第2章 制冷剂和载冷剂..

1第2章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。制冷剂在蒸发器内气化吸收被冷却介质的热量而制冷，又在高温下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。蒸气压缩式制冷装置是利用制冷剂的集态变化来达到制冷的目的，因此，制冷剂的性能直接影响制冷循环的技术经济指标。2.1制冷剂制冷剂的种类有几十种，但在工业上常用的不过10余种。2.1.1对制冷剂的要求1.对制冷剂的要求（1）用常温的水或空气做冷却介质时，制冷剂相应的冷凝压力不太高，以减少制冷装置的承受能力。在工作温度范围内其相应的蒸发压力不低于大气压力，避免制冷系统的低压部分出现负压，防止空气渗入系统。同时，冷凝压力和蒸发压力之比不要过大，以免压缩终了的温度过高、压缩机的容积效率过低。（2）通常要求制冷剂的单位容积制冷量要大，这样可以缩小压缩机的尺寸。（3）由于在临界温度以上，无论加多大的压力都不能使制冷剂液化，因此，制冷剂的临界温度要高，便于用常温的冷却介质进行冷凝。凝固温度要低，以获得较低的蒸发温度。便于用一般的冷却水或空气进行冷凝。压缩终了温度不要太高，以免压缩机的润滑条件恶化。（4）制冷剂的粘度和密度应尽可能小，以减少制冷剂在系统中的阻力。（5）导热系数要大，可以提高热交换设备的传热系数，减少传热面积，使热交换器耗用的金属材料减少。（6）对制冷装置所用的材料无腐蚀性，与润滑油不起化学作用；高温下不分解，热稳定性好。（7）对人体无害，无燃烧和爆炸危险，使用安全。（8）易于取得，价格便宜。（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完全满足上述所有要求的制冷剂是很难寻觅的，各种制冷剂总是在某些方面有其长处，而在另一些方面又有其不足。并且使用要求、运行条件和机器种类及容量不同，对于制冷剂性质要求的考虑侧重面也就不同，所以应该按照主要条件来选择相应的制冷剂。目前所采用的制冷剂都存在一些缺点，因此在选用制冷剂时，应根据实际情况，主要条件符合即可选用。2.制冷剂的安全及环境特性指标1.TLV-TWA一低限值的时间加权平均值,即一个标准工作日8h,一周40h的时间加权平均浓度，在此条件下所有工人日复一日地工作，无不良影响。22.LFL--燃烧低限，在指定的实验条件下，能够在制冷剂和空气组成的均匀混合物中传播火焰的制冷剂最小浓度(％),LFL越小，表明其可燃性越高。3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。4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；近年来都将作用100年的C02作为基准，并将C02的GWP=1.0，从而计算出各种制冷剂的GWP值。5大气寿命是指制冷剂排放到大气中，一直到分解前的时间，也就是制冷剂在大气中存留的时间。制冷剂寿命长，说明其潜在的破坏作用大。常见的一些制冷剂的安全及环境特性指标见表2.1。表2.1制冷机的安全、环境特性制冷剂TLV-TWA（x10-6）LFL(%)毒性大气寿命(a)ODPGWPR111000无Al50±51.0004600R121000无Al1020.8210600R221000无Al13.30.0551700R1131000无Al850.8005000R1141000无Al3001.0009300R1151000无Al17000.6009300R12350无Bl1.40.02093R1241000无Al5.90.022480R141b1000无9.40.11630R134a1000无Al14.60.0001300R142b5.819.50.0652000R143a10007.1A248.30.0003800R152a10003.1A21.50.000140R245ca7.16.60.000560R2902500无A30.00011R404A1000无Al／A10.0003260R407C1000无Al／A10.0001530R410A1000无Al／A10.0001730R5031000无0.6011350R504无0.314890摘自GB／T7778—200132.1.2制冷剂的种类目前常用的制冷剂种类按其化学组成主要有无机化合物、氟利昂、共沸溶液和碳氢化合物等。为了统一称谓和书写方便，国际上统一规定用字母“R”和它后面的一组数字作为制冷剂的简写符号。字母“R”表示制冷剂，后面的数字则根据制冷剂的分子组成按一定的规则编写。1．无机化合物这类制冷剂很早就被采用了，氨和水仍然是当前常用的制冷剂，其热力性质见表2.2.。表2.2.无机化合物制冷剂制冷剂代号制冷剂化学分子式分子量标准大气压下沸点(℃)临界温度(℃)临界压力P(x10-5Pa]绝热指数KR717氨NH317.032-33.35132.4115.21.30R718水H2O18.016100.0374.12221..21.33R744二氧化碳CO244.011-78.5231.073.81.30R764二氧化硫SO264.066-10.01157.578.81.26无机化合物类制冷剂的简写符号中，“R”后的第一位数字为7，后面的数字是该物质分子量的整数部分。例如，氨的分子式为NH3，分子量的整数部分是17，其简写符号为R717。2．氟利昂这类制冷剂是本世纪30年代出现并逐渐开始采用的，其种类较多，它们的热力性质也有较大的区别，可分别适用于不同要求的制冷机组。氟利昂是饱和碳氢化合物的卤族衍生物的总称，目前用作制冷剂的主要是甲烷和乙烷的衍生物。在这些衍生物中，用氟、氯和溴的原子代替原来化合物中的全部或一部分氢原子，使得化合物的性质起了很大的变化。饱和碳氢化合物的分子通式为CmH2m+2，氟利昂的化学分子式为CmHnFxClyBrz，其原子数目应符合2m＋2=n＋x＋y＋z的关系。氟利昂的简写符号规定为R(m－1)(n＋1)x，若化合物中含有溴原子，则在后面加字母“B”和溴原子数。若（m－1）=0时，则“0”略去。例如表2.3所示。表2.3氟利昂制冷剂制冷剂代号制冷剂化学分子式分子量标准大气压下沸点(℃)临界温度(℃)临界压力P(x10-5Pa)绝热指数KR10四氯化碳CCl4153.876.7283.1445.61.18R11一氟三氯甲烷CFCl3137.3923.7198.043.71.13R12二氟二氯甲烷CF2Cl2120.92-29.8112.0441.21.144R13三氟一氯甲烷CF3Cl104.47-81.528.7838.6—R14四氟甲烷CF488.01-128.0-45.537.51.22R21一氟二氯甲烷CHFCl2102.928.90178.551.661.16R22二氟一氯甲烷CHF2Cl86.48-40.896.049.861.16R142二氟一氯乙烷CH3-CF2Cl100.48-9.25136.4541.51.135R143三氟乙烷CH3-CF384.04-47.673.137.76—R152二氟乙烷CH3-CHF266.05-25.0113.544.9—R218八氟丙烷C3F8188.03-36.771.926.79－在这类制冷剂中，常用的有R22，R12，R11，R13等。3．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。它和单一的化合物一样，在一定压力下其蒸发温度也一定。目前，作为共沸溶液制冷剂的有R500、R502等。其组成见表2.4。表2.4共沸溶液制冷剂制冷剂代号分子量标准大气压下沸点(℃)组分组分的总量百分比R50099.3-33.3R12/R15273.8%/26.2%R502111.6-45.6R22/R11548.8%/51.2%R50387.5-88.7R23/R1359.9%/40.1%R50479.2-57.2R32/R11548.2%/51.8%4．碳氢化合物碳氢化合物制冷剂有甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和丙烯等，其热力性质见表2.5。这类制冷剂主要用于石油化工工业，其优点是易于获得，价格低廉，凝固温度低等；但其安全性差，易燃烧和爆炸。表2.5碳氢化合物制冷剂制冷剂代号制冷剂化学分子式分子量标准大气压下沸点(℃)临界温度(℃)临界压力P(x10-5Pa)绝热指数KR50甲烷CH416.04-161.5-82.546.2—R170乙烷C2H630.06-88.632.149.331.25R290丙烷C3H844.1-42.1796.842.561.13R1150乙烯C2H428.05-103.79.550.6—R1270丙稀C3H642.08-47.791.446.0—5部分制冷剂的饱和温度和压力的关系见图2.1。从图中可以看出，在同一温度下，标准大气压力下饱和温度低的制冷剂，其饱和蒸气压力高。根据这一规律，可以把制冷剂划分为三类，如表2.6所示。高温制冷剂主要用于空气调节用制冷装置和热泵中，中温制冷剂用于一般的单级和双级压缩制冷机中，而低温制冷剂则用于复叠式制冷装置的低温级部分。表.2.6制冷剂的分类类别制冷剂标准大气压下沸点(℃)30(℃)时的冷凝压力(MPa)高温制冷剂（低压制冷剂）R11，R21，R113，R114等0≤0.3中温制冷剂（中压制冷剂）R717，R12，R22，R502等-60～00.3～2低温制冷剂（高压制冷剂）R13，R14，R23，R503等≤-602～72.1.3常用制冷剂的性质目前，常用的制冷剂为氨，氟利昂12和氟里昂22等。其饱和液体和蒸气的热力性质见表2.7～表2.12。1．氨（R717）氨具有良好的热力性能，单位容积制冷量大，压力适中，常温下冷凝压力不超过1.5（MPa），只要蒸发温度不低于-33.4（℃），蒸发压力总大于1个大气压力。氨与水可以任何比例互相溶解，组成氨水溶液，在制冷系统中不会引起结冰而堵塞管道通路。但氨中有水分时会使蒸发温度升高，并对铜及铜合金（磷青铜除外）有腐蚀作用，一般规定，液氨中含水量不超过0.2%。氨是典型的难溶于润滑油的制冷剂，因此，氨制冷系统中的管道换热器的传热表面上会积有油膜，影响传热效果。氨液的密度比润滑油小，运行中润滑油会积存在冷凝器、贮液器图2.1部分制冷剂的饱和温度和压力的关系6和蒸发器等设备的下部，因此，应定期放出这些设备中的润滑油。氨蒸气无色，有强烈的刺激性臭味。在空气中的容积浓度达0.5%～0.6%时，人停留半小时就会引起中毒。氨与空气混合的容积浓度在11%～14%时具有可燃性，在16%～25%时遇明火会有爆炸危险，目前规定氨在空气中的浓度不应超过20mg/m3。氨的绝热指数较高，因此，压缩机的排气温度也较高。氨容易获得，价格便宜。氨是目前我国最广泛使用的中温制冷剂。2．氟利昂氟利昂的性能随其所含的氟、氯、氢的原子数不同而变化。当氟利昂中的氢原子数减少时，其可燃性也减少；氟原子数越增加，对人体越无害，对金属的腐蚀性越小；含有氯原子的氟利昂与明火接触时能分解出有毒的光气（COC12）。氟利昂很难与水溶解，当含水量超过其溶解度时，游离态的水会在低温下结冰，堵塞膨胀阀或毛细管的通道，致使制冷机不能正常工作。另外，有水分存在时，氟利昂将水解成酸性物质，对金属有腐蚀作用。氟利昂的溶水性见图2.2。氟利昂是一类透明、无味、基本无毒又不易燃烧、爆炸、化学性能稳定的制冷剂。不同化学组成和结构的氟利昂制冷剂热力性质相差很大，可适用于高温、中温和低温制冷机，以适应不同制冷温度的要求。氟利昂制冷剂的绝热指数小，因此排气温度低。又因其分子量大，可适用于大型离心式压缩机。但氟利昂制冷剂一般单位容积制冷量小，比重大，管道阻力大，价格较低，渗透性强，易于泄漏。氟利昂对水的溶解度小，制冷装置中进入水分后会产生酸性物质，并容易造成低温系统的“冰塞”