制冷剂应用知识手.docx

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制冷剂应用知识手

制冷剂应用知识手册

编译者注：

本手册的要紧资料来源摘译自美佳（MCQUAY）空调公司的《制冷剂应用手册》（AG31-007），参考了部份教科书籍和相关报纸的报导，并摘编了中国CFC制冷剂淘汰纲要内容。

1.介绍

CFC制冷剂曾经被以为对人类和那个行星是平安的，但在1980年代中期人们发觉，正在严峻地破坏地球的生态。

在设计建筑物时，制冷剂从曾经很少被讨论，突然变成了设计师的要紧考虑事项。

当HVAC设备制造商以制冷剂作为重要的市场卖点时，多是公说公有理婆说婆有理。

这使得设备采购决策者常常无所适从。

尽管CFC问题已经超级清楚了，但还有许多问题需要说明。

本手册希望能提供详尽的制冷剂相关知识，以对制冷剂如何阻碍咱们的产品及个人的生活增强明白得。

2.什么是制冷剂

在上个千年关止的时候，曾排出了名目繁多的十大排行榜，包括一个二十世纪最伟大发明的排行榜。

与太空飞行和运算机的发明并列，制冷也进入了那个十大排行榜，因为若是没有制冷，食物保留将不可能。

另外，也不可能有高层建筑或现代保健设施。

韦氏词典把制冷剂概念成“在制冷循环中利用的或像冰用于直接冷却的一种物质”。

HVAC工业的业外人士可能会把制冷剂描述成空调器中利用的某种流体。

HVAC工业的许多业内人士将马上想到CFC族物质（氯氟碳）。

以上这些概念都是对的，但制冷剂比那些物质更普遍。

水是制冷剂，在吸收式制冷机中利用。

二氧化碳（CO2）和氨（NH3）作为“天然”制冷剂而为人所知。

易燃物质如丙烷和异丁烷也被作为制冷剂利用。

关于卤代烃物质如CFC,HCFC和HFC族物质，更是受到普遍欢迎的制冷剂。

ASHRAE标准34《制冷剂命名和平安分类》列出了100多种制冷剂，尽管其中许多并非在常规商业HVAC中利用。

制冷剂是化学物质。

一些物质，被以为是制冷剂（如R-141b），事实上却普遍应用于诸如发泡剂场合，其实很少用于冷却场合。

2.1.制冷剂进展历史

十九世纪中叶显现了机械制冷。

雅各布.帕金斯（Jacob

Perkins）在1834年建造了首台有效机械。

它用乙醚作制冷剂，是一种蒸气紧缩系统。

二氧化碳（CO2）和氨（NH3）别离在1866年和1873年第一次被用作制冷剂。

其他化学制品包括化学氰（石油醚和石脑油）、二氧化硫（R-764）和甲醚，曾被作为蒸气紧缩用制冷剂。

其应用限于工业进程。

多数食物仍用冬季搜集或工业制备的冰块来保留。

二十世纪初，制冷系统开始作为大型建筑的空气调剂手腕。

位于德克萨斯圣安东尼奥的梅兰大厦是第一个全空调高层办公楼.

1926年,托马斯.米奇尼（ThomasMidgely）开发了首台CFC（氯氟碳）机械，利用R-12.CFC族（氯氟碳）不可燃、无毒（和二氧化硫相较时）而且能效高。

该机械于1931年开始商业生产并专门快进入家用。

威利斯.开利（WillisCarrier）开发了第一台商用离心式制冷机，开辟了制冷和空调的纪元。

20世纪30年代，一系列卤代烃制冷剂接踵显现，杜邦公司将其命名为氟利昂（Freon）。

这些物质性能优良、无毒、不燃，能适应不同的温度区域，显著地改善了制冷机的性能。

几种制冷剂在空调中变得很普遍，包括CFC-1一、CFC-1二、CFC-113、CFC-114和世纪50年代，开始利用共沸制冷剂。

60年代开始利用非共沸制冷剂。

空调工业从幼小成长为几十亿美元的产业，利用的都是以上几种制冷剂。

到1963年,这些制冷剂占到整个有机氟工业产量的98%。

到1970年代中期,对臭氧层变薄的关注浮出水面，CFC族物质可能要承担部份责任。

这致使了1987年蒙特利尔议定书的通过，议定书要求淘汰CFC和HCFC族。

新的解决方案是开发HFC族，来担当制冷剂的要紧角色。

HCFC族作为过渡方案继续利用并将慢慢淘汰。

在1990年代，全世界变暖对地球生命组成了新的要挟。

尽管全世界变暖的因素很多，但因为空调和制冷耗能庞大（美国建筑物耗能约占总能耗的1/3），且许多制冷剂本身确实是温室气体，制冷剂又被列入了讨论范围。

尽管ASHRAE标准34把许多物质分类为制冷剂，但只有少部份用于商业空调。

下面是此刻仍在利用或过去曾用过的经常使用制冷剂的一个快速阅读。

表1提供了经常使用制冷剂的技术数据.

3.经常使用制冷剂

3.1.水,R-718

多数制冷进程是吸收循环或蒸气紧缩循环。

商业吸收循环一样用水作为制冷剂，溴化锂为吸收剂.

水无毒、不可燃、来源丰硕。

是一种天然制冷剂.吸收式制冷机即便是双效制冷机，其挑战是COP（性能系数）只比1稍大（离心式制冷机的COP大于5）。

从寿命周期的观点来看，吸收式制冷机需要一个完全的调查，以确信其解决方案在经济上是不是可行。

从环保观点来看，用水作为制冷剂是好的。

吸收式制冷机的低COP值可能说明比离心制冷机需要消耗更多的化石燃料。

可是不必然，因吸收式制冷机直接利用化石燃料，而电制冷机利用电能。

选择用哪一种制冷机事实上取决于电能是如何产生的。

3.1.1.氨,R-717

氨（NH3）被以为是一种效率最高的天然制冷剂。

它是一种今天仍在利用的“原始”制冷剂。

多用于正位移紧缩机的蒸气紧缩进程。

ASHRAE标准34将其分类为B2制冷剂（毒性高低可燃）.ASHRAE标准15要求对氨制冷站有特殊的平安考虑。

尽管在商业空调也利用很多，但氨在工业制冷上的应用更普遍些。

3.1.2.二氧化碳,R-744

二氧化碳（CO2）是一种天然制冷剂.它在19世纪末20世纪初停止利用，此刻正在研究从头对它的利用。

用于蒸气紧缩循环正位移紧缩机。

在32℃时CO2的冷凝压力超过6MPA，这是一个挑战。

而且，CO2的临界点很低，能效差。

尽管如此，仍可能有一些应用，如复叠制冷，CO2将是有效的。

3.1.3.烃类物质

丙烷（R-290）和异丁烷（R-600a）,和其他氢碳物质,能够在蒸气紧缩进程中作为制冷剂利用。

在北欧，大约有35%的制冷机利用氢碳物质。

它们毒性低且能效高，但容易燃烧。

后者严峻限制了它们在北美的利用，因受现今平安标准的制约。

3.1.4.氯氟碳族（CFC族）

氯氟碳族（CFC族）有许多物质，但在空调中最经常使用的是R-1一、R1二、R-113和R-114.CFC族到20世纪中叶时已经普遍利用。

发达国家在1995应蒙特利尔议定书的要求停止了CFC族的生产。

在进展中国家它们仍被生产和利用（按时刻表将专门快淘汰）。

它们用于蒸气紧缩进程的所有型式的紧缩机中。

经常使用CFC族物质都稳固、平安（从制冷剂标准的角度看）、不可燃且能效高。

不幸的是，它们破坏臭氧层。

3.1.5.氢氯氟碳族（HCFC族）

氢氯氟碳族（HCFC族）几乎和CFC族同时显现。

HCFC-22是世界上利用最普遍的制冷剂。

HCFC-123是CFC-11的过渡替代制冷剂。

它们用于蒸气紧缩进程的所有型式的紧缩机中。

HCFC-22能效高，被分类成A1（低毒不燃）.HCFC123能效高，被分类成B1（高毒不燃）.和CFC族一样,这些制冷剂按蒙特利尔议定书的要求将慢慢淘汰。

在发达国家已被限量生产且专门快将减产。

进展中国家也有一个淘汰时刻表，但淘汰时限延长。

3.1.6.氢氟碳族（HFC族）

氢氟碳族（HFC族）是相对较新的制冷剂，因CFC族的淘汰将日趋受到关注。

HFC族制冷剂无臭氧消耗潜值（ODP=0）.HFC-134a是CFC-12和R-500的替代制冷剂.它们用于蒸气紧缩进程的所有型式的紧缩机中。

经常使用HFC族制冷剂能效高被分类成A1（低毒不燃）.但对全世界变暖有阻碍。

表1–制冷剂性质

经常使用性质

制冷剂

化学名称

化学式

分子量

安全分组

大气寿命（年）

ODP

GWP

11

三氯一氟甲烷

CCl3F

A1

50

1

3800

12

二氯二氟甲烷

CCl2F2

A1

102

1

8100

22

一氯二氟甲烷

CHClF2

A1

.055

1500

32

二氟甲烷

CH2F2

52

A2

0

650

123

二氯三氟乙烷

CHCl2CF3

153

B1

.02

90

125

五氟乙烷

CHF2CF3

120

A1

0

2800

134a

1,1,1,2-四氟乙烷

CF3CH2F

102

A1

0

1300

245fa

1,1,2,2,3-五氟丙烷

CHF2CH2CF3

B1

0

820

290

丙烷

CH3CH2CH3

44

A3

<1

0

~0

404a

R-125/143a/134a（44/52/4）

A1

3260

407C

R-32/125/134a（23/25/52）

A1

0

1530

410A

R-32/125（50/50）

A1

0

1730

500

R-12/152a

A1

.74

6010

507a

R-125/143a（50/50）

A1

600

丁烷

CH3CH2CH2CH3

A3

<1

0

~0

717

氨

NH3

17

B2

N/A

0

0

718

水

H2O

18

A1

N/A

0

<1

744

二氧化碳

CO2

44

A1

N/A

0

1

具体物理性质

制冷剂

标准沸点

（F）

音速

（ft/s）

@40°F

临界点

泡点

（°F）@

psi

露点

（°F）@

psi

温度滑差

（°F）

粘度

Lbm/ft*h

@40°F

液体

比热at

Btu/ib.°R

@40°F液体

导热系数

Btu/h*ft*°F

@40°F

液体

温度（℃）

压力

（MPA）

11

443

198

.2059

.0548

12

448

.574

.2253

.0429

22

535

.503

.2825

.0537

32

688

.361

.3106

.0872

123

414

.2379

.0476

125

409

.457

.3044

.0397

134a

482

.620

.2194

.0521

245fa

.3121

.0506

290

723

.291

.6077

.0600

404a

473

@100

@

100

.405

.3349

.0438

407C

519

@

90

@

90

.479

.3403

.0582

410A

553

@

140

@

140

.380

.3652

.0652

500

490

.557

.2579

.0480

507a

457

.401

.3331

.0432

600

659

.469

.5588

.0665

717

1319

.392

.3155

718

1352

.3293

744

-109f

687

.222

.6460

.0607

4.何谓好制冷剂？

4.1.概述

一提到性质，第一就会想到诸如毒性低、不可燃、效率高、价廉。

这些性质固然重要，且仍是好的广告卖点。

但选择一种制冷剂用于制冷和空调，要考虑的性质远不止上述这些。

例如，“效率”就可能意味着许多东西，还可能引发误解和混淆。

本章深切研究所谓好制冷剂的方方面面。

多数制冷剂用于蒸气紧缩循环。

对循环的大体了解将有助于领会制冷剂问题的复杂性。

4.2.蒸气紧缩制冷循环

除吸收式制冷机，大多数商用空调系统是基于蒸气紧缩循环。

循环进程从空气中搜集热量（叫空调器），或从水中搜集热量（叫制冷机）。

并向空气排出热量（风冷），或向水中排出热量（水冷）。

乃至可将循环进程作为一个加热器，将热量从冷流体（室外空气）转移到热流体（室内空气），这确实是热泵。

以水冷式制冷机举例，制冷机利用蒸气紧缩循环使水温下降，并将从冷冻水和紧缩机中搜集的热量排到另一个水回路，由冷却塔冷却排入大气。

图1显示了大体的制冷回路。

回路由以下四个要紧部件组成：

图1-大体制冷回路

蒸发器

蒸发器是一个换热器，通过换热进程降低冷冻水的水温，从而取走建筑物的热量。

吸收的热量使制冷剂沸腾，从液体变成气体。

紧缩机

紧缩机装配体由一个主运动部件（一样是电机）和紧缩机组成。

紧缩机的作用是升高制冷剂气体的压力和温度。

冷凝器

和蒸发器一样,冷凝器是一个换热器。

那么，它从制冷剂中取走热量，使水温升高，制冷剂从气体冷凝成液体。

然后冷却水将热量从冷却塔排入大气。

膨胀装置

制冷剂冷凝成液体后，流过一个降压装置。

降压装置可能像孔板一样简单，或如电子膨胀阀一样复杂。

压焓图

压焓（P-H）图是观看制冷循环的另一种方式。

它的益处是用图表显示循环进程、制冷成效，和所需消耗的功。

图2是图1所示制冷回路的压焓图（P-H）表示，图中示出了每一个部件的进程。

从点1到点2是蒸发进程.制冷剂从液体变成气体，压力（和温度）维持不变。

在相变时吸收热量（潜热）。

制冷成效确实是点2和点1之间的焓差。

从点2到点3的曲线表示紧缩进程。

紧缩功是点3和点2之间的焓差乘以制冷剂流量。

紧缩功增加了制冷剂中热值.

曲线的垂直部份表示制冷剂压力（和温度）从点2升高到点3。

下一个过程发生在冷凝器中。

过程的第一段（制冷剂气液分界线的外侧）是过热气体的降温过程。

一旦制冷剂达到饱和状态，制冷剂从气体变成液体。

和在蒸发器中一样,线为水平表明压力（或温度）不变。

最后一个过程是膨胀过程。

从点4到点1的线是垂直的，表明制冷剂流过热力膨胀阀时压力（或温度）是下降的但焓不变。

图2-制冷循环,P-H图

图3表示了冷凝器和蒸发器的换热进程。

图中示出了标准的水温工况。

在冷凝器中,制冷剂温度为恒定的37℃。

制冷剂从气体变成液体，放出冷凝潜热。

同时，从冷却塔来的30℃水进入冷凝器，温度升高到35℃。

蒸发器中的进程相似.如此，蒸发器中的制冷剂为恒定的5℃。

制冷剂从液体变成气体，吸收蒸气潜热。

冷冻水以12℃进入蒸发器，下降到7℃。

蒸发器或冷凝器中的压力是给定温度所对应的饱和压力。

这能够从制冷剂压力温度表中查出。

关于HFC-134a而言，37℃时的冷凝压力为917KPA，5℃时的蒸发压力为252KPA。

图3-换热器性能

4.3.制冷剂性质

以下是设计制冷系统要考虑的制冷剂几个关键性质。

这些性质的好或坏的方面将举例说明。

4.3.1.毒性

ASHRAE标准用毒性和可燃性表示制冷剂平安级别的两个关键因素。

ASHRAE标准34采纳如图4所示的矩阵来表示该两个性质的相对级别。

图4-ASHRAE标准34制冷剂平安分类

低毒性

高毒性

高可燃性

A3

B3

低可燃性

A2

B2

不可燃性

A1

B1

级A：

在体积浓度小于等于400ppm时，按必然的时刻长度，肯按时刻加权平均的极限限制值（TLV-TWA）或相当的指标值，制冷剂没有观看到毒性。

级B：

在体积浓度小于400ppm时，按必然的时刻长度，肯按时刻加权平均的极限限制值（TLV-TWA）或相当的指标值，制冷剂观看到有毒迹象。

级1：

制冷剂的空气中实验时可不能燃烧。

级2：

制冷剂在1大气压/21℃时的最低可燃浓度（LFL）大于lb/ft3，且燃烧热（HOC）小于8174Btu/Lb。

级3：

制冷剂是易燃的。

在1大气压/21℃时的最低可燃浓度（LFL）小于lb/ft3，或燃烧热（HOC）大于等于8174Btu/Lb。

物质的毒性是相对而言的。

几乎任何东西在必然剂量时都是有毒的。

与其说某东西对你有毒不如说是在某种浓度下对躯体有害。

接着讨论物质在大气环境中的易分解性（稳固性的反义词）。

用毒性那个词来讲,越容易分解的物质毒性越大。

不希望稳固物质进入人体然后在体内分解而引发损害。

在大气中的稳固性（仅是一个环境问题）并非能说明什么问题。

ASHRAE标准34将制冷剂毒性分成A级和B级.图4中包括A级和B级的概念。

4.3.1.1.剧毒性

剧毒性指的是短时间暴露于高浓度物质中时有损害。

例如，在机房中当制冷回路破裂时大量制冷剂排放到空间中，其当即引发的危害就属于剧毒性。

4.3.1.2.慢毒性

慢毒性指的是长期重复暴露于一种物质中时有损害。

例如，一生和制冷设备打交道，经历的确实是这种形式的暴露。

效劳人员可能天天都和制冷剂接触，其阻碍往往是长时刻积存的结果。

关于一种物质而言，剧毒性的浓度老是比慢毒性的浓度更高些。

因此，大部份物质的平安级别依照（保守的）慢毒性浓度确信，尽管总的目标是减少剧毒性和慢毒性的风险。

4.3.1.3.最高许诺浓度（TLV）

TLV是一种物质在空气中浓度值，在该浓度条件下，所有工作人员都可能日复一日置身其中，但确信对躯体健康几乎没有不利阻碍。

简而言之，是可不能产生慢毒性问题的最高许诺浓度。

这些限制值依照产业体会和实验测试确信。

不同个体对不同物质的耐受性都不一样，有些人在低于TLV值时就可能感觉很不舒畅。

个体的躯体状况可能在接触时反映猛烈。

抽烟也可能加重个体的反映。

由于遗传因素、年龄、个人适应（抽烟、好酒或接触毒品）、药物医治或原先的接触经历，个人也可能对有些物质有专门的耐受度。

对这种情形，TLV值可能不能提供明确的指示，而应咨询专业内科医生，看是不是需要任何附加的防护。

4.3.1.4.PAFT

PAFT即氟碳替代物毒性实验。

由制冷剂制造商联合发起，对氟碳基物质进行加速实验。

这些实验包括100多个实验，耗时6年，费用超过500万美元。

PAFT实验涵盖剧毒性、慢毒性、致癌性、遗传毒性（对遗传物质的阻碍）、致畸性（对生殖系统和诞生缺点的阻碍）、环境毒性（对环境中有机活体的阻碍）及其它.

通过PAFT研究，将有助于确信最近进入市场的许多制冷剂的平安分级和毒性级别，包括R123、R-134a、R-141b、R-124、R-125和R-32.其中R-32,R-125和R-134a用于生产R-410A和R407C.

4.3.1.5.其他平安考虑

许多制冷剂的工作压力较高（房间空调器的平均工作压力超过），若是在未受控状态下排放，可能会产生危险.液体制冷剂可能飞溅,专门是溅入眼中，这是另一个要注意的地址。

碰着泄漏时，制冷剂的低温可能致使冻伤。

制冷剂的燃烧可能也是一个潜在的危险。

平安讨论

看看今天经常使用的两种制冷剂，氨（R-717）和R-22.标准34把氨列为B2级制冷剂，把R-22列为A1级制冷剂.

氨的毒性比R-22高，可是，R-22在空气环境中是气体、比空气重且无色无味。

制冷系统泄漏时会置换位置较低处的空气，不知情人员若是进入，可能致使窒息死亡。

而氨的强烈气味，从另一方面讲，却能给人员提供初期警告。

任何制冷剂在正确利历时都是平安的，而任何制冷剂的不正确利用都能造成损害。

4.3.2.可燃性

可燃性是评判制冷剂平安水平的另一个关键参数。

它是ASHRAE标准34对制冷剂平安性进行分类的第二个参数。

和毒性一样，可燃性并非像乍一看起来那么简单。

一样以为水（R-718）是不可燃的，而丙烷（R-290）是可燃的。

可是，只要条件适合，许多物质都是可燃烧的。

一种物质燃烧所需的条件也是可改变的。

纸在常温空气中与明火接触时会燃烧，当温度为233°C时即便没有明火，纸也会自燃。

标准34将制冷剂分成三个可燃级别：

●级1说明制冷剂在1大气压/21℃的空气可不能有火焰蔓延。

●级2意味着制冷剂在1大气压/21℃时最低可燃浓度大于lb/ft3且燃烧热（HOC）小于8174Btu/Lb。

●级3制冷剂是高可燃的.其在1大气压/21℃时最低可燃浓度小于lb/ft3或燃烧热（HOC）大于等于8174Btu/Lb5。

4.3.2.1.最低燃烧浓度（LFL）

一种制冷剂的LFL是在空气中会燃烧的最小均匀浓度，一样用体积浓度表示，在1大气压/25℃的环境中进行实验。

将体积浓度与*（分子量）相乘可转换成质量浓度lb/ft3。

实际的实验方式在ANSI/ASTM标准E681-85《化合物燃烧浓度限值》有详细介绍。

4.3.2.2.燃烧热（HOC）

HOC是制冷剂在空气中燃烧放出的热量。

数值为正表示放热，吸热时为负。

4.3.2.3.混合物燃烧性

关于混合物的燃烧性比较有趣。

第一，ASHRAE标准34要求混合物的每种组分是已进行分级的制冷剂。

可能混合制冷剂是1级，而一种组分是2级物质。

例如，R-32是R-407C和R-410A中的一种A2级制冷剂组份，但R-407C和R-410A却是A1级制冷剂。

制冷剂开发者将测试临界燃烧比，临界燃烧比是混合物可不能燃烧时的最大可燃组分含量。

只要制冷剂的临界燃烧比足够低，就属于1级制冷剂。

湿度、压力和温度会影响制冷剂的燃烧性。

燃烧性是在1大气压/21℃的条件下实验的，在压力和温度较高时制冷剂可能变成是可燃的。

燃烧性讨论

丙烷（R-290）用作制冷剂，在x见方的厨房中,冰箱中的丙烷充注量大约是226克。

丙烷在大气压下是一种气体，但比空气重。

若是泄漏，丙烷气体会扩散到整个空间且在较低位置浓度较高。

丙烷的最低燃烧浓度为%（对应质量浓度为ft3

可是，在靠近地板处浓度较高，若是有火星极可能引发爆炸。

如此说来燃烧性的分界点并非明显，即便是可燃制冷剂丙烷，也没必要然确实是危险的。

4.3.3.效率

在制冷剂的所有性质中,效率最让人误解和滥用。

对多数人来讲，效率即“为了取得一个固定的制冷量，我提供了多少能量或是我花了多少钱？

”。

COP=可用制冷成效/外部能量输入

系统效率越高，取得一样制冷量所需的能量越少。

问题是效率是系统而非制冷剂的性质！

制冷系统的效率由许多因素决定，其中许多和制冷剂无关。

这些因素包括电机效率、紧缩机效率（全负荷和部份负荷）、换热器设计、材料选择和运行工况等。

制冷剂对系统效率固然也会产生多方面的阻碍，包括流动性质（被泵送的容易程度）、换热性质、音速及其他。

效率讨论

效率是一个很难明白得的参数。

卡诺循环效率是最高的，但却和制冷剂无关。

理论循环可比较制冷剂的效率，但在现实世界又无法实现。

实际循环的效率却又要考虑传热传质性质及制冷系统设计。

4.3.3.1.卡诺循环

卡诺循环是一种完全可逆的理论循环。

图5表示卡诺循环。

卡诺循环的效率公式是：

COP=TR/（TO-