制冷剂、载冷剂和冷冻机油2

第二章制冷剂、载冷剂和冷冻机油第一节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。一、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

1974年美国加利福尼亚大学的罗兰德（SherwoodRowland）教授和他的博士后莫利纳（MarioMolina）在“自然”杂志上发表文章，指出卤代烃在紫外线作用下会释放出氯离子，而氯离子会消耗地球周围热成层（Stratosphere，原名平流层）中的臭氧（Ozone,O3），而使过量的太阳紫外线照射到地面，给地球上的生物和人类带来一系列的危害。为此，瑞典皇家科学院将1995年的诺贝尔化学奖授予这两位和一名德国的化学家，以表彰他们在大气化学特别是臭氧的形成和分解研究方面作出的杰出贡献。臭氧层问题的提出

氟里昂可以吸收少量的紫外线分解，氯原子发生的是一系列连锁反应，据初步推测每一个氯原子会使10万个臭氧分子发生分解。大气中的化学成分发生了重大变化，由于普遍使用了氟氯烃，地球中氯浓度大大增加，进而连锁地破坏了平流层中的臭氧层。这样得出的结论就是:紫外线会穿透地球的保护层，从而伤害保护层下面的生物。臭氧层问题的提出

氟氯烃是破坏臭氧层的元凶，这一发现对使用氟氯烃的气溶胶行业来说可谓是当头一棒。他们向两位科学家发难，公开诽谤他们的假说是毫无根据的胡言乱语。罗兰德和莫里纳决心证明自己的观点。他们在实验室使用英国洛夫洛克制成的一种极低浓度有机气体检测器，进行了有关的实验研究。他们在平流层发现了参与破坏臭氧的几种化学粒子，并用3年时间对他们的假设进行实验验证。在这期间，他们多次出席联邦和州一级的听政会，表现出强烈的保护环境的社会责任感。臭氧层问题的提出

1982年，英国南极探测局公布哈雷湾站1980年初以来在南极春季观察到臭氧层空洞这一消息。这个空洞面积非常大，基本上与美国领土面积相当，于每年9月上旬出现，然后迅速减少一半左右，并形成一个“臭氧空洞”，持续到11月又逐渐恢复。这一报道引起全世界的震惊，人们担心这是臭氧层破坏或解体的先兆。

1986年，美国公布了通过“雨云二号”卫星得到的数据，证实了自1979年到1984年10月在南极上空的确出现了总臭氧含量持续减少的情况，这样显著的变化已经超出了由气候变化引起的变化范围。直到这个时候，南极上空的臭氧空洞才受到全球的关注。臭氧层问题的提出南极臭氧空洞的变化南极臭氧空洞的变化二、卤代烃制冷剂的命名《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。作为制冷剂应该符合如下要求：

1．热力学性质方面：（1）在工作温度范围内有合适的压力和压力比。（2）通常要求单位制冷量q0和单位容积制冷量qv较大。（3）单位质量所消耗的功w和单位容积压缩功wv要小，循环效率高，经济性好。（4）等熵压缩的终了温度不要太高。（5）绝热压缩指数要小。（6）气化潜热要大。

2．传输性质方面：（1）粘度、密度尽量小。（2）热导率大。（3）物理化学性质方面。

①无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。

②化学稳定性和热稳定性好。

③对大气环境无破坏作用。（4）对材料的作用——“镀铜”现象。（5）与润滑油的关系。（6）对水的溶解性。

（7）泄漏性。（8）抗电性。

（9）安全性。（10）来源充足，制造工艺简单，价格便宜。

三、制冷剂的分类和命名1．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。

2．制冷剂的命名（1）无机化合物。无机化合物的简写符号规定为R7（）。括号代表一组数字，这组数字是该无机物分子量的整数部分。（2）卤代烃和烷烃类。烷烃类化合物的分子通式为CmH2m+2；卤代烃的分子通式为CmHnFxClyBrz（2m+2=n+x+y+z），它们的简写符号规定为R（m-1）（n+1）（x）B（z）。表2—5为一些制冷剂的符号举例（3）非共沸混合制冷剂。非共沸混合制冷剂的简写符号为R4（）。括号代表一组数字，这组数字为该制冷剂命名的先后顺序号，从00开始。（4）共沸混合制冷剂。共沸混合制冷剂的简写符号为R5（）。括号代表一组数字，这组数字为该制冷剂命名的先后顺序号，从00开始。（5）环烷烃、链烯烃以及它们的卤代物。其简写符号规定：环烷烃及环烷烃的卤代物用字母“RC”开头，链烯烃及链烯烃的卤代物用字母“R1”开头。（６）有机制冷剂则在600序列任意编号。

在大气臭氧层问题提出来以后，为了能较简单地定性判别不同种类制冷剂对大气臭氧层的破坏能力，氯氟烃类物质代号中的R可表示为CFC，氢氯氟烃类物质代号中的R可表示为HCFC，氢氟烃类物质代号中的R可表示为HFC，碳氢化合物代号中的R可表示为HC，而数字编号不变。例如，R12可表示为CFCl2，R22可表示为HCFC22，R134a可表示为HFCl34a。四、制冷剂的环保要求图2—1一些制冷剂的ODP值和HGWP值示意图描述对臭氧的消耗特征及其强度分布，通常使用ODP（OzoneDepletionPotential）值。ODP值表示对大气臭氧层消耗的潜能值，以R11作为基准值，其值规定为1.0。这类制冷剂不仅要破坏大气臭氧层，还具有全球变暖潜能值（GlobalWarmingPotential，简称GWP）。具有全球变暖效应的气体称为温室气体。也选用R11作为基准，其值规定为1.0，符号为HGWP。气候变化问题总而言之，在选用制冷剂时，除了要考虑其热力学性质外，还需要考虑制冷剂的物理化学性质，如毒性、燃烧性、爆炸性、与金属材料的作用、与润滑油的作用、与大气环境的“友好性”等。第二节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。卤代烃①分子量较大、密度高、流动性差，在制冷系统中循环时流动阻力大；②绝热指数小，压缩终了温度低；③传热性能较差；④溶水性极差，系统中应严格控制水的含量；⑤对金属的腐蚀性很小；⑥遇明火时，卤代烃中会分解出氟化氢、氯化氢或光气；⑦无味、渗透性强，在系统中极易渗透；⑧价格高。混合制冷剂（１）共沸混合制冷剂共沸混合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制冷剂。它与单组分的制冷剂一样，在一定的压力下蒸发时能保持恒定的蒸发温度，且液相与气相始终具有相同的组分。

（2）非共沸混合制冷剂非共沸混合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制冷剂。在饱和状态下，气液两相的组成组分不同，低沸点组分在气相中的成分总是高于液相中的成分。非共沸混合制冷剂没有共沸点。在定压下蒸发或凝结时，气相和液相的成分不同，温度也在不断变化。第三节载冷剂

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。一、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。二、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。图2—3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。第四节冷冻机油制冷压缩机中所使用的润滑油，也称为冷冻机油。冷冻机油的作用：润滑作用；冷却作用；密封作用；用作能