《空气制冷剂发展问题研究7000字（论文）》

引言节能和空气环保问题是目前制冷剂研发人员最关心的问题之一，臭氧层的不断破坏，气候的逐渐变暖，以及近几年来各个国家均出现的异常天气现象，更是让人们担忧。我们日常生活中用到的制冷产品中所使用的制冷剂大多数为HCFCs和CFCs类制冷剂，对臭氧层有严重破坏，也会造成严重的温室效应，因此，很多专家学者们纷纷展开了替代制冷剂的研究，越来越多的新型制冷剂也已应用于制冷行业中。但是，仍存着各种问题，如制冷剂的GWP值较高，有较高的可燃性，较大温度滑移等问题。尽管如此，传统制冷剂在碳氢类节能制冷剂时也面临这挑战与机会，时代在发展，科学在进步，各行各业随着时代的进步也要做出相应的改变。提升制冷剂的环境效应和防爆性能，还有降低灌注量等成了制冷剂发展的新挑战。本文首先对目前制冷剂的类型、主要性质以及使用原则进行分析总结。以及对现有空气制冷剂应用中存在的问题进行对比分析，从温室效应，对臭氧层的保护，研发技术等因素归纳造成新型碳氢类制冷剂难以广泛使用的原因，分析出新型碳氢类制冷剂应用现状，归纳并提出碳氢类制冷剂在未来的节能化发展趋势。2制冷剂简介2.1制冷剂的分类制冷剂是目前制冷系统节能的研究热点，它的工作原理主要是通过自身的性质，在整个制冷系统中不断进行循环时，发生的各种状态变化来实现制冷效果。例如当制冷剂在空调制冷系统内时，通过冷凝器吸收被蒸发的冷却水、空气等介质的全部热量，从而发生制冷剂液体的汽化，而在制冷系统中会把自身的全部热量直接传递出去给周围的空气、水等物质，从而最终实现冷凝过程。按其化学组成可以分为：单一的固体制冷剂和混合单一制冷剂。按其研究过程主要包括：挥发性介质、氟氯烃、替代制冷剂、碳氢类化合物四个阶段。一个制冷装置的最终制冷效果、是否使其具有一定的经济性、其安全系统的运行过程都与其制冷剂的各种性质直接相关，所以在我们进行对制冷剂的科学研究时，对于制冷剂的各种有关特质的正确了解和掌握是必不可少的。2.2制冷剂的主要性质1.环境影响我们常见的制冷剂对于环境的危害和影响因素主要分为两个指标。一是对于大气臭氧层的严重破坏程度，用规定臭氧衰减大小指数方法根据，即ODP（臭氧衰减指数）的大小来计算表示制冷剂对于环境的破坏和危害的严重程度。另一个指标是造成臭氧温室的效应，用臭氧温室效应指数规定GWP（温室指数）的大小数值来计算表制冷剂示对于温室效应的影响程度。通常以R11规定为ODP和GWP值为1，作为一个基准，其他常用制冷剂的ODP和GWP值也就是它们相对于R11的一个比较值。例如大部分HFCs制冷剂GWP值大于1000，而碳氢类天然制冷剂GWP值较低，ODP值为0，是比较节能的替代制冷剂。2.热力性质制冷剂的各种热力学学性质通常认为是指其各热力学参数，和状态参数之间的相互关系，例如制冷剂在压力、温度、比体积、比焓等参数下的性能表现关系。它的性质是一种制冷剂化学性质决定的，其热力学性质和状态参数一般可由化学试验和热力学的偏微分方程式组合来确定。大部分碳氢类天然制冷剂沸点、凝固点较低，热力性能良好。3.毒性毒性的确定及其依据主要根据人类和动物的临床实验及对动物和人的健康影响相关资料。现在世界的毒性标准，根据美国食品工业和环境卫生协会的专家委员大会所用的TLVs，即最高浓度允许含量的数值来确定作为一个毒性指标，当这些毒性指标的最高浓度数值大于1000时才认为该化学物质本身无毒，否则具有一定的毒性。虽然某些HFCs的本身实际上是毒性较低的，但是含有硫和氯的卤代烃在进行高温或强烈火焰反应时，很容易就可能会从空气中分解出极毒的含氯光气。另外需特别指出的一点，在除了臭氧以外的所有卤代烃工质几乎都可以引起人体窒息，所以在其进行室内操作时，必须注意保证其具有良好的空气通风和保温条件。而现在研究的碳氢类天然制冷剂基本是无毒的。4.燃烧性和爆炸性不同的制冷剂之间的燃烧性和爆炸性一般都相差很大。比较容易发生燃爆的情况是制冷剂在一定的空气量燃烧过程中释放可燃物质，当含量达到一定的燃烧范围时，遇到强烈的明火就可能会直接发生燃烧性的爆炸。所以，如果我们在使用过程中遇到易燃易爆的制冷工质，一定在使用前要先具有做好防火防爆等的意识和相关安全防护措施。一些制冷工质的燃烧和爆炸的特性可以查询相关的数据表，例如R600在800℃以上，空气体积分数3%-6%时爆炸压力最大。空气中发生燃烧或者爆炸的体积分数的范围越小，则制冷剂越易燃。另外还有部分制冷剂表示不发生燃烧或者燃烧特性未知。2.3制冷剂选用原则1.环境指数要好，即要求制冷剂的环境指数具有一定的可接受范围。即要求环境变量指数如ODP、GWP等在制冷剂中为零或尽可能的小。2.使用制冷剂的热力性质必须能够满足国家指定制冷系统的实际使用热力性质要求。在压缩机确定的制冷循环温度和压力范围内，进行制冷所需要的压缩和制冷循环时，其本身的制冷循环特性必须能够满足一定的热力性质要求。即制冷所需要的压力和制冷循环压力比必须合适，其单位容积压缩机的制冷量和单位质量制冷量也尽可能大，同时要求压缩机必须具有合适的制冷量和排气温度，制冷系统比功也需要比较合适等。3.制冷剂需要良好的传热性和材料的流动性。这样传热性可以有效提高材料和制冷剂的热交换性，流动的阻力可以大大减少，提高了制冷系统的性能。这样可以让交换制冷设备的尺寸减小，达到了制冷材料节约的主要目的。4.制冷剂具有比较好的化学物理稳定性、热稳定性好。在压缩制冷系统中，当材料温度发生相对改变或材料压力发生变化时，不会直接发生材料变质、不会与制冷润滑系统部分发生直接化学反应，不会对其他压缩制冷材料机构件部分造成直接化学反应，或进行腐蚀破坏。并且对于符合要求的制冷材料进行压缩制冷过程的情况下，制冷剂温度相对较高时也可以保证其不会直接发生化学分解。5.没有任何的毒性，也没有比较刺激的气味，制冷剂在正常使用情况下，不会发生燃烧，不会爆炸或者其燃爆性较小，使用时也比较安全。对于有毒性或燃爆性能差的制冷剂，应该在设备上增加相应的安全措施，这样的话成本也就增加了。6.要求其比较容易在市场或自然中获得且原料充足，制造工艺也要简单，同时又比较便宜。当确定了制冷剂后，此时，需考虑其本身的物理化学性质，设计出的制冷系统在流程上，运行操作上，结构上与之相匹配，以保障整个系统的节能性能。3空气制冷剂应用中存在的问题3.1温室效应没有被减弱在响应号召制冷节能环保方面，各国均积极的采取了一系列的臭氧层制冷剂替代制备工作，但是又在工作中出现了新的问题。虽然出台了对臭氧层制冷剂保护的政策，并已完全淘汰了大多数的消耗臭氧层的HFCs物质。防止其排放进入到全球大气和水中，臭氧中甲基溴的化合物含量也已逐渐减小很多。但近年来相关学者在研究中发现另外一个重要的环境保护问题，即温室效应没有被逐渐的减弱。相反的，替代性制冷剂的出现却是让全球气候的温度正在慢慢变暖的主要原因。对于目前GWP值较高的替代性制冷剂如氢氟烃等物质的大量制备，会直接导致全球气候变暖，并且在大气中停留时间较长，难以通过化学反应降低其温室效应。近年来，许多国家出台关于替代制冷剂的新的国家标准方案并进行调整实施，主要调整目的之一就是为了要求各国加速淘汰和替代氢氟烃类的制冷剂，阻止温室效应的进一步加速。3.2保护臭氧层与气候效益冲突当许多国家规定在2040年之前，降低制冷剂中ODP值较高的化学物质的排放量，若用制冷剂中CO2的当量来计算就是大约相当于150亿吨。然而另外一个很重要的问题就是在各国使用替代制冷剂时，用一些GWP值相对较高的制冷剂去淘汰和替代一些氢氟烃类，则可能会直接导致国际气候保护协议中气候效益显著的大幅降低。事实上，在2017年的国际气候保护会议上各国代表已经很明显的察觉到了气候效益降低可能会出现的实际问题。所以在后来各国加速逐步淘汰和替代掉HFCs类的制冷剂时，有关的文件已经明确规定在制冷剂中选择替代物的原则，首先需要根据每个国家的科学技术和经济发展水平，要逐步的淘汰和替代掉所有氢氟烃类的制冷剂中ODP值相对比较高的一类，并且在进行所有制冷剂的淘汰和替代工作过程中所进行研究的新的制冷剂和替代工艺必须能够满足，不会对于环境气候造成任何的破坏。其中最重要的一条就是避免对于环境污染和气候的变化造成影响，并且最好也就是能够尽量的满足环保、节能。即在能够满足制冷剂中ODG值最小的同时，尽量的选择能够使用最低的GWP值也或者说是最节能的材料作为替代制冷剂。从近年来的发展趋势中我们可以充分的看到世界各国的缔约方对于制冷剂新技术的追求，希望得到保护臭氧层和逐渐降低的温室气体效应的兼顾。3.3新型制冷剂研发困难当在2009年年底时召开哥本哈根会议之后，目前最为紧迫的任务就是要研制出新的环保（ODP=0，低的GWP值）型的制冷剂，它也是一项具有全球挑战性的任务，这次会议也被誉为是“拯救人类的最后一次机会”。我们以前所使用的HCFC类制冷剂，以及现在有些已经用于空调系统中的R22的替代制冷剂，比如R410A、R407C与用于冷冻冷藏系统的R502的一些替代制冷剂，比如R404A、R507A等。这些制冷剂可以达到原有制冷剂的制冷性能，或与被替代制冷剂相当，而且ODP值为零，与原系统相比大大降低了，但是他们还有另外一个较严重的问题：GWP值较高，依然对环境造成影响。根据国际权威机构最近公布的消息，目前仍在投入使用的HCFC（比如R22）类制冷剂以及其某些替代制冷剂对气候变暖的影响大约为24%，所占据的比例并不小，因而各个国家均有而且必须要有这样的责任：尽快根据各国自身的经济技术条件，研发出新一代的环保的HCFCs类制冷工质。而在2010年5月，联合国环境规划署(UNEP)技术和经济评估小组最新发布的报告显示，新一代的HCFCs类替代制冷剂已有改善，GWP值相对来说已有所降低，比如替代制冷剂R290，已被用于小型的制冷空调、制冰机和展示柜；NH3、CO2，已被应用于冷库，这些也均属于自然工质，环境指数较好；R1234y，已被应用于汽车空调上，等等还有许多新的这样的具有低GWP值得替代制冷剂。还有就是我们也不可忽略由于系统效率低而消耗较多电能所带来的温室气体排放的问题。在2009年的8月份，美国提出它们要加快研究低GWP值替代制冷剂的研究，从2010年起它们要全面的停止HCFCs类制冷剂的生产和销售，大力研究和扩大R1234y（具有低GWP值，但有一定的可燃性）的相关技术，以使其更好的投入使用。欧盟的一些国家也早已在2004年的时候停止了HCFCs类制冷剂的销售，并且英国国会议员在2010年3月份的时候又发布了希望呼吁英国政府让它们能够拿出一种方案使比较大的超市在使用制冷系统时不使用HCFCs类制冷剂。欧盟的国家正努力的研究着新的替代工质，主要研究方向放在了碳氢化合物和氨等物质上（这些物质一般具有一定的可燃性），或者是以它们为某些混合替代工质组元。由于自身国力等条件的限制，要求发展中国家从2015年开始淘汰HCFCs类制冷剂，但要在2030年时全面的停止生产和使用。4空气制冷剂应用现状与发展趋势4.1性能研究各个发达国家都在努力地寻找着可以替代的方案，就目前的科学研究和现状的情况来看，国际上主要由两种可以替代的方案：一种是长期主张回归自然，采用天然的制冷剂作为其替代HCFCs物质，主要在北欧国家、韩国、德国等国，采用自然碳氢化合物的制冷剂替代路线，由于碳氢是自然存在的化合物质，其在自然已经延续了至少有几百年的历史了，并且环境影响性质良好，其ODP、GWP值均基本为零，不会对人类环境健康造成什么样的危害。如已经广泛投入使用的混合物R600、还有一些R1234、R717、R744等，是HCs类的制冷剂混合物。另外一种常用的路线方法就是近几年年由美国和以及日本共同提出的，采用HFCs这类混合物来替代传统的制冷剂混合物，是这些国家比较推崇的制冷剂研究方向和重点，例如美国研发的一种进共沸混合制冷剂R410、杜邦公司研发进共沸混合物制冷剂R407，以及其他一些混合物质的共沸化合物，这些混合物的另一个相同点就是其ODP的数值均为零，满足了臭氧层方面环境保护的基本要求。但是，其GWP的数值较高，会对臭氧层产生较大的温室效应，对于环境仍造成危害。但是这些制冷剂的制备还是存在着一些技术性的问题，我们需要继续并且必须要加快进行替代技术研究的速度和步伐。如R410的制冷系统排气压力较高，进行替代时对制冷系统的耐磨性和管道性能需要进一步提升。4.2灌注量方面为了保证现有的R290、R600等空调系统的使用安全性，并保证达到国家相关技术标准的要求，可适当减少碳氢类化合物的制冷剂灌注量，保证即使是发生了制冷剂短时间全部的泄露也不会意外发生安全事故。国外学者对空调系统R600充注量的控制与优化分析研究结果表明，制冷剂主要是存在于空气冷凝器中，部分的制冷剂存在于压缩机等零部件里，极少部分在换热器管路中。冷凝器与空气蒸发器的直接传热效果对于空调系统换热器性能的影响很大。因此该方法可通过减小空调系统换热器的管径、优化换热器内部结构与流程的组织，降低制冷剂充注量，保证安全，提升空调系统能效。国内学者分别对板式分体机的充注R600与灌注R600进行了性能对比实验，结果表明，分体机采用4mm管换热器的分体机制冷量明显优于原5mm管换热器，且分体机充注量减少约20%，具有明显的社会经济效益和安全使用效益。另外有研究将分体机采用微通道管壳式分体换热器的100kwR600热泵与分体机传统的板式分体换热器的灌注量进行了能效和灌注量进行了对比。其研究结果表明，在不需要使用热泵和储液器的情况下，采用微通道的管壳式分体换热器可将R600的能效和灌注量减少到2kg以下，而散热性能几乎不变。平行流带式换热器是一种高效紧凑的流带式微通道热交换器，外形紧凑、换热效率高。目前美国有一项研究结果表明，采用管装平行流带式换热器的系统，对比管装或流带式采用换热器的系统，更能有效控制降低制冷剂的用量，并大幅提高能效比。4.3防火防爆方面在保证制冷性能的前提下，碳氢类制冷剂的灌注量较少，且它们燃点较高400℃以上，燃烧极限适合，同时满足爆炸条件的概率较低。为有效保证了R600等碳氢类制冷剂的空调器及制冷系统安全稳定运行，可选择采用完全封闭的空调器及制冷系统。空调器所连接的管路均完全采用焊接并改善了管材及零部件焊接的工艺，可以大大减少了灌注剂的用量。同时采用防爆电器、增加检测仪等多种方式来有效防范R600的爆炸安全事故。相关研究在对R600家用空调器的可靠性监控系统设计的研究中特别指出，空调器在非工作状态时，应通过其结构与控制系统的设计，使空调制冷剂尽量安全地贮存在空调室外机内，需要在其设计和制造以及生产时严格地遵守国家相关安全规范和标准，并在使用说明书等相关文件方面明确提示空调使用者注意按照相关规范进行操作，R600等碳氢类制冷剂作为家用中央空调器的其制冷工艺本身是安全的。4.4发展趋势在我国，也已有不少相关学者进行着制冷剂的替代研究工作，都已经开始了不同HFCs类和HCs类混合化合物的一些替代研究工作。因此，针对目前混合制冷剂的使用现状，未来替代制冷剂的发展趋势有：在环保方面，无论未来的制冷剂如何的发展，如何被添加剂所替代，环保始终都是其中的一个起着关键作用的决定性因素。因此，对于未来可持续发展的新型的制冷剂替代产品和制冷剂仍必须严格遵守各项指标的规定，制冷剂不论其添加剂是天然存在的还是后来人工合成的，首先必须更好的满足环保条件，只有这样才能够可以更好的实现制冷剂的可持续发展。当然，对于未来的制冷添加剂的可持续发展进行研究最好是采用天然的制冷剂，这样如果能够取之自然并用之于自然的话，就会使环境在不会受到危害的同时达到节省的目的。对于空调节能方面，现在由于人们的工作和生活现代化水平一直在提高，对于生活水平和质量的要求也就越来越高。因而对于空调等一些实用设备的电能需求也随之的增大了。因此，目前每年已经到