《空气冷凝器系统应用（论文）》

引言节能和空气环保问题是目前冷凝器研发人员最关心的问题之一，臭氧层的不断破坏，气候的逐渐变暖，以及近几年来各个国家均出现的异常天气现象，更是让人们担忧。我们日常生活中用到的制冷产品中所使用的冷凝器大多数为HCFCs和CFCs类冷凝剂，对臭氧层有严重破坏，也会造成严重的温室效应，因此，很多专家学者们纷纷展开了替代冷凝器的研究，越来越多的新型冷凝器也已应用于制冷行业中。但是，仍存着各种问题，如冷凝器的GWP值较高，有较高的可燃性，较大温度滑移等问题。尽管如此，传统冷凝器在碳氢类节能冷凝器时也面临这挑战与机会，时代在发展，科学在进步，各行各业随着时代的进步也要做出相应的改变。提升冷凝器的环境效应和防爆性能，还有降低灌注量等成了冷凝器发展的新挑战。本文首先对目前冷凝器的类型、主要性质以及使用原则进行分析总结。以及对现有空气冷凝器应用中存在的问题进行对比分析，从温室效应，对臭氧层的保护，研发技术等因素归纳造成新型碳氢类冷凝器难以广泛使用的原因，分析出新型碳氢类冷凝器应用现状，归纳并提出碳氢类冷凝器在未来的节能化发展趋势。2冷凝器简介2.1冷凝器的分类冷凝器是目前制冷系统节能的研究热点，它的工作原理主要是通过自身的性质，在整个制冷系统中不断进行循环时，发生的各种状态变化来实现制冷效果。例如当冷凝器在空调制冷系统内时，通过冷凝器吸收被蒸发的冷却水、空气等介质的全部热量，从而发生冷凝器液体的汽化，而在制冷系统中会把自身的全部热量直接传递出去给周围的空气、水等物质，从而最终实现冷凝过程。按其化学组成可以分为：单一的固体冷凝器和混合单一冷凝器。一个制冷装置的最终制冷效果、是否使其具有一定的经济性、其安全系统的运行过程都与其冷凝器的各种性质直接相关，所以在我们进行对冷凝器的科学研究时，对于冷凝器的各种有关特质的正确了解和掌握是必不可少的。2.2冷凝器的主要性质（1）环境影响我们常见的冷凝剂对于环境的危害和影响因素主要分为两个指标。一是对于大气臭氧层的严重破坏程度，即ODP（臭氧衰减指数）的大小来计算表示冷凝剂对于环境的破坏和危害的严重程度。另一个指标是造成臭氧温室的效应，用臭氧温室效应指数规定GWP（温室指数）的大小数值来计算表冷凝剂示对于温室效应的影响程度。通常以R11规定为ODP和GWP值为1，作为一个基准，其他常用冷凝剂的ODP和GWP值也就是它们相对于R11的一个比较值。例如大部分HFCs冷凝剂GWP值大于1000，而碳氢类天然冷凝剂GWP值较低，ODP值为0，是比较节能的替代冷凝剂。（2）热力性质冷凝剂的各种热力学学性质通常认为是指其各热力学参数，和状态参数之间的相互关系，例如冷凝剂在压力、温度、比体积、比焓等参数下的性能表现关系。它的性质是一种冷凝剂化学性质决定的，其热力学性质和状态参数一般可由化学试验和热力学的偏微分方程式组合来确定。大部分碳氢类天然冷凝剂沸点、凝固点较低，热力性能良好。（3）毒性毒性的确定及其依据主要根据人类和动物的临床实验及对动物和人的健康影响相关资料。现在世界的毒性标准，根据美国食品工业和环境卫生协会的专家委员大会所用的TLVs，即最高浓度允许含量的数值来确定作为一个毒性指标，当这些毒性指标的最高浓度数值大于1000时才认为该化学物质本身无毒，否则具有一定的毒性。虽然某些HFCs的本身实际上是毒性较低的，但是含有硫和氯的卤代烃在进行高温或强烈火焰反应时，很容易就可能会从空气中分解出极毒的含氯光气。另外需特别指出的一点，在除了臭氧以外的所有卤代烃工质几乎都可以引起人体窒息，所以在其进行室内操作时，必须注意保证其具有良好的空气通风和保温条件。而现在研究的碳氢类天然冷凝剂基本是无毒的。（4）燃烧性和爆炸性不同的冷凝剂之间的燃烧性和爆炸性一般都相差很大。比较容易发生燃爆的情况是冷凝剂在一定的空气量燃烧过程中释放可燃物质，当含量达到一定的燃烧范围时，遇到强烈的明火就可能会直接发生燃烧性的爆炸。所以，如果我们在使用过程中遇到易燃易爆的制冷工质，一定在使用前要先具有做好防火防爆等的意识和相关安全防护措施。一些制冷工质的燃烧和爆炸的特性可以查询相关的数据表，例如R600在800℃以上，空气体积分数3%-6%时爆炸压力最大。空气中发生燃烧或者爆炸的体积分数的范围越小，则冷凝剂越易燃。另外还有部分冷凝剂表示不发生燃烧或者燃烧特性未知。2.3冷凝器选用原则（1）环境指数要好，即要求冷凝器的环境指数具有一定的可接受范围。即要求环境变量指数如ODP、GWP等在冷凝器中为零或尽可能的小。（2）使用冷凝器的热力性质必须能够满足国家指定制冷系统的实际使用热力性质要求。在压缩机确定的制冷循环温度和压力范围内，进行制冷所需要的压缩和制冷循环时，其本身的制冷循环特性必须能够满足一定的热力性质要求。即制冷所需要的压力和制冷循环压力比必须合适，其单位容积压缩机的制冷量和单位质量制冷量也尽可能大，同时要求压缩机必须具有合适的制冷量和排气温度，制冷系统比功也需要比较合适等。（3）冷凝器需要良好的传热性和材料的流动性。这样传热性可以有效提高材料和冷凝器的热交换性，流动的阻力可以大大减少，提高了制冷系统的性能。这样可以让交换制冷设备的尺寸减小，达到了制冷材料节约的主要目的。（4）冷凝器具有比较好的化学物理稳定性、热稳定性好。在压缩制冷系统中，当材料温度发生相对改变或材料压力发生变化时，不会直接发生材料变质、不会与制冷润滑系统部分发生直接化学反应，不会对其他压缩制冷材料机构件部分造成直接化学反应，或进行腐蚀破坏。并且对于符合要求的制冷材料进行压缩制冷过程的情况下，冷凝器温度相对较高时也可以保证其不会直接发生化学分解。（5）没有任何的毒性，也没有比较刺激的气味，冷凝器在正常使用情况下，不会发生燃烧，不会爆炸或者其燃爆性较小，使用时也比较安全。对于有毒性或燃爆性能差的冷凝器，应该在设备上增加相应的安全措施，这样的话成本也就增加了。（6）要求其比较容易在市场或自然中获得且原料充足，制造工艺也要简单，同时又比较便宜。当确定了冷凝器后，此时，需考虑其本身的物理化学性质，设计出的制冷系统在流程上，运行操作上，结构上与之相匹配，以保障整个系统的节能性能。2.4空气冷凝器应用现状与发展趋势（1）性能研究各个发达国家都在努力地寻找着可以替代的方案，就目前的科学研究和现状的情况来看，国际上主要由两种可以替代的方案：一种是长期主张回归自然，采用天然的冷凝器作为其替代HCFCs物质，主要在北欧国家、韩国、德国等国，采用自然碳氢化合物的冷凝器替代路线，由于碳氢是自然存在的化合物质，其在自然已经延续了至少有几百年的历史了，并且环境影响性质良好，其ODP、GWP值均基本为零，不会对人类环境健康造成什么样的危害。如已经广泛投入使用的混合物R600、还有一些R1234、R717、R744等，是HCs类的冷凝器混合物。另外一种常用的路线方法就是近几年年由美国和以及日本共同提出的，采用HFCs这类混合物来替代传统的冷凝器混合物，是这些国家比较推崇的冷凝器研究方向和重点，例如美国研发的一种进共沸混合冷凝器R410、杜邦公司研发进共沸混合物冷凝器R407，以及其他一些混合物质的共沸化合物，这些混合物的另一个相同点就是其ODP的数值均为零，满足了臭氧层方面环境保护的基本要求。但是，其GWP的数值较高，会对臭氧层产生较大的温室效应，对于环境仍造成危害。但是这些冷凝器的制备还是存在着一些技术性的问题，我们需要继续并且必须要加快进行替代技术研究的速度和步伐。如R410的制冷系统排气压力较高，进行替代时对制冷系统的耐磨性和管道性能需要进一步提升。（2）灌注量方面为了保证现有的R290、R600等空调系统的使用安全性，并保证达到国家相关技术标准的要求，可适当减少碳氢类化合物的冷凝器灌注量，保证即使是发生了冷凝器短时间全部的泄露也不会意外发生安全事故。国外学者对空调系统R600充注量的控制与优化分析研究结果表明，冷凝器主要是存在于空气冷凝器中，部分的冷凝器存在于压缩机等零部件里，极少部分在换热器管路中。冷凝器与空气蒸发器的直接传热效果对于空调系统换热器性能的影响很大。因此该方法可通过减小空调系统换热器的管径、优化换热器内部结构与流程的组织，降低冷凝器充注量，保证安全，提升空调系统能效。国内学者分别对板式分体机的充注R600与灌注R600进行了性能对比实验，结果表明，分体机采用4mm管换热器的分体机制冷量明显优于原5mm管换热器，且分体机充注量减少约20%，具有明显的社会经济效益和安全使用效益。另外有研究将分体机采用微通道管壳式分体换热器的100kwR600热泵与分体机传统的板式分体换热器的灌注量进行了能效和灌注量进行了对比。其研究结果表明，在不需要使用热泵和储液器的情况下，采用微通道的管壳式分体换热器可将R600的能效和灌注量减少到2kg以下，而散热性能几乎不变。平行流带式换热器是一种高效紧凑的流带式微通道热交换器，外形紧凑、换热效率高。目前美国有一项研究结果表明，采用管装平行流带式换热器的系统，对比管装或流带式采用换热器的系统，更能有效控制降低冷凝器的用量，并大幅提高能效比。（3）防火防爆方面在保证制冷性能的前提下，碳氢类冷凝器的灌注量较少，且它们燃点较高400℃以上，燃烧极限适合，同时满足爆炸条件的概率较低。为有效保证了R600等碳氢类冷凝器的空调器及制冷系统安全稳定运行，可选择采用完全封闭的空调器及制冷系统。空调器所连接的管路均完全采用焊接并改善了管材及零部件焊接的工艺，可以大大减少了灌注剂的用量。同时采用防爆电器、增加检测仪等多种方式来有效防范R600的爆炸安全事故。相关研究在对R600家用空调器的可靠性监控系统设计的研究中特别指出，空调器在非工作状态时，应通过其结构与控制系统的设计，使空调冷凝器尽量安全地贮存在空调室外机内，需要在其设计和制造以及生产时严格地遵守国家相关安全规范和标准，并在使用说明书等相关文件方面明确提示空调使用者注意按照相关规范进行操作，R600等碳氢类冷凝器作为家用中央空调器的其制冷工艺本身是安全的。（4）发展趋势在我国，也已有不少相关学者进行着冷凝器的替代研究工作，都已经开始了不同HFCs类和HCs类混合化合物的一些替代研究工作。因此，针对目前混合冷凝器的使用现状，未来替代冷凝器的发展趋势有：在环保方面，无论未来的冷凝器如何的发展，如何被添加剂所替代，环保始终都是其中的一个起着关键作用的决定性因素。因此，对于未来可持续发展的新型的冷凝器替代产品和冷凝器仍必须严格遵守各项指标的规定，冷凝器不论其添加剂是天然存在的还是后来人工合成的，首先必须更好的满足环保条件，只有这样才能够可以更好的实现冷凝器的可持续发展。当然，对于未来的制冷添加剂的可持续发展进行研究最好是采用天然的冷凝器，这样如果能够取之自然并用之于自然的话，就会使环境在不会受到危害的同时达到节省的目的。对于空调节能方面，现在由于人们的工作和生活现代化水平一直在提高，对于生活水平和质量的要求也就越来越高。因而对于空调等一些实用设备的电能需求也随之的增大了。因此，目前每年已经到了用电的第一个高峰期，就空调这一项所需要消耗的能量就很大，而我们获得的更多电能所依靠的也就是消耗大量的天然矿石的能源，这样就可能会对于环境造成更加严重的污染和温室效应。所以，在空调制冷技术已经比较发达的今天，我们通过改进空调制冷技术的目的是想要能够达到我们在节约能源的消耗同时，还需要我们可以通过进一步的研究开发出新型冷凝器，能够使我们达到更好的节能环保效果，从而能够达到大大降低能源消耗的节能目的。总之，为了更好地达到国家节能环保的目标和要求，21世纪压缩机制冷行业我国空调压缩机行业的总体发展战略方向和特点是，坚持绿色环保，高效节能，减少CO2排放，加强资源回收，注重专业技术培训和产品开发的研究。3.装配、调试和维护3.1装配（1）无论每台空调机具有什么品牌，室外机上都有两个阀门。有些阀门是通过螺纹按钮启动的，在螺纹按钮之前还有一个密封垫，在螺纹按钮后面有一个密封垫。拧紧螺钉后，前垫圈将被密封，螺钉完全拧开后，后垫圈将被密封。在装配过程禁止将阀门打开一半，这样会导致两侧的密封件均无法工作，从而导致制冷剂泄漏，同时安装后应在短时间内将空调充满氟。（2）室外机上阀外部有一个铜帽，铜帽上有一个凸形的二级密封盖。在装备过程中用手扭紧肯定错误的，特别是在铜盖内有一个红色的圆形铜凸垫，这是密封的关键，一般来说黄铜比红色的铜更硬。如果要密封黄铜和黄铜，则必须将它们拧紧，而带有红色的铜凸块，无需拧紧铜盖即可轻松密封。安装人员和维护人员必须记住拧紧辅助密封盖，以确保制冷剂不会泄漏。（3）室外机有两个管接头，装配过过程中必须牢牢拧紧。部分地区在温差过大之后会让接口处的金属产生严重的热胀冷缩，当管接头处未能完全拧紧的时候，很可能导致制冷剂的泄漏。（4）安装完成后在打开阀门之前一定把真空抽干净，不抽真空会影响空调的制冷效果，特别是现在的制冷剂，R410，R32，轻者制冷效果差，严重情况下还会造成系统堵塞。3.2调试(1)冷水管道的清洗:首先关闭每层的风机盘管和空调主机的进水阀，打开供回水连通阀和循环泵，运行3-5小时。最后，排出系统中的水，并逐一清洁风机盘管和空调的过滤器。(2)冷却管道的清洗：冷却管道的清洗与冷水管道的清洗基本相同，首先观察风机转速、转向缺相布水器布水是否均匀，有无堵塞，当前液位控制阀是否能正常工作。(3)终端设备和风机盘管机组调试:从小到大调整，分别测量风机盘管机组出口风速。检查调速开关的接线顺序是否颠倒。观察冷凝水是否从盘管的接水盘流向系统的冷凝水。如果风机盘管溢出冷凝水，说明空调系统冷凝管坡度不够，应及时修正。此外风机的速度和风量是新风机组调试的关键。在装配过程中由于新鲜空气供应管在安装过程中容易污染，安装后应进行空气吹扫。吹扫后，必须测试通风阀和风道中的其他装置是否动作，新鲜空气出口处的气压是否符合设计要求。(4)主空调调试，第一步:检查主空调的供电装置。主要围绕电缆是否缠绕牢固，配电柜与主机之间的供电线路是否连接完整等方面。第二步，检查冷水系统和冷却系统之间的压差是否符合要求。第三步，检查主空调的操作系统。压缩机组的操作显示屏由计算机主板组成。打开后，检查显示屏是否显示，查看的数据是否是工厂设置的原始数据。第四步，根据制冷量输入工作参数，并在计算机中修改相关数据。第五步：当主机油压和油温达到标准工况时，开启压缩机。观察压缩机门开度的变化，并在运行过程中及时记录和修改工作参数。第六步:根据运行时间和系统负荷，判断制冷剂是否合适，同时调节冷却水的流量，以防止主机因冲击或过度冷凝压力而喘不过气来。3.3维护(1)室内单元的安装应避免太阳辐射，远离温差过大的环境。(2)机组周围应留出一定的空间，便于后续的操作和维护。(3)应考虑机组的位置，使气流排除和循环合理。(4)空调出风口不能被障碍物堵塞，以免气流短路。(5)安装位置应水平牢固，以减少振动和噪音。(6)定期清洁空气过滤网。合理调整风向，调整风向自动摆动送风，获得均匀的室内温度。(7)最好不要让阳光和外部空气(尤其是热空气)进入空调区域。门窗应该做一定的关闭，以遮挡阳光。4空气冷凝器应用中存在的问题4.1温室效应没有被减弱在响应号召制冷节能环保方面，各国均积极的采取了一系列的臭氧层冷凝器替代制备工作，但是又在工作中出现了新的问题。虽然出台了对臭氧层冷凝器保护的政策，并已完全淘汰了大多数的消耗臭氧层的HFCs物质。防止其排放进入到全球大气和水中，臭氧中甲基溴的化合物含量也已逐渐减小很多。但近年来相关学者在研究中发现另外一个重要的环境保护问题，即温室效应没有被逐渐的减弱。相反的，替代性冷凝器的出现却是让全球气候的温度正在慢慢变暖的主要原因。对于目前GWP值较高的替代性冷凝器如氢氟烃等物质的大量制备，会直接导致全球气候变暖，并且在大气中停留时间较长，难以通过化学反应降低其温室效应。近年来，许多国家出台关于替代冷凝器的新的国家标准方案并进行调整实施，主要调整目的之一就是为了要求各国加速淘汰和替代氢氟烃类的冷凝器，阻止温室效应的进一步加速。4.2保护臭氧层与气候效益冲突当许多国家规定在2040年之前，降低冷凝器中ODP值较高的化学物质的排放量，若用冷凝器中CO2的当量来计算就是大约相当于150亿吨。然而另外一个很重要的问题就是在各国使用替代冷凝器时，用一些GWP值相对较高的冷凝器去淘汰和替代一些氢氟烃类，则可能会直接导致国际气候保护协议中气候效益显著的大幅降低。事实上，在2017年的国际气候保护会议上各国代表已经很明显的察觉到了气候效益降低可能会出现的实际问题。所以在后来各国加速逐步淘汰和替代掉HFCs类的冷凝器时，有关的文件已经明确规定在冷凝器中选择替代物的原则，首先需要根据每个国家的科学技术和经济发展水平，要逐步的淘汰和替代掉所有氢氟烃类的冷凝器中ODP值相对比较高的一类，并且在进行所有冷凝器的淘汰和替代工作过程中所进行研究的新的冷凝器和替代工艺必须能够满足，不会对于环境气候造成任何的破坏。其中最重要的一条就是避免对于环境污染和气候的变化造成影响，并且最好也就是能够尽量的满足环保、节能。即在能够满足冷凝器中ODG值最小的同时，尽量的选择能够使用最低的GWP值也或者说是最节能的材料作为替代冷凝器。从近年来的发展趋势中我们可以充分的看到世界各国的缔约方对于冷凝器新技术的追求，希望得到保护臭氧层和逐渐降低的温室气体效应的兼顾。4.3新型冷凝器研发困难当在2009年年底时召开哥本哈根会议之后，目前最为紧迫的任务就是要研制出新的环保（ODP=0，低的GWP值）型的冷凝器，它也是一项具有全球挑战性的任务，这次会议也被誉为是“拯救人类的最后一次机会”。我们以前所使用的HCFC类冷凝器，以及现在有些已经用于空调系统中的R22的替代冷凝器，比如R410A、R407C与用于冷冻冷藏系统的R502的一些替代冷凝器，比如R404A、R507A等。这些冷凝器可以达到原有冷凝器的制冷性能，或与被替代冷凝器相当，而且ODP值为零，与原系统相比大大降低了，但是他们还有另外一个较严重的问题：GWP值较高，依然对环境造成影响。根据国际权威机构最近公布的消息，目前仍在投入使用的HCFC（比如R22）类冷凝器以及其某些替代冷凝器对气候变暖的影响大约为24%，所占据的比例并不小，因而各个国家均有而且必须要有这样的责任：尽快根据各国自身的经济技术条件，研发出新一代的环保的HCFCs类制冷工质。而在2010年5月，联合国环境规划署(UNEP)技术和经济评估小组最新发布的报告显示，新一代的HCFCs类替代冷凝器已有改善，GWP值相对来说已有所降低，比如替代冷凝器R290，已被用于小型的制冷空调、制冰机和展示柜；NH3、CO2，已被应用于冷库，这些也均属于自然工质，环境指数较好；R1234y，已被应用于汽车空调上，等等还有许多新的这样的具有低GWP值得替代冷凝器。还有就是我们也不可忽略由于系统效率低而消耗较多电能所带来的温室气体排放的问题。在2009年的8月份，美国提出它们要加快研究低GWP值替代冷凝器的研究，从2010年起它们要全面的停止HCFCs类冷凝器的生产和销售，大力研究和扩大R1234y（具有低GWP值，但有一定的可燃性）的相关技术，以使其更好的投入使用。欧盟的一些国家也早已在2004年的时候停止了HCFCs类冷凝器的销售，并且英国国会议员在2010年3月份的时候又发布了希望呼吁英国政府让它们能够拿出一种方案使比较大的超市在使用制冷系统时不使用HCFCs类冷凝器。欧盟的国家正努力的研究着新的替代工质，主要研究方向放在了碳氢化合物和氨等物质上（这些物质一般具有一定的可燃性），或者是以它们为某些混合替代工质组元。由于自身国力等条件的限制，要求发展中国家从2015年开始淘汰HCFCs类冷凝器，但要在2030年时全面的停止生产和使用。

4总结R290、R600等碳氢类化合物，作为天然冷凝器，基本热力学性质与传统冷凝器十分接近，同时具有ODP为0，GWP较低的环保特性以及获取容易，成本低廉的市场优势。因此，可作为HFCs的替代工质。但由于其具有可燃性和爆炸性，发展受到限制。本文主要针对现有的环境状况以及目前所使用的冷凝器GWP值普遍较高的现状，从保护环境的角度出发，分析了具有低GWP值的替代冷凝器的应用前景。通过大量研究发现：采用小管径换热器，优化制冷系统的结构和流程回路，有效减少碳氢类冷凝器的灌注量；或采用封闭的制冷系统，改善运行水平，在安装、使用、维护过程中提升碳氢类冷凝器的检测水平，均能有效防止其泄露燃烧爆炸。随着人们环保意识不断提高，使用天然节能环