对制冷剂的要求

全国注册公用设备工程师执业资格考辅导制冷技术同济大学陈汝东第一节蒸气压缩式制冷的热力学原理制冷技术是使某一空间或物体的温度降到低于周围环境温度，并保持在规定低温状态的一门科学技术，它随着人们对低温条件的要求和社会生产力的提高而不断发展。冷源：天然冷源(天然冰、深井水)人工制冷实现制冷的途径：(1)相变制冷液体转变为气体,固体转变为液体,固体转变为气体都要吸收潜热.(2)气体绝热膨胀制冷一定状态的气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时,它的温度降低,从而达到制冷的目的.(3)温差电制冷把两种不同的材料的一端彼此连接起来,另一端接上直流电源,则一端将会产生吸热(制冷)效应,另一端产生放热效应.一、蒸气压缩式制冷的工作原理人工制冷有多种方法，目前主要是使用工作物质（制冷工质）状态变化时吸热和放热的特征来实现制冷。任何液体在沸腾过程中将要吸收热量，液体的沸腾温度（即饱和温度）和吸热量随液体所处的压力而变化，压力越低，沸腾温度也越低。而且不同液体的饱和压力、沸腾温度和吸热量也各不相同。例：1个大气压（0.1MPa）下制冷工质沸点(℃)气化潜热r(kJ/kg)水1002256氨（R717）-33.41368R12-29.8166吸收式制冷压力降为0.87kPa水在5℃沸腾有关概念：汽化蒸发沸腾只要根据所用制冷液体（称制冷剂）的热力性质，创造一定的压力条件，就可以在一定范围内获得所要求的低温。要实现制冷循环必须要有一定的设备，而且要以消耗能量作为补偿。蒸气压缩式制冷循环就是用压缩机等设备，以消耗机械功作为补偿，对制冷剂的状态进行循环变化，从而使用冷场合获得连续和稳定的冷量及低温。a.低压管道保温b.工质状态②过热蒸气③饱和液④湿蒸气制冷技术的应用1.空气调节2.冷藏讨论：1.隔热2.置于通风处3.置于室内t室＝？3.制冰4.去湿二.图表1.T-S图逆卡诺循环过程2.压-焓图（lgP-h图）过冷液体区湿蒸气区过热蒸气区饱和液体线干饱和蒸气线图1.11制冷剂的lgP-h图三、理想制冷循环——逆卡诺循环研究蒸气压缩式制冷循环的主要目的，是为了分析影响制冷循环的各种因素，寻求节省制冷能耗的途径。逆卡诺循环是使工质（制冷剂）在吸收低温热源的热量后通过制冷装置，并以外功作补偿，然后流向高温热源。逆向循环是一种消耗功的循环，制冷循环就是按逆向循环进行的，在温—熵或压—焓图上，循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。1.逆卡诺循环设备示意图2.实现逆卡诺循环必须具备的条件：（1）高、低温热源温度恒定；（2）工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间无传热温差；（3）工质流经各个设备时无内部不可逆损失；（4）作为实现逆卡诺循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器。逆卡诺循环由两个等温过程和两个绝热（等熵）过程组成，是一种理想循环。逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的内部和外部不可逆损失。虽然逆卡诺循环无法实现，但是通过该循环的分析所得出的结论对实际制冷循环具有重要的指导意义。3．制冷系数ε制冷循环常用制冷系数ε表示它的循环经济性能，制冷系数等于单位耗功量所制得的冷量。对于逆卡诺循环而言：)())(()(00000TTTSSTTSSTwqkbakbacc通过对ε分别求T0和Tk的偏导数，可以得知T0和Tk对ε的影响是不等价的，并且T0的影响大于Tk。从公式可知，逆卡诺循环的制冷系数仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。由于逆卡诺循环不考虑各种损失，而且压缩机利用了膨胀机对外输出的功，因此，在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数最大，在该温度区间进行的其它各种制冷循环的制冷系数均小于逆卡诺循环制冷系数。所以，逆卡诺循环制冷系数可用来评价其它制冷循环的热力完善度。4.传热温差考虑冷凝器和蒸发器的传热温差分别为△Tk和△T0时，则000000''('')()kkkTTTTTTTTT表明具有传热温差的不可逆循环的制冷系数，总小于相同热源温度时的逆卡诺循环制冷系数，而且随传热温差△T0和△Tk的增大而降低。蒸发器传热温差△T0对制冷系数的影响大于冷凝器传热温差△Tk。四、蒸气压缩式制冷理论循环及热力计算(一).蒸气压缩式制冷理论循环理论制冷循环不同于逆卡诺循环之处是：（1）制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环，而且具有传热温差；（2）制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨胀机绝热膨胀；（3）压缩机吸入饱和蒸气而不是湿蒸气。用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失：不但增加了制冷循环的耗功量，还损失了制冷量。这两部分损失必然使制冷系数和热力完善度有所下降。用干压缩代替湿压缩后的过热损失：1.用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失制冷剂绝热膨胀作功量：we=h3－h4''制冷剂通过膨胀阀损失的冷量：△q01=h4—h4''∵绝热节流前后焓值不变，即h3=h4；∴we=△q01节流损失：制冷剂干度↑，液体含量↓，制冷能力↓。（T0－Tk）↑或者制冷剂液态比热↑，则节流损失↑；反之↓。制冷剂节流后的干度增加还与它的潜热有关。用膨胀阀代替膨胀机后，增加了we，损失了△q01，这使制冷系数和热力完善度下降。2.用干压缩代替湿压缩后的饱和损失在制冷压缩机的实际运行中，若吸入湿蒸气，会引起液击，并占有气缸容积，使吸气量减少，制冷量下降。饱和损失不但与制冷循环工况有关，还与制冷剂的物理性质也有关。(二).热力计算制冷剂在蒸发器中的单位质量制冷量：q0=h1－h4[kJ/kg]压缩机的单位质量绝热压缩耗功量：w=h2－h1[kJ/kg]制冷剂在冷凝器中的单位质量放热量：qk=h2－h3[kJ/kg]节流前、后焓值不变h3=h4，则qk=q0+w制冷剂单位容积制冷量：[kJ/m3]若已知总制冷量为Q0[kW]，则制冷剂质量循环量：[kg/s]压缩机的吸气体积流量：[m3/s]10vvqqv0rqQMv01rrqQvMV冷凝器的热负荷：Qk=Mrqk[kW]压缩机的理论耗功量：N=Mrw[kW]理论制冷系数：124100hhhhwqNQ(三).蒸气压缩式制冷循环改善(1)液体过冷对制冷循环的影响液体过冷会增加△q，且随着过冷温度的降低，△q会增加；同时并不增加w，因此制冷系数增加。在实际应用中，按逆流方式传热或增加冷凝器传热面积，可达到一定的过冷度。(2)回热循环回热制冷循环的制冷剂液体过冷和吸气过热，是利用流出蒸发器的低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换器的传热过程而产生的。回热循环特别适用于增加吸气过热度能提高其循环制冷系数、以及绝热指数较小，绝热压缩后排气温度较低的制冷剂，如R12（K=1.136）、R502。R22采用回热循环是制冷系数降低不多,但保证干压缩和热力膨胀阀稳定工作。对氨（K=1.310）、R11等，因为提高过热度后会降低其制冷系数，所以不采用回热循环。a)回热制冷循环b)回热制冷循环在T－S图上的表示若忽略制冷剂与外部介质的传热，则制冷剂过冷时的放热量等于其过热时的吸热量C(T3’－T3)=C’(T1－T1’)由于液体比热C总大于气体比热C’，所以液体温度的降低总小于气体温度的升高。五.双级蒸气压缩制冷循环蒸发温度降低对单级制冷循环的影响：1．节流损失增加，制冷系数下降。2．压缩机的排气温度上升。3．压缩机运行时的压力比增大，容积效率下降。(一)、一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷循环循环过程它与单级压缩制冷循环流程的主要区别是大部分制冷剂必须在高、低压级两只气缸中进行压缩，还增设了中间冷却器和膨胀阀。如果已知一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷循环所需要的制冷量、冷凝温度和蒸发温度，则该循环的热力计算步骤和公式如下：[MPa]t7=t6+△t[℃]0PPPkm[kg/s]Mr1(h2－h3)Mr1(h5－h7)=Mr2(h3－h6)8101rhhQM)hh)(hh()hh()hh(Qhh)hh()hh(MM6381753206375321r2r(二)、一次节流、不完全中间冷却的双级压缩制冷循环Mr1(h3'－h6)=Mr2(h5－h7)[kg/s]Mr2h2＋Mr1h3'=(Mr1＋Mr2)h3=Mrh3r'31r22r3MhMhMh六、热泵空气源热泵冷热水机组的耗电量较大，价格也高，因此，在选型时应注意以下几点：(1)应优先选机组性能系数较高的产品，以降低投资和运行成本。(2)空气源热泵冷热水机组冬季运行时，室外换热器温度低于O℃时，其表面会结霜，明显降低机组效率，严重时会堵塞盘管，为此必须除霜。所以设计选型应进一步了解机组的除霜方式，通过比较判断后，选用具有高效可靠化霜控制的机组。(3)空气源热泵冷热水机组多数安装在屋面，应考虑机组噪声对周边建筑环境影响，尤其是夜间运行。因此，设计选型时，应选用运行噪声较低，对周边环境不会导致噪声污染的机型。(4)在冬季寒冷且潮湿的地区，需连续运行或对室内温度有较高要求的空调系统，应按当地平衡点温度(即空气源热泵供热量等于建筑耗热量时的室外计算温度)确定机组的容量和辅助加热的容量，以避免机组选择过大，造成初投资增加，运行效率降低。(5)空气源热泵冷热水机组在设计选型时，还应根据机组的安装位置和运输或吊装的条件，选用合适的外形尺寸和质量的机组。(6)机组选型时，应考虑机组使用的制冷剂种类是否符合国家当前环保的规定。空气源热泵冷热水机组在产品样本中给出的制热量仅是名义工况下的瞬时热量。当盘管表面温度低于O℃时盘管上的凝结水就会结霜、结冰，达到规定限度时，进行化霜循环。机组化霜过程，停止供热，水温下降，此期间机组又从水系统中吸收热量除霜，进一步降低水温。一般除霜周期为3min，等于停机6min，即为0．1h。因此，空气源热泵冷热水机组冬季的制热量，应根据室外空调计算温度修正系数和化霜修正系数，按下式进行修正：Φh=qK1K2式中Φh--机组制热量,kW;q–-产品样本中的瞬时制热量（名义工况：室外空气干球温度7℃，湿球温度6℃），kW;K1–-使用地区室外空调计算干球温度的修正系数，按产品样本选取；K2–-机组化霜修正系数，每小时化霜一次取0.9，二次取0.8。第二节制冷剂和载冷剂制冷剂又称制冷工质，它是在制冷系统中完成制冷循环的工作介质。制冷剂在蒸发器内汽化吸收被冷却介质的热量而制冷，又在冷凝器中把热量放给周围介质，重新成为液态制冷剂，不断进行制冷循环。蒸发器冷凝器冷却介质压缩机节流阀空气末端被冷却介质被冷却介质泵直接冷却间接冷却制冷剂载冷剂一、制冷剂的种类1．无机化合物氨和水是当前常用的制冷剂。2．氟利昂CFC：含氯而无氢的氟化碳；会破坏同温层中的臭氧。HCFC：含氢、氯的氟化碳；HFC：含氢而无氯的氟化碳。3．混合物制冷剂（1）共沸溶液共沸溶液制冷剂是由两种或两种以上不同的制冷剂按一定比例相互溶解而成的混合物。它和单一化合物一样，在一定压力下蒸发温度一定。常用的有R500、R502等。（2）非共沸溶液二、对制冷剂的要求（1）冷凝压力不太高，蒸发压力不低于大气压力，冷凝压力和蒸发压力之比不要过大；（2）单位容积制冷量要大；（3）临界温度要高，凝固温度要低；（4）粘度和密度要小；（5）导热系数大；（6）无腐蚀性，不起化学作用，高温下不分解；（7）无害，不燃烧和爆炸；（8）易于取得，价廉。（9）对大气臭氧层没有破坏作用。（10）对全球气候变暖影响程度小.制冷剂的安全及环境特性指标1、无害，不燃烧和爆炸；2、破坏臭氧(03)潜值ODP(OzoneDepletionPotential)的大小表示该制冷剂破坏大气03分子潜能的程度，即对大气03层破坏的大小。其数值是以R11的值作为基准值1.0，经计算模化而得。3、全球变暖潜值GWP(GlobalWaringPotential)，GWP是衡量制冷剂对全球气候变暖影响程度大小的指标值。以往其大小常使用以R1l的值作为基准值1.0时，计算出的数值，为示区别一般写成为HGWP；近年来