HCFCs面臨被替 空調(diào)業(yè)制冷技術(shù)壓力重重

HCFCs面臨被替空調(diào)業(yè)制冷技術(shù)壓力重重根據(jù)《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議的要求，HCFCs替代的限期提前了，所以研究HCFC的替代物質(zhì)及相關(guān)的技術(shù)迫在眉睫。2007年9月17～21日，在加拿大蒙特利爾的蒙特利爾會議中心召開了《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議。在此會議上加速了HCFC的淘汰，把1992在哥本哈根修正案中所確定的HCFCs凍結(jié)年度提前3年，從原定的2016年提早到2013年，而且是以2009年與2010年的生產(chǎn)量與消費量的平均值為統(tǒng)計核算基礎(chǔ)；所確定的HCFC完全淘汰時間提前了10年，從原定的2040年提早到2030年。作為生產(chǎn)和消耗HCFCs的大國，要做到HCFCs完全替代，是需要很長時間和一定技術(shù)積累的，所以研究HCFC的替代物質(zhì)及相關(guān)的技術(shù)迫在眉睫。目前中國生產(chǎn)和使用的受控HCFCs包括：HCFC-22、HCFC-123、HCFC-124、HCFC-141b和HCFC-142b，其中HCFC-22的生產(chǎn)量占全部HCFCs的80%以上，主要用于制冷劑、發(fā)泡劑和其他化工產(chǎn)品的原料。在我國冰箱行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)基本采用了R600a替代CFC-12，消耗HCFC-22的行業(yè)主要包括空調(diào)器行業(yè)（包括房間空調(diào)器、汽車空調(diào)器）、工商制冷行業(yè)、泡沫行業(yè)和以其為原料的化工行業(yè)。由于未來中國經(jīng)濟將保持較高的增長速度，HCFCs的產(chǎn)量及各終端行業(yè)排放的HCFCs均處于上升階段，至2020年將達到峰值，這會增加淘汰HCFCs的壓力，同時在淘汰HCFCs相關(guān)產(chǎn)品時，也要考慮到技術(shù)的可行性，使其對相關(guān)行業(yè)的影響最小。制冷行業(yè)和泡沫行業(yè)是我國HCFCs的兩大主要排放源，約占總量的99%，其中房間空調(diào)排放量位居第一。所以要重點考慮房間空調(diào)器制冷劑的替代問題。有效的HCFCs替代物質(zhì)要求滿足以下要求：第一，考慮到目前全球變暖的因素，HCFCs的替代物質(zhì)要求ODP（ozonedepressionpotential）消耗臭氧潛能值和GWP（GlobalWarmingPotential）全球變暖潛能值均為零或近似為零。第二，熱力學(xué)要求：替代品應(yīng)與原制冷劑、發(fā)泡劑有近似的沸點、熱力學(xué)特性及傳熱特性。第三，可行性要求：具有可供應(yīng)性（工藝成熟、價格適宜、能被市場接受），易采用性（無需對原有裝置進行大改動即可達到要求）。現(xiàn)有HCFCs替代物主要分為：HFC型制冷劑，如：R134a、R410A、R404A、R407C等；自然制冷劑，如：CO2、R717（氨）和HC型制冷劑，如：R600a和R290。HFC型制冷劑的特點是與現(xiàn)有的制冷劑性能較為接近，制冷系統(tǒng)不需要做大的改動。R410A是由HFC-32和HFC-125各50%組成的混合制冷劑R410A，這是一種近共沸混合制冷劑，是由質(zhì)量分數(shù)為50%R32和50%R125組成。R410A的ODP值為0，GWP值為1975。目前，中國企業(yè)出口歐盟國家的空調(diào)產(chǎn)品主要用它來替代HCFC-22，技術(shù)應(yīng)用比較成熟，日本、美國和歐洲部分國家采用此方案。R410A單位容積制冷量較大，傳熱性能及流動性能較好，但是，由于R410A的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度較高，制冷系統(tǒng)設(shè)計時需要提高系統(tǒng)的耐壓能力，制冷配件也要選擇專門供R410A使用的配件。雖然ODP為零，但是GWP較高，這種制冷劑并不是完全的“綠色制冷劑”，我們選擇此種制冷劑作為HCFCs的替代物時要慎重，當(dāng)限制GWP時，那么我們發(fā)展中國家的制冷空調(diào)行業(yè)到那時恐怕就將面臨第三次制冷劑的大淘汰。所謂的自然制冷劑是在自然中存在的能夠作為制冷劑使用的物質(zhì)。由于他們一直存在大氣中，對生物界無危害，所以在當(dāng)前臭氧層遭到破壞、全球氣候變暖的情況下，重新使用那些自然制冷劑是一種非常安全的選擇。?氨制冷劑NH3，代號R717，應(yīng)用于制冷技術(shù)已有近130年歷史。目前氨制冷劑在大型冷庫、超市食品陳列柜中得到了廣泛的應(yīng)用。氨制冷劑合成工藝成熟，制取容易，價格低廉。氨制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中（冷凝壓力一般為0.981MPa，蒸發(fā)壓力一般為0.098-0.49MPa）；其單位容積制冷量較CFC-12、HCFC-22大；制冷系數(shù)高，放熱系數(shù)大，故相同溫度及相同制冷量時，氨壓縮機尺寸最小。氨制冷劑的缺點是易燃、有毒、遇水后對鋅、銅、青銅合金（磷青銅除外）有腐蝕作用、有刺鼻的氣味。所以采用氨作為制冷劑的制冷系統(tǒng)要具備兩個特點：其一是安全性，要有完善的密封系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng)以及完善的報警系統(tǒng)。其二是耐腐蝕，在氨制冷裝置中，其管道、儀表、閥門等均不能采用銅和銅合金材料。?CO2制冷劑CO2在本世紀(jì)初曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于空調(diào)及船舶的制冷系統(tǒng)，跨臨界循環(huán)的CO2制冷循環(huán)在熱泵、空調(diào)、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍、洗衣機干燥器等方面的應(yīng)用前景很好。與HCFCs相比，CO2有其自身的優(yōu)點，其ODP=0，GWP=1；容易獲取；不燃燒，無毒，使用安全；化學(xué)穩(wěn)定性好，與潤滑油不反應(yīng)，對裝置無腐蝕作用；比容較小，單位容積制冷量大，使得壓縮機尺寸減小，其制冷性能相當(dāng)于原來采用R22或R12或R134a的制冷裝置。目前日本的一些熱泵熱水器產(chǎn)品采用了以CO2作為制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)，系統(tǒng)不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)生的熱水溫度高。在美國、挪威、德國等國家將CO2應(yīng)用于汽車空調(diào)中，也取得了成功。CO2制冷系統(tǒng)主要的問題是具有較高的臨界壓力和低的臨界溫度，制冷系統(tǒng)壓力高，如：蒸發(fā)溫度為0℃時，蒸發(fā)壓力為3.55MPa，冷凝溫度為50℃時，冷凝壓力為10MPa，所以采用CO2的制冷系統(tǒng)必須具備高承壓能力，高可靠性等特點，同時，該系統(tǒng)的成本很高。碳氫化合物（HCs）碳氫化合物在19世紀(jì)末到20世紀(jì)初是廣泛使用的制冷劑，但由于其具有可燃性，后被鹵代烴替代。臭氧層消耗與全球變暖兩大全球問題提出后，碳氫化合物再次走進了制冷行業(yè)。具有代表性的是R600a、R290，目前中國的冰箱企業(yè)多數(shù)已經(jīng)采用了R600a制冷劑的制冷系統(tǒng)。其主要特點是：環(huán)保；易獲得、價格低；熱力性能好；與原制冷系統(tǒng)兼容。由于碳氫化合物易燃、易爆，采用碳氫化合物的制冷系統(tǒng)主要的問題是可燃性問題，對于封閉式壓縮機系統(tǒng)，認為制冷劑灌注量少于150g是安全的，所以目前在冰箱產(chǎn)品應(yīng)用較為普遍，而對于空調(diào)產(chǎn)品應(yīng)用較少。在IEC60335-2-40：2005《家用和類似用途電器的安全熱泵、空調(diào)器和除濕機的特殊要求》中已經(jīng)對使用可燃制冷劑的制冷器具作了特殊規(guī)定，如：器具的安裝、運行、儲存的房間面積應(yīng)大于規(guī)定值，器具的運輸、標(biāo)識和存放要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，詳細的列出了說明書應(yīng)包含的安裝書、維修和使用信息，經(jīng)過模擬泄漏的測試器具的帶電部件附近的制冷劑濃度在規(guī)定范圍內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)充分考慮了空調(diào)器產(chǎn)品使用可燃制冷劑時可能帶來的安全隱患。在產(chǎn)品設(shè)計時要考慮以下三個方面：第一是對可能成為點火源的部件的限定。有些電器部件的內(nèi)部有起著接通或斷開電氣回路作用的敞開式觸點，在觸點接通或斷開的瞬間，由于兩個觸點間電勢突變而會產(chǎn)生電弧火花。相關(guān)部件如：繼電器、電容器、非封閉壓縮機的過載保護器等。對于此類部件，可采用符合IEC60079-15:2001標(biāo)準(zhǔn)要求的密封型電氣零部件或用固態(tài)型電氣件，以避免電火花的產(chǎn)生。若無法滿足IEC60079-15的要求，則應(yīng)設(shè)法將其放置在密閉的金屬盒或塑料盒中，達到使?jié)撛邳c火源與可燃性制冷劑隔離開的目的。第三是對部件之間連接方式以及連接部位周圍的環(huán)境的規(guī)定。電路中由于在不同部件之間、同一部件的不同極性之間存在著電勢差，如果由于安裝設(shè)置的原因造成電器部件之間或某個電器部件的不同極性之間的間距過小的話，就存在著電氣擊穿而產(chǎn)生電火花的潛在危險。所以，在產(chǎn)品的電氣連接方式上要采取有效的緊固措施，以避免因電氣連接松動而產(chǎn)生電火花。具體的實施方法可以是：設(shè)計合理的布線方式，使導(dǎo)線易于與接線端子的接線柱可靠連接；在導(dǎo)線被夾緊時不應(yīng)減少其被夾持的截面積，并能可靠地保持恒定接觸壓力；為防止在偶然情況下不同極性帶電體之間的電氣間隙變小，擬選用的接線端子的結(jié)構(gòu)應(yīng)為不同極性接線柱之間的絕緣隔板高度不小于接線柱的高度。第三是避免制冷劑泄漏。采用厚管壁的銅管，制冷系統(tǒng)的管路要焊接牢固，避免由于安裝、運輸過程造成銅管或焊縫破裂。由于HCFCs完全替代的時間提前了，該項工作也更加緊迫了。筆者對兩類HCFCs的替代物質(zhì)進行了分析，概況如下：HFC型制冷劑：具有ODP為零，使用HFC型制冷劑的制冷系統(tǒng)與現(xiàn)有的HCFC22制冷系統(tǒng)比較接近，改造容易，制冷性能與HCFC22相似。缺點是GWP較高，隨著對環(huán)保要求的提高，此類制冷劑可能會再次被替代。自然制冷劑：具有ODP為零，GWP非常低的優(yōu)點，是真正的環(huán)保型制冷劑。但是將自然制冷劑廣泛應(yīng)用到空調(diào)制冷系統(tǒng)中，還有許多技術(shù)問題需要解決，其中比較可行的是采用碳氫化合物，如R290。要依據(jù)IEC60335-2-40：2005標(biāo)準(zhǔn)要求，從限定使用可能成為點火源的部件、合理地規(guī)定電氣部件之間的連接方式、可靠地進行制冷系統(tǒng)管路之間的焊接等方面合理地進行產(chǎn)品設(shè)計，解決其可燃性的問題。根據(jù)《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議的要求，HCFCs替代的限期提前瞭，所以研究HCFC的替代物質(zhì)及相關(guān)的技術(shù)迫在眉睫。2007年9月17～21日，在加拿大蒙特利爾的蒙特利爾會議中心召開瞭《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議。在此會議上加速瞭HCFC的淘汰，把1992在哥本哈根修正案中所確定的HCFCs凍結(jié)年度提前3年，從原定的2016年提早到2013年，而且是以2009年與2010年的生產(chǎn)量與消費量的平均值為統(tǒng)計核算基礎(chǔ)；所確定的HCFC完全淘汰時間提前瞭10年，從原定的2040年提早到2030年。作為生產(chǎn)和消耗HCFCs的大國，要做到HCFCs完全替代，是需要很長時間和一定技術(shù)積累的，所以研究HCFC的替代物質(zhì)及相關(guān)的技術(shù)迫在眉睫。目前中國生產(chǎn)和使用的受控HCFCs包括：HCFC-22、HCFC-123、HCFC-124、HCFC-141b和HCFC-142b，其中HCFC-22的生產(chǎn)量占全部HCFCs的80%以上，主要用於制冷劑、發(fā)泡劑和其他化工產(chǎn)品的原料。在我國冰箱行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)基本采用瞭R600a替代CFC-12，消耗HCFC-22的行業(yè)主要包括空調(diào)器行業(yè)（包括房間空調(diào)器、汽車空調(diào)器）、工商制冷行業(yè)、泡沫行業(yè)和以其為原料的化工行業(yè)。由於未來中國經(jīng)濟將保持較高的增長速度，HCFCs的產(chǎn)量及各終端行業(yè)排放的HCFCs均處於上升階段，至2020年將達到峰值，這會增加淘汰HCFCs的壓力，同時在淘汰HCFCs相關(guān)產(chǎn)品時，也要考慮到技術(shù)的可行性，使其對相關(guān)行業(yè)的影響最小。制冷行業(yè)和泡沫行業(yè)是我國HCFCs的兩大主要排放源，約占總量的99%，其中房間空調(diào)排放量位居第一。所以要重點考慮房間空調(diào)器制冷劑的替代問題。有效的HCFCs替代物質(zhì)要求滿足以下要求：第一，考慮到目前全球變暖的因素，HCFCs的替代物質(zhì)要求ODP（ozonedepressionpotential）消耗臭氧潛能值和GWP（GlobalWarmingPotential）全球變暖潛能值均為零或近似為零。第二，熱力學(xué)要求：替代品應(yīng)與原制冷劑、發(fā)泡劑有近似的沸點、熱力學(xué)特性及傳熱特性。第三，可行性要求：具有可供應(yīng)性（工藝成熟、價格適宜、能被市場接受），易采用性（無需對原有裝置進行大改動即可達到要求）?，F(xiàn)有HCFCs替代物主要分為：HFC型制冷劑，如：R134a、R410A、R404A、R407C等；自然制冷劑，如：CO2、R717（氨）和HC型制冷劑，如：R600a和R290。HFC型制冷劑的特點是與現(xiàn)有的制冷劑性能較為接近，制冷系統(tǒng)不需要做大的改動。R410A是由HFC-32和HFC-125各50%組成的混合制冷劑R410A，這是一種近共沸混合制冷劑，是由質(zhì)量分數(shù)為50%R32和50%R125組成。R410A的ODP值為0，GWP值為1975。目前，中國企業(yè)出口歐盟國傢的空調(diào)產(chǎn)品主要用它來替代HCFC-22，技術(shù)應(yīng)用比較成熟，日本、美國和歐洲部分國傢采用此方案。R410A單位容積制冷量較大，傳熱性能及流動性能較好，但是，由於R410A的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度較高，制冷系統(tǒng)設(shè)計時需要提高系統(tǒng)的耐壓能力，制冷配件也要選擇專門供R410A使用的配件。雖然ODP為零，但是GWP較高，這種制冷劑並不是完全的“綠色制冷劑”，我們選擇此種制冷劑作為HCFCs的替代物時要慎重，當(dāng)限制GWP時，那麼我們發(fā)展中國傢的制冷空調(diào)行業(yè)到那時恐怕就將面臨第三次制冷劑的大淘汰。所謂的自然制冷劑是在自然中存在的能夠作為制冷劑使用的物質(zhì)。由於他們一直存在大氣中，對生物界無危害，所以在當(dāng)前臭氧層遭到破壞、全球氣候變暖的情況下，重新使用那些自然制冷劑是一種非常安全的選擇。?氨制冷劑NH3，代號R717，應(yīng)用於制冷技術(shù)已有近130年歷史。目前氨制冷劑在大型冷庫、超市食品陳列櫃中得到瞭廣泛的應(yīng)用。氨制冷劑合成工藝成熟，制取容易，價格低廉。氨制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中（冷凝壓力一般為0.981MPa，蒸發(fā)壓力一般為0.098-0.49MPa）；其單位容積制冷量較CFC-12、HCFC-22大；制冷系數(shù)高，放熱系數(shù)大，故相同溫度及相同制冷量時，氨壓縮機尺寸最小。氨制冷劑的缺點是易燃、有毒、遇水後對鋅、銅、青銅合金（磷青銅除外）有腐蝕作用、有刺鼻的氣味。所以采用氨作為制冷劑的制冷系統(tǒng)要具備兩個特點：其一是安全性，要有完善的密封系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng)以及完善的報警系統(tǒng)。其二是耐腐蝕，在氨制冷裝置中，其管道、儀表、閥門等均不能采用銅和銅合金材料。?CO2制冷劑CO2在本世紀(jì)初曾經(jīng)廣泛應(yīng)用於空調(diào)及船舶的制冷系統(tǒng)，跨臨界循環(huán)的CO2制冷循環(huán)在熱泵、空調(diào)、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍、洗衣機幹燥器等方面的應(yīng)用前景很好。與HCFCs相比，CO2有其自身的優(yōu)點，其ODP=0，GWP=1；容易獲取；不燃燒，無毒，使用安全；化學(xué)穩(wěn)定性好，與潤滑油不反應(yīng)，對裝置無腐蝕作用；比容較小，單位容積制冷量大，使得壓縮機尺寸減小，其制冷性能相當(dāng)於原來采用R22或R12或R134a的制冷裝置。目前日本的一些熱泵熱水器產(chǎn)品采用瞭以CO2作為制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)，系統(tǒng)不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)生的熱水溫度高。在美國、挪威、德國等國傢將CO2應(yīng)用於汽車空調(diào)中，也取得瞭成功。CO2制冷系統(tǒng)主要的問題是具有較高的臨界壓力和低的臨界溫度，制冷系統(tǒng)壓力高，如：蒸發(fā)溫度為0℃時，蒸發(fā)壓力為3.55MPa，冷凝溫度為50℃時，冷凝壓力為10MPa，所以采用CO2的制冷系統(tǒng)必須具備高承壓能力，高可靠性等特點，同時，該系統(tǒng)的成本很高。碳氫化合物（HCs）碳氫化合物在19世紀(jì)末到20世紀(jì)初是廣泛使用的制冷劑，但由於其具有可燃性，後被鹵代烴替代。臭氧層消耗與全球變暖兩大全球問題提出後，碳氫化合物再次走進瞭制冷行業(yè)。具有代表性的是R600a、R290，目前中國的冰箱企業(yè)多數(shù)已經(jīng)采用瞭R600a制冷劑的制冷系統(tǒng)。其主要特點是：環(huán)保；易獲得、價格低；熱力性能好；與原制冷系統(tǒng)兼容。由於碳氫化合物易燃、易爆，采用碳氫化合物的制冷系統(tǒng)主要的問題是可燃性問題，對於封閉式壓縮機系統(tǒng)，認為制冷劑灌註量少於150g是安全的，所以目前在冰箱產(chǎn)品應(yīng)用較為普遍，而對於空調(diào)產(chǎn)品應(yīng)用較少。在IEC60335-2-40：2005《傢用和類似用途電器的安全熱泵、空調(diào)器和除濕機的特殊要求》中已經(jīng)對使用可燃制冷劑的制冷器具作瞭特殊規(guī)定，如：器具的安裝、運行、儲存的房間面積應(yīng)大於規(guī)定值，器具的運輸、標(biāo)識和存放要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，詳細的列出瞭說明書應(yīng)包含的安裝書、維修和使用信息，經(jīng)過模擬泄漏的測試器具的帶電部件附近的制冷劑濃度在規(guī)定范圍內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)充分考慮瞭空調(diào)器產(chǎn)品使用可燃制冷劑時可能帶來的安全隱患。在產(chǎn)品設(shè)計時要考慮以下三個方面：第一是對可能成為點火源的部件的限定。有些電器部件的內(nèi)部有起著接通或斷開電氣回路作用的敞開式觸點，在觸點接通或斷開的瞬間，由於兩個觸點間電勢突變而會產(chǎn)生電弧火花。相關(guān)部件如：繼電器、電容器、非封閉壓縮機的過載保護器等。對於此類部件，可采用符合IEC60079-15:2001標(biāo)準(zhǔn)要求的密封型電氣零部件或用固態(tài)型電氣件，以避免電火花的產(chǎn)生。若無法滿足IEC60079-15的要求，