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制冷剂的起源,种类,应用和发展的历史

点击次数:5852 发布时间:2008-10-30
 

在上个千年结束的时候,曾排出了名目繁多的十大排行榜,包括一个二十世纪zui伟大发明的排行榜。与太空飞行和计算机的发明并列,制冷也进入了这个十大排行榜,因为如果没有制冷,食物保存将不可能。另外,也不可能有高层建筑或现代保健设施。

    韦氏词典把制冷剂定义成“在制冷循环中使用的或像冰用于直接冷却的一种物质”。HVAC工业的业外人士可能会把制冷剂描述成空调器中使用的某种流体。HVAC工业的许多业内人士将马上想到CFC族物质(氯氟碳)。

    以上这些定义都是对的,但制冷剂比那些物质更广泛。水是制冷剂,在吸收式制冷机中使用。二氧化碳(CO2)和氨(NH3)作为“天然”制冷剂而为人所知。易燃物质如丙烷和异丁烷也被作为制冷剂使用。对于卤代烃物质如CFC, HCFC HFC族物质,更是受到广泛欢迎的制冷剂。ASHRAE标准34《制冷剂命名和安全分类》列出了100多种制冷剂,尽管其中许多并不在常规商业HVAC中使用。

    制冷剂是化学物质。一些物质,被认为是制冷剂(如R-141b),实际上却广泛应用于诸如发泡剂场合,其实很少用于冷却场合。

制冷剂发展历史

    十九世纪中叶出现了机械制冷。雅各布.帕金斯(Jacob Perkins)在1834年建造了首台实用机器。它用乙醚作制冷剂,是一种蒸气压缩系统。二氧化碳(CO2) 和氨(NH3)分别在1866年和1873年被用作制冷剂。其他化学制品包括化学氰(石油醚和石脑油)、二氧化硫(R-764)和甲醚,曾被作为蒸气压缩用制冷剂。其应用限于工业过程。多数食物仍用冬天收集或工业制备的冰块来保存。

    二十世纪初,制冷系统开始作为大型建筑的空气调节手段。位于德克萨斯圣安东尼奥的梅兰大厦是*个全空调高层办公楼.

    1926, 托马斯.米奇尼(Thomas Midgely)开发了首台CFC(氯氟碳)机器,使用R-12. CFC族(氯氟碳)不可燃、无毒(和二氧化硫相比时)并且能效高。该机器于1931年开始商业生产并很快进入家用。威利斯.开利(Willis Carrier)开发了*台商用离心式制冷机,开创了制冷和空调的纪元。

    20世纪30年代,一系列卤代烃制冷剂相继出现,杜邦公司将其命名为氟利昂(Freon)。这些物质性能优良、无毒、不燃,能适应不同的温度区域,显著地改善了制冷机的性能。几种制冷剂在空调中变得很普遍,包括CFC-11CFC-12 CFC-113CFC-114HCFC-22.20世纪50年代,开始使用共沸制冷剂。60年代开始使用非共沸制冷剂。

    空调工业从幼小成长为几十亿美元的产业,使用的都是以上几种制冷剂。到1963,这些制冷剂占到整个有机氟工业产量的98%

    1970年代中期, 对臭氧层变薄的关注浮出水面,CFC族物质可能要承担部分责任。这导致了1987年蒙特利尔议定书的通过,议定书要求淘汰CFCHCFC族。新的解决方案是开发HFC族,来担当制冷剂的主要角色。HCFC族作为过渡方案继续使用并将逐渐淘汰。        1990年代,全球变暖对地球生命构成了新的威胁。虽然全球变暖的因素很多,但因为空调冷柜制冷耗能巨大(美国建筑物耗能约占总能耗的1/3),且许多制冷剂本身就是温室气体,制冷剂又被列入了讨论范围。虽然ASHRAE标准34把许多物质分类为制冷剂,但只有少部分用于商业空调。

    制冷剂又称制冷工质,它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质(水或空气等)的热量而汽化,在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。它的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理,因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽视的。

    一、对制冷剂性质的要求

    .临界温度要高,凝固温度要低。这是对制冷剂性质的基本要求。临界温度高,便于用一般的冷却水或空气进行冷凝;凝固温度低,以免其在蒸发温度下凝固,便于满足较低温度的制冷要求。

    .在大气压力下的蒸发温度要低。这是低温制冷的一个必要条件。

    .压力要适中。蒸发压力与大气压相近并稍高于大气压力,以防空气渗入制冷系统中,从而降低制冷能力。冷凝压力不宜过高(一般1215大气压),以减少制冷设备承受的压力,以免压缩功耗过大并可降低高压系统渗漏的可能性。

    .单位容积制冷量qv要大。这样在制冷量一定时,可以减少制冷剂的循环量,缩小压缩机的尺寸。

    .导热系数要高,粘度和密度要小。以提高各换热器的传热系数,降低其在系统中的流动阻力损失。

    .绝热指数k要小。由绝热过程中参数间关系式可知,在初温和压缩比相同的情况下,K↑→T2↑。可见,k小可降低排气温度。

    .具有化学稳定性。不燃烧、不爆炸、高温下不分解、对金属不腐蚀、与润滑油不起化学反应、对人身健康无损无害。

    .价格便宜,易于购得。且应具有一定的吸水性,以免当制冷系统中渗进极少量的水分时,产生冰塞而影响正常运行。

    二、制冷剂的一般分类

    根据制冷剂常温下在冷凝器中冷凝时饱和压力Pk和正常蒸发温度T0的高低,一般分为三大类:

    .低压高温制冷剂

    冷凝压力Pk≤2~3Kg/cm2(),T0 >

    如R11CFCl3),其T023.7。这类制冷剂适用于空调系统的离心式制冷压缩机中。通常30时,Pk≤3.06Kg/cm2 

    .中压中温制冷剂

    冷凝压力Pk< 20Kg/cm2(),0< T0 >-60

    如R717、R12、R22等,这类制冷剂一般用于普通单级压缩和双级压缩的活塞式制冷压缩机中。

    .高压低温制冷剂

    冷凝压力Pk≥20Kg/cm2(),T0≤70

    如R13CF3Cl)、R14CF4)、二氧化碳、乙烷、乙烯等,这类制冷剂适用于复迭式制冷装置的低温部分或-70以下的低温装置中。

    三、常用制冷剂的特性

    目前使用的制冷剂已达7080种,并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷的仅十多种。其中被广泛采用的只有以下几种:

    .氨(代号:R717

     氨是目前使用zui为广泛的一种中压中温制冷剂。氨的凝固温度为-77.7,标准蒸发温度为-33.3,在常温下冷凝压力一般为1.11.3MPa,即使当夏季冷却水温高达30时也决不可能超过1.5MPa 。氨的单位标准容积制冷量大约为520kcal/3

    氨有很好的吸水性,即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结,故系统内不会发生冰塞现象。氨对钢铁不起腐蚀作用,但氨液中含有水分后,对铜及铜合金有腐蚀作用,且使蒸发温度稍许提高。因此,氨制冷装置中不能使用铜及铜合金材料,并规定氨中含水量不应超过0.2%。

    氨的比重和粘度小,放热系数高,价格便宜,易于获得。但是,氨有较强的毒性和可燃性。若以容积计,当空气中氨的含量达到0.5%~0.6%时,人在其中停留半个小时即可中毒,达到11%~13%时即可点燃,达到16%时遇明火就会爆炸。因此,氨制冷机房必须注意通风排气,并需经常排除系统中的空气及其它不凝性气体。

    总上所述,氨作为制冷剂的优点是:易于获得、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小,泄漏时易发现。其缺点是:有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸,对铜及铜合金有腐蚀作用。

    .氟利昂-12(代号:R12

    12为烷烃的卤代物,学名二氟二氯甲烷。它是我国中小型制冷装置中使用较为广泛的中压中温制冷剂。R12的标准蒸发温度为-29.8,冷凝压力一般为0.780.98MPa,凝固温度为-155,单位容积标准制冷量约为288kcal/3

    12是一种无色、透明、没有气味,几乎无毒性、不燃烧、不爆炸,很安全的制冷剂。只有在空气中容积浓度超过80%时才会使人窒息。但与明火接触或温度达400以上时,则分解出对人体有害的气体。

    12能与任意比例的润滑油互溶且能溶解各种有机物,但其吸水性极弱。因此,在小型氟利昂制冷装置中不设分油器,而装设干燥器。同时规定R12中含水量不得大于0.0025%,系统中不能用一般天然橡胶作密封垫片,而应采用丁晴橡胶或氯乙醇等人造橡胶。否则,会造成密封垫片的膨胀引起制冷剂的泄漏。

    .氟利昂-22(代号:R22)

    22也是烷烃的卤代物,学名二氟一氯甲烷,标准蒸发温度约为-41,凝固温度约为-160,冷凝压力同氨相似,单位容积标准制冷量约为454kcal/3     22的许多性质与R12相似,但化学稳定性不如R12,毒性也比R12稍大。但是,R22的单位容积制冷量却比R12大的多,接近于氨。当要求-40~-70的低温时,利用R22比R12适宜,故目前R22被广泛应用于-40~-60的双级压缩或空调制冷系统中,

 
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