制冷剂

2011-2-121 第二章第二章 制冷剂与载冷剂制冷剂与载冷剂 制冷系统的血液制冷系统的血液 2011-2-122 本章需要解决的问题本章需要解决的问题 1、制冷剂在制冷系统中的作用？ 2、制冷剂选择的原则有哪些？ 热力学性质、物理性质（包括溶油性）、安全性、价格 3、制冷剂的安全性分类与命名方法？ 4、主要制冷剂的基本热力性质？ 氟利昂（包括CH化合物）、无机物、混合溶液，等 5、载冷剂的作用、种类？ 6、如何根据实际工作条件选择载冷剂？ 7、目前制冷系统中的制冷剂、载冷剂主要为何？ 替代分案为何？ 2011-2-123 2011-2-124 第一节第一节 制冷剂制冷剂(Refrigerant)(Refrigerant) 一、对制冷剂的基本一、对制冷剂的基本要求 （一）热力学性质（一）热力学性质 1.1. 制冷效率制冷效率 RR＝＝ εεthth / / εεcarnotcarnot 标志着不同制冷剂节流损失和过热损 失的大小 有传热温差，希望RR 越大越好。 2.2. 压力适中压力适中 蒸发压力和冷凝压力蒸发压力和冷凝压力 – 防泄漏要求：蒸发压力接近或高于大气压力 – 强度要求：冷凝压力（常温下，工质的饱和 压力）不宜过高 – 节能要求：压缩比小， 一般4～7之间 3.3. 单位容积制冷能力大单位容积制冷能力大 – 单位容积制冷量越大，压缩机越小 – 对大中型设备要求压缩机小，小型设备要求压缩 机可能会大一些 4. 4. 制冷剂临界温度高制冷剂临界温度高 2011-2-126 制冷剂的饱和压力制冷剂的饱和压力 0 5 10 15 20 25 30 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Temperature in °C V a p o u r p r e s s u r e i n b a R12 R134a R600a R290 R404A R407C R410A 2011-2-127 制冷剂的饱和压力与含油量的关系（例：制冷剂的饱和压力与含油量的关系（例： R12R12）） 含油率 饱和压力 2011-2-128 ((二）物理化学性能二）物理化学性能 – 导热系数、对流换热系数高 – 密度、粘度小 – 不腐蚀金属和橡胶 – 高温下不分解 – 不燃、不爆 2011-2-129 ((三三) ) 其它性质其它性质 – 毒性(toxicity)、可燃性(flammability) 图  毒性： 分为低毒性A、高毒性B两类；  可燃性：分为高度可燃性3、低度可燃性2、无火 焰传播1 – 环保，对环境无害  ODP或RODP（Relative Ozone Depletion Potential）  GWP（Greenhouse warming Potential） – 价廉，易于获得 2011-2-1210 毒性和可燃性分级毒性和可燃性分级 2011-2-1211 二、二、 制冷剂的种类与命名制冷剂的种类与命名 ((一一))制冷剂的种类制冷剂的种类 – 无机化合物：氨、水、二氧化碳 – 卤代烃：氟利昂 – 多元混合溶液  共沸溶液(如：R502)  近共沸溶液（如：R410a）  非共沸溶液（如：R407c） – 其他烃类：乙烯、丙烯、环烃 2011-2-1212  制冷剂名称：制冷剂名称：R???R??? ´´ – 氟利昂: Cm Hn Fx Cly Brz R(m-1) (n+1) x Bz – 无机化合物： R7(分子量) – 共沸溶液：R5 (无特殊意义) ´´ – 非共沸溶液：R4 (无特殊意义) ´´ – 乙烯、丙烯： R1(m-1) (n+1) x´´ – 有机化合物： R6 (无特殊意义) ´´ 由制冷剂编号和质量比例表示 各组分制冷剂的排列顺序：按标 准蒸发温度（标准沸点）由低到高 排列，如： R407c：R32/125/134a (23/25/52) R410a：R32/125(50/50) RabxRabx的分子结构：的分子结构： abx+90=abx+90=mnxmnx m:Cm:C原子数量原子数量;n:H;n:H原子数量原子数量 x:Fx:F原子数量原子数量;;不够的为不够的为ClCl数量数量 如：如：CHFCHF 22 ClCl R22R22 CC 22 HH 22 FF 44  R134aR134a ((二二) ) 制冷剂的命名制冷剂的命名 2011-2-1213 三、三、 制冷剂的基本热力特性制冷剂的基本热力特性 ((一一) ) 氟利昂氟利昂  问题：问题： –– 什么是氟利昂？ – 氟利昂破坏臭氧层吗？ – 氟利昂都要被禁止使用吗？ – “无氟” 是目标吗? 2011-2-1214 1.1.氟利昂的组成氟利昂的组成卤族元素卤族元素 2. 2. 氟利昂破坏臭氧层的机理氟利昂破坏臭氧层的机理  CClCCl33 F F ((紫外线照射紫外线照射) )  CClCCl22 F + F + ClCl  ClCl + O+ O33  ClOClO + O+ O22  ClOClO＋＋O O  ClCl + O+ O22 臭氧层:距地球表面10～50公里的大气层中由臭氧构成的气层。 主要功能:吸收来自宇宙的紫外线，使地球上的万物免受紫外线幅射的危 害，臭氧层被称之为地球的保护伞。 2011-2-1216 CFCCFC和和HCFCHCFC对臭氧的破坏能力对臭氧的破坏能力  CFCCFC，，氯氟烃氯氟烃 – 性能稳定，可进入平流层 – 只要受紫外线照射方分解出Cl离子 – 对臭氧层破坏作用较大  HCFCHCFC，，氢氯氟烃氢氯氟烃 – 相对不稳定，到达平流层前已经分解 – 对臭氧层破坏作用较小 2011-2-1217 3. 3. ODPODP与与GWPGWP ODPODP: Ozone Depletion Potentiality: Ozone Depletion Potentiality – 许可条件：ODP < 0.1 GWPGWP: Global Warming Potentiality: Global Warming Potentiality – 越小越好（欧洲要求小于150，而R22的GWP值 约1900） – 变暖影响总当量TEWI（Total Equivalent Warming Impact）  TEWI=DE+IE  DE表示直接效应，IE表示间接效应 2011-2-1218 3. ODP3. ODP与与GWPGWP 2011-2-1219 4.4.关于蒙特利尔书关于蒙特利尔  1974年提出问题：加利福尼亚大学诺朗德教授  1985年制定《保护臭氧层维也纳公约》  1992.11哥本哈根签署《蒙特利尔协议书》 – 1996.1.1全面限制CFCs的生产(发展中国家2010) – 2030.1.1全面限制HCFCs的生产(发展中国家2040)  1993.1中国“政府行动” – 2010停止生产CFCs  2000.京都协议，要求降低温室气体（GWP大的物 质）排放量 2011-2-1220 5.5.甲烷族氟利昂甲烷族氟利昂(Freon)(Freon) CH4 R50 CCCHHH333CCClll RRR444000 CH3F R41 CCCHHH222CCClll222 RRR333000 CH2ClF R31 CH2F2 R32 CCCHHHCCClll333 RRR222000 CHCl2F R21 CHClF2 R22 CHF3 R23 CCl4 R10 CCl3F R11 CCl2F2 R12 CClF3 R13 CF4 R14 CFC 96.1.196.1.1全面限制全面限制 HCFCHCFC 2030.1.12030.1.1全面限制全面限制 HFC ODP=0ODP=0HCCHCC 有毒有毒 PCC 强毒强毒 PFC ODP=0ODP=0 甲烷甲烷 2011-2-1221 C2H6 R170 C2H5Cl R160 C2H5F R161 C2H4Cl2 R150 C2H4ClF R151 C2H4F2 R152 C2H3Cl3 R140a C2H3Cl2F R141b C2H3ClF2 R142b C2H3F3 R143a C2H2Cl4 R130a C2H2Cl3F R131 C2H2Cl2F2 R132a C2H2ClF3 R133a C2H2F4 R134a C2HCl5 R120 C2HCl4F R121 C2HCl3F2 R122 C2HCl2F3 R123 C2HClF4 R124 C2HF5 R125 C2Cl6 R110 C2Cl5F R111 C2Cl4F2 R112 C2Cl3F3 R113 C2Cl2F4 R114 C2ClF5 R115 C2F6 R116 乙烷乙烷 6.6.乙烷族氟利昂乙烷族氟利昂 CFCCFC 96.1.196.1.1全面限制全面限制 HCFCHCFC 2030.1.12030.1.1全面限制全面限制 HFCHFC ODP=0ODP=0 HCCHCC 有毒有毒 PCCPCC 强毒强毒 PFCPFC ODP=0ODP=0 2011-2-1222 7. 7. 氟利昂的应用氟利昂的应用  根据标准蒸发温度根据标准蒸发温度((一个绝对压力条件下的沸点一个绝对压力条件下的沸点))或或标准标准 冷凝压力冷凝压力((常温下的制冷剂饱和压力常温下的制冷剂饱和压力))高低进行分类：低高低进行分类：低 温温(<(<--6060ooC)C)、、中温中温((--6060ooC< t < 0C< t < 0ooC C ）、高温）、高温(>0(>0ooC)C)制冷制冷 剂剂 – 低温（高压）制冷剂  R13：冷藏装置、复叠式制冷循环等 – 中温（中压）制冷剂  R134a(R12)：小型风冷式机，家用冰箱，汽车空调  R22：qv 大，家用空调器，商用冷藏、空调； – 高温（低压）制冷剂  R11、R123： qv 小，小型离心制冷机；  R114：军用、船用 2011-2-1223 8. CFCs8. CFCs和和HCFCsHCFCs工质替代工质替代  使用现有的制冷剂使用现有的制冷剂 – 以HCFCs替代CFCs：R22, R142b – 以HFCs替代CFCs: R152a – 其他种类工质  寻求新的制冷剂寻求新的制冷剂 – 用含HCFCs的非共沸混合工质替代CFCs – 以HCFCs替代CFCs : R123, R124 – 以HFCs替代HCFCs和CFCs：R134a, R125, R143a , R32 2011-2-1224 9. CFCs9. CFCs和和HCFCsHCFCs工质替代工质替代  替代工作中存在的问题替代工作中存在的问题 – 热力性质差，COP下降 – 溶油问题 – 毒性问题 – 可燃性问题 – GWP高  R134aR134a：：替代工质中应用最广泛，杜邦产品替代工质中应用最广泛，杜邦产品 – 腐蚀性，吸水性，聚集对人体有害 – GWP较大，《京都协议》要求禁用（需继续被替代） 2011-2-1225 ((二二) ) 无机化合物无机化合物(R7(R7´´´´)) – 氨(R717)：工业空调、大型机组采用  单位容积制冷能力大  压力适中，排气温度高  有毒, 易燃易爆  有臭，泄漏易发现  不溶油  价廉 – 水(R718)：凝固点太高，工作压力偏低 – 空气(R729), 氧气(R731), 氢气(R702) 2011-2-1226 – CO2(R744)：  自然工质，无毒、无臭、无污染、不爆、不燃、 无腐蚀  ODP＝0，WGP＝1  临界温度为31.1℃ ，临界压力73.75bar ，主要 采用跨临界循环形式  具有优良的热物性质。如： – CO2的容积制冷能力是氟利昂22的5倍 – 粘度较低，易形成湍流流动，有很好的传热性 能 – 制冷循环具有较低的压力比，绝热效率提高  应用：各种可能的制冷、空调和热泵系统 2011-2-1227 ((三三) ) 混合溶液混合溶液 – 原理 调节沸点 – 共沸工质：混合后沸点高于和低于各组分沸点 – 非共沸工质：混合沸点在各组分之间 调节热力性能 – 高沸点组分中加入低沸点组分，qv 提高 – COP提高 2011-2-1228  共沸工质(R5´´ , Azeotropes) – R500：R12/R152 – R502：R22/R115 – R507: R125/R134a (HFC)  非共沸工质(R4´´, Zeotropes) – R407c：R32/R125/R134a (23/25/52) – R403a：R290(丙烷)/R22/R218  近共沸工质(R4´´, Near zeotropic mixture refrigerant ) – R410a: R32/125(50/50) 2011-2-1229  非共沸混合溶液非共沸混合溶液 T / ℃ 10 饱和液线 p＝常数 干饱和气线 ξ A B 1 液相区 过热蒸气区 湿蒸气区 TA TB 2 3"3' ξ 3 ξ' ξ" 露点 泡点 温度滑移 (Temperature glide) 那么，近共 沸溶液的相 图有何特征 2011-2-1230 TB T/ ℃ 10 饱和液线 p＝常数 干饱和气线 ξ A B 液相区 过热蒸气区 湿蒸气区 TA Tmin ξB 共沸点 T/ ℃ 10 饱和液线 p＝常数 干饱和气线 ξ A B 液相区 过热蒸气区 湿蒸气区 TA Tmax ξB 共沸点 TB 具有最低沸点 具有最高沸点  共沸混合溶液共沸混合溶液 2011-2-1231 ((四四) ) 其它工质其它工质 – 其他烃类(乙烯R1150，丙烯，烷类)  易燃、易爆  临界温度低  凝固点低  溶油 – 有机化合物  R600a: 异丁烷，GWP＝0，高度可燃，低毒，作 混合工质用，也可作单质工质 2011-2-1232 2011-2-1233 杜邦公司和霍尼韦尔公司联手开发出了新一代制冷剂 HFO-1234yf ，一种接近 HFC-134a 制冷剂的替代产品， 并且完全不需要更新现有的车载空调系统。 2011-2-1234 第二节第二节 载冷剂载冷剂(Coolant)(Coolant) （一）载冷剂的种类（一）载冷剂的种类 – 水(0℃以上):一般空调工况 – 盐水(Brine,0℃以下):制冰、冰淇淋产业普 遍采用  氯化钠溶液  氯化钙溶液 – 乙二醇溶液(Glycol, 0℃以下):蓄冰工况 – 丙二醇溶液(0℃以下) 2011-2-1235 （二）载冷剂的应用举例（二）载冷剂的应用举例 – 乙二醇溶液用于蓄冰空调系统 ICEICE TanksTanksChillerChiller AHUAHU 冷冻机直接供冷 蓄冰运行蓄冰运行 冰槽供冷 2011-2-1236 （三）载冷剂的特性（三）载冷剂的特性 – 盐水溶液：对金属有较强腐蚀性  氯化钠：可用于直接接触食品冷藏 – 醇类溶液：  乙二醇：有乙烯乙二醇和丙烯乙二醇之分  由于乙烯乙二醇的粘度大大低于丙烯乙二醇，故 载冷剂多采用乙烯乙二醇  乙烯乙二醇：不腐蚀（与空气接触有微腐蚀 性），微毒性，与锌接触生成絮状物 2011-2-1237 温度 /℃ 浓度/% 3020100 -20 -10 0 溶液区 析冰线 析盐线 固态区 合晶点 温度 /℃ 浓度/% 3020100 -40 -10 0 溶液区 析冰线 析盐线 固态区 合晶点 40 -20 -30 -50 温度 /℃ 浓度/% 3020100 -20 -10 0 溶液区 析冰线 析盐线 固态区 合晶点 温度 /℃ 浓度/% 3020100 -20 -10 0 溶液区 析冰线 析盐线 固态区 合晶点 温度 /℃ 浓度/% 3020100 -20 -10 0 溶液区 析冰线 析盐线 固态区 合晶点 温度 /℃ 浓度/% 3020100 -40 -10 0 溶液区 析冰线 析盐线 固态区 合晶点 40 -20 -30 -50 温度 /℃ 浓度/% 3020100 -40 -10 0 溶液区 析冰线 析盐线 固态区 合晶点 40 -20 -30 -50 （四）载冷剂的热力特性（四）载冷剂的热力特性 冰-盐水区 固态区 盐-盐水区 盐水溶液区 NaCl水溶液 CaCl2 水溶液 2011-2-1238 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 浓度(％) 凝 固 温 度 ( ℃ ) 乙烯乙二醇水溶液的凝固温度乙烯乙二醇水溶液的凝固温度 2011-2-1239 ((五五) ) 载冷剂的选择原则载冷剂的选择原则 – 比热尽量大：节省水泵能耗 – 凝固温度低于蒸发温度6～8℃，沸点高 – 浓度低于合晶点浓度 – 导热系数大：节省热交换面积 – 比重小、粘度小：减少泵能耗 – 腐蚀性小：否则需要缓蚀剂或抗腐蚀部件 – 无毒，化学稳定性好 – 价廉 第二章 制冷剂与载冷剂 本章需要解决的问题 幻灯片编号 3 第一节 制冷剂(Refrigerant) 幻灯片编号 5 制冷剂的饱和压力 幻灯片编号 7 幻灯片编号 8 幻灯片编号 9 毒性和可燃性分级 二、 制冷剂的种类与命名 (二) 制冷剂的命名 三、 制冷剂的基本热力特性 1.氟利昂的组成Æ卤族元素 2. 氟利昂破坏臭氧层的机理 CFC和HCFC对臭氧的破坏能力 3. ODP与GWP 3. ODP与GWP 4.关于蒙特利尔协议书 5.甲烷族氟利昂(Freon) 6.乙烷族氟利昂 7. 氟利昂的应用 8. CFCs和HCFCs工质替代 9. CFCs和HCFCs工质替代 幻灯片编号 25 幻灯片编号 26 幻灯片编号 27 幻灯片编号 28 幻灯片编号 29 幻灯片编号 30 幻灯片编号 31 幻灯片编号 32 幻灯片编号 33 第二节 载冷剂(Coolant) 幻灯片编号 35 幻灯片编号 36 幻灯片编号 37 幻灯片编号 38 幻灯片编号 39