第二章热泵工质

权 原子上取代基相对原子质量之和的差为 0，因此编号 R245ea。 转 ③ CH2F—CHF—CF3，按表 1 第一个字母为 e，该工质第一个和第三个碳原
版 究 子上取代基相对原子质量之和的差为 36，因此编号 R245eb。 勿 ④ CH2F—CF2—CHF2，按表 1 第一个字母为 c，该工质第一个和第三个碳
300 系列 400 系列
RC318
违 R404A，R407C，R410A
共沸有机混合物 500 系列 R500，R502，R503，R507，R508
碳氢有机化合物 600 系列 R600，R600a，R610，R611
无机化合物
700 系列 R717，R718，R729，R744
不饱和有机化合物 1000 系列 R1270
4) 全周期气候性能指数（life-cycle climate performance, LCCP）：它包含 TEWI
版 权请所勿 转者载必 和制造生产制冷剂过程中产生直接和间接温室气体排放。
究
违 图 2.3 某些热泵工质的 ODP 和 GWP
图 2.3 给出了一些工质的 ODP 和 GWP 值。图中横坐标为工质在大气中的生 存周期，纵坐标为 ODP 值。工质的周期越长，温室效应可能越严重。图 2.3 中 每个工质与一个圆圈对应。圆圈的半径等于 GWP 值，圆心位置等于 ODP。所以 图中的圆圈半径越小，圆心位置越靠近 0，对应的工质越环保。
1）烃及卤代烃系列 卤代烃又称氟利昂（美国杜邦公司的商品名），其化学通式为 CmHnFxClyBrz (n + x + y + z = 2m + 2)；烷烃的通式为 CmH2m+2。这些工质的命名编号为 R(m– 1)(n+1)(x)B(z)。对环状衍生物，在数字前加 C，RC318。 乙烷类工质同分异构体根据分子结构的不对称程度在数字后加字母 a、b、 c……，表示两个碳原子上取代原子的相对原子质量之和的差异。丙烷类工质的
制冷时，几乎没有什么技术可以和制冷机匹敌竞争。相反，供热时，可供选 择的技术很多。因此，相比制冷机，热泵的经济性显得更为重要。选择合适的工
有 质，既满足特定的供热要求，又降低热泵的经济成本是热泵设计中很重要的环节。
本章先简要介绍热泵工质的分类、命名规则、安全与环境特性，随后重点讲述与 热泵设计相关的热物理属性。
2.4 单一工质的热物理属性
2.4.1 临界温度与标准沸点
从热泵应用的角度，往往要求热泵工质要有较高的临界温度和较低的标准沸
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点。临界温度是工质能否用于热泵的前提。一般地，只有那些临界温度高于供热 温度的物质才能作为热泵工质。对于给定的供热温度，临界温度越高的工质使得 循环工作区远离临界点，越接近逆卡诺循环，节流损失也小，供热系数越大。尽 管跨临界循环也是可能的，冷凝放热的温度一般要低于临界温度。
有 种工质被称为“过热减”或“湿性”工质（图 2.2B）。
版 权 所勿 转 载 究 A 过热增工质
B 过热减工质
必 图 2.2 工质的温-熵（T-s）示意图
请 者 2.2 热泵工质代号
违 按惯例，制冷剂和热泵工质依据一定规则进行了编号，且热泵工质命名与制
冷剂一样。根据国际标准 ISO 817 的规定，热泵工质和制冷剂的命名都以英文字 母 R 开头，并和其后的一组数字及字母共同组成。数字和字母的编写规则如下。
不可然 A1
B1
低毒性 高毒性
其中毒性分类划分的依据是：
有 Class A: 基于安全阀值-时间加权平均值或于此相一致的数据，如果工质体
积浓度小于或等于 400ppm 时，被确定没有毒性危害，则为 A 类工质。 Class B: 基于安全阀值-时间加权平均值或与此相一致的数据，如果工质体
所 积浓度小于或等于 400ppm 时，被确定有毒性危害，则为 B 类工质。 载 可燃性划分的依据是： 权 Class 1: 在温度 21 ℃和大气压力 101 kPa 环境下，无火焰蔓延（传播），即
2.3 工质的安全与环境特性
3.3.1 安全特性
工质的安全特性包括毒性和可燃性两个基本要素。根据 ASHRAE standard 34，
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制冷剂的安全特性分类如表 3 所示。 表 2.3 热泵/制冷工质的安全分类
高可燃性 A3
B3
低可燃性 A2
B2
4）无机化合物（700 系列）
数字编号规则为 700 加上分子量的整数部分。如 CO2 为 R744，水 R718 等。
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当分子量相同时，在编号后加 A、B、C 等后缀。 5）混合工质（400 系列和 500 系列） 非共沸混合工质为 400 系列，共沸混合工质为 500 系列。编号以应用先后次
转 不可燃。 版 究 Class 2: 在温度 21 ℃和大气压力 101 kPa 环境下，工质最低可燃极限大于
勿 0.10 kg/m3 ，且燃烧热低于 19000 kJ/kg。 必 Class 3: 在温度 21 ℃和大气压力 101 kPa 环境下，工质最低可燃极限小于
请 者 或等于 0.10 kg/m3，且燃烧热大于 19000 kJ/kg。 一般地，卤代烃分子中 Cl 原子增加，毒性增加，沸点和临界温度升高，F
必 原子上取代基相对原子质量之和的差为 18，因此编号 R245ca。 请 ⑤ CH3—CF2—CF3，按表 1 第一个字母为 c，该工质第一个和第三个碳原子
者 上取代基相对原子质量之和的差为 54，因此编号 R245cb。 违 丁烷衍生物类工质的同分异构体要用三个字母表示，这里不再赘述。
2）烃及其它衍生物（600 系列）
该系列包括烷、醚、酯、胺类等。正丁烷为 R600，异丁烷 R600a，含氧有
机化合物 R61x，含氮有机化合物 R63x，其中 x 代表某个数字表示的序号。
3）不饱和有机化合物（1000 系列）
将分子中不饱和键的数目作为工质数字编码的第一位，后面的数字编码方式
同卤代烃。比如丙烯含一个不饱和键，故为 R1270。
所 载 2.1 热泵工质的种类 权 热泵工质可以是无机化合物，例如氨、水和二氧化碳；也可以是有机化合物，
转 例如卤代烃（氟利昂）、环状有机化合物、碳氢化合物（饱和及不饱和）、有机氧 版 究 化物。工质可以是纯工质，也可以是混合物。混合工质包括共沸混合物和非共沸 请 勿 者 必 混合物。
违
图 2.1 以乙烷为基体的卤代烃衍生物
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同分异构体更多，用两个小写英文字母区分：前一个字母表示分子式中中间碳原
子上是何种取代基，规定见下表：
表 2.1 丙烷衍生物类工质第一个英文小写字母的规定
中间原
子基团
CCl2
CClF
CF2
CHCl
CHF
CH2
规定小
写字母
a
b
c
d
e
f
第二个字母表示当第一个字母相同时（中间取代基相同），按第一和第三个碳原
取 R11 的 ODP 为 1。对臭氧层的破坏主要因为工质分子中含有 Cl 元素或 Br 元素。所以只含氯氟的完全卤代烃 CFCs 一般有较大的 ODP，是被淘汰使用 的。HCFCs 含有氢原子，ODP 较小，但不为零，属于过渡工质。HFCs、HCs
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勿 甲烷类有机化合物 000 系列 R11，R22，R13，R23，R32
必 乙烷类有机化合物 100 系列 R124，R125，R134a，R142b，R143a，R152a
请 者 丙烷类有机化合物 200 系列 R227ea，R236fa，R245ca，R245fa，R290
环烷类有机化合物 非共沸有机混合物
和天然工质 ODP 为 0，可长期使用。
2) 温室效应指数（global warming potential, GWP）：大多数制冷剂都是温室气体，
其在大气中存在的周期越长，则温室效应越显著。制冷剂的 GWP 以 CO2 作 为比较基准，其值为 1。其它工质 GWP 是根据 CO2 的 GWP 的倍数来定义的。 全球温室效应主要是因为化石燃料燃烧产生的 CO2，以及森林采伐。制冷剂 导致的温室效应占很小一部分。
子上各自取代基相对原子质量之和的差异大小，分别以 a、b、c……表示，计算
方法与乙烷类衍生物相似。
有 以五氟丙烷为例，分子式 C3H3F5，按基本规则为 R245。它有 5 个同分异构
体：
① CHF2—CH2—CF3，按表 1 第一个字母为 f，且无同分异构体，因此编号
所 R245fa。 载 ② CHF2—CHF—CHF2，按表 1 第一个字母为 e，该工质第一个和第三个碳
违 原子增加，则化学稳定性增加，沸点和临界温度降低，在大气中存在的周期增长。
含 H 原子增加，则可燃性增加，稳定性降低。
3.3.2 环境特性
环境特性主要指工质的温室效应和对臭氧层的破坏。特性指标包括 1) 臭氧破坏指数（ozone depletion potential, ODP）：ODP 一般以 R11 为比较基准，
HCFCs（Hydrochlorofluorocarbons）：含氢氯氟碳的不完全卤代烃，如 R22
称为 HCFC-22；
有 HFCs （ Hydrofluorocarbons ）： 含 氢 氟 碳的无 氯 卤 代 烃 ， 如 R134a 称 为
HFC-134a;
FCs（Fluorocarbons）：氟烃，如 R14，可称为 FC14;
序来定。为区分组分相同而质量分数不同的混合工质，可在编号后加 A、B、C 等后缀。如 R407A、R407B 和 R407C，R508A 和 R508B 等。
工质也可以用类别缩写加数字编号表示。常用的有：
CFCs（Chlorofluorocarbons）：含氯氟碳的完全卤代烃，如 R12 称为 CFC-12；
所 HCs（Hydrocarbons）：碳氢化合物，如 R290，HC-290。
载 卤代烃中的 Cl 元素或 Br 元素对臭氧层有破坏作用，所以 CFCs 是禁用的工
权 质，其余的可以中长期使用。表 2 是工质基本类型的一个总结性表格。
转 表 2.2 热泵工质基本类型
版 究Leabharlann Baidu工质类型
编码系列
典型工质
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卤代烃是一类应用最广泛的制冷剂和热泵工质，由卤族元素氟、氯、溴取代 烃中的氢原子构成。图 2.1 是以乙烷为基体，分别被不同数量的氯、氟原子取代 后的卤代烃衍生物。图中三角形的顶点分别为含氯、含氢和含氟的碳化物；往各 个顶点靠近，相应的氯氟氢原子数增加。
热泵技术及应用
Heat pump technology with applications
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版
所 载 中南大学 权 转 能源科学与工程学院
勿 请
必 者
究
违
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第二章 热泵工质
从理论上讲，理想热泵循环（逆卡诺循环）性能与工质无关。但实际工程中， 工质对热泵性能和安装使用有重大影响。选取工质要考虑多方因素，包括经济因 素，安全因素，环境与热力性能因素等。满足所有需求的完美工质几乎不存在， 因此工质的选择也是一个需要折中的优化问题。另外，虽然热泵工质都选自制冷 工质，由于热泵与制冷机的工作温度和压力范围的不同，所以有些适用于制冷的 工质并不一定非常适合热泵。
工质的标准沸点（1 个大气压下的沸点，简称沸点）既是制冷剂制冷温度的 直接指标，也是选取热泵低温热源的参考值。作为热泵工质，希望其标准沸点要 低于低温热源的温度。这样工质在蒸发器中的蒸发压力高于标准大气压，避免在 系统中产生真空度。通常情况下，对于给定的蒸发温度，标准沸点越低的工质， 压缩机入口比容也越小。因此在相同排气量的条件下，压缩机尺寸就越小。
3) 总等价温室效应指数（total equivalent warming impact, TEWI）：制冷热泵设备
的驱动源主要是化石燃料（转化为电或直接热驱动），这些能源都会导致 CO2
排放。因此热泵设备对温室效应的贡献不仅仅是制冷剂的逸散，还应包括由
有 于消耗能源导致的间接 CO2 排放。这就是 TEWI。
热泵工质的热力性质可以表示在温-熵（T-s）图上。根据其饱和蒸汽的性质， 工质又可分为两大类：一类工质的饱和蒸汽线自临界点开始向右倾（即 ds/dT ≤ 0）。 这类工质，被压缩时蒸汽过热度随着压力的升高而增加，被称为“过热增”或“干 性”工质（图 2.2A）。相反，如果工质饱和蒸汽线自临界点开始向左倾斜（ds/dT > 0），被压缩时蒸汽过热度随压力升高而减小，甚至进入湿蒸汽区引起湿压缩。这