制冷原理及设备—第3章_制冷剂.

制冷原理及设备第3章制冷剂蒸气压缩式制冷中的制冷剂3.1制冷剂概述1.制冷剂的发展和种类制冷剂沸点温度特点应用乙醚标准蒸发温度34.5℃，蒸发压力低于大气压力。易燃，易爆淘汰二甲基乙醚沸点-23.6℃，蒸发压力比乙醚高的多。淘汰CO2（干冰）使用温度范围内压力较高（常温下冷凝压力高达8MPa）无毒，安全，机器笨重使用NH3广泛SO2标准沸点-10℃毒性大淘汰制冷剂沸点温度特点应用碳氢化合物（20世纪）易燃，易爆石油化工氟里昂（1930-至今）毒性小，无燃爆危险，腐蚀小，分子量大，排气温度低实用广泛共沸混合制冷剂使用非共沸混合制冷剂（1950-至今）广泛1.制冷剂的发展和种类著名的“CFC问题”制冷剂的种类•单一制冷剂•混合制冷剂组成•高温制冷剂•中温制冷剂•低温制冷剂标准大气压下沸点温度的高低•无机物•氟里昂•碳氢化合物化学成分2.制冷剂的命名R（）制冷剂根据制冷剂的化学组成按一定规则编写（1）无机化合物：符号表示:R7（）无机物分子量的整数部分制冷剂氢氦-4NH3H2OCO2SO2N2O分子量整数部分241718446444符号表示R702R704R717R718R744R764R744a举例:符号表示：（2）氟里昂和烷烃类：是饱和碳氢化合物的氟，氯，溴衍生物的总称。烷烃化合物的分子通式：CmH2m+2将R换成物质分子中组成元素符号例如:CFC113，HCFC22，HFC134a氟里昂的分子通式：CmHnFxClyBrzR(m-1)(n+1)(x)B(z)例如:R11，R12，R113符号表示法1：符号表示法2：•含氯氟碳的完全卤代烃CFC类：例如：CFC11，CFC12，CFC113氟里昂的种类：•含氢氯氟碳的不完全卤代烃HCFC类：例如：HCFC21，HCFC22•含氢氟碳的无氯卤代烃HFC类：例如：HFC134a，HFC152a符号表示：R5()()按该混合物命名的先后顺序（3）共沸混合物举例：R500：R12/R152a（最早命名）R501：R22/R12R502：R22/R115（4）非共沸混合物：符号表示：R4()()按该混合物命名的先后顺序举例；R400；R22/114R401A：R22/152a/124R401B：R22/152a/124（5）环烷烃及其卤代物：（6）链稀烃及其卤代物：符号：RC()同氟里昂的书写规则举例：RC318（C4F8）RC316（C4F6Cl2）符号：R1()同氟里昂的书写规则举例：R1150（C2H4乙烯）R1120（CHCl=CCl三氯乙烯）（1）热力性质方面；（2）传热性和流动性方面；（3）物理化学性质方面；（4）环境的可接受性；（5）价格便宜，来源充足。3.制冷剂选择的要求热力性质•在工作温度范围内有合适的压力和压力比；•希望：单位制冷量和单位容积制冷量比较大；•希望：比功和单位容积压缩比功小，循环效率高；•压缩终了排气温度不太高，以免润滑条件恶劣以及制冷剂在高温下分解。传输性质•粘度，密度尽量小，减小制冷剂在系统中流动阻力，以及制冷剂的充注量；•导热系数大，可以提高热交换设备的传热系数，减少传热面积，使设备结构紧凑。物理化学性质•无毒，不燃烧，不爆炸，使用安全；•化学稳定性和热稳定性好；•使用中不变质，不与润滑油反应，不腐蚀机器构件，在压缩终了高温下不分解等。环境可接受性•对大气环境无破坏作用；•臭氧破坏指数和温室效应指数为零或尽可能小。总结•完全满足上述要求的制冷剂很难找到；•其中，环境指标是硬指标；•制冷剂选定后，反过来要求制冷系统在流程安排，结构设计及运行操作等方面要与制冷剂相适应。1.热力性质：是指其热力参数之间的相互关系。（1）制冷剂的饱和蒸气压力曲线不同制冷剂的饱和蒸气压力曲线。（书中图3-25）3.2制冷剂的性质•饱和蒸气压力和温度之间的关系，•热力状态参数之间的关系，•状态参数与比热容，绝热指数，声速的关系等。例如：4.制冷剂的饱和蒸发压力-温度特性决定了给定工作温度下制冷循环的压力和压力比。3.在同一温度下，标准蒸发温度高的制冷剂压力低；标准蒸发温度低的制冷剂压力高。2.习惯上往往依据ts的高低，将制冷剂分为：高温制冷剂，中温制冷剂，低温制冷剂。1.标准蒸发温度大体上可以反映制冷时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。标准蒸发温度（标准沸点）ts：制冷剂在标准大气压下的沸腾温度。说明（2）临界温度是物质在临界点状态时的温度，用tc表示。是制冷剂不可能加压液化的最低温度。4.085.05.0ccPPTT制冷剂的工作温度和压力的选择范围：绝大多数物质其临界温度与标准蒸发温度的关系；6.0csTT1.标准沸点温度低的低温制冷剂其临界温度也低，对每一种制冷剂，其工作温度范围是有限的；2.蒸发制冷循环应远离临界点。说明（3）特鲁顿（Trouton）定律：大多数物质在标准蒸发温度下蒸发时，其摩尔墒增的数值都大体相等。)./(8876kkmolkJTrMsss即：分析1.标准蒸发温度相近的物质，分子量大的，汽化潜热小，单位质量制冷量小；2.各种制冷剂在一个大气压下汽化时，单位容积汽化潜热大体相等；3.相同蒸发温度下，压力高的制冷剂其单位容积制冷量大。（4）压缩终温4.重分子的压缩终温t2低，轻分子的t2高。说明1.压缩终温是实际制冷机必须考虑的一个安全指标。2.相同吸气温度下，制冷剂等熵压缩终了温度t2与其绝热指数和压力比有关。3.压缩终温t2与制冷剂的比热容有关。（5）粘度，导热性和比热容1.制冷剂的粘性，导热性和比热容等热物理性质是影响制冷机辅机设计的重要物性参数。说明2.粘性的大小与流体种类，温度和压力有关。3.气体的热导率很小，且随温度升高而升高。规定R11：ODP=1，GWP=1。2.环境影响指标（1）臭氧衰减指数ODP：考察物质对臭氧层破坏的潜在影响程度。（2）温室影响指数GWP：考察物质造成温室效应危害的程度。国际上对CFC和HCHC物质限制日程表：•对CFC，包括CFC11,CFC112,CFC113,CFC114等，发达国家:1996.1.1完全停止生产和消费；发展中国家：2010最后停用。•对HCFC，包括HCFC22,HCFC42b,HCFC123等发达国家：1996年冻结，2004年削减，2020年停用；发展中国家：2016年冻结生产，2040年完全停用。3.物理、化学性质（2）电绝缘性（1）安全性通过制冷剂的毒性，燃烧性和爆炸性来评价制冷剂的安全程度。（3）热稳定性及与材料的相容性（4）与润滑油的互溶性（5）溶水性（6）渗透性•毒性指数TLVs—用造成中毒的制冷剂气体在空气中体积含量的极限值表示；•毒性指数为1000或以上，可认为无毒；•注意无毒制冷剂在高温或火焰作用下分解产生有毒光气。毒性（1）安全性•爆炸极限—制冷剂在空气中发生爆炸时的体积百分比的范围。•爆炸极限下限越小，越易燃易爆；•下限相同，范围越宽，越易燃易爆。爆炸性•可燃性低限LFL—用引起燃烧的空气中制冷剂含量的极限值表示。•避免使用易燃工质。•燃烧热HOC—单位质量制冷剂燃烧时的发热量kJ/kg。燃烧性•旧标准：分别以毒性和可燃性作出规定。•新标准：将毒性与可燃性合在一起，规定了六个安全等级。（国际标准ISO5149-1993和美国标准ANSI/ASHRAE34-1993）安全等级：A1、A2、A3、B1、B2、B3（2）电绝缘性：•要求制冷剂和润滑油有较好的电绝缘性；•注意；微量杂质和水分的存在造成冷冻机油和制冷剂电绝缘性降低。（3）热稳定性及与材料的相容性热稳定性•正常运转时，制冷剂不会发生裂解；但在温度较高且有油，钢铁，铜存在时，长时间使用会发生变质甚至热解；•规定制冷剂的最高使用温度不得超过允许极限值。（R717：不超过150℃；R22：不超过145℃）与材料的相容性•系统设计时，应考虑不同制冷剂的腐蚀性特点，选择与制冷剂相容的结构材料。制冷剂对金属的作用•氢，氦，氮及其它惰性气体工质，碳氢化合物工质对金属无腐蚀作用；•纯氨对钢铁无腐蚀；对铝，铜或铜合金有轻微腐蚀；若氨中含水，对铜和几乎所有铜合金（磷青铜除外）有强烈腐蚀；氨制冷机中不能用黄铜，纯铜和其它铜合金；•氟利昂几乎对所有金属都无腐蚀。但对镁和含镁2%以上的铝合金除外。镁和镁合金材料不能用在氟利昂系统中。•氟利昂中含水时，将水解生成酸性物质，对金属有腐蚀作用；氟利昂与润滑油混合物能水解出现“镀铜现象”。氟利昂制冷系统中应尽量避免水分存在。制冷剂对非金属的作用•氟利昂制冷剂极易溶解天然橡胶和树脂材料；氟利昂对高分子化合物，会起“膨润作用”。氟利昂制冷机中不得使用天然橡胶和和树脂化合物。•氟利昂制冷机中密封材料和绝缘材料应使用耐氟材料，如氯丁乙烯，氯丁橡胶，或其它耐氟塑料制品。•氟利昂制冷剂要求使用与它互溶的润滑油；氟利昂比油重，溶油性差会带来不利因素；满液式蒸发器：机器回油困难，以及影响制冷剂蒸发；干式蒸发器：依靠制冷剂蒸气裹挟油滴回油制冷剂溶油越充分，越容易将油带回压缩机。•溶解度与温度有关，温度变化时，有限溶解与完全溶解会发生转化；•氨与油是典型的有限溶解，氨比油轻，可方便从设备下部回油或放油。（4）与润滑油的互溶性•重要性：对系统设备的工作特性，结构设计都有影响；•制冷剂与油的溶解性分为：完全溶解和有限溶解；有限溶解：制冷机与油的混合物出现明显分层；完全溶解：制冷剂与油的混合物形成均匀溶液。•氟利昂和烃类物质都难溶于水；•氨易溶于水；•制冷系统中必须严格控制含水量。（5）溶水性（6）渗透性（7）泄露性•“氢脆”现象。•氨：通常用酚酞试剂和试纸检漏，不能用肥皂水检漏；•氟利昂：卤素喷灯和电子检漏仪。3.3混合制冷剂1.混合制冷剂：由两种或两种以上的纯制冷剂组成的混合物。2.共沸混合物和非共沸混合物T0XP=定值气相区液相区共沸混合物T-X相图共沸点露点线泡点线T0XP=定值气相区液相区共沸混合物T-X相图共沸点露点线泡点线T0XP=定值气相区液相区共沸混合物T-X相图共沸点露点线泡点线T0X露点线泡点线P=定值气相区液相区非共沸混合物T-X相图相变温度滑移T0X露点线泡点线P=定值气相区液相区非共沸混合物T-X相图相变温度滑移3.4各种实用制冷剂1.无机物:氨2.氟里昂:R134a/R12，R142b/R223.碳氢化合物:R600a/R124.混合制冷剂:R507/R502，R407c/R22，R410A/R22