自然工质制冷剂应用及发展

自然工质制冷剂应用及发展

程念庆刘阳秦鹏

（西部建筑抗震勘察设计研究院西安710054

西部建筑抗震勘察设计研究院西安710054

西安探矿机械厂，陕西西安，710065）

前言

自从1931年卤代烃制冷剂R21被开发出来后，相继涌现出一大批它的同族化合物，如R12,R114，R22等。它们以优良的热物性迅速占领了市场。然而由于其对臭氧层的破坏作用，《蒙特利尔协议》明确禁止了CFC 类和HCFC 类工质的继续使用。作为这类工质替代品的HFC 类工质，对臭氧层破坏值ODP=0，但是其对地球温室效应的贡献作用不可忽视，《京都议定书》为此对其作了相应的规定，限制使用。因此，HFC类工质只能作为过渡替代品，寻找ODP 值和GWP 值(温室效应值)均为0 的工质才是努力的方向。在此情况下，一些曾经被氟利昂淘汰的自然工质重新得到人们的关注，如氨、水、CO2等。表1比较了几种常用制冷剂的性质，这类物质取自自然，对自然界生态没有破坏。下面将阐述一些自然工质的应用现状，并对其讨论分析。

1、氨（NH3）

氨在制冷领域的应用已经超过了120年，其ODP=0、GWP=0，是一种环境友好的制冷剂。它具有以下优点：节流损失小，能溶解于水,有漏气现象时易被发现,价格低廉。氨的临界温度和临界压力分别为132. 3 ℃和11. 33MPa ，高于R22 ( 96. 2 ℃/4. 99MPa ) 和

R410A(70. 2 ℃/4. 79MPa)，可在较高的热源温度和冷源温度下实现亚临界制冷循环。它的标准沸腾温度低( - 33.4 ℃) 。在冷凝器和蒸发器中的压力适中( - 15 ℃时的蒸发压力为0.24MPa ，30 ℃时的冷凝压力为11.7MPa)，单位容积制冷量大，并且其导热系数大，蒸发潜热也大( - 15 ℃时的蒸发潜热是R12 的8.12 倍) 。

因其优良的传热特性及其低摩尔质量，在相同制冷量下与R12等传统制冷剂相比，氨制冷系统换热器能设计的更为紧凑，管道采用更小直径，因此能使系统建造成本有效减少。相比于传统氟利昂制冷剂，氨制冷剂中含有少量水，并不影响系统运行。氨制冷系统中的水分会积聚在系统低压侧，降低系统效率，但并不会使整个工厂无法运行。因为氨中允许的含水量为0. 2%，如果有少量水存在，并不会想氟利昂那样出现‗冰塞‘现象。Gigiel指出，如果综合考虑水分、油以及压缩机的磨损因素，一个运行了多年的冷冻厂氨制冷系统功耗将增加43%。即便如此，该系统也比完成同样任务下配备有电除霜设备的R22 制冷系统有效。

NH3/CO2复叠式制冷系统避免氨与食品、人群等直接接触, 降低氨制冷系统的危险性, 并大大降低了系统氨的充注量,增加系统运行的安全性。其节能效果显著，满负荷-31.7o C时，NH3/CO2复叠式制冷系统比氨单级制冷系统在制取单位冷吨的冷量耗功少25％，比氨双级制冷系统少7％。氨用CO2载冷系统采用液态CO2为载冷剂，解决了直接蒸发冷却引起的不安全问题，相比于其它载冷剂，CO2减少了载冷剂侧的管道管径，并减少了氨的冲注量。随着人们对环境的重视，氨冷水机组在欧洲和我国也都得以应用，如法国广播大厦和珠海机场都采用了氨冷水机组。

存在问题及解决措施：

氨的毒性、易燃性和腐蚀性往往成为人们容易担心的问题，这也限制了它在民用制冷中的推广。所以在使用氨制冷系统的地方应保证通风性，并在制冷机房安装浓度监视器和氨泄漏报警器，在氨泄漏时及时用水将氨吸收。

当氨中含有水分时,则对锌、铜、铜合金有腐蚀作用,所以氨制冷系统中应避免使用铜制设备。

由于压缩机是系统中泄漏的主要部件，因此研发无轴封的密闭型压缩机显得尤为重要。氨与矿物油不相溶，因此，在氨制冷系统中必须有油分离器、集油器等设备，致使整个油路系统过于复杂，增加机组自动控制难度。找到与氨互溶的润滑油(如PAG 油)可简化油路系统。国际上已有相关产品。

2、水

水是我们日常生活中最常见的物质之一，它无毒、不可燃、廉价且易获得。因为水在常压下的沸点很低，所以以水为制冷剂的压临界循环的运行压力要低于大气压。水作为工质的基本特点是:运行压力低,但压缩比较大;单位容积的制冷量小,压缩机的排气量大,压缩机的压比也较常规制冷工质大很多。由于水的单位容积制冷量较小,需要的压缩机排量大,因而,用于水压缩制冷循环的压缩机宜采用离心式。由于压比过大会导致压缩机效率降低，因此水制冷循环最好采用多级压缩。

袁卫星等对以水为制冷剂的蒸汽压缩制冷机进行了理论分析和研究。计算结果表明,当蒸发温度为7 ℃,冷凝温度为40 ℃时,等熵压缩的水蒸汽压缩制冷机的性能系数COP 为7. 5 ,而饱和多变压缩的水蒸汽压缩制冷机的性能系数COP 为9.0。可见采用不同压缩过程的水蒸汽压缩机的耗功有明显差别。Kilicarslan 和Muller比较了水与其它一些常用制冷剂

(R134a, R290, R22 等)在系统COP、运行成本、制冷量以及对环境的影响等方面的不同。在系统其他参数相同，蒸发温度20℃以上、冷凝温度和蒸发温度为5K 时，水作为制冷剂的压缩系统COP 值最高.Brandon 等人对容量为3250kW 的水蒸汽压缩冷水机组的可行

性进行了研究。水蒸汽压缩系统的COP 值与R134a 相当，但等熵压缩终了温度远远高于R134a。水蒸汽压缩系统对于压缩机入口处的过热度非常敏感，其造成的不可逆损失)占系统(由过热度损失和节流损失组成)的98%，而R134a 只有23%。压缩机进口的比容3/kg)远远大于R134a(0.055m3/kg)，因此，水蒸汽压缩系统中采用满足大容积流量的离心压缩机或者轴流压缩机。同时，由于离心压缩机压比较小，因此采用多级压缩。考虑到过热度对系统性能的巨大影响，整个系统采用多级压缩中间冷却的结构。闪蒸中间冷却(flashed intercooled)方式，可以大幅度降低压缩机级间蒸汽温度，相比于没有中间冷却的结构，COP 值得到很大提高。但此种方式，会增加下一级压缩机入口的质量流量。

存在问题及解决措施：

找到换热器结构最优设计参数是个关键问题。为避免压力损失影响，水蒸汽压缩系统中可以考虑采用直接接触式(direct‐contact)换热器，但同时，也要考虑到由此可能带入系统的杂质和一些不凝性气体对整个系统性能的影响。

因为压比大，找到合适压缩方式和研制适用于水的压缩机是关键。

3、碳氢化合物

目前应用较多的碳氢化合物主要有丙烷（R290），丁烷（R600）和异丁烷（R600a），它做为绿色环保型制冷剂，首先在欧洲得到广泛应用。它们的ODP为0，GWP值可以忽略，是环境友好型制冷剂，热力学性能优良且价格低廉，但具有可燃性。

德国90%的冷藏箱和冷冻箱采用碳氢化合物作为制冷剂，在全欧洲新生产的家用冷藏/ 冷冻箱中,25 %的制冷剂为碳氢化合物。在日本，家用电冰箱制冷剂的替代工作已取得显著成效，所用的制冷剂已从HFCs全部过渡到了HCs。在欧洲碳氢化合物制冷剂的应用几乎涵盖了所有的空调装置,包括窗式空调器。在余热回收热泵中，碳氢化合物制冷剂也有应用。

在石油化工行业中，丙烷作为制冷剂的应用已有多年历史。由于它和R22的热物性相近，有着优良的热力学性能，并对现有的常用材料及润滑油都兼容，所以主要用做R22的替代制冷剂。R600a可在较高的冷凝温度下工作，而其效率又不会有大的降低。R600a的临界温度高，这样可将冰箱的冷凝器做得更小；其次它的运行压力低，可以大大降低冰箱噪音。