气的污染,并引起地球温升。3对海洋生物造成危害,破坏海洋和陆地生态系统食物链,并可能导致渔 业和农作物减产。4加剧聚合物体的老化,缩短它们的使用年限。臭氧被破坏

40、之后危害如此之大,保护臭氧已经刻不容缓。R12带来的温室效应同样也不容忽视,温室效应的危害具体表现为【l,25J: 1导致全球温度升高,冰川和高山积雪融化,全球海平面上升,沿海低洼 地区和海拔较低的岛屿将会被淹没,当地的生物将受到灭顶之灾;而冰川的消 融,极有可能使原先冰封的史前病毒再现活力,危害人类生命安全;海平面上 升还会导致盐水入侵,加剧内陆土地咸化。2使全球气候反常,极端气候发生频率上升,近年来的厄尔尼诺现象与温 室效应不无关系,降水分布不均,有的地方严重缺水,沙漠化程度越来越高。 3气候的变化引起的自然灾害和温度升高引起病虫害的流行势必导致农业 的减产,江河入海口出的淡水的咸化势必会

41、使渔业受到冲击。4温室效应不仅阻碍了臭氧层的恢复,而且还加剧了臭氧层的破坏速度。 温室效应和臭氧层被破坏已经严重危及人类和地球上其他生物的生存环 境。各国政府和民间团体采取一系列措施来应对上述问题。诸如蒙特利尔议 定书和京都议定书等一系列环境保护方案已被大多数国家接受并实施。 根据蒙特利尔议定书的规定,R12是首批受禁的制冷剂。多个国家的学者研究了R12的替代产品,西安交通大学石泳、厉彦忠、裴 春生等对R12的替代物进行了总结,系统对比了R134a、丙烷和丁烷的混合物、9异丁烷等替代物质的优缺点【241。印度学者K.Senthil Kumar。K.Rajagopal先用 REFPROP软件计算

42、了不同配比R123/R290的物性,发现R123/R290的配比为7: 3时,其性质与R12相近,接着他们也用实验论证了配比为7:3的R123/R290混合物替代R12的可行性,指出在相同工况下,混合工质的冷凝压力和蒸发压 力比R12的略高,整机的运行性能较优1271。约旦学者B.Tashtoush, M.Tahat, M.A.Shudeifat研究发现用质量比例为31.25/31.25/37.5的丙烷、丁烷和R134a 的三元混合物在原来使用R12的家用冰箱系统中代替R12是完全可以的,无需 改变润滑油和相关部件【2引。R12曾大量被使用,而很多制冷设备是按R12的性 质设计的,如何在不改动

43、或稍作改动原有设备的情况下使用新的环保制冷剂, 各国学者仍在积极探索中。R134a是20世纪90年代开始使用的制冷剂【11,其热物理性质和循环特性 与R12相近,曾一度被业内人士看好,认为是R12理想的替代物,R134a在汽 车空调系统中替代R12的技术已比较成熟【8,29】。R134a曾被联合国等国际组织 推荐使用【301,我国于2002年1月1日起禁止所有新车空调系统充注R12,明 确规定汽车空调用冷媒R134a替代冷媒R123l】。R134a特性见表2.3【3】,从表中发现,R134a的ODP值为0,对臭氧没有破 坏作用;R134a的临界压力和临界温度比R12稍低,而标准沸点略高于R12

44、。 R134a的绝热指数较R12的小,在相同工况下,压缩机的排气温度较低,这有 助于压缩机的安全运行【8J。R134a在大气中的寿命为16年,安全等级为Al, TLv值为1000,无毒、不燃烧、不爆炸【8,23】。表2-3制冷剂R134a物性表然而在高温空调中,用R134a代替R12仍然存在着一些阻碍。压缩机可根 据实际情况来确定是否替换p 2J;R134a与R12的热物性有一定的差别,如表 2.4【33】所示,R134a饱和液体的导热率明显高于R12,R134a的汽化潜热也同样 高于R12,文献【8指出,R134a在冷凝器中的换热系数比R12的高出25%35%, 因此R134a替换R12,冷

45、凝器要作相应的改动,或改变冷凝风机的风量131,32; R134a比R12易溶于水,R134a在水中的溶解度是Rl 2的7倍,水在Rl 34a中 的溶解度比水在R12中的溶解度大20多倍13引,而空调系统中少量水的存在, 不仅可能在节流元件处结冰,而且还可能会与系统内润滑油作用,水解生成酸 性物质,可以腐蚀包括铜在内的金属,被溶解的铜离子在制冷剂的作用下,与lO其它金属材料接触并停留在这些金属材料表面上,造成“镀铜现象”f31。因此 R134a系统里面的干燥标准要求很高,因为R134a分子直径比R12分子小并比 R12易溶于水,原来用来干燥R12的干燥剂XH.5与R134a不相容,可以用XH.

46、7和XH.9型分子筛干燥【31,34】。撇剂。:,kg名,洲乏w,。三v耐x10s6眦r g a扪xlOssR134a与R12最常用的矿物油和烷基苯油不相溶,在为R134a专门研发的 润滑油有聚二醇类(Polyalkene Glycol,PAG和多元醇酯类(Polyol Ester, POE合成润滑油,R134a虽与它们互溶,但是溶解的特征不常见:有两条溶 解曲线,在低温区和高温区分别存在一个分层区,高温区溶解度并没随着温度的升高而增夫,溶解特征如图2-20JP,ff示,这种特征不适合高温空调系统在较宽 温度和压力下正常工作。此外,PAG类润滑油不具有良好的电绝缘性,吸水能 力强,与R134a

47、混合后会对金属材料产生轻微的腐蚀作用【”。油重量浓度/%图2-2制冷剂R134a溶油特性图R134a比R12对非金属材料的膨润作用略强,在R134a系统里的密封件不 能再使用丁氰橡胶(NBR,需要改用氢化丁氰橡胶或氯丁橡胶【3,6,8J。R134a替代R12须注意压力开关和安全阀工作范围要相应改变,安全阀在 系统压力达到3.43MPa时起作用;高压开关在3.14MPa时断开f30,32】。R134a在 高温空调系统中循环时,当环境温度为70,室内干球温度为32,湿球温度 为23时,其冷凝压力约为3.1Mpa,排气温度也超过120,如果工况持续恶 劣,会对使用R134a的高温空调正常运行带来安全

48、隐患。从国际层面来看,包括R134a在内的HFC类物质,已经被京都议定书 划归温室气体【351。一些发达国家已经采取措施,控制HFC类物质的使用,北 欧国家丹麦2007年禁止在中、大型的制冷设备中使用HFC类物质;瑞士于2003年、2005年和2008年分别禁止HFC在冰箱、普通空调和汽车空调中的使用136; 欧盟颁布控制含氟温室气体的法规:2011年1月1日起禁止新生产的汽车空调 使用GWP值大于150(GWP(C02=1的制冷剂,其中包含GWP值为1300的R134a;2011年1月1日至2017年1月1日期间,汽车空调将逐步淘汰GWP 大于l 50的制冷剂;从2017年1月1日起,全面禁

49、止汽车空调使用GWP值大 于150的制冷剂【”,36,37J。12p倒赠都被视为R134a的替代物【35,37】。虽然国际上对R134a的替代呼声很高,不过目前不用担心R134a在发展中 国家的使用,截止2008年,亚洲地区还没有就控制R134a的使用进行立法136, 虽然2009年底,中国政府决定到2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放 比2005年下降40.45%t”】,但此决定对R134a替代的影响还有待进步考察, R134a在中国正处于发展阶段,2006年,单在汽车空调领域,R134a的消费量 就高达9500pi电t29,36】。从发展态势来看,R134a在国内的消费量会继续增长。

50、 为尽量降低对原R12高温空调的技术改造费用,以及避免在环境温度超过 70,R134a系统运行存在的安全隐患,没有采用R134a作为系统工质。表2-6制冷剂R114电气性能淤? ., 绝缘电阻 击穿电压(kV/cm电容率.制冷剂种类(MQcm,60Hz (气态:压力98kPa,温度ORl 14R142b属于HCFC类物质,饱和压力比较低,在环境温度高于70时,使 用R142b的高温空调和高温热泵的冷凝压力仍在合适的范围,R142b的物性见 表2.7131。R142b在大气中存在的年限为19年。安全等级为A2,具有一定的可 燃性【3,231。分子式 C2H3F2Cl ODP O.050.06凝固

51、温度( .130.8化学名称 二氟一氯乙烷 GWP 0.34O.39临界温度( 136.45分子量 100.48标准沸点( .9.25临界压力(Mpa 4.15根据蒙特利尔议定书蒙特利尔修正案,HCFC类物质在发达国家被禁用时间为2020年;发展中国家则在2030年1月1日起禁止生产和使用HCFC 类物质,后来的北京修正案作出了定的调整,规定各国在冻结的生产和消费 的水平上,还可以生产不超过冻结的水平的15%,以满足各国国内的一些基本 要求p 4|。可见,R142b尽管最终将被禁止使用,但在发展中国家还会存在一段 时间,但是由于R142b单位容积制冷量小,使用R142b的高温空调体积大、制 冷

52、量小、压缩机耗功大,且R142b的可燃性也是制约高温空调使用R142b的因 素之一【3.39。筛选替代工质主要原则如下3,6,8,23】:1必须要为环境所接受,为环境友好型制冷剂,凡是ODP值、GWP值高 的工质一律不予考虑,因为环境保护直接关系到地球上生物生存的空间,这也 是高温空调淘汰R12、R114的原因。如果选择的是过渡性的制冷剂,须要考虑 它们在大气中的寿命。2具有良好的热力性质,制冷剂在制冷机/热泵系统中循环时,冷凝压力 不过高,避免设备过于笨重;冷凝压力增大,会导致压缩机耗功增加,能效比 下降。蒸发压力不过低,不能低于大气压力,否则会导致空气从接口处或密封 不完全的地方进入系统中

53、,影响换热器换热效果,如果空气中含有的水蒸气较 多,还会造成系统冰塞,空气的进入还可能加剧系统材料的腐蚀程度。冷凝压 力和蒸发压力的比值不能过大,防止压缩机排气温度过高,导致润滑油粘度变 小甚至碳化,影响润滑效果,制冷剂自身的性质在高温下也有可能改变,对于 单级压缩系统,为获得良好的经济效果,氟利昂制冷剂的压比最好不要超过10:而压比过高也会使往复式压缩机输气系数下降。在使用容积式压缩机的系统中, 制冷剂的单位体积制冷量要尽量的大,单位容积制冷量大,可减小压缩机尺寸, 单位质量制冷量大,可减少制冷剂的充注量。3输运性能优良,制冷剂的密度和粘度小,从而制冷剂在制冷管道中的流 动阻力损失减小。4热

54、稳定性好,制冷剂在高温下不分解;化学稳定性好,制冷剂不与润滑 油反应,不腐蚀制冷管道和其他构件。5热导率大,使传热器件面积减小,节省设备成本,并使系统占用空间范 围减小。6安全等级高:不燃、不爆、无刺激性气味、无毒。7价格便宜、来源充足,与现有设备使用的材料兼容性好,且容易检漏。 满足上述要求的制冷剂很难获得,在选用替代制冷剂时除必须满足第一条 原则外,其它方面可根据实际情况综合考虑。14通过查阅资料及理论分析,发现现有的已经商业化生产的纯质制冷剂很难 满足合作方高温空调的使用要求,本课题组将目光转向了混合制冷剂,经过筛 选,发现R22/R142b混合物可以胜任合作方制造的高温空调工质。先对其

55、中组 元进行分析。R22于1936年被发现作为制冷剂,其后因其优良的热力性质和稳定的化学 性质被广泛用于空调、冷藏和化工领域,在国内家用空调中,主要充注的就是 R221,3,40】。如表2.8【3】所示,R22的ODP和GWP都比R12的小,对大气的破 坏作用小于R12,但R22属于HCFC物质,最终还是要被淘汰,在德国、瑞士 等欧洲国家于2000年便禁止新设备使用R22,美国、加拿大等国规定2010年 禁用R22,根据蒙特利尔议定书,R22在发展中国家离全面禁止使用还有一 段时间【4。R22无色、无味、不燃烧、不爆炸、毒性小,比R12略大,安全等级为 A1,在大气中的寿命为15年3,6,231。p趔媚.200204060含油量/%图2-3制冷剂R22溶油性临界曲线R22与矿物油的溶解度随矿物油的种类和温度不同而改变,详见图2-3。在 冷凝器或储液器等高温部件中,R22与润滑油是相互溶解的,在换热器表面不易生成油膜影响换热效果;在包含蒸发器的低温侧部件中,当温度低于R22和 润滑油混合物溶解临界温度时,则会出现分层现象,因为R22一般比润滑油重, 下层主要是R22,上层主要是润滑油,