制冷基础知识

制冷基础知识——制冷剂制冷剂的命名与标识制冷剂的标识符号由字母“R”和它后面的一组数字和字母构成。“R”是英语中制冷剂（refrigerant）的首字母，后面的数字则根据制冷剂的化学组成按一定规则编写。▍无机化合物制冷剂：无机物制冷剂的符号是R7加上该物质的分子量的整数部分，例如氨的符号表示是R717。▍氟利昂制冷剂：氟利昂的分子通式是CmHnFxClyBrz，其中，n+x+y+z=2m+2，简写为R(m-1)(n+1)(x)B(z)。分子中含氯、氟、碳的完全卤代烃简称为“CFC”制冷剂，例如R12分子中含氢、氯、氟、碳的不完全卤代烃简称为“HCFC”制冷剂，例如R22分子中含氢、氟、碳而不含氯的卤代烃简称“HFC”制冷剂，例如R134a▍碳氢化合物制冷剂，简称“HC”制冷剂:a.饱和碳氢化合物，命名规则基本上和它的衍生物氟利昂一样。例如：丙烷代号为R290：(分子式为C3H8，m=3，n=8，x=0，那么m-1=2，n+1=9)；但丁烷代号为R600是个例外（化学式为CH3CH2CH2CH3）；同素异构物在代号后面加字母a以示不同，如异丁烷代号为R600a（它的化学式为CH(CH3)3）。b.非饱和碳氢化合物与他们的卤族元素衍生物的符号命名是先在R后面写上一个“1”，然后再按氟利昂编号规则书写“1”后面的数字，例如乙烯代号为R1150（它的化学式是C2H4）。c.环状有机物，是在R后面先写上一个“C”，然后按氟利昂的命名方法书写后面的数字。如八氟环丁烷，它的化学式为C4H8，代号为RC318。▍混合物制冷剂a.共沸制冷剂，是由两种或两种以上互相混溶的单纯制冷剂按一定比例混合而成。这种混合物在固定的压力下蒸发或者冷凝时，蒸发温度或冷凝温度保持不变，气相和液相的组分也保持不变，就好象单纯的制冷剂一样。其代号规定为在R后面的第一个数字为5，其后的两位数字按混合工质命名的先后次序编写，最早命名的共沸制冷剂就记为R500，以后依次为R501、R502、R503等。共沸制冷剂的组成与代号如下表所示：共沸制冷剂的组成及其代号代号组成质量百分比相对分子量沸点（℃）R500R12/R152a73.8/26.299.3-33.3R501R22/R1275.0/25.093.1-43.0R502R22/R11548.3/51.2111.6-45.6R503R23/R1340.1/59.987.2-88.7R504R32/R11548.2/51.879.2-57.2R505R12/R3178.0/22.0_≈-32R506R31/R11455.1/44.9_-12.5b.非共沸制冷剂，是由两种或两种以上的单纯制冷剂组成的混合物，在固定的压力下蒸发时，低沸点的组分蒸发的比例大，高沸点的组分蒸发的比例小，因而其气相和液相的组成不同，而且在整个蒸发过程中，温度是变化的。在固定的压力下冷凝时也有类似的特性。非共沸制冷剂没有专有的符号表示，一般直接写出混合物的组分并用“/”隔开。如R22和R152a组成的混合物写成“R22/R152a”或者写成“HCFC22/HFC152a”。制冷剂的热力学性质所谓热力学性质是指其热力参数，如压力、温度、比容、比焓、比熵、比热容与绝热指数等及其相互关系。▍饱和压力与饱和温度制冷剂的饱和蒸汽压力—温度特性决定了给定工作温度下制冷循环的压力差和压缩比。制冷剂在标准大气压(101.32kPa)下的沸腾温度称为标准蒸发温度或标准沸点，。制冷剂的标准蒸发温度大体上可以反映用它制冷能够达到的低温范围。所以，习惯上往往依据标准蒸发温度的高低，将制冷剂分为高温、中温、低温制冷剂。▍临界温度临界温度是制冷剂不可能加压液化的最低温度，标准沸点低的低温制冷剂的临界温度也低，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。所以对于每一种制冷剂，其工作温度范围是有限的。▍压缩终温在相同的蒸发温度条件下，制冷剂蒸气经等熵压缩终了的温度取决于制冷剂的绝热指数K和制冷机的压缩比。压缩终温Td是实际制冷机中必须考虑的一个安全性指标。若制冷剂的Td过高，有可能引起制冷剂自身在高温下分解、变质；并造成机器润滑条件恶化、冷冻机油结焦，甚至出现拉缸故障。但事实上，为了避免湿压缩，还必须设法使低压蒸汽过热后再压缩。常用的中温制冷剂R717和R22，其排气温度较高，需要在压缩过程中采取冷却措施，以降低压缩终温Td。▍导热性制冷剂的导热性用导热系数λ[W／(m·K)]表示。气体的导热系数一般很小，并随温度的升高而增大，在制冷技术常用的压力范围内，气体的导热系数实际上不随压力而变化。只有压力低于2.7kpa时，导热系数才随压力的下降而减小。液体的导热系数主要受温度影响，受压力影响很小。制冷剂的物理化学性质▍化学稳定性氟利昂类制冷剂对热的稳定性比其他制冷剂要好。当受800℃以上高温火焰加热后会产生刺激性的卤素碳氢蒸气、有毒的微量光气及一氧化碳等。纯制冷剂与500℃的金属接触尚能稳定，但如果有冷冻机油、水、空气存在，温度达到200～300℃时就会产生化学反应。氟里昂在普通状态下，对金属没什么腐蚀作用（镁和含镁2％以上的镁铝合金除外），所以氟制冷系统的金属材料可以任意选用钢、铜、锌、铝、铅、锡等。但在有水存在的条件下，氟利昂会水解为酸性物质，对金属有腐蚀作用，氟利昂与冷冻机油的混合物能溶解铜。因此，当与系统中的铜或铜合金接触时，铜便溶解到混合物中，再与铸铁接触时，被溶解的铜离子会析出，并沉积在钢铁表面上，形成一层铜膜，出现所谓的“镀铜”现象。这种现象会因水分含量的增加和温度的升高而加剧，特别在轴承表面，阀门、活塞环、汽缸壁等光洁而又经常摩擦的地方比较明显。“镀铜”会破坏轴封的密封，影响气体阀隙流道，影响汽缸与活塞的配合间隙。氟里昂制冷剂是一种良好的有机溶剂，很容易溶解天燃橡胶和树脂，对高分子化合物虽不溶解，但却能使它们变软、膨胀和起泡，即所谓的“膨润”现象。因此，制冷系统中密封和绝缘材料不要使用天然橡胶和树脂化合物，应采用耐氟的氯丁乙烯、氯丁橡胶、尼龙等材料。没有使用过的高分子材料都要经过氟里昂制冷剂浸泡试验，以保证不发生膨润现象。▍溶水性氟里昂和烃类制冷剂都难溶于水，氨极易溶于水。考虑制冷剂的溶水性主要有两个原因：一是难溶于水的制冷剂，当含水量超过其溶解度时，游离态的水会在低温下结冰，特别易在毛细管、膨胀阀等节流处形成冰堵，使制冷机无法正常工作；二是溶于水的制冷剂会因此发生水解作用，生成的物质会对金属设备具有腐蚀性。所以，制冷系统中必须严格控制含水量。▍溶油性在蒸气压缩式制冷装置中，除采用离心压缩机外，制冷剂一般均与冷冻机油接触。根据制冷剂在冷冻机油中的溶解度，可将制冷剂分为以下三类：难溶或微溶于冷冻机油的制冷剂。如R717、R741、R13、R14、R115等，几乎是不溶于油的，与油共存时，有明显的分层线，油易于分离。有限溶于冷冻机油的制冷剂。如R22、R114、R152等，在高温时无限互溶，在低温时分为两层混合物，一层含油多，另一层含油少。完全溶于冷冻机油的制冷剂。如R12、R11、R21、R113、R500等，它们与油形成均匀溶液，没有分层现象。当温度变化时，完全溶油与有限溶油是可以相互转化的。氟利昂与冷冻机油的混合物存在一个溶油的临界温度，在此温度之上时是完全互溶的，在此温度之下时，则是有限溶油。制冷剂在冷冻机油中的可溶解性对制冷有利也有弊。若制冷剂溶油性好，换热器表面不会形成油膜，有利传热。同时，油中溶有制冷剂会使油的凝固点下降，在低温下有利于润滑；但也使油变稀而导致油膜太薄或形不成油膜，因此事先要考虑采用高粘度的冷冻机油。制冷剂中溶有油，会使其压力与温度特性有所偏离，在相同的压力下蒸发温度会升高，造成制冷效果下降；而且沸腾时会产生泡沫，造成液面的不稳定并影响传热。若制冷剂的溶油性差，其利弊刚好与上述相反。▍粘度与表面张力制冷剂流体具有粘性，粘性的大小用粘度来表示，与流体种类、温度、压力有关。工程上常用动力粘性系数μ(N·s/m2)和运动粘性系数ν(m2/s)衡量粘性的大小。制冷剂的粘度小，则管内流动时阻力小，压降就小。当压力不超过0.1MPa时，无论气体还是蒸气都可近似看作理想气体，其动力粘性系数与压力无关，只是温度的函数。当压力超过0.1MPa时，气态工质的动力粘性系数是压力和温度的函数。过冷液体的动力粘性系数可近似取相同温度下饱和液体的动力粘性系数。表面张力的大小与液体的性质、温度以及所接触的介质有关。多数液体的表面张力随温度的升高而减小，达到临界温度时，表面张力为零。▍毒性制冷剂的毒性是用豚鼠做实验，按它在制冷剂蒸汽中造成重伤或死亡的时间来划分毒性等级的。一般分为六个基本等级，一级毒性最大，六级毒性最小，每相邻两级之间还用a，b，c等作更细的划分，见表2-2。表2-2制冷剂的毒性等级毒性等级制冷剂蒸气在空气中的体积浓度(%)作用时间（分钟）产生的结果制冷剂例子10.5～1.05致死或重创SO220.5～1.030致死或重创NH332.0～2.560致死或重创R2042.0～2.5120致死或重创R40,R21,R113520120有一定危害CO2,R11,R22,R502,R290,R600620120以上不产生危害R12,R13,R13B1,R114,R503▍燃烧性和爆炸性制冷剂的燃烧性用燃点表示,它是制冷剂蒸气与空气混合后能产生闪火并继续燃烧的最低温度。制冷剂的爆炸性用爆炸极限表示。它是制冷剂蒸气在空气中含量比例的一个范围，制冷剂在空气中的含量超过该范围时，则气体混合物遇到明火将发生爆炸。表2-3示出了一些制冷剂的燃点和爆炸极限。表2-3一些制冷剂的燃点和爆炸极限制冷剂燃点(℃)爆炸极限爆炸时的最高压力(kPa)达到最高压力的时间(s)容积比(％)重量浓度(g/m3)R717R50R170R1150R290R1270R600R600aR40R142l171645530540510455490/632/15.5～275～153.22～12.453.05～28.62.37～9.52.0～11.11.86～8.411.8～8.448.1～18.610.6～15.1110～19233.4～10039.2～156.535～33443.6～17535～194.545～203.543.5～204170～390463～660442/843/813///572/0.1750.018//0.02/0.024/0.11/▍电绝缘性电绝缘性能常以电击穿强度表示。在全封闭和半封闭式制冷压缩机中电动机的绕组与制冷剂和冷冻机油直接接触，因此，要求制冷剂和冷冻机油具有良好的电绝缘性能。冷冻油的电击穿强度一般在10KV/cm以上。需要注意的是，制冷剂或冷冻机油中有杂质存在，会使其电击穿强度下降。制冷剂的选用原则选用制冷剂时，应该全面考虑其安全性、热力性质、物理化学性质、价格和供应等方面，具体应满足以下要求：①临界温度要高，使之在常温或一般低温下能够液化；②凝固温度要低，在较低的蒸发温度下制冷剂不会凝固；③饱和压力适中，蒸发压力最好不低于大气压，以保证系统在正压下运行，可避免空气渗入系统内。冷凝压力不能过高，以降低压缩机耗功。同时压缩比不要太大，以防压缩机排气温度过高和输气系数降低；⑤单位容积制冷能力要大，可以减小压缩机的尺寸。⑥绝热指数要小，可使排气温度不致过高和减小压缩功，同时压缩机的润滑条件也会得以改善；⑦导热系数要大，可提高传热效率；液体比热容要小，可减小节流损失；粘度和密度要小，以减小流动阻力，提高循环性能；⑧化学稳定性和热稳定性要好，高温下不分解、不燃烧、不爆炸；与冷冻机油不起化学作用；⑨无毒害，无刺激性气味；不腐蚀金属；⑩品质好、价格便宜，来源广、容易买到。当然，完全满足上述要求的制冷剂几乎是不存在的，一旦选定制冷剂后，在制冷系统的设计上要根据制冷剂本身的一些特点来进行流程布置、结构设计以及运行管理。制冷剂与环境保护近些年来，科学家的研究证实R11、R12、R13等氯氟烃化合物（CFC）制冷剂，当它们泄漏或排放后扩散到地球的同温层中，会破坏臭氧