制冷技术课件第2章 制冷剂与载冷剂

第2章制冷剂与载冷剂2.1制冷剂概述一、对制冷剂的基本要求二、安全标准与分类命名三、制冷剂的基本热力特性概述

制冷剂是制冷机中的工作流体，它在制冷机系统中循环流动，通过自身热力状态的循环变化不断与外界发生能量交换，达到制冷的目的。习惯上又称制冷剂为制冷工作介质或简称工质。液体蒸发式制冷机中，制冷剂在要求的低温下蒸发，从被冷却对象中吸取热量；再在较高的温度下凝结，向外界排放热量。所以，只有在工作温度范围能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。多数制冷剂在常温和常压下呈气态。制冷剂的历史发展制冷剂的发展经历了三个阶段：第一阶段（1830～1930）:主要采用NH3、CO2、H2O等作为制冷剂，它们有的有毒，有的可燃，有的效率低，用了约100年的时间。第二阶段（1930～1990):主要采用CFCs和HCFCs制冷剂，使用了约60年。第三阶段(1990年至今):进入了以HFCs（含氟烃）为主的时期。由于行业发展的惯性，目前使用较多的制冷剂是CFCs和HCFCs，其次是HFCs

。（对于CFCs发达国家已于1996年1月1日起禁止生产和使用，但一些发展中国家仍然在使用。）制冷剂对地球环境的影响CFCs的禁用是因为CFCs会在大气中分裂并释放出破坏臭氧层的氯原子。据UNEP(联合国环境规划署)提供的资料，如果平流层的臭氧总量减少1%，预计到达地面的有害紫外线将增加2%。有害紫外线的增加，会产生以下一些危害：

使皮肤癌和白内障患者增加，损坏人的免疫力，使传染病的发病率增加。破坏生态系统。过量的紫外线辐射会使植物的生长和光合作用受到抑制，使农作物减产。紫外线辐射也可能导致某些生物物种的突变。引起新的环境问题。过量的紫外线能使塑料等高分子材料更加容易老化和分解，结果又带来光化学大气污染。

因此保护臭氧已经引起了各国的高度重视，成为一项全球性的紧迫任务。

制冷剂对地球环境的影响而HCFCs与CFCs同样能够破坏臭氧，两者只不过是所含的氯原子多少不同而已。物质对于臭氧层破坏能力的大小是以ODP（大气臭氧层损耗潜能值）来衡量的，以CFC11为基准，规定CFC11的ODP值为1。

同时CFCs、HCFCs和新一代HFCs制冷剂都被认为是温室气体，它们对全球气候变暖影响的大小，取决于它们吸收红外能量的能力和它们在大气中延续的时间。可用GWP(全球变暖潜值)来度量它们对全球变暖作用的大小，其大小是相对于CO2的温室效应而言的，规定CO2的GWP值为1。什么是温室效应“温室效应”是指地球大气层上的一种物理特性。假若没有大气层，地球表面的平均温度不会是现在合宜的15℃，而是十分低的-18℃。这温度上的差别是由于一类名为温室气体所引致，这些气体吸收红外线辐射而影响到地球整

体的能量平衡。在现况中，地面和大气层在整体上吸收太阳辐射后能平衡于释放红外线辐射到太空外。但受到温室气体的影响，大气层吸收红外线辐射的份量多过它释放出到太空外，这使地球表面温度上升，此过程可称为‘天然的温室效应’。但由于人类活动释放出大量的温室气体，结果让更多红外线辐射被折返到地面上，加强了'温室效应'的作用。

什么是温室效应当太阳辐射能到达地球表面时，地球大气层中的CO2和水蒸气等在允许太阳能透过并到达地面的同时，既吸收太阳和地球的长波辐射，也把部分长波辐射能反射回地球表面，使地球表面温度升高，这犹如在地球上空镶上了“玻璃层”，“玻璃层”允许太阳辐射能透过，但却阻止地面热量散发，致使地面温度上升，这种作用叫做“温室效应”。

温室气体的种类

大量的研究结果表明，地球大气中的温室气体主要有水汽(H2O)、二氧化碳(CO2）、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、臭氧(O3)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)以及其他滞留在大气中的痕量气体，如氟氯烃、氟化物、溴化物、氯化物、醛类，以及各种氮氧化物、硫化物等。由于CO2的增加对增强温室效应的贡献大约是70%，它对温室效应的贡献超过CH4、N2O、O3、FCs等其他温室效应气体的总和.另一个值得指出的问题是，这些温室气体中，一部分是原来大气中所没有的，而是由于人类本身的生产和社会活动排放而滞留在大气中的。

温室效应的危害它会带来以下列几种严重恶果：

1)地球上的病虫害增加；

2)海平面上升；

3)气候反常，海洋风暴增多；

4)土地干旱，沙漠化面积增大。一、对制冷剂的基本要求1.热力学性质制冷剂的热力性质是指其热力参数之间的相互关系，诸如饱和蒸气压力与温度的关系，热力状态参数p,T,v,h,s之间的关系，还有与比热c，绝热指数k，音速α等的关系。这些热力性质是物质固有的，一般由试验和热力学微分方程求得，然后绘制成热力性质图表。工程计算使用时，可利用相应的图和表查取所需的热力参数值，也可以根据制冷剂热力性质的数学模型，利用计算机计算得出。在相同的工作温度下，不同制冷剂的制冷循环特性由它们的热力性质所决定。一、对制冷剂的基本要求1.热力学性质1)制冷效率高——提高制冷的经济性2)压力适中低压无负压——以免空气渗入，不易排除高压不过高——减少制冷装置承受的压力；减少制冷剂向外渗漏的可能性压力比不过大3)单位容积制冷能力对于大中型制冷压缩机：单位容积制冷能力尽可能大——以减少压缩机尺寸对于小型制冷压缩机或离心式制冷压缩机：单位容积制冷能力小一些——尺寸过小会引起制造上的困难一、对制冷剂的基本要求1.热力学性质4）临界温度是物质在临界点状态时的温度。它是制冷剂不可能加压液化的最低温度，即在该温度以上，即使再怎样提高压力，制冷剂也不可能由气体变成液体。对于绝大多数物质，其临界温度与标准蒸发温度存在以下关系：

这说明：标准沸点低的低温制冷剂的临界温度也低；高温制冷剂的临界温度也高。不可能找到一种制冷剂，它既有较高的临界温度又有很低的标准沸点。故对于每一种制冷剂，其工作温度范围是有限的。另外，蒸发制冷循环应远离临界点。若冷凝温度tk超过制冷剂的临界温度，则无法凝结；若略低于，则虽然蒸汽可以凝结，但节流损失大，循环的制冷系数大为降低。临界温度高——便于用一般冷却水或空气对制冷剂进行冷却、冷凝；——工作区域越远离临界点，制冷循环越接近逆卡诺循环，节流损失小、制冷系数较高一、对制冷剂的基本要求2.物理化学性质1）与润滑油的互溶性压缩式制冷机中，除了离心式制冷机外，制冷剂都要与压缩机润滑油相接触。两者的溶解性是个很重要的问题。这个问题对系统中机器设备的工作特性和系统的流程设计都有影响。制冷剂与油的溶解性分为有限溶解和完全溶解两种情况。完全溶解时，制冷剂与油的液体混合物成均匀溶液。有限溶解时，制冷剂与油的混合物出现明显分层。一层为贫油层（富含制冷剂）；一层为富油层（富含油）。溶解度与温度有关，所以上面所说的有限溶解与完全溶解可以相互转化。

一、对制冷剂的基本要求2.物理化学性质1）与润滑油的互溶性制冷剂与润滑油能任意互溶优点：润滑油能与制冷剂一起渗到压缩机的各个部件，为机体润滑创造良好条件；且在蒸发器和冷凝器的热换热面上不易形成油膜阻碍传热。缺点：从压缩机带出的油量过多，并且能使蒸发器中的蒸发温度升高、制冷量减少。制冷剂部分或微溶于油优点：从压缩机带出的油量少，故蒸发器中蒸发温度较稳定。缺点：在蒸发器和冷凝器换热面上形成很难清除的油膜，影响了传热。

一、对制冷剂的基本要求2.物理化学性质2）导热系数、放热系数高——减少蒸发器、冷凝器等热交换设备的传热面积，缩小设备尺寸3）溶水性溶水性差优点：制冷剂纯，t0稳定；缺点：游离态的水会在低温处结冰而发生“冰堵”。溶水性好优点：不会发生“冰堵”，缺点：提高t0、氨溶于水中易腐蚀金属。

4）密度、黏度小——减小制冷剂管道口径和流动阻力5）相容性好——对金属和其他材料（橡胶、塑料等)无腐蚀、侵蚀作用一、对制冷剂的基本要求3.其他安全性——无毒、不燃不爆对环境亲和友善——温室效应小、不破坏大气臭氧层经济性——易购价廉二、安全标准与分类命名当今国际上对制冷剂的安全性分类与命名一般采用美国国家标准协会和美国供热制冷空调工程师学会标准《制冷剂命名和安全性分类》(ANSI／ASHRAE34--1992)。我国国家标准《制冷剂编号方法和安全性分类》(GB／T7778--2001)，主要等效于ANSI／ASHRAE34标准。1.安全性分类制冷剂的安全性分类包括毒性和可燃性两项内容。毒性按起限值的时间加权平均值(TLV—TWA)分为A、B两类；可燃性则按最低燃烧极限(LEL)值分为1、2、3三类。制冷剂安全性分类见表2-2。

二、安全标准与分类命名1.安全性分类二、安全标准与分类命名2.分类命名分类：

无机化合物（NH3、水、空气、CO2、SO2等）烷烃（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等）烃类有机化合物烯烃（乙烯、丙烯）卤代烃（氟利昂）共沸混合物混合溶液非共沸混合物二、安全标准与分类命名命名：国际上统一规定用字母“R”和它后面的一组数字或字母作为制冷剂的简写符号。1）无机化合物：简写符号规定为R7（），括号代表一组数字，是该无机物分子量的整数部分；例：氨NH3

——R717

水H2O

——R718

二氧化碳CO2

——R744二、安全标准与分类命名2）卤代烃和其他烷烃类：烷烃类化合物的分子通式为CmH2m+2；卤代烃的分子通式为CmHnFxClyBrz（n+x+y+z=2m+2），则简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)B(z)，每个括号是一个数字，该数字为零时省去不写。例：一氯二氟甲烷分子CHF2Cl------R22

一溴三氟甲烷分子CF3Br--------R13B1

四氟乙烷分子C2H2F4------------R134a二、安全标准与分类命名3）环烷烃、链烯烃及其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4）混合溶液非共沸混合制冷剂：简写符号为R4（）；共沸混合制冷剂：简写符号为R5（）；三、制冷剂的基本热力特性制冷剂在标准大气压(101.32kPa)下的饱和温度称为沸点，用ts表示。制冷剂的沸点大体上可以反映用它制冷能够达到的低温范围。ts越低的制冷剂,能够达到的制冷温度越低。所以，习惯上往往依据沸点的高低，将制冷剂分为高温、中温、低温制冷剂。沸点越低，蒸发压力、冷凝压力越高，单位容积制冷能力越大三、制冷剂的基本热力特性1.氨安全性（安全分类B2）毒性大——机房与库房应隔开一定距离；易燃易爆——NH3高温下分解出H2,系统中必须设空气分离器；热力性质中温制冷剂，沸点－33.3℃，凝固点－77.9℃；黏性小、比重小、传热好qv大工作压力适中压缩终温较高——压缩机气缸要采取冷却措施三、制冷剂的基本热力特性1.氨物理化学性质难溶于润滑油——管道、换热器易形成油膜，影响换热——油垢积存在冷凝器、贮液器、蒸发器下部，须定期放油与水互溶——不会造成“冰堵”，可不设干燥器；——但由于含水分过多时蒸发温度升高，且对金属有很强的腐蚀作用，限制含水量不超过0.2％；纯氨不腐蚀钢铁，含水时腐蚀锌、青铜、铜合金（磷青铜除外）——不允许使用铜构件，耐磨件、密封件限定使用高锡磷青铜三、制冷剂的基本热力特性１．氨检漏方法：刺激性气味，易发现；接头、焊缝处涂肥皂水，若有气泡，说明受检部件泄漏；石蕊试纸由红变蓝；酚酞试纸变红。用于蒸发温度在－65℃以上的大型或中型活塞及螺杆机组中，也有应用于大容量离心式制冷机中。三、制冷剂的基本热力特性2.氟里昂（饱和碳氢化合物的卤族衍生物的总称）规律性：H多——可燃性强Cl多——沸点高，对大气臭氧层破坏越严重F多——化学稳定性好，对人体无害分类：根据氢、氟、氯组成情况可以分为三类：全卤化氯氟烃（CFCs）：如R11，R12，R13等——对臭氧层破坏严重，已被禁用；不完全卤化氯氟烃（HCFCs）：如R22、R123——对臭氧层破坏大为减缓，禁用期可延迟；不完全卤化氟烃（HFCs）：如R134a、R32、R125——无Cl,对臭氧层无破坏，可用。三、制冷剂的基本热力特性共性1）热力性质分子量较大、密度高、流动性差，在制冷系统中循环时流动阻力大；绝热指数小，压缩终温较低；传热性能较差；三、制冷剂的基本热力特性2）物理化学性质：溶水性极差，系统中应严格控制水的含量；对金属的腐蚀性很小；对天然橡胶、树脂、塑料等非金属材料有腐蚀（膨润）作用；遇明火时，卤代烃中会分解出氟化氢、氯化氢或光气；三、制冷剂的基本热力特性3）安全性无味、渗透性强，在系统中极易渗透4）经济性价格高《蒙特利尔议定书》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。发达国家的超前行为

瑞士、意大利规定2000年禁用HCFCs物质瑞典、加拿大规定为2010年欧共体规定为2015年。德国规定2000年禁用HCFC-22。美国规定2003年1月1日起禁用HCFC-141b（作发泡剂），2010年1月1日起不再生产使用HCFC-22的新制冷空调设备，并于2020年1月1日起完全禁用HCFC-22和HCFC-142b，不再制造使用HCFC-123和HCFC-124的新设备。发展中国家的情况CFCs和HCFCs物质的削减和禁用时间表为：1999年7月1日将CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114和CFC-115冻结在1995

1997年的平均水平2005年1月1日要求CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114和CFC-115从1995

1997三年平均水平的基础上削减50%；2007年1月1日要求CFCs类物质削减85%2010年1月1日禁用CFCs类物质2016年1月1日将HCFCs物质冻结在2015年平均水平2040年1月1日禁用HCFCs物质三、制冷剂的基本热力特性3.混合溶液1）非共沸溶液二元溶液的温度-浓度图：坐标两线三区ξ=0时,ts=tⅠ；ξ=１时,ts=tⅡ．二元溶液的定压气化过程：１-２-３-４-５泡点：开始蒸发的温度露点：开始冷凝的温度温度滑移：露点和泡点之差三、制冷剂的基本热力特性二元混合溶液的三个特性：定压下，沸腾温度介于tⅠ、tⅡ之间；定压下，蒸发温度或冷凝温度并非定值。存在着泡点、露点和温度滑移；定压下，湿蒸气中气液两相组分浓度不同，但溶液的总质量和平均浓度不变。三、制冷剂的基本热力特性２）共沸混合溶液T-ξ相图具有图中所示的特征。泡点线与露点线存在一个相切点。该点称共沸点。在共沸点处，定压相变过程中温度滑移为零（定温），且气相与液相的成分相同（即两组分物质共沸）。所以，共沸混合物具有与纯物质相同的热力特征，可以象纯制冷剂一样使用。三、制冷剂的基本热力特性２）共沸混合溶液

已发现具有共沸特征的混合物不到50种。其中满足作为制冷剂性质要求的仅十种。在所列共沸制冷剂中，已有显著商业应用的只有三种：R500，R502和R503。

采用共沸混合制冷剂的好处是：它几乎具有纯制冷剂的所有特征，可以象纯质一样使用方便。共沸混合制冷剂中标准沸点比构成它的组分物质的标准沸点都低，因而蒸发压力比其组分的蒸发压力高，可以扩大应用温度范围和提高单位容积制冷量。三、制冷剂的基本热力特性

另外，还有一些混合物，尽管不具备共沸特征，但泡点线与露点线很靠近，故定压力相变时的温度滑变不大，可视作近似等温。将这类混合物叫做近共沸混合物。2.2载冷剂什么是载冷剂？载冷剂的种类有哪些？对载冷剂的物理化学性质有哪些要求？一．载冷剂在蒸发器中被冷却降温，然后再用它冷却被冷却物的中间物质。作用：输送