制冷剂与压焓图

第一章制冷基本原理§1-4制冷剂与压焓图一、制冷剂的作用：•制冷剂是制冷系统完成制冷循环所必需的工作介质。制冷剂在制冷系统中不断的与外界发生热交换。•制冷剂借助压缩机的做功，将被冷却对象的热量连续不断传递给外界环境，从而实现制冷。•制冷剂在蒸发器中是低压低温下汽化，在冷凝器中是高压常温下凝结，因此只有在工作温度范围内能气化和凝结的物质才能作为制冷剂。多数制冷剂在大气压力和环境温度下是气态。•制冷剂在制冷系统中状态只发生物理变化，没有化学变化。如果系统不泄漏，制冷可以长期循环使用。二、常用制冷剂分类和命名1.无机物化合物2.饱和碳氢化合物3.不饱和碳氢化合物4.氟里昂5.共沸溶液6.非共沸溶液7.有机化合物8.环状有机化合物⑴按化学组成分类⑵按工作温度压力分1.高温低压类2.中温中压类3.低温高压类1.无机物化合物类•主要有:氨、空气、水、co2等。代号由字母R7××组成，如：氨（NH3）--R717,水--R718，空气--R729。它们是较早采用的天然制冷剂。2.饱和碳氢化合物类•主要有:甲烷（CH4）-R50；乙烷（CH3CH3）-R170；丙烷（CH2CH2CH3）-R290；丁烷(CH3CH2CH2CH33)--R600；异丁烷(CH(CH3)3)--R600a。从经济观点来看，它们是出色的制冷剂，但易燃，安全性很差。3.不饱和碳氢化合物类4.氟类•它是饱和碳氢化合物的卤族元素的衍生物总称，卤代烃的一类.生产氟里昂主要是甲烷、乙烷、丙烷。它的分子通式是：CmHnFpClqBrr氟里昂的代号是:R（m-1)(n+1)(p)B(r)若r=0,B可省去。例如：二氯二氟甲烷CCl2F2–R12；一氯二氟甲烷CHClF2–R22；四氟乙烷CH2FCF3–R134a5.共沸溶液类（混合制冷剂）•由两种以上互溶的单组分制冷剂组成，在常温下按一定比例混合而成。命名是R500序号中编号，例如：R501是R22和R12按质量比75/25混合。R502是R22和R115按质量比48.8/51.2混合。•特点：在一定压力下具有恒定沸点，和单组制冷剂一样。但它比单组制冷剂区别是，在相同工作条件下，①蒸发温度变低，②制冷量增大，③化学稳定性好，④压缩机排气温度降低，它可使封闭压缩机电机得到更好的冷却，改善提高制冷循环性能。表1：共沸制冷剂的组成和沸点代号组分质量成分分子量沸点(℃)各组分的沸点(℃)R500R12/152a73.8/26.299.3-33.5-29.8/-25R501R22/1284.5/15.593.1-41.5-40.8/-29.8R502R22/11548.8/51.2111.6-45.4-40.8/-38R503R23/1340.1/59.987.6-88.0-82.2/-81.5R504R32/11548.2/51.879.2-59.2-51.2/-38R505R12/3178.0/22.0103.5-30-29.8/-9.8R506R31/11455.1/44.993.7-12.5-9.8/3.5R507R125/143a50.0/50.098.9-46.7-48.8/-47.76.非共沸溶液类（混合制冷剂）•由两种以上沸点相差较大的，相互不形成共沸的单组分制冷剂溶液组成。其溶液在加热时，虽然在相同蒸发压力下，易挥发的蒸发比例大，难挥发的蒸发比例小。使得整个蒸发过程中温度在变化。所以相变过程是不等温的。能使制冷循环获得更低蒸发温度，可增大制冷量。•例如：R407C由（R32/R125/R134a）组成；R410a由(R32/R125)组成的混合物。特点：不能与矿物冷冻油互溶，能溶于聚酯类合成冷冻油。7.有机化合物类•主要是有机氧化物、有机硫化物、有机氮化物。命名是R600序号中编写，6后面的1代表氧化物、2硫化物、3氮化物。如：乙醚C2H5OC2H5–R610；甲胺CH3NH2–R630。8.环状有机化合物类•命名是R后面先加字母C，后面按氟里昂编号规则编写。⑵按工作温度压力分：•在一个大气压下，环温30℃下的冷凝压力分为：•1.高温低压制冷剂，沸点在0℃以上，冷凝压力小于0.3MPa的制冷剂，包括R11、R21、R114。•2.中温中压制冷剂，标准沸点在-60℃~0℃范围内，压力在03MPa~2MPa范围内的制冷，包括R717、R12、R22、R502等。•3.低温高压制冷剂，标准沸点低于-60℃，冷凝压力高于2MPa的制冷剂，包括R13、R14、R503。三、制冷剂的环保问题•臭氧层破坏和温室效应是当今全球性环境问题，它对人类健康和人类赖以生存的生态环境造成了巨大的有害影响。大气的总臭氧层包括平流层和对流层•它们对人类的影响不同，离地面10公里以上的臭氧约占总臭氧80%，能吸收大部分太阳紫外线辐射，此层臭氧常称为臭氧层，平流层臭氧减少是造成南极臭氧空洞与全球臭氧量减少的主要原因。•近地面10公里以内的对流层臭氧约占总臭氧15%，对流层臭氧增加,会增强温室效应。平流层3.1臭氧层被破坏的危害•1.会影响人类的健康。臭氧层被破坏后，其吸收紫外线的能力大大降低，使得人类接受过量紫外线辐射的机会大大增加了。一方面，过量的紫外线辐射会破坏人的免疫系统，使人的自身免疫系统出现障碍，患呼吸道系统传染性疾病的人数大量增加；另一方面，过量的紫外线辐射会增加皮肤癌的发病率。据统计，全世界范围内每年大约有10万人死于皮肤癌，大多数病例与过量紫外线辐射有关。臭氧层的臭氧每损耗1％，皮肤癌的发病率就会增加2％。另外，过量紫外线辐射还会诱发各种眼科疾病，如白内障、角膜肿瘤等。•2.会影响农作物的生产。实验表明，过量的紫外线辐射会使植物叶片变小，减少了植物进行光合作用的面积，从而影响作物的产量同时，过量紫外线辐射还会影响到部分农作物种子的质量，使农作物更易受杂草和病虫害的损害。一项对大豆的初步研究表明，臭氧层厚度减少25％，大豆将会减产20％－25％。3.2哪些气体可以破坏臭氧层？•臭氧层在氯原子，氟原子和溴原子附近会被毁坏。这些元素含在很稳定的氟氯烃(如氟里昂)中。这些气体分子升到平流层，在紫外线照射之后，分解成各种单元素气体，破坏臭氧。这些气体比空气重，最终会降落到地球表面，和有机物质反应之后被吸收。但是在平流层已经破坏了很多臭氧。氯气破坏性最大，可以破坏它十万倍的臭氧。•1973年，美国化学家马里奥·莫利纳首次提出氟里昂对臭氧层有影响。氟里昂是一种氟氯烃，在冰箱和空调器中已经做了20多年的制冷剂。但是当时没有学者测试臭氧层厚度，也没有多少臭氧层研究，各国政府没有在意。臭氧层空洞是在做南极研究时逐步发现。这些研究在地面和空中一起测量，由各国合作测量。3.3臭氧层破坏原因实验•最着名的是1987年代表19个组织和四个国家，在智利的蓬塔阿雷纳斯，进行的一项大规模研究，即机载南极臭氧实验。这项实验表明1987年臭氧洞大小达到历史最大，引起科学界和政界的注意。•同时持氟里昂破臭氧层观点的学者认为，南极上空之所以会出现臭氧层空洞是因为当地的极度寒冷所至。他们认为云层中粒子无论属何性质，由什么构成，当其表面温度低于-73摄氏度时，任何形式存在的氯转都会发生转变为活性氯的化学反应。当南极洲处于暖季（11月~3月）时，南极上空臭氧层中的氯化合物只受到太阳紫外线辐射的影响，分解缓慢。但当进入酷寒的冬季（4~10月），其气温可达-88.3摄氏度，云层中冰冷的粒子此时便成了释放活性氯的化学反应的催化剂，这就更大破坏了南极上空臭氧，因此出现臭氧层空洞。3.4臭氧层破坏结论及蒙特利尔议定书•1974年，美国科学家莫里纳和罗兰德宣布，氟利昂中的氯原子和哈龙物质中的溴原子是破坏臭氧层的元凶。这一发现令陶醉于自己智慧的人类十分尴尬：被大量使用的制冷剂、发泡剂、清洗剂及发胶中的氟利昂、哈龙等原来是消耗臭氧层的物质（ODS）。本世纪30年代，含氟的制冷剂被研究发明后在美国进入商业化生产，前苏联、日本和欧洲各国也不甘落后，氟利昂的应用范围也由制冷剂，其产量与日俱增。到1974年，全球氟利昂的产量已达到80多万吨。1986年全球ODS的年消费量已高达100多万吨。人类已经把1500万吨以上的氯氟烃排放到大气中。是人类自己陷入了眼下的尴尬境地。•在国际社会的共同努力下，1985年《保护臭氧层维也纳公约》签署；1987年《关于消耗臭氧层物质的》生效。根据共担责任但又有区别的原则，联合国对发达国家和发展中国家提出了消耗臭氧层物质使用的时间限制，并建立了旨在帮助发展中国家履约的多边基金。由此，ODS的生产和消费量得以逐年减少，臭氧空洞的扩大得到了有效的控制。•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。R12,R22目前已禁止使用,•R134a日本和美国的无氟替代制冷剂,•R600a我国最佳无氟替代制冷剂.3.5中国正式加入《蒙特利尔议定书》•卤代烃（氟里昂）是链状饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。可以分为八类：①全卤代烃-PFCs，碳氢化合物中氢原子被氟置换，具有无毒不燃的性质，结构稳定，不易分解，对臭氧层不产生影响。如CF4、C2F6等。②氯氟烃-CFCs，碳氢化合物中氢全被氯和氟置换，在紫外线照射下分解出氯原子；如R11，R12等。③氢氯氟烃-HCFCs，碳氢化合物中氢部分被氯和氟置换，如R22等。对臭氧层仍有一定的破坏，只能作为过渡性物质，限期使用。四、氟里昂从环保角度的分类Ⅰ（续）氟里昂从环保角度的分类Ⅱ④氢氟烃-HFCs，碳氢化合物中氢原子部分被氟置换，没有氯原子；如R134a、R410a、R407c等。因此不破坏臭氧层，是替代CFCs的首选物质。•⑤碳氢化合物-HC，碳氢化合物，如丙烷R290、丁烷R600、异丁烷R600a等。•⑥全氯代烃-PCCs，碳氢化合物氢原子全部被氯置换，如：R10等。•⑦含氯代烃-HCCs，碳氢化合物氢原子部分被氯置换，如：R40、R30等。•⑧溴氟烷烃-BCFC，这类氟里昂如CClF2Br等能分离出氯和溴，会消耗臭氧分子，很少用于制冷剂，主要是灭火剂。4.2制冷剂类别与环境保护•科学家的研究证实R11、R12、R13等氯氟烃化合物（CFCs）制冷剂，当它们泄漏或排放后扩散到地球的平流层中，会破坏臭氧层，结果使地球上生物遭到紫外线的损害；另一方面，氯氟烃化合物的排放会加剧地球的温室效应，会像二氧化碳那样使地球温度升高。•CFCs中含氯元素，对臭氧层具有最大的破坏作用，是禁用制冷剂；而HCFCs中由于氢元素的存在，大大减弱了对臭氧层的破坏作用，目前还可以继续使用，属过渡制冷剂；至于无氯的HFCs，则不会对臭氧层破坏，受到国际社会的重视，成为替代制冷剂。•HFCs和HC这一类不含氯的制冷剂，对环境无害。4.3制冷剂环保指标一些制冷剂的ODP值和GWP值制冷剂代号GWP臭氧消耗ODP制冷剂代号GWP臭氧消耗ODP制冷剂代号GWP臭氧消耗ODP(CO2=1.0)(CO2=1.0)(CO2=1.0)R1135001R1243500.022R29000R1271001R12529400R407c17000R2216000.055R23na0R50293000.23R134a12000R142b14700.065R600a00R326500R143a26600R71700R123700.02R152a1050R410a19750表2目前制冷剂的替代趋势制冷用途原制冷剂制冷剂的替代物家用空调系统R22R407c、R410a大型离心式冷水机组(中央空调）R11R12、R500R22R123R134aR407c低温冷冻冷藏机组