第二章 制冷劑和載冷劑

制冷技術制冷劑和載冷劑

制冷劑：制冷裝置中進行制冷循環(huán)的工作物質稱為制冷劑或簡稱為制冷工質。

作用：在被冷卻對象和環(huán)境介質之間傳遞熱量，并最終把熱量從被冷卻對象傳給環(huán)境介質。

自1834年采用乙醚制造出蒸氣壓縮式制冷裝置以后，人們嘗試采用二氧化碳、氨、二氧化硫作為制冷劑；到20世紀初，一些碳氫化合物也被用作制冷劑，如乙烷、丙烷、氯甲烷、二氯乙烯、異丁烷等；第一節(jié)制冷劑

一、對制冷劑的基本要求

(一)熱力學方面的要求

1.制冷效率高選用制冷效率較高的制冷劑可以提高制冷的經(jīng)濟性。2.蒸發(fā)壓力和冷凝壓力適中

蒸發(fā)壓力：最好接近且稍高于大氣壓力；

冷凝壓力：不宜過高，一般不超過1.2～1.5Mpa。

3.q0和qv大

q0大：獲取相同的制冷量時，可減少制冷劑的循環(huán)量；

qv大：壓縮機尺寸小，設備小，可減少材料消耗和投資。4.臨界溫度高制冷劑的臨界溫度高，便于用一般冷卻水或空氣對制冷劑進行冷卻、冷凝；此外，制冷循環(huán)的工作區(qū)越遠離臨界點，制冷循環(huán)一般越接近逆卡諾循環(huán)，節(jié)流損失小，制冷系數(shù)較高。

(二)物理化學方面的要求1.流動性好（粘度小，密度小）：可減少流動阻力損失，降低能耗，縮小管徑，減少材料消耗。2.傳熱性好（熱導率和放熱系數(shù)要高）：可減少傳熱面積。

3.化學穩(wěn)定性好：對金屬和非金屬材料不腐蝕。注意對制冷系統(tǒng)設備及管道、密封材料選擇。氨：對金屬有腐蝕作用，對非金屬腐蝕很小。選用無縫鋼管，普通橡膠；氟利昂：對非金屬有腐蝕作用，對金屬腐蝕小。選用銅管或無縫鋼管，特殊橡膠。4.溶油性：溶油性差（有限溶于潤滑油）：優(yōu)：制冷劑和潤滑油易分離，t0穩(wěn)定；缺：但易在熱交換設備中形成油膜而影響傳熱。溶油性好（無限溶于潤滑油）：優(yōu)：潤滑好，不易形成油膜，傳熱好；缺：但在蒸發(fā)器中會引起t0升高。5.溶水性（吸水性）：

溶水性差：優(yōu)：制冷劑純，t0穩(wěn)定；缺：游離態(tài)的水會在低溫處結冰而發(fā)生“冰堵”。

溶水性好：優(yōu)：不會發(fā)生“冰塞”，缺：提高t0、氨溶于水中易腐蝕金屬。(三)其他方面的要求1.制冷劑對人體健康無損害，不具有毒性、窒息性和刺激性。制冷劑的毒性級別分為六級，一級毒性最大，六級毒性最小。毒性分級標準見表。級別條件產(chǎn)生的結果制冷劑蒸氣在空氣中的體積百分比作用時間／min1234560.5～1.00.5～1.02.0～2.52.0-2.5202056060120120120以上致死致死開始死亡或成重癥產(chǎn)生危害作用不產(chǎn)生危害作用不產(chǎn)生危害作用2)價格便宜，容易購買。

上述對制冷劑的要求僅作為選擇制冷劑時的參考，完全滿足上述所有要求的制冷劑是不存在的，目前所采用的制冷劑都存在一些缺點，因此在設計選用制冷劑時，根據(jù)實際情況，保證主要要求即可選用。

二、安全標準與分類命名當今國際上對制冷劑的安全性分類與命名一般采用美國國家標準協(xié)會和美國供熱制冷空調工程師學會標準《制冷劑命名和安全性分類》(ANSI／ASHRAE34--1992)。我國國家標準《制冷劑編號方法和安全性分類》(GB／T7778—2001)，主要等效于ANSI／ASHRAE34標準。(一)安全性分類制冷劑的安全性分類包括毒性和可燃性兩項內(nèi)容。毒性按起限值的時間加權平均值(TLV-TWA)分為A、B兩類；可燃性則按最低燃燒極限(LEL)值分為1、2、3三類。制冷劑安全性分類見表2-2。

起限值是物質在空氣中的某濃度，幾乎所有的人日復一日暴露在此濃度下，對健康沒有不利影響；而起限值的時間加權平均值(TLV-TWA)是指一周五個工作日共40h的時間加權平均濃度。TLV-TWA值小于等于400ppm時，未被確定有毒性的制冷劑視為低毒性，列為A類；而小于40ppm時，有霉性的制冷劑視為高毒性，列為B類。

最低燃燒極限(LEL)能夠在制冷劑與空氣的均勻混合物中傳播火焰的制冷劑最小濃度；LEL一般是在25℃、101kPa條件下，制冷劑的體積百分比乘以0.0004141、再乘以分子量，單位為kg／m3。

可燃性第1類是在18℃、101kPa大氣中無火焰?zhèn)鞑サ闹评鋭?；?類是在2l℃、101kPa條件下，LEL值高于0.1kg／m3、燃燒熱低于19000kJ／k的制冷劑；第3類則是在21℃、101kPa條件下，LEL值小于等于0.1kg／m3、燃燒熱大于19000kJ／kg的制冷劑。

無機化合物烷烴烴類有機化合物烯烴鹵代烴混合溶液二、制冷劑的種類

目前，可作為制冷劑的物質大約有幾十種，但常用的不過十幾種，用于食品冷凍和空調制冷的制冷劑也就是幾種。常用制冷劑按其化學組成可分為四類即無機化合物、氟利昂(鹵代烴)、碳氫化合物(烴類)、混合制冷劑。命名方法：R7XX例：氨NH3——R717水H2O——R718二氧化碳CO2——R744XX為無機物的分子量

(一)無機化合物

無機化合物的制冷劑有氨(NH3)、水(H20)、二氧化碳(C02)等。為了書寫方便，國際上規(guī)定用RXXX表示制冷劑的代號。分子式：CmHnFxClyBrz（滿足2m+2=n+x+y+z）1）命名法一：R(m-1)(n+1)(x)B(z)例：一氯二氟甲烷分子CHF2Cl------R22一溴三氟甲烷分子CF3Br--------R13B1m-1=0時略z=0時與B一起略

(二)氟利昂(鹵代烴)氟利昂是飽和烴類(飽和碳氫化合物)的鹵族衍生物的總稱。

烷烴類：甲烷CH4，乙烷C2H6，丙烷C3H8;烯烴類：乙烯C2H4，丙稀C3H6；◆烷烴類命名方法:與氟利昂相同(丁烷例外，為R600）CH4——R50，C2H6——R170，C3H8——R290；◆烯烴類命名方法：R后先寫上“1”，再按氟利昂方法：C2H4——R1150，C3H6——R1270;(三)碳氫化合物(烴類)概念：由兩種(或以上)制冷劑按一定比例相互溶解而成的混合物。類型：①共沸溶液：定壓下蒸發(fā)或冷凝時，相變溫度固定不變(t0、tk不變)，氣液相組分相同。命名：R5**②非共沸溶液：定壓下蒸發(fā)或冷凝時，相變溫度改變(t0、tk變)，造成氣液相組分不同。命名：R4****為發(fā)現(xiàn)的順序：R400、R401、R402、…R411**為發(fā)現(xiàn)的順序：R500、R501、R502……R507(四)混合制冷劑三、制冷劑的基本熱力特性制冷劑在標準大氣壓(即101．32kPa壓力)下的飽和溫度，通常稱為沸點。雖然各種制冷劑的沸點與其分子組成、臨界溫度等有關，但是，在給定的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度條件下，各種制冷劑的沸點與其蒸發(fā)壓力、冷凝壓力和單位容積質量能力gv之間存在一定關系，即一般沸點越低，蒸發(fā)壓力、冷凝壓力越高，單位容積質量能力越大，見表2-3。因此，根據(jù)沸點的高低，可將制冷劑分為高溫制冷劑、中溫制冷劑和低溫制冷劑；沸點大于0℃為高溫制冷劑，低于-60℃為低溫制冷劑。空氣調節(jié)用制冷機中采用中溫、高溫制冷劑。

常用制冷劑的性質

目前常用的制冷劑有水、氨和氟利昂，其性質見表2—3。

(一)水(R718)優(yōu)點：環(huán)保、安全易得、無毒無味；

缺點：比容大、qv小，凝固點高，制冷溫度0℃。

適用：蒸汽噴射式制冷機、溴化鋰吸收式制冷機。

(二)氨(R717)

優(yōu)點：環(huán)保、熱力性質好（沸點-33.4℃，凝固點-77.7℃）、工作壓力適中、q0、qv較大、粘性小，密度小，流動阻力小、傳熱性能好、溶水性好、不會“冰塞”，純氨不腐蝕，但含水后腐蝕銅及銅合金（磷青銅除外）。

缺點：毒性大、有刺激性臭味、易燃易爆、一旦泄漏，將污染空氣、食品，并刺激人，微溶于潤滑油，易有油膜。

適用：大中型工業(yè)制冷裝置（-65℃以上）和大中型冷庫

(三)氟利昂

優(yōu)點：無味、不易燃易爆、毒性小、等熵指數(shù)小、排氣溫度低，不腐蝕金屬，分子量大。

缺點：密度大、粘性大、流動阻力大，滲透性強，易于泄漏而不被發(fā)現(xiàn)，含氟原子的氟利昂與明火接觸能分解出劇毒的光氣COCl2，價格高。

常用氟利昂介紹

1．氟利昂12(R12)2．氟利昂22(R22)3．氟利昂ll(R11)4．氟利昂13(R13)5．氟利昂134a(R134a)6．氟利昂123(R123)

采用混合溶液作為制冷劑頗受重視。但是，對于二元混合溶液來說，由于自由度為二，所以要知道兩個參數(shù)才能確定混合溶液的狀態(tài)，一般選擇以下幾種參數(shù)組合，如溫度-濃度、壓力-濃度、焓-濃度，做出相應的相平衡圖，以供使用。

混合溶液

二元混合溶液的特性可從相平衡圖中明顯看出，如圖給出在某壓力下A、B兩組分的溫度-濃度圖。

圖中實曲線為飽和液線，虛曲線為干飽和蒸氣線，兩條曲線將相圖分為三區(qū)，實線下方為液相區(qū)，虛線上方為過熱蒸氣區(qū)，兩條曲線之間為濕蒸氣區(qū)。圖中表達了二元混合溶液的三個特性：(1)在給定壓力下，二元溶液的沸騰溫度介于兩個純組分蒸發(fā)溫度之間，即TA、TB之間；(2)在給定壓力下，蒸發(fā)過程或冷凝過程的蒸發(fā)溫度或冷凝溫度并非定值。如圖中1、2兩點，其中1點為某組分比情況下開始蒸發(fā)的溫度，稱為泡點；2點為該組分比情況下開始冷凝的溫度，稱為露點；露點和泡點之差，稱為溫度滑移(TemperatureGlide)，蒸發(fā)或冷凝過程溫度在此二點之間變化.

(3)在給定壓力下，濕蒸氣區(qū)中氣液兩相組分濃度不同，如3′、3″點，沸點低的組分，蒸氣分壓力高，氣相濃度也高。但是，溶液的總質量和平均濃度不變，即m=m′+m″，mξ=m′ξ′+m″ξ″理想液體二元混合溶液此特性尤為明顯，由于在等壓條件下不存在單一的蒸發(fā)溫度，故稱為非共沸混合溶液。

當非共沸混合溶液的飽和液線與干飽和蒸氣線非常接近時，其定壓相變時的溫度滑移很小(通常認為泡、露點溫度差小于1℃)，可視為近似等溫過程，故將這類混合溶液叫做近共沸混合制冷劑(NearZeotropicMixtureRefrigerant)。近共沸混合制冷劑在泄漏后及再充注時，只要注意液相灌注，其成分的微小變化不會影響機組的性能。但是，也有一些真實溶液有一種完全不同的特性，如圖。圖中分別給出具有最低沸點共沸溶液的溫度-濃度圖，具有最高沸點的共沸溶液的溫度-濃度圖.從圖中可以看出，在某段濃度范圍溶液的蒸發(fā)溫度低于或高于兩個純組分的蒸發(fā)溫度，具有最低沸點或最高沸點的濃度時，在給定壓力下其蒸發(fā)溫度或冷凝溫度為定值，故稱為共沸混合溶液，可以像純組分一樣使用。

R500、R502混合制冷劑性質。

1．R500R500制冷劑是由質量百分比為73.8％的R12和26.2％的R1