制冷技术 课件 第二章-制冷剂和载冷剂

第二章制冷剂和载冷剂第一节制冷剂

在制冷装置中实现制冷循环的工作物质称为制冷剂，简称制冷工质。

一、对制冷剂的要求（一）热力学方面的要求

1）在大气压力下制冷剂的蒸发温度要低，便于在低温下蒸发吸热；

2）常温下制冷剂的冷凝压力不宜过高；

3）单位容积制冷量要大；

4）制冷剂的临界温度要高；

5）绝热指数应低一些。表2-1绝热压缩温度（蒸发温度-20℃，冷凝温度30℃）制冷剂R717R12R22R502压

缩

比绝热指数绝热压缩温度/℃6.131.311104.921.136404.881.184604.51.13236第一节制冷剂

（二）物理化学方面的要求

1）制冷剂在润滑油中的可溶性；

2）制冷剂的粘度和密度尽可能小；

3）导热系数和放热系数要高；

4）对金属和其他材料不产生腐蚀作用；

5）具有化学稳定性；

6）具有一定的吸水性。（三）其他方面的要求

1）制冷剂对人体健康无害。制冷剂的毒性级别分为六级，见表2-2。

2）价格便宜，容易购买。表2-2制冷剂毒性分级标准级别条

件产生的结果制冷剂蒸气在空气中的体积百分比作用时间/min1234560.5～1.00.5～1.02.0～2.52.0～2.5202056060120120120以上致死致死开始死亡或成重症产生危害作用不产生危害作用不产生危害作用

二、制冷剂的种类

常用制冷剂按其化学组成可分为四类；即无机化合物、氟利昂（卤代烃），碳氢化合物（烃类）、混合制冷剂。（一）无机化合物无机化合物的制冷剂有氨（NH3）、水（H2O）、二氧化碳（CO2）等。其中氨是常用的一种制冷剂。国际上规定用RXXX表示制冷剂的代号，无机化合物制冷剂的代号为R7XX，其中7表示无机化合物，7后面两个数字是该物质分子量的整数。如氨的代号为R717，水的代号为R718，二氧化碳的代号R744。第一节制冷剂

（二）氟利昂（卤代烃）氟利昂是饱和烃类（饱和碳氢化合物）的卤族衍生物的总称。氟利昂也用R和数字表示它的代号，氟利昂的化学分子式为CmHnFxClyBrz，氟利昂的代号用“R（m–1）（n+1）XBZ”表示。R后面第一位数字为m–1，即氟利昂分于式中碳原子数m减去1。该值为零时则省略不写；R后面第二位数字n+1。R后面第三位数字为X，R后面第四位数字为Z，如果溴原子数Z为零时，与字母B一起省略。代号中氯原子数y不表示。例如，二氟一氯甲烷化学分子式为CHF2CI，因为碳原子数m=1，m–1=0，氢原子数n=1，n+1=2，氟原子数X=2，溴原子数Z=0，故代号为R22，称为氟利昂22。又如一溴三氟甲烷化学分子式为CF3Br，因为碳原子数m=1，m–1=0，氢原子数n=0，n+1=1，氟原子数X=3，溴原子数Z=1，故代号为R13B1，称为氟利昂13B1。第一节制冷剂

（三）碳氢化合物（烃类）碳氢化合物称烃，烃类制冷剂有烷烃类制冷剂（甲烷、乙烷），烯烃类制冷剂有（乙烯、丙烯）等。（四）混合制冷剂混合制冷剂又称多元混合溶液。它是由两种或两种以上制冷剂按比例相互溶解而成的混合物。它分为共沸溶液和非共沸溶液。共沸溶液，在固定压力下蒸发或冷凝时，其蒸发温度和冷凝温度恒定不变，而且它的气相和液相具有相同的组分。共沸溶液制冷剂代号的第一个数字均为5，目前作为共沸溶液制冷剂的有R500、R502等。非共沸溶液，在固定压力下蒸发或冷凝时其蒸发温度和冷凝温度是不断变化的，气、液相的组成成分也不同。目前非共沸溶液应用的有R12/R13、R22/114、R22/R152a/R124等。第一节制冷剂三、常用制冷剂的性质目前常用的制冷剂有水、氨和氟利昂，其性质见表2-3。表2-3常用制冷剂的性质制冷剂代号分子式分子量M标准沸点/℃凝固温度/℃临界温度/℃临界压力/MPa临界比容/m3/kg绝热指数/（20℃，101.325KPa）毒性级别R718H2O18.02100.00.0374.1222.123.01.33(0℃)无R717NH317.03-33.35-77.7132.411.524.131.322R11CFCI3137.3923.7-111.0198.04.371.8051.1355R12CF2CI2120.92-29.8-155.0112.044.121.7931.1386R13CF3CI104.47-81.5-180.028.783.861.7211.15(10℃)6R22CHF2CI86.48-40.84-160.096.134.9861.9051.194(10℃)5aR113C2F3CI3187.3947.68-36.6214.13.4151.7351.08(60℃)4～5R114C2F4CI2170.913.5-94.0145.83.2751.7151.092(10℃)6R134aC2H2F4102.0-26.25-101.0101.14.061.9421.116R500CF2CI2/C2H4F273.8/26.299.30-33.3-158.9105.54.302.0081.127(30℃)5aR502CF2CI2/C2H4CI48.8/51.2111.64-45.6-90.042.661.7881.133(30℃)5a第一节制冷剂

（一）水（R718）

优点：无毒、无味、不会燃烧和爆炸，而且是容易得到的物质。

缺点：水蒸气的比容大，单位容积制冷量小，水的凝固点高，不能制取较低的温度。

适用场合：适用于蒸发温度0℃以上的情况。所以，水作为制冷剂常用于蒸气喷射制冷机和溴化锂吸收式制冷机中。水的物理参数：在标准大气压下,它的沸点温度为100℃，临界温度374.12℃，临界压力为22.12MPa，凝固温度为0℃。第一节制冷剂

（二）氨（R717）

优点：是单位容积制冷量大，蒸发压力和冷凝压力适中。氨粘度小，流动阻力小，传热性能好，对钢铁不产生腐蚀作用。氨易溶于水，系统不易发生“冰塞”现象。氨价格便宜，容易购买。

缺点：有强烈的刺激性臭味，毒性大，对人体有害，氨易燃、易爆，对铜及铜合金（磷青铜除外）有腐蚀作用，氨几乎不溶于油

适用场合：主要用于制冰和冷藏制冷。第一节制冷剂

（三）氟利昂

优点：是无毒，无臭，不易燃烧，对金属不腐蚀，绝热指数小，因而排气温度低；具有较大的分子量，适用于离心式制冷压缩机。

缺点：是部分制冷剂（如R12）的单位容积制冷量小，制冷剂的环量较大；密度大，流动阻力大；含氯原子的氟利昂遇明火时会分解出有毒气体；放热系数低；价格贵，易于泄漏而不易发现，大多数氟利昂不溶于水。目前常用的氟利昂制冷剂有R12、R22、R11、R13等。

第一节制冷剂常用几种氟利昂的性能如下：

1．氟利昂12（R12）R12是我国目前中小型空调用制冷、食品冷藏和冰箱制冷装置中使用较普遍的制冷剂。R12无色、无味、对人体危害极小，不燃烧、不爆炸，它是最安全的制冷剂。R12在大气压力下的蒸发温度为-29.8℃，凝固温度为-155℃。冷凝压力较低，用水冷却时，冷凝压力不超过1.0MPa，用风冷时，也只有1.2MPa左右。R12溶于油，因而在冷凝器的传热面上不会形成油膜而影响传热，但是R12和润滑油一起进入蒸发器，随着R12不断蒸发，蒸发器润滑油含量增加，使蒸发温度升高，传热系数降低，为了使润滑油和R12一起返回压缩机，设计中一般采用干式蒸发器，从上部供液，下部回气。并应保证上升回气立管有足够的带油速度。R12对水的溶解度极小，为了防止系统发生冰塞现象，规定R12的含水量不得超过0.0025%，并且在制冷系统中设置干燥器。R12的最大缺点是单位容积制冷量小，对臭氧层有破坏作用，被列为首批限用制冷剂。第一节制冷剂2．氟利昂22（R22）R22是一种良好的制冷剂。故常用在窗式空调器、冷水机组、立柜式空调机组中。R22在常温下，冷凝压力和单位容积制冷量与氨差不多。R22无色、无臭、不燃、不爆、毒性稍比R12大，但仍然是很小的，传热性能与R12差不多，流动性比R12好，溶水量比R12稍大，但R22仍属于不溶水物质，含水量超过溶解度仍会发生冰塞，并且对金属有腐蚀作用，所以对R22的含水量仍限制在0.0025%以内，所采取的措施同R12。R22与润滑油能有限溶解，润滑油在R22制冷系统产生的影响和R12基本相同。所以在设计选择设备以及所考虑的因素与R12系统也应相同。3．氟利昂11（R11）R11的溶水性、溶油性以及对金属的作用与R12相似，毒性比R12稍大，R11的分子量大，单位容积制冷量小，所以主要用于空调用离心式制冷压缩机中。第一节制冷剂4．氟利昂13（R13）

R13在大气压力下的蒸发温度为-81.5℃，凝固温度为-180℃。可用在-70℃～-110℃的低温系统中。其优点是在低温下蒸气比容较小，单位容积制冷量大，缺点是临界温度较低，常温下压力很高。所以，适用于复叠式制冷系统，作为低温级的制冷剂。

R13不溶于油，而在水中的溶解性与R12大致一样，也是很小的。对金属不产生腐蚀作用。

5．氟利昂134a（R134a）

R134a是一种新开发的制冷剂，分子量102.03，大气压力下沸点为-26.25℃，凝固温度-101℃，其热力性质与R12非常接近，毒性级别与R12相同，但R134a难溶于油。目前R134a已取代R12作为气车空调中的制冷剂。

6．氟利昂123（R123）

R123是一种新开发的制冷剂，分子量152.93，大气压力下沸点为27.61℃，凝固温度-107℃，临界温度183.79℃，临界压力3.676MPa。R123的热力性质与R11很相似，但对金属的腐蚀性比R11大，毒性级别尚待确定。第一节制冷剂

（四）混合制冷剂

R500、R502混合制冷剂性质见表2-3。

1．R500R500制冷剂是由质量百分比为73.8%的R12和26.2%的R152a组成。与R12相比，使用同一台压缩机其制冷量提高约18%。在大气压力下的蒸发温度为-33.3℃。

2．R502制冷剂是由质量百分比为48.8%的R22和51.2%的R115组成。它与R22相比，采用R502的单级压缩机，制冷量可增加5%～30%；采用双级压缩机，制冷量可增加4%～20%，在低温下，制冷量增加较大。在相同的t。和tk下，压缩比较小，排气温度比R22低15～30℃。在相同的工况下，R502比R22的吸入压力稍高，而压缩比又较小，故压缩机的容积效率提高，在低温下更为有利。

第一节制冷剂

在大气压力下R502的蒸发温度为-45.6℃，R22为-40.8℃,故蒸发温度在-45℃以上时,系统内不会出现真空,避免了外界空气渗入系统的可能性。

R502与R22一样，具有毒性小，无燃烧和爆炸危险，对金属材料无腐蚀作用，对橡胶和塑料的腐蚀性也小。综上所述，R502具有较好的热力、化学和物理特性是一种较理想的制冷剂，它适用于蒸发温度在-40～-45℃的单级、风冷式冷凝器的全封闭和半封闭制冷压缩机中使用。它的主要缺点是价格较贵。

3．R22/R152a/R124三元混合制冷剂。

R22/R152a/R124制冷剂各组分的质量百分比为36%的R22、24%的R152a和40%的R124。由于三种组分的蒸发温度相差不是太大，也可称为近共沸溶液。它的特性与R12很相近，其制冷效率比R12提高3%。第一节制冷剂

制冷剂种类很多，由于性质各异，故适用于不同的制冷系统。表2-4列出常用制冷剂的使用范围。表2-4常用制冷剂的一般使用范围制冷剂温度范围压缩机类型用

途R717R11R12R13R22R113R114R500R502中、低温高温高、中、低温超低温高、中、低温高温高温高、中温高、低温活塞式、离心式离心式活塞式、回转式、离心式活塞式、回转式活塞式、回转式离心式活塞式活塞式、回转式、离心式活塞式、回转式冷藏、制冰空气调节空气调节、冷藏超低温装置空调、冷藏和低温空气调节特殊空气调节空气调节、冷藏冷藏和低温注：普通制冷领域中，高温为10～0℃，中温为0～-20℃，低温为-20～-60℃，超低温为-60～-120℃。第一节制冷剂四、制冷剂贮存的注意事项制冷剂大都贮存在钢瓶中，存放时应注意：1）存放制冷剂的钢瓶必须经过耐压试验，并定期进行检查。2）不同的制冷剂应采用固定的专用钢瓶，装存不同制冷剂的钢瓶不要互相调换使用。3）氨瓶漆成黄色、氟利昂钢瓶漆成银灰色。并在钢瓶上标明所存制冷剂的名称，例如氨、氟利昂字样。4）贮存制冷剂的钢瓶不得露天安放或爆晒在阳光下，安放地点不得靠近火焰及高温地方。5）在运输过程中严防钢瓶相互碰撞，以免引起爆炸的危险。6）当钢瓶内的制冷剂用完后，应立即关闭控制阀，以免漏入空气和水汽。第一节制冷剂

五、CFC的限用与替代物的选择（一）CFC（氯氟烃）的概念目前所用的制冷剂都是按国际规定的统一编号书写的，如R11、R12等。为了区别各类氟利昂对臭氧（O3）层的作用，美国杜邦公司建议采用新的制冷剂代号。①把不含氢的氟利昂写成CFC，读作氯氟烃，如R12改写成CFC12。②把含氢的氟利昂写成HCFC，读作氢氯氟烃，如R22改写为HCFC22。③把不含氯的氟利昂写成HFC，读作氢氟烃，如R134a改写为HFC134a。在CFC限用的今天，人们常把氯氟烃物质误认为氟利昂物质，其实不然，CFC只属于氟利昂物质中的一种。第一节制冷剂

（二）CFC对臭氧（O3）层的破坏与CFC的限用。一些常用氟利昂在大气中的寿命分别为HCFC22（R22）为20年；CFC11（R11）为65年；CFC12（R12）为120年；CFC13（R13）为400年；CFC114（R114）为180年；HFC134a（R134a）为8～11年；HCFC123（R123）为1～4年。由此可见，含氢的氟利昂，在大气中的寿命显著减短，而CFC在大气中具有相当长的寿命。当CFC穿过大气扩散到臭氧层时，受紫外线照射后产生对臭氧层有严重破坏作用的C1和C10。由于一个C1连锁反应破坏上万个O3分子，从而使臭氧层减薄或消失，导致地球表面紫外线的增强，造成人类皮肤癌发病率增加、生物细胞受损伤而引起农作物及渔业减产等不利影响。同时，CFC还会加剧温室效应。为此1987年9月14日在加拿大的蒙特利尔召开了专门的国际会议，签署了“控制破坏大气臭氧层物品的蒙特利尔协定”，五种氟利昂（R11、R12、R113、R114、R115）被限制生产和使用。1989年5月在赫尔辛基召开的国际环保会上，有八十个国家同意在2000年前禁止生产和使用CFC。2030年对HCFC停用。第一节制冷剂

（三）CFC替代物的选择

1．选择的基本要求

1）对环境安全。替代制冷剂的臭氧耗减潜能（ODP）必须小于0.1（R12=1），全球变暖潜能（GWP）值相对于CFC12来说必须很小。

2）具有良好的热力性能。要求制冷剂的压力适中。制冷效率高，并与润滑油有良好的亲和性。

3）具有可行性。除易于大规模工业生产、价格可被接受外，并要求其毒性必须符合职业卫生要求，对人体无不良影响。

2．CFC替代物的选择

1）使用已有的制冷剂.①对于空调用制冷，R22是目前主要的替代制冷剂，目前国外已生产和使用R22封闭式和开启式离心式冷水机组。

②R717将被重新评价，有可能要扩大使用范围。

2）新的替代制冷剂美国杜邦公司提出用HFC134a（R134a）替代R12，用HCFC123（R123）替代R11等。长远的办法是采用HFC物质作为制冷剂。第一节制冷剂第二节载冷剂

载冷剂又称冷媒，它是用来把制冷装置中所产生的冷量传递给被冷却物体的媒介物质。常用的载冷剂有空气、水、盐水。

一、选择载冷剂的基本要求

1)在工作温度范围内不凝固、不气化。

2)比热要大，这样载冷剂的载冷量就大，而载冷剂流量就小，管道的直径和泵的尺寸减小，循环泵功率减小。

3)密度小、粘度小、可以减少流动阻力。

4)导热系数高，传热性能好，以减少热交换器的传热面积。

5)对金属不腐蚀，不会燃烧和爆炸，无毒，对人体无刺激作用，化学稳定性好。

6)易于购买，价格便宜。

二、常用载冷剂的性质

1．空气用空气作载冷剂其优点是到处都有，容易取得，不需要复杂的设备；其缺点比热小，所以只有利用空气直接冷却时才采用它。在冷藏库中，就是利用库内空气作载冷剂来冷却食品的。

2．水水具有比热大、无毒、不燃烧、不爆炸、化学稳定性好、容易获得等优点。因此，在空调制冷系统中广泛用水作为载冷剂，但是，水的凝固点高，因而只能用作制取0℃以上温度的载冷剂。

3．盐水盐水可作为制取制冷温度低于0℃的载冷剂。配制盐水所用的盐有氯化纳（Nacl）、氯化钙（CaCl2）、氯化镁（MgCl2）。常用作载冷剂的盐水有氯化纳（NaCl）水溶液和氯化钙（CaCl2）水溶液。

第二节载冷剂

盐水是盐和水的溶液，盐水溶液的性质取决于溶液中含盐的浓度，也就是说盐水的凝固点与溶液中的含盐量多少有关。图2-1和图2-2分别为氯化纳水溶液和氯化钙水溶液的凝固曲线。第二节载冷剂

图2-1氯化纳盐水溶液图2-2氯化钙盐水

选用盐水作载冷剂应注意以下几个问题：

1）要合理选择盐水的浓度。盐水溶液的浓度越大，其密度也越大，流动阻力也增大；同时，浓度增大，其比热减小，输送一定冷量所需盐水溶液的流量增加，同样增加泵的功率消耗。因此，只要保证蒸发器中盐水溶液不会冻结，其凝固温度不要选择过低。一般的选法是，选择盐水的浓度使凝固温度（凝固点）比制冷剂的蒸发温度低5～8℃即可（采用水箱式蒸发器时取5～6℃；采用壳管式蒸发器时取6～8℃）。而且盐水溶液浓度不应大于冰盐合晶点浓度。氯化纳（NaC1）溶液只使用在蒸发温度高于-15℃的制冷系统中，氯化钙（CaCl2）溶液可使用在蒸发温度不低于-49℃的制冷系统中。氯化纳、氯化钙盐水的物理性质见附表A-9和附表A-10。第二节载冷剂2）盐水的腐蚀性。盐水对金属有腐蚀作用，腐蚀的强弱与盐水溶液中的含氧量有关，含氧量越大，腐蚀性越强，为了降低盐水对金属的腐蚀作用，必须采用防腐措施：

①最好采用闭式盐水系统，