制冷空调前沿课件

1、制冷空调前沿 1绿色环保型制冷技术的发展概况绿色环保型制冷技术的发展概况 2. 能量分离效应及涡旋管制冷能量分离效应及涡旋管制冷 3. 制冷換热器以铝代铜的研究制冷換热器以铝代铜的研究 4. 制冷空调的节能减排制冷空调的节能减排 1 绿色环保型制冷技术的发展概况 臭氧层破坏和全球气候变暖，是当前世界所面临的主 要环境问题之一。由于制冷行业目前广泛采用的 CFCS与 HCFCS类物质对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应，从 而使全球的制冷行业面临着严峻挑战。联合国环境保护署 于 1987 年在加拿大的蒙特利尔通过了关于消耗臭氧层物 质的蒙特利尔议定书 ，规定了停止使用 CFCS类物质的时 间表，对

2、 CFCS与 HCFCS的替代已成定局。 1 绿色环保型制冷技术的发展概况 为减轻环境的污染，绿色环保的制冷技术已为世界各 国所关注。绿色环保制冷技术主要通过 3 个途径来达到： 采用各种低氟或无氟替代制冷剂取代现有的 CFCS 与 HCFCS类制冷剂。 研制新型的制冷系统。 改进制冷系统的内部结构，提高制冷效果。 1.1 CFCS与HCFCS类制冷剂的替代 传统的制冷系统使用的是 CFCS与 HCFCS类物质作为 制冷剂。 CFCS与 HCFCS类物质号称臭氧层杀手， 是破坏臭 氧层的元凶。制冷剂在制冷回路中循环，通过抽空、充注、 蒸发、压缩等工况，完成吸热和放热过程，实现制冷的目 的。而在

3、制冷剂的压缩、蒸发循环过程中，不可避免地要 造成制冷剂的逸漏，于是便造成自然环境的破坏。因此有 必要寻求可替代的制冷剂。 1.2 CFCS与HCFCS类制冷剂的替代 现有的 CFCS与 HCFCS类物质以其优越的综合性能自其 面世以来就被广泛用于制冷空调领域，目前寻找合适替代 CFCs 的环保型制冷剂还有一定困难。替代品应满足以下几 个条件： ODP（消耗臭氧层潜能）值为 0 或尽可能低； GWP（地球变暖潜能）值较低，满足环保要求； 具有良好的热力学性能，具有较高的性能系数； 化学性质稳定，且具有一定的热稳定性； 具有良好的安全性能； 具有节能效果，充注量少。 1.3 CFCS与HCFCS类

4、制冷剂的替代 目前，国际上有两条不同的技术路线，一条以美日为 代表，支持开发合成类（氟化烃 HFCs）替代物；另一条则 以德国及北欧一些国家为代表，主张采用天然制冷工质为 替代物。由于 HFCs 替代物的工作压力偏高、有温度滑移、 热力特性稍有下降、与矿物油不相溶而需更换为酯类油， 且这类替代物仍具有较高的 GWP 值，因此对系统的设计、 系统制造提出了更高的要求。而天然制冷剂（如烃类、氨 等） ，其 ODP 值和 GWP 值均为零，但有可燃性、刺激性及 毒性等安全性方面的缺陷，使其在实际生产和使用上对系 统安全性提出了更高要求。 表 1.1 列出了 21 世纪绿色环保制冷剂的应用趋势： 1.

5、4 CFCS与HCFCS类制冷剂的替代 表 1.1 21 世 纪 绿 色 环 保 制 冷 剂 的 应 用 趋 势 制 冷 用 途 原 制 冷 剂 制 冷 剂 替 代 物 家 用 和 楼 宇 空 调 系 统 HCFC-22 HFC 混 合 制 冷 剂 大 型 离 心 式 冷 水 机 组 CFC-11 CFC-12， R500 HCFC-22 HCFC-123 HFC-134a HFC 混 合 制 冷 剂 低 温 冷 冻 冷 藏 机 组 和 冷 库 CFC-12 R502， HCFC-22 NH3 HFC-134a HFC 或 HCFC 混 合 制 冷 ， HCFC-22， NH3 冰 箱 冷 柜

6、 、 汽 车 空 调 CFC-12 HFC-134a HCS及 其 混 合 物 制 冷 剂 HCFC 混 合 制 冷 CO2 1.4.1 HFCs类纯工质和由几种HFCs组成的混合工质 这类制冷工质中不含氯元素，因此对臭氧层没有破坏， 且它们的热力性质与 CFCS十分相近，具有良好的热力学性 能，但它们有一个致命的缺点，即 GWP 值较高。 在 HFCs 纯工质中目前发展最快的是 R134a。R134a 早 期是由美国杜邦公司研究开发的，它与 R12 具有较相似的 热物性，其 ODP 值为 0，GWP 值仅 0.29，且无明显毒性(长 期慢性毒性试验仍在进行中)。在发达国家，R134a 已经被

7、 大批量的生产，而且被广泛的应用于空调及离心式冷水机 组中，已取得了一定的经济效益和社会效益。 1.4.2 HFCs类纯工质和由几种HFCs组成的混合工质 R134a 作为制冷剂尚存在一些需改进的问题： 与油的相溶性差，需要采用特殊的润滑剂与之匹 配； 对橡胶配管渗透性很强，使用时需对橡胶管材料进 行改进，以防止其渗透； R134a 易发生水解反应， 极小的湿度都会使之水解， 因此要设法保持制冷循环系统的干燥。 1.4.3 HFCs类纯工质和由几种HFCs组成的混合工质 对空调理论循环模拟的结果证明， 任何 HFCs 纯工质的 性能系数 COP 和单位容积制冷量 Q 都不如 R22，专家们又

8、考虑使用 HFCs 的混合物作为替代工质，其中 R407c 和 R410a 使用比较广泛。 R407c R407c 是三元非共沸混合物制冷剂，由 HFC-32、 HFC-125、 HFC-134a 按质量百分比 232552 比例配制而 成。它的热物性与 R22 相似，是 R22 的良好替代物。 R410a R410a 是二元非共沸混合物制冷剂，由 HFC-32、 HFC-125 按质量百分比 5050 比例配制而成。 1.4.4 HFCs类纯工质和由几种HFCs组成的混合工质 表 1.2 R407c、R410a 与 R22 的性能比较 R407c R410a R22 成分 HFC32/125

9、/134a HFC32/125 HCFC-22 混合比例 23/23/52 50/50 100 分子量 86.20 72.59 86.47 沸点 -43.6 -51.6 -40.8 凝固点 -115 -130 -160 临界温度 85.62 71.47 96.15 临界压力 MPa 4.613 4.923 4.99 临界密度 kg/ m3 495 486 513 饱和液体密度 kg/ m3 1136 1061 1191 饱和蒸汽密度 kg/ m3 0.0229 0.0153 0.0225 1.4.5 HFCs类纯工质和由几种HFCs组成的混合工质 饱和液粘度 mPa*s 0.164 0.178

10、 0.178 常压蒸汽粘度 mPa*s 0.0128 0.0132 0.0128 饱和液比热 KJ/Kg*K 1.554 1.711 1.256 常压蒸汽比热 KJ/Kg*K 0.835 0.818 0.662 蒸发潜热 KJ/Kg 250.3 274.8 233.5 饱和液热传导率 W/m*K 0.0863 0.0801 0.0869 常 压 蒸 汽 热 传 导 率 W/m*K 0.0131 0.0128 0.0113 允许浓度 ppm 1000 1000 1000 可燃性 不燃 不燃 不燃 毒性 无 无 无 GWP 1500 1700 1700 COP 比率 0.931.0 0.951.0

11、5 1 1.4.6 HFCs类纯工质和由几种HFCs组成的混合工质 容积制冷量比（与 R22） 0.97 0.92 1 与矿物油相溶性 不相溶 不相溶 相溶 蒸发压力 KPa 499 804 498 冷凝压力 KPa 2112 3061 1943 温度滑移 43 0.07 0 排气温度 67.4 72.5 70.3 制冷能力 KJ/ m3 2947 4190 3010 制冷 COP 3.94 3.69 4.14 制热能力 KJ/ m3 3762 5326 3737 制热 COP 5.03 4.69 5.14 循环条件：蒸发温度 0，冷凝温度 50，过冷、过热度 0 。 1.4.7 HFCs类纯

12、工质和由几种HFCs组成的混合工质 从近十年替代物的发展看，无论从理论上还是实践上， 很难找到一种完全理想的替代物（ODP=0，GWP100，高 效，安全，与价格低廉的高润滑性的油互溶等等） ，每一种 各有优缺点。不同国家和地区，对不同类型的设备，往往采 用不同的替代物，美国和日本对于家用空调器，倾向于 R410a，对大中型制冷空调倾向于 R407c；欧共体则均倾向 于 R407c。 对其它的 HFCs 混合工质的开发也取得了很大的发展， 如：采用共沸工质 HFC134a/HFC152a 代替 R12 作为电冰箱 制冷剂的研究就取得了可喜的成绩。 因此我们有理由相信 HFCs 类纯工质和由 H

13、FCs 所组成 的混合工质作为环保性制冷剂将有着广阔的发展前景， 估计 将来它们在环保型制冷剂中能占有一席之地。 2.1. 采用天然物质作为制冷剂 这类物质取自自然，长期实践证明它们对自然界生态 没有破坏，它们的 ODP 值为 0，也不必担心它们的温室效 应。这类物质大体上可分为两类：一类是 HCS类物质，如 丙烷，环丙烷，异丁烷（R600a）等；另一类是各种天然无 机物，如水，NH3，空气，CO2等，下面对一些自然工质的 性质逐一讨论分析。 -1 丙烷 丙烷作为制冷工质已使用多年，尤其适用于石油化工 工业中。其优点在于： 传热性能比氟里昂要好； 充注量比氟里昂减少将近一半； 与矿物油能相互溶

14、解； 潜热较大。 因而对于一定活塞排量的压缩机而言，应用丙烷时， 其制冷量要大一些。目前丙烷的应用之一就是在家用空调 中替代 R22，所以在这里将丙烷与 R22 的物性参数作一比 较： -2 丙烷 表 1.3 丙烷与 R22 的基本物性对比 制冷剂 R22 丙烷 标准沸点 40.78 42.07 凝固点 -160 -187.70 临界压力 MPa 4.974 4.254 临界温度 96.2 96.8 分子量 86.47 44.09 ODP 值 0.055 0 GWP 值 0.34 0 燃烧范围 不燃 2.29.5（体 积） 毒性 无 无 安全级别 A1 A3 从上表可以看出，尽管丙烷具有可燃性

15、，但其主要物 理性质与 R22 极其相近。 此外， 丙烷的环境有害系数为零， 对人体的毒性也接近于零，所以丙烷具备替代 R22 的基本 条件。因此，丙烷很可能成为将来在家用空调中广泛应用 的环保型制冷剂，HCS类物质也将有可能成为环保型制冷 剂家族中的重要成员。 丙烷丁烷混合物 非共沸物 R290/R600 的热物性与 R12 相似，它的 ODP 及 GWP 值均为 0。Bodio 等人在家用冰箱上作了长达五年 的试验，结果表明，除温控器及节流阀需要调整外，其他 部件不需改动，可使用普通润滑油。R290/R600 易燃，但家 用冰箱注入量很少，使用时一般没有危险。 NH3制冷剂 该制冷剂是一种

16、传统工质， 已被广泛使用了多年， 且至 今仍是许多国家大型工业系统中的首选工质。它的优点在 于： ODP=0，GWP=0； 易于获得，价格低廉； 能效高、传热性能好，具有较好的热力学性质和热 物理性质，属于中温制冷剂； 在常温和普通低温范围内压比比较适中（冷凝压力 一般为 0.981MPa，蒸发压力一般为 0.098-0.49MPa） ； 单位容积制冷量较 CFC-12、HCFC-22 大； 制冷系数高，放热系数大，故相同温度及相同制冷 量时，氨压缩机尺寸最小。适应范围广，相变潜热大； 易检漏。 -1 NH3制冷剂 缺点在于： 少量与空气混合后，有害人体； 与润滑油、铜及其合金不相容； 排气压

17、力较高； 可燃。 -2 NH3制冷剂 在氟里昂时代快要过去的时候，氨制冷剂已成为很多 场合的优先选择。但为了更好地使用氨制冷剂，必须认真 地解决好以下问题： 要推广新型的蒸气压缩式制冷机的设计、制造和应 用技术，开发新型的封闭式氨制冷专用电动机。 因为氨与油不相溶， 所以溶油性问题是氨制冷系统 的重要问题之一。目前已发明和开发了氨制冷机专用润滑 油，该油可以溶解于氨液中，并且具有在高温环境下长期 工作的化学稳定性，这样就有效地避免了氨制冷剂自身的 缺陷。 对于氨系统，材料选择、加工制造、使用维护和状 态检测等都要注意应力裂缝的腐蚀， 以保证系统的可靠性。 -NH3 制冷剂 研制良好的密封装置，

18、减少氨的泄漏，同时进行严格 的试压试漏检测。 优化系统构成，布置好工艺流程，针对不同的使用对 象，灵活机动地进行机器设备、控制系统、安全保护装置 等的配置。 综合看来， NH3制冷剂将会有更广阔的使用前景， 会占 据更大的市场份额。 CO2 物性及应用 CO2在二十世纪初曾经广泛地应用于空调及船舶的制 冷系统中，直到二十世纪中期，在船舶制冷系统中仍占统 治地位。CO2的缺点是在工作温度下的压力特别高（常温 下达到 8MPa） ，这样就使得在当时的技术条件下，设备非 常庞大笨重。自从出现了热力学性能优越的 CFCS制冷剂， CO2基本上退出了制冷界。 但近几年来，随着人们环保意识的不断增强，更由

19、于 CFCS与 HCFCS对大气臭氧层的破坏作用以及温室效应， 人们不得不重新考虑在更广泛的范围内使用自然工质 HCS，但是 HCS的缺点是易燃烧，在这种情况下，CO2因 其 ODP=0，GWP 较小，以及自身良好的热物理性能越来 越受到人们的青睐。 -1 CO2制冷剂 与 CFCS相比，使用 CO2 作制冷剂有如下的优缺点。 优点： 来源广泛， 容易获取 （可直接从自然环境中获得或 从工业废气中获得） ，价格低廉； 不燃烧， 不爆炸， 无毒， 无刺激性， 环境性能优良； 维护简单， 无需循环利用， 操作运行的费用也较低； 化学稳定性好， 对常用材料没有腐蚀性。 不过 CO2 与水混合时呈弱酸

20、性，可腐蚀碳钢等普通金属，但不腐蚀 不锈钢和铜类金属。当输送的 CO2比较干燥（含水率小于 8ppm）时，可采用普通的碳素钢； -2 CO2制冷剂 高的工作压力使得压缩机吸气比容较小，单位容积 制冷量大，有利于减小装置体积。流动和传热性能提高， 减少了管道和热交换器的尺寸，从而使系统非常紧凑； CO2压缩机的压比较低（2.53.5） ，接近最佳经济 水平； 等熵效率比 CFCS系统高得多； 运动粘度低； 能完全适应各种润滑油和常用机器零部件。 -3 CO2制冷剂 缺点： 不能维持生命，如果浓度过高，会引起人的呼吸器 官的损害，甚至窒息死亡； 高的临界压力和低的临界温度； 无论亚临界循环还是跨临

21、界循环，CO2制冷系统的 运行压力都将高于传统的制冷空调系统，给系统及部件的 设计带来许多难度； 现阶段 CO2制冷系统的效率还相对较低。 -4 CO2制冷剂 CO2的临界温度接近环境温度，根据循环的外部条件， 可实现三种循环。 亚临界制冷循环：早期的 CO2制冷循环多为亚临界 循环，目前的复叠制冷循环中也有运用。CO2亚临界制冷循 环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环完全一样。 跨临界制冷循环：在目前研究的 CO2汽车空调中， 采用的基本上是这种方式。其流程与普通的蒸汽压缩式制冷 循环略有不同。这是目前研究中最热门的循环方式。这样既 避免了亚临界循环条件下热源温度过高而致使系统性能下 降，又由

22、于流体在超临界条件下的特殊物理性质使它在流动 和换热方面具有极大的优势。 -5 CO2制冷剂 超临界循环：CO2超临界循环与普通的蒸汽压缩式 制冷循环完全不同，所有的循环都在临界点以上，工质的 循环过程没有相变。 因为 CO2具有较高的临界压力和低的临界温度，故采 用 CO2的设备通常要在超临界区运行。在超临界区，没有 相变，压力和温度是相互独立的参数，这与传统的冷凝器 不同。 在目前正在研究的 CO2汽车空调中，基本上都是采用 跨临界制冷循环方式，这样避免了亚临界循环条件下热源 温度过高而导致系统性能下降，而且由于流体在超临界条 件下的特殊热物理性质使它在流动和换热方面都具有无与 伦比的优势

23、。而完全超临界的循环，只有在原子能发电时 采用，制冷空调应用中则不采用该循环方式。 -6 CO2制冷剂 目前 CO2主要应用于以下三个方面： 应用在汽车空调系统中 在该系统中 CO2的跨临界循环， 充分利用了 CO2饱和压 力高，良好的热力性能及单位容积制冷量较大等优点，使系 统具有性能好，结构紧凑以及良好的环保性能等优点。当然 也有系统的工作压力较高等缺点，但通过对系统循环参数及 各部件之间的优化设计，可以解决上述缺点，确保系统性能 的稳定可靠。1996 年，德国 Kassel 大学制造的，第一台公共 汽车空调样机在车上通过现场试验且运行良好，在综合考虑 了重量、安全性、可靠性、紧密性、系统

24、性能和制冷效率等 因素之后，他们认为 CO2跨临界循环系统将是 21 世纪汽车 空调中唯一可选的可靠系统。 -7 CO2制冷剂 热泵中的应用 以水或盐水为热源的热泵系统中， CO2循环在跨临界条 件下运行，CO2在气体冷却器中有较大的温度变化，适于水 的加热，使得热泵的效率较高。 挪威 SINTEF 研究所对热 泵的特性、 系统设计进行了理论与实验研究， 表明 CO2跨临 界循环不仅具有高供热系数，而且系统紧凑，产生的热水温 度高，在工业和民用两方面都具有相当大的发展潜力。当用 环境空气作热源，井水温度为 8，热水温度为 60时，该 系统的 COP 值高达 4.3， 其能量消耗比电或燃气系统降

25、低了 75%，当热水温度为 80时，COP 值为 3.6。 -8 CO2制冷剂 在复叠式制冷系统中的应用 在该制冷系统中，CO2用作低压级制冷剂，高压级则用 NH3或 R134a 作制冷剂， CO2循环在亚临界条件下运行。 与 其他低压制冷剂比，CO2的粘度很小，传热性能良好，因为 利用潜热，其制冷能力相当大。目前欧洲已将此系统安装 于超市中，据调查表明运行情况在技术上是可行的。 -9 CO2制冷剂 在 CO2用于各个领域的研究结果表明，跨临界 CO2制冷 循环在热泵、空调、商用制冷装置、食品冷藏冷冻、洗衣机 干燥器等方面的应用前景很好，性能都相当于与原来采用 R22 或 R12 或 R134

26、a 的制冷装置， 跨临界 CO2制冷循环特别 适合于需要大的温度变化的场合，而且在较低的蒸发温度下 性能较好。 对于CO2制冷系统的安全性相关的研究有待于进一步加 强。一方面要保证高压安全性，另一方面要加强研究 CO2和 润滑油的相互作用以及CO2与橡胶的渗透作用和爆发性解压 作用，避免泄漏，提高安全性。 -1 空气制冷剂 空气是人类最清洁的资源，以空气作为制冷剂不会对 自然界造成任何危害，单就环保方面而言，应该是最理想 的制冷剂。 在一般情况下，由于空气压缩过程的多变指数较高， 相同压比下耗功较大，而且在相同的工况下压比大，传热 温差大，不可逆损失相应增大，故空气制冷循环效率比较 低，但是随

27、着透平机械的发展和回热技术的应用，空气制 冷机重新出现在制冷领域， 当制取-70-90的低温时， 定 压回热空气制冷机的经济性比较高。 -2 空气制冷剂 进入 90 年代以来，先后有美国、澳大利亚、德国、日 本、英国进行了空气制冷装置和技术的研究及试验，涉及 住宅、列车空调、食品冷冻和冷藏等几乎所有的制冷技术 应用领域。英国开发了用于火车车厢空调的空气制冷装置。 美国设计了用于住宅和商业建筑空调的空气封闭循环制冷 装置样机。日本设计和试验了用于制取冷冻水或制冰的封 闭式空气制冷装置，并配备了热回收装置。我国则将空气 制冷的研究和应用限于低温环境试验装置和橡胶的低温粉 碎。 -3 空气制冷剂 要

28、扩大空气制冷装置的应用范围，特别是用于冷藏汽 车和集装箱运输的制冷，必须使空气制冷装置小型化，即 在小型化透平膨胀机和透平压缩机的基础上优化制冷装置 的结构。在飞机的空调系统中，喷气式发动机既作为原动 机，又作为空气压缩机，使装置得到了简化；在具有二级 压缩、中间冷却的空气制冷装置中，将二级压缩机和膨胀 机做成一体装置，膨胀机作为压缩机的动力，也缩小了空 气制冷装置的尺寸。 2.2.1 CFCS与HCFCS类制冷剂的替代 表 1.4 ODP 为零的制冷剂的优缺点 制冷剂 优点 缺点 HFCS 系统效率高，GWP 值适中，无毒，不 燃，热力性质优良 （系统已商业化） 大部分还有中等 GWP 值

29、HCS GWP 值很低， 系统 效率高，热力性质 优良（系统已商业 化） 易燃，混合物很难 优化 2.2.2 CFCS与HCFCS类制冷剂的替代 NH3 GWP 值为零，热力 性质优良（系统已 商业化） 有毒，某些条件下 可燃，材料不相容 CO2 GWP1，无毒，不 燃，性质众所周知 工作压力非常高， 系统效率低，装置 成本高 H2O GWP 可忽略不计， 无毒，不燃，系统 效率高（已商业化） 吸气压力低，容积 流量大（需大容量 压缩机） ，压缩机成 本高 2.2.3 21世纪绿色环保制冷剂的展望 对 HFCS系列制冷剂的研究虽有很大进展，问题仍然很 多： 工作压力偏高； 有温度滑移； 热力特性稍有下降； 与矿物油不相溶而需更换为酯类油； 与现有的压缩机的匹配问题， 对系统的设计、系统制 造提出了更高的要求； 具有较高的 GWP 值，不能无限制的排放； 价格普遍偏高； 对环境的长期作用还不能保证安全性，对环境有无 其它副作用尚不得而知，相关问题还处于研究中。 同时要加强氟烃类产品的回收和再利用技术的研究，所 以 HFCS系列制冷剂也只是一种过渡替代物