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制冷原理与设备第2章制冷剂与载冷剂主编李晓东电子制作齐向阳第2章制冷剂与载冷剂2.1制冷剂在制冷装置内完成热力循环的工质2.1.1制冷剂的种类与编号(1)无机化合物(2)饱和烃的卤化物(氟利昂)(3)碳氢化合物(烃类)(4)共沸制冷剂(5)非共沸制冷剂如水、氨、二氧化碳等如R12、R22、R134a等如丙烷、异丁烷等如R502等如R407C等第2章制冷剂与载冷剂按照制冷剂的标准蒸发温度,将其分为三类高温(低压)制冷剂中温(中压)制冷剂低温(高压)制冷剂ts>0℃Pc≤0.2~0.3MPa0℃>ts>-60℃,0.3MPa<Pc<2.0MPats≤-60℃第2章制冷剂与载冷剂2.1.1.2制冷剂的编号表示方法卤代烃R22分子式CmHnFxClyBrzn+x+y+z=2m+2编号同分异构体溴分子数,为0,B可省略R(m-1)(n+1)x(a,b…)Bz举例二氟一氯甲烷(CHClF2)二氟二氯甲烷(CCl2F2)R12第2章制冷剂与载冷剂碳氢化合物(烃类)不饱和碳氢化合物和卤代烯R50R170R1150R1270编号与氟利昂编号方法相同举例甲烷(CH4)乙烷(C2H6)R1+氟利昂编号方法编号举例乙烯(C2H4)丙烯(C3H6)烷烃类烯烃类第2章制冷剂与载冷剂共沸(液体)制冷剂=R152a/R12(26.2/73.8)=R22/R115(48.8/51.2)质量百分比组成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。编号R5XX举例R500R502已经商品化的共沸混合物,依应用先后在500序号中顺次地规定其识别编号。第2章制冷剂与载冷剂非共沸(液体)制冷剂组成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。编号R4XX举例R407cR404a已经商品化的非共沸混合物,依应用先后在400序号中顺次地规定其识别编号。R32/R125/R134a(23:25:52(%))R125/R143a/R134a(44:52:4(%))第2章制冷剂与载冷剂无机化合物R717R744R718R7XX无机化合物的分子量编号氨二氧化碳水举例第2章制冷剂与载冷剂2.1.2对制冷剂的要求1.热力学方面的要求:1)沸点要求低2)临界温度要高、凝固温度要低3)具有适宜的工作压力,(Pk/Po)小4)汽化潜热大5)对于大型制冷系统,单位容积制冷量尽可能地大6)绝热指数小些7)对于离心式制冷压缩机应采用分子量大的制冷剂第2章制冷剂与载冷剂2.物理化学方面的要求:1)粘度尽可能小2)热导率要求高3)纯度高。4)热化学稳定性好,5)良好的电绝缘性。6)溶解于油的不同性质表现出不同的特点。制冷剂在润滑油中的溶解性可分为完全溶解、微溶解和完全不溶解。一般可认为R717、R13、R14等是不溶于油的制冷剂;R22、R114等是微溶于油的;R11、R12、R21、R113等是完全溶于油的。第2章制冷剂与载冷剂3.安全性方面的要求:1)在工作温度范围内不燃烧、不爆炸。2)无毒或低毒,相对安全性好3)具有易检漏的特点4)制冷剂无毒4.经济性方面的要求制冷剂的生产工艺简单,价廉、易得。第2章制冷剂与载冷剂2.1.3常用制冷剂的性质1.水的特性(R718)属于无机物类制冷剂,来源最广,最为安全而便宜的工质。水不宜在压缩式制冷机中使用,适合在空调用的吸收式和蒸汽喷射式制冷机中2.氨的特性(R717)氨的压力适中,单位容积制冷量大,流动阻力小,热导率大,价格低廉,对大气臭氧层无破坏作用。氨的主要缺点是毒性较大、可燃、可爆、有强烈的刺激性臭味、等熵指数较大,若系统中含有较多空气时,遇火会引起爆炸。氨制冷系统中应设有空气分离器,及时排除系统内的空气及其它不凝性气体。氨系统中不必设置干燥器,含水量仍限制在≤0.2%的范围内。氨制冷系统中往往设有油分离器氨制冷系统中,不允许使用铜及其铜合金材料第2章制冷剂与载冷剂3.氟利昂的特性1)R12对大气臭氧层有严重破坏作用,并产生温室效应,因此它已受到限用与禁用。但它目前仍是国内应用较广的中温制冷剂之一,2010年1月1日起将在我国完全停止生产和消费。南极臭氧空洞的变化第2章制冷剂与载冷剂3.氟利昂的特性R12无色、气味很弱、毒性小、不燃烧、不爆炸,R12等熵指数小,压缩机的排气温度较低。单位容积制冷量小、相对分子质量大、流动阻力大、热导率较小。水在R12中的溶解度很小,低温状态下水易析出而形成冰堵,因此在充灌R12前,必须经过干燥处理R12能与矿物性润滑油无限溶解,在蒸发器中,随R12的不断蒸发,润滑油在其中逐渐积存,使蒸发温度升高,传热系数下降。R12对一般金属没有腐蚀作用,但能腐蚀镁及含镁量超过2%的铝镁合金。含水后会产生镀铜现象。R12对天然橡胶及塑料等有机物有膨润作用,R12极易渗透。R12由于压力适中、压缩终温低、热力性能优良、化学性能稳定、无毒、不燃、不爆等优点,它广泛用于冷藏、空调和低温设备,从家用冰箱到大型离心式制冷机中都有采用。第2章制冷剂与载冷剂2)R22对大气臭氧层有轻微破坏作用,并产生温室效应。它是第二批被列入限用与禁用的制冷剂之一。我国将在2040年1月1日起禁止生产和使用。R22是最为广泛使用的中温制冷剂R22属安全性制冷剂。R22化学性质不如R12稳定。R22能部分地与润滑油互溶,R22对金属的作用、泄漏性与R12相同。R22广泛用于冷藏、空调、低温设备中。在活塞式、离心式、压缩机系统中均有采用。由于它对大气臭氧层仅有微弱的破坏作用,故可作为R12的近期、过渡性替代制冷剂。第2章制冷剂与载冷剂3)R13属低温制冷剂,毒性比R12更小,不燃烧、不爆炸。只应用于复叠式制冷系统的低温级。R13微溶于水,系统中也应设干燥器。它不溶于油,对金属和有机物的作用、泄漏性与R12相同,可用来制取-70~-100℃的低温。R13对大气臭氧层也有破坏作用,但因其用量很少,直到1990年伦敦会议上才被列入增加的受控物质,要求发展中国家在2010年1月1日起停止生产和消费。4)Rll属高温制冷剂,适用于离心式压缩机制冷系统。Rll毒性比R12大,与明火接触时更易分解出剧毒光气。Rll的溶水性、溶油性、对金属及有机物的作用均与R12相似。Rll由于标准蒸发温度较高,故广泛用于空调系统或热泵装置中,制取10~-5℃的低温。它对大气臭氧层有严重破坏作用,属限用与禁用之列。5)R142b属标准蒸发温度较高(-9.25℃)的中温制冷剂,适合于在热泵装置和高环境温度下的空调装置中使用。R142b的毒性与R22差不多。当它与空气混合的体积分数在10.6%~15.1%范围内,会发生爆炸。它对大气臭氧层仅有微弱的破坏作用,也将在2040年被禁用。第2章制冷剂与载冷剂6)R134a属中温制冷剂。它的特性与R12相近,目前是R12的替代工质之一。7)R600a属中温制冷剂。它对大气臭氧层无破坏作用,无温室效应。可燃、可爆,不允许采用气焊或电焊。价格便宜。由于具有极好的环境特性,目前广泛被采用,作为R12的替代工质之一。8)R123属高温制冷剂。适用于离心式制冷压缩机。具有一定毒性。具有优良的大气环境特性(ODP=0.02,GWP=0.02),是目前替代R11的理想制冷剂之一。9)R152a属中温制冷剂。中等程度的可燃性,它具有优良的大气环境特性,也被用来作为R12的替代工质。第2章制冷剂与载冷剂4.碳氢化合物的特性丙烷(R290)是较多采用的碳氢化合物。属中温制冷剂。难溶于水。大气环境特性优良(ODP=O,GWP=0.03),是目前被研究的替代工质之一。除丙烷外,通常用作制冷剂的碳氢化合物还有乙烷(R170)、丙烯(R1270)、乙烯(R1150)。第2章制冷剂与载冷剂第2章制冷剂与载冷剂第2章制冷剂与载冷剂2000年臭氧空洞的形状2002年臭氧空洞变形了第2章制冷剂与载冷剂2.1.4CFCS、HCFCS的限制与替代2.1.4.1问题的提出CFC又称氯氟烃,是氟利昂制冷剂家族中的一员研究表明,当CFCs受强烈紫外线照射后,将产生下列反应(以CFC12为例):CF2Cl2------CF2Cl+Cl;Cl+O3----ClO+O2;ClO+O-----Cl+O2循环反应产生的氯原子不断地与臭氧分子作用,使一个氯氟烃分子,可以破坏成千上万个臭氧分子,使臭氧层出现“空洞”,这一现象已被英国南极考察队和卫星观测所证实。据UNEP(联合国环境规划署)提供的资料,臭氧每减少1%,紫外线辐射量约增加2%。臭氧层的破坏将导致:①危及人类健康,可使皮肤癌、白内障的发病率增加,破坏人体免疫系统;②危及植物及海洋生物,使农作物减产,不利于海洋生物的生长与繁殖;③产生附加温室效应,从而加剧全球气候转暖过程;④加速聚合物(如塑料等)的老化。因此保护臭氧层已成为当前一项全球性的紧迫任务。常用制冷剂及其性质CCl4(R10)CH4(R50)CF4(R14)可燃性增大氯氟烃CFC氢氟烃HFC含氢氯氟烃HCFCChlorine:氯Fluorine:氟Carbon:碳Hydrogen:氢第2章制冷剂与载冷剂类别物质类别物质第一类(氯氟烷烃)CFCl3(CFC11)CF2Cl2(CFC12)C2F3Cl3(CFC113)C2F4Cl2(CFC114)C2F5Cl(CFC115)第二类(溴氟烷烃)CF2BrCl(哈隆1211)CF3Br(哈隆1301)C2F4Br2(哈隆2402)2.1.4.2CFCS、HCFCS的限用与禁用表2-2受控制的消耗臭氧层物质(蒙特利尔议定书)缔约国1996.1.1:以1989年的HCFC消费量加2.8%CFC消费量的总和(折合到ODS吨)作为基准加以冻结;2004.1.1:消减35%;2010.1.1:消减65%;2015.1.1:消减95%;2020.1.1:消减95.5%(0.5%仅用于现有设备的维修);2030.1.1:消减100%美国2003.1.1:禁止HCFC141b用于发泡剂;2010.1.1:冻结HCFC22和HCFC142b的生产;不再制造使用HCFC22新设备;2015.1.1:冻结HCFC123和HCFC124的生产;2020.1.1:禁用HCFC22和HCFC141b;不再制造使用HCFC123和HCFC124的新设备;2030.1.1:禁用HCFC123和HCFC124欧共体国家2000.1.1:消减50%;2004.1.1:消减75%;2007.1.1:消减90%;2015.1.1:消减100%;瑞士、意大利2000.1.1禁用HCFC德国2000.1.1禁用HCFC22瑞典,加拿大2010.1.1禁用HCFC表2-3HCFC禁用时间表(发达国家)第2章制冷剂与载冷剂行业消耗臭氧层物质完全淘汰时间(年)家用制冷设备CFC112010CFC122010汽车空调器CFC122002*工商业制冷设备CFC112002*CFC122006*化工生产CFC112010CFC122010CFC1132006表2-4中国制冷空调和化工行业最终淘汰消耗臭氧层物质时间表注:*允许维修使用到2010年。第2章制冷剂与载冷剂2.1.4.3替代制冷剂的研究动向制冷剂代号R12R134aR600a相对分子质量120.92102.058.13标准蒸发温度/℃-29.8-26.5-11.7燃烧极限(体积分数)/%无无1.8~8.4ODP值1.000GWP值450042015冷凝压力(40℃时)/MPa1.011.020.53蒸发压力(-30℃时)/MPa0.100.0840.047理论排气温度/℃120~125125~130100~105液体密度(-25℃时)/kg/m31472.01371.0608.3润滑油矿物油酯类油矿物油对杂质的敏感性敏感
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