制冷与空调 制冷剂与载冷剂

制冷与空调

制冷剂和载冷剂彭榕北京航空航天大学能源与动力工程学院pengrong@冷系统原理图冷却水冷冻水冷媒冷凝器主机膨胀阀压缩机蒸发器冷却塔空调末端空调制冷系统流程示意图低温低压气体7℃12℃32℃37℃高温高压气体低温高压液体低温低压液体中央空调的基本组成风机盘管送风回风冷冻水新风冷冻水回风风管风机盘管中央空调系统的风道制冷剂的种类和要求制冷剂：是制冷机中的工作流体，它是制冷系统中为实现制冷循环的工作介质，也称为制冷工质，或简称工质。空调机的循环系统空调主机循环体统蒸发器冷却水系统膨胀阀/泵冷凝器压缩机水处理设备的安装部位冷却水/热媒水系统冷却塔中央空调主机制冷剂循环系统

在正常大气压力条件（760毫米汞柱）下，是要达到100℃才沸腾蒸发，而在低于大气压力（即真空）环境下，水可以在温度很低时沸腾。中央空调主机里可以制造6毫米汞柱的真空条件，水的沸点只有4℃。

溴化锂溶液就可以创造这种真空条件，因为溴化锂(LiBr)是一种吸水性极强的盐类物质，可以连续不断地将周围的水蒸汽吸收过来，维持容器中的真空度。

制冷剂的发展史

蒸气制冷机中的制冷剂从低温热源中吸取热量，在低温下气化，再在高温下凝结，向高温热源排放热量。因此，只有在工作温度范围内能够气化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。乙醚1834年查尔斯·泰勒（CharlesTellier)二甲基乙醚

拉乌尔·皮克特（RaulPictel）SO2

1874年混合制冷剂二十世纪五六十年代

卡特·林德（CarlLinde)NH3

1870年

威德豪森（Windhausen）CO2

1866年

汤姆斯·米杰里（ThomasMidgley）卤代烃1929-1930年

制冷剂的历史：1834年，美国人Perkins使用乙醚为工质的蒸气压缩装置，并获得英国专利（6662号）1886年二氧化碳专用压缩机设计成功1869年氨制冷剂在美国开始应用1875年二氧化硫制冷剂开始应用1930年氟利昂被发现并开始应用氟利昂对臭氧层的作用20世纪70年代初，Lovelock在南极试验船上发现CCl3F(R11)在大气层中基本不分解美国加利福利亚大学的Molina和Rowland从1972年开始对CFCs对大气层的影响开始研究，1974年在Nature杂志发表了CFCs中的氯离子对大气臭氧层的破坏作用论文，该研究成果被授予1995年诺贝尔奖。保护臭氧层的国际协定1985年在联合国环境规划署推动下20多个国家签署了《维也纳公约》1987年，在《维也纳公约》的基础上制定《蒙特利尔议定书》，1989年1月生效我国已经正式加入《蒙特利尔协议》，在2030年以前全部淘汰ODS物质（OzoneDepletionSubstance,ODS）《蒙特利尔议定书》

1．对CFCs，包括CFC11、CFCl2，CFCll3、CFCll4、CFCll5等氯氟烃物质：（1）对发达国家，规定从1996年1月1日起完全停止生产与消费；（2）对发展中国家（CFCs人均消耗量小于0.3kg/年），最后停用的日期是2010年。2．对HCFCs，包括HCHC22、HCFCl42b、HCFCl23等：（1）对发达国家，从1996年起冻结生产量，2004年开始削减，至2020年完全停用；（2）对发展中国家，从2016年开始冻结生产量，2040年完全停用。

制冷剂的三原筛选法通则安全性环境可接受性装置适用性

制冷剂的选择原则安全方面：毒性和可燃性环境方面：臭氧层破坏、温室和光雾效应直接灌充：溶油性、材料兼容和容积冷量热工参数：蒸发压力、冷凝压力等循环性能：性能系数、单位质量制冷量价格方面：制造成本低、生产工艺简单制冷剂的替代发展方向欧洲国家主张采用碳氢化合物等生态系统中现有的天然物质美国和日本主张采用HFCs等人工合成制冷剂制冷剂的命名规则

制冷剂的代号最早是针对氟里昂而规定的，目前世界上通用的是美国供暖制冷工程协会于1967年制定的标准(ASHRAEStandard34-67)中的规定。这一标准的编号方法是将制冷剂的代号同它的种属和化学构成联系起来，只要知道它的化学分子式，就可以写出它的代号。代号是由字母“R”和其后边的数字组成的。R代表制冷剂（制冷介质）“Refrigerant”,以前F代表氟里昂“Freon”，目前都用国际公认的R命名制冷剂。制冷剂的分类和命名制冷剂的分类（1）无机物制冷剂。如NH3、CO2和H2O等。（2）卤代烃制冷剂（氟利昂）。如R12、R134a、R22、R11、R123等。（3）碳氢化合物制冷剂。如甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、乙烯、丙烯等。（4）环烷烃的卤代物、链烯烃的卤代物也可作制冷剂使用，如八氟环丁烷，二氟二氯乙烯等。（5）共沸制冷剂。如R500，R502、R507等。（6）非共沸制冷剂。如R400，R402、R407等。制冷剂的命名规则（1）无机化合物类制冷剂

如氨命名为：R717（分子式NH3）水命名为：R718（分子式H2O）二氧化碳：R744（分子式CO2）

“7”代表无机化合物类，17，18，44为其分子量的整数部分。制冷剂的命名规则（2）氟里昂制冷剂

氟里昂是饱和碳氢化合物（烷族）的卤族元素的衍生物的总称

饱和碳氢化合物的分子式是：CmH2m+2，当H2m+2被氟、氯或溴等部分或全部取代后，所得的衍生物就是CmHnFxClyBrz，这就是氟里昂的分子通式，且n+x+y+z=2m+2。

对于甲烷系，因为m=1，所以n+x+y+z=4

对于乙烷系，因为m=2，所以n+x+y+z=6

氟里昂的代号是由R(m-1)(n+1)(x)B(z)组成的。如果z=0，则B可以省略，例如：

二氟一氯甲烷，分子式为CHF2Cl，m-1=0,n+1=2,x=2,z=0，因而代号为R22。

二氟二氯甲烷，分子式为CF2Cl2，m-1=0,n+1=1,x=2,z=0，因而代号为R12。制冷剂的命名规则（3）饱和碳氢化合物

代号的编号规则与氟里昂相同，

如：甲烷为R50

乙烷为R170

丙烷为R290

但丁烷不按上述规则书写，而写成为R600。

另外，如果属于同素异构物，在代号后边加字母“a”或在个位数上加一个数字，如：异二氟乙烷为R152a，异丁烷为R601等。制冷剂的命名规则

（4）环状化合物

环状有机化合物在R后边加上一个字母“C”，然后按氟里昂的编号规则书写，

如：六氟二氯环丁烷写作RC316

八氟环丁烷写作RC318等。制冷剂的命名规则（5）非饱和碳氢化合物及它们的卤族元素衍生物

这一类制冷剂在R后边先写一个“1”，然后按氟里昂的编号规则书写。

如：乙烯为R1150

丙烯为R1270

二氟二氯乙烯为R1112a等。制冷剂的命名规则（6）共沸制冷剂

由两种或两种以上互溶的单一制冷剂在常温下按一定比例混合而成，它的性质与单一制冷剂的性质一样，在恒定的压力下具有恒定的蒸发温度，且气相和液相的组份液相同。

共沸制冷剂在标准中规定在R后边的第一个数字为“5”，其后边的两位数字按实用的先后次序编号。

如:R500、R501、R502……R507制冷剂的命名规则（7）非共沸制冷剂

由两种或两种以上相互不形成共沸溶液的单一制冷剂混合而成的溶液，溶液被加热时，在一定的蒸发压力下，较易挥发的组份蒸发的比例大，难挥发的组份蒸发的比例小，因之，气、液两相的组成不相同，且制冷剂在蒸发过程中温度是变化的，在冷凝过程中也有类似的特性。

在制冷剂编号标准对非共沸制冷剂还未加以编号，只是留出R后边的400号的编号顺序，供增补编号使用。如:R400、R401、R402、…R411常用的替代制冷剂楼宇空调：R407C、R410A等替代R22冷水机组：R123、R134a等替代R11、R12或R500、R22低温冷库：R134a、NH3等替代R12、R22冰箱冷柜、汽车空调：R134a等替代R12CFCs的替代物国内外提出的CFCs替代物一般由低公害纯工质组成共沸、近共沸或非共沸混合工质，来满足各种不同设备对制冷剂工质特定性能的要求，达到对环境影响小、改善溶油性、抑制燃烧和提高能效比等目的。制冷剂的分类制冷剂按常温下冷凝压力的大小和在大气压力下蒸发温度的高低，可分成三大类：（1）低压高温制冷剂蒸发温度高于0℃，冷凝压力低于29.41995×104Pa（2）中压中温制冷剂蒸发温度-50~0℃，冷凝压力（196.113~29.41995）×104Pa（3）高压低温制冷剂蒸发温度低于-50℃，冷凝压力高于196.133×104Pa自然工质氨，R717，性能优异空气制冷循环使用空气作为工质，可以获得0~-100度大范围可调的温度（压缩制冷）水作为制冷剂的吸收式制冷机组二氧化碳制冷剂，被称为21世纪最具前景工质R290（丙烷）、R600a（异丁烷）、R120丙烯常用和新型的制冷剂氨：

它在蒸发器中的蒸发压力一般为0.098-0.491Mpa，在冷凝器内的冷凝压力一般为0.981-1.570MPa，标准蒸发温度为-33.4℃，凝固温度为-77.9℃。氨具有较好的热力学性质和热物理性质，单位容积制冷量大，粘性小，流动阻力小，传热性能好。此外，氨的价格低廉，又易于获得。氨的主要缺点是对人体有较大的毒性，也有一定的可燃性。氨的压缩终温较高。氨在矿物油中的溶解度很小。纯氨不腐蚀钢铁。氨能以任意比例与水相互溶解。氨的检漏方法：从刺激性气味很容易发现系统漏氨；可以用石芯试纸或酚酞试纸化学检漏。

二氧化碳制冷剂的优点1.环境性优良，自然界存在的物质2.经济性能好，在大气中大量存在3.化学性能好，化学性质稳定，对金属无腐蚀4.完全无毒不可燃5.热物理性质优良，蒸发潜热大，单位容积制冷量高，氨的1.58倍，R22的5.12倍，R12的8.25倍亚临界循环或跨临界循环方式二氧化碳制冷技术应用领域1.汽车空调系统，结构紧凑2.热泵型热水器，被称为“生态精灵”3.重叠式制冷，二氧化碳低温黏度小，传热性能优异二氧化碳制冷系统的高压及跨临界循环等特点使得其主要设备与传统的制冷系统相差很大，需要开发与之配套的压缩机、换热器、膨胀机等设备。二氧化碳制冷系统压缩机：入口压力可达3.5~4.5MPa出口压力8~12MPa，压比2.5~3.5，常规3.5~4.5单位容积制冷量大（22600kJ/m3）活塞式、斜盘式、涡旋式，分别有开式和闭式与R12压缩机比较，重量轻30%~40%制冷剂的可燃性及安全性问题危险性指标—RF数泄漏的计算和测试方法结构阻燃性能溴化锂水溶液的性质

水特点：便宜，安全，气化潜热大，常压下蒸发温度高（100℃），常温下饱和压力低，0℃以下结冰。溴化锂属盐类，融点549℃,沸点高（1265℃,不挥发），易溶于水，性质稳定。溴化锂水溶液

1．无色、咸味、无毒。

2．溶解度（质量浓度）随温度降低而降低。不宜超过66%，防止结晶。

3．水蒸气分压力（=溶液蒸气总压力）很低。①具有吸收温度比它低的水蒸气的能力；同温度下，溶液蒸气分压力远低于纯水饱和蒸汽压。②溶液中的蒸气处于过热状态。同压力下，溶液蒸气温度高于纯水饱和温度。溴化锂-水溶液性质溴化锂-水溶液性质溴化锂水溶液4．密度大于水。5．比热容小,热力系数大。6．粘度大，表面张力大。7．导热系数随浓度增大而降低；随温度升高而增加。对黑色金属和紫铜等材料腐蚀性强烈。

计算公式溶液的饱和温度，定压比热，密度，质量浓度，导热率，动力粘度，表面张力。

溴化锂-水溶液的密度溴化锂-水溶液的比热容溴化锂-水溶液的动力粘度溴化锂-水溶液的表面张力溴化锂-水溶液的导热系数溴化锂吸收式制冷机原理

工作原理与循环1）原理：溶液中水蒸气分压力很低，具有吸收纯水的水蒸气的能力。使纯水蒸发吸热。为使吸热连续进行，设置发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、节流阀、溶液泵、溶液热交换器等设备组成溴化锂吸收式制冷机。吸收制冷的原理吸收式制冷循环系统节流阀冷凝器发生器工作蒸汽吸收器冷却水蒸发器调压阀单效溴化锂吸收式制冷机工作过程组成热源回路冷却水回路冷媒水回路冷剂水回路溶液回路溴化锂吸收式制冷机的系统A-发生器B-冷凝器C,F-节流阀D-蒸发器E-吸收器G-溶液热交换器H-泵载冷剂直接冷却系统间接冷却系统：被冷却物体的热量是通过载冷剂传给制冷剂中央空调水系统中央空调水系统工作原理载冷剂的特性优点：（1）减小制冷机系统的容积及制冷剂的充灌量；（2）热容量大，被冷却对象的温度易于保持稳定，蓄冷能力大；（3）便于机组的运行管理，便于安装。缺点：（1）增加了动力消耗及设备费用；（2）加大了被冷却物与制冷剂之间的传热温差，需要较低的制冷机蒸发温度，总的传热不可逆损失增大。载冷剂的要求载冷剂在工作温度下应处于液体状态；其凝固温度应低于工作温度，沸点应高于工作温度。热容要大。密度小。粘度小；化学的稳定性好。对设备和管道无腐蚀。载冷剂应不燃烧、爆炸、无毒，对人体无害。价格便宜，容易获得。常用的载冷剂的性质

常用的载冷剂是水、无机盐水溶液或有机物液体。它们适用于不同的载冷温度。各种载冷剂能够载冷的最低温度受其凝固点的限制。1．水水可以用于蒸发温度高于0℃的制冷装置中的载冷剂。由于水价格便宜、易于获得、传热性能好，因此在空调装置及某些0℃以上的冷却过程中广泛地用作载冷剂。水的缺点是只适合于载冷温度在0℃以上的使用场合。2．无机盐水溶液

盐水，如氯化钙、氯化钠、氯化镁等的水溶液。无机盐水溶液有较低的凝固温度，适合于在中、低温制冷装置中载冷。它的主要缺点是对一些金属材料有腐蚀作用。盐水溶液的相图（T—ξ图）盐水溶液的密度和比热容都比较大，因此，传递一定的冷量所需盐水溶液的体积循环量较小。盐水溶液具有腐蚀性，尤其是略呈酸性且与空气相接触的稀盐溶液对金属材料的腐蚀性很强。为此需要采取一定的缓蚀措施。如在盐水溶液中添加缓蚀剂，使溶液呈中性（pH值调整到7.0~8.5）。缓蚀剂通常采用二水重铬酸钠（Na2Cr2O7·2H2O）和氢氧化钠（NaOH）。通常是在每1m3氯化钙溶液里加1.6kg的重铬酸钠和0.432kg的氢氧化钠；在每1m3氯化钠溶液里加3.2kg的重铬酸钠和0.862kg的氢氧化钠。磁化水处理设备的作用机理内容提要水处理工艺的必要性各种水处理方法效果与费用比较水的磁化效果概述TL-系列电子水处理设备简介循环水，水处理的必要性节水（略）防垢、除垢（节能）防腐改善产品改善环境（略）

结垢厚度热量的损耗0.5MM

90%1MM

20-40%2.5MM95%循环水，水处理的必要性

1、节电：1毫米的水垢将使机组制冷量降低20%-40%，同时使冷凝器压力升高，导致电机负荷增加，多消耗电能20%-30%，若机组容量为100万大卡，设备能效比为3.2，平均负荷80%，一年运行10个月共5000小时，则一年需多耗电：100×80%×3.2×5000×(10-30)%＝12.8-38.4万度，以每年度电0.8元计，每年浪费的电费有10.24-30.72万元。(溴化锂机组浪费的是燃料费)

2、延长机组使用寿命：降低设备折旧费中央空调机组各主要部件的耐用年限略有不同，实验表明，新机组经预防处理后，设备耐用年限平均延长一倍，中途进行水处理，设备耐用年限平均延长40%左右，如果一套中央空调机组价格为150万，未经水处理时机组耐用年限约为7年左右，则平均每年设备折旧费约为21万，经RJ水处理后，耐用年限可延长3年左右，则平均每年折旧费约15万，相当于每年减少设备费6万元。

3、保证机组