制冷剂生产工艺技术

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人类诞生几百万年以来,一直和自然界相安无事。因为人类的活动 能力,也就是破坏自然界的能力很弱,最多只能引起局地小气候的 改变。
但是工业革命以来就不一样了。因为工业化意味着大量燃烧煤和石 油,意味着向地球大气排放巨量的废气。1.其中二氧化碳气体会造 成大气温室效应,使全球变暖,极冰融化,海平面上升;2.二氧化 硫和氮氧化合物可以形成酸雨;3.氯氟烃气体能破坏高交臭氧腰, 造成南极臭氧洞。4.此外,工业化排放的污染气体也使人类聚居的 城市成了浓度特高的大气污染岛……人类在发展经济,改善生活质 量的同时,无形中闯下了弥天大祸。这些弥天大祸看起来是“天灾
”,却不折不扣是人类自己造成的“人祸”。这也就是地球大气对 人类进行的可怕的报复。大自然是决不会因人类的无知而原谅人类 的。
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Fra Baidu bibliotek
1.什么叫温室效应:
全球的地面平均温度约为15℃。如果没有大气,地球的地面平均温度应 为-18℃。这33℃大体就是因为地球有大气,像一条被子一样,造成大 气温室效应之故。 世界上,宇宙中任何物体都辐射电磁波,物体温度越 高,辐射的电磁波波长越短。太阳表面温度约6000℃,它发射的电磁波 长很短,称为太阳短波辐射(其中包括从红到紫色的可见光)。地面在接受 太阳短波辐射而增温的同时,也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发 射的电磁波长因为温度较低而较长,称为地面长波辐射。
短波辐射和长波辐射在经过地球大气时遭遇是不同的:大气对太阳短波辐 射几乎是透明的,却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的 同时,它自己也向外辐射波长更长的长波辐射(因为大气温度比地面更低) 。其中向下到达地面的部分称为逆辐射。
地面接受到逆辐射后就会升温,或者说大气对地面起到了保温作用。这就 是大气温室效应的原理。 地球大气的这种保温作用,很类似于种植花卉 的暖房顶上的玻璃(因此温室效应也称暖房效应或花房效应)。因为玻璃也 有透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射的保温功能。
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一、对制冷剂性质的要求
1.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。
2.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。 3.压力要适中。蒸发压力最好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≯12~15绝对大气压),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。 4.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。 5.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。 6.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。 7 .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。 8.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。
氟利昂所含的氟原子的个数愈多,对人体愈无害,对金 属的腐蚀性愈小,氟利昂用"R"和后面的数字表示,如 氟利昂11即R11。
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为保护环境,国际公约强制规定:目前制冷空调业大量使 用的制冷剂氟利昂(R22)将全面禁用。发达国家必须在 2030年前全面禁用,发展中国家也不迟于2040年,世界 各国的制冷空调巨子都在抓紧研发寻找对臭氧层无破坏的 新冷媒,而国内空调企业也已开始试产新冷媒空调。
南极臭氧洞一经发现,立即引起了科学界及整个国际社会的高度重视 。科学家需要对这一问题的许多现象和特征进行探索,最初对南极臭 氧洞的出现有过三种不同的解释:
第一种解释认为,南极臭氧洞的发生是因为对流层的低臭氧浓度的空 气传输到达平流层,稀释了平流层臭氧的浓度;
第二种解释认为,南极臭氧洞是由于宇宙射线的作用在高空生成氮氧 化物的结果;
二氧化碳等温室气体虽然吸收地面长波辐射的能力很强,但它们在大气 中的数量却极少。如果把压力为一个大气压,温度为0℃的大气状态称为 标准状态,那么把地球整个大气层压缩到这个标准状态,它的厚度是 8000米。目前大气中二氧化碳的含量为355克/米3,即百万分之三百 五十五。把它换算到标准状态,将是2.8米厚。在8000米厚的大气中就
R12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。
R12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。
4.四氟乙烷(代号:R134a)
R134a不含氯原子,标准蒸发温度约为-26.5℃,凝固温度约为-160℃ ,在常温下冷凝压力0.771Mpa。
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由于对臭氧层有破坏作用,《蒙特利尔议定书》规定禁用惯用的CFC 和HCFC类物质. 以制冷剂CFC-12为例,发达国家已于1995年底禁止生 产和使用.
目前的替代路线主要有:以美国、日本为代表的HFC-134a,以德国为 代表的碳氢化合物和一些过渡性的混合制冷剂等. HFC-134a已进入商业 化生产和实用阶段,但必须使用专用润滑油和压缩机,生产线也需改造 ,且温室效应还较高.
从长远看来尚不理想. 碳氢化合物天然存在,环境性能好,能效较高,在 德国的使用呼声较高,但其可燃易爆性始终是推广使用中必须解决的问 题,且异丁烷也需使用专用压缩机. 混合制冷剂有多种,如杜邦公司开发 的过渡性替代物MP系列三元混合物和清华大学开发的THR01等. 这些混 合制冷剂具有热工性能好,与CFC12及其矿物油兼容、设备基本不用改 动等优点,所以可以作为直接灌注式的替代物. 但其中含HCFC,将来也 在禁用之列.
据了解,在家用制冷空调行业,目前普遍使用的制冷剂是 属于HCFC的R22,这种制冷剂的大量使用破坏了高空臭 氧层,从而导致全球变暖。相比之下,环保型的新冷媒 R410a,对臭氧层的破环率为零,制冷、制热效率高,能 使空调器能效比升高约10%,被国际制冷界认为是目前家 用空调的最佳冷媒。
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氟利昂是有目前制冷装置的制冷剂,是一种含氟的对环 境有害的物质,它破坏臭氧层,造成了臭氧层的消减。 事实上这种观点并不完全对。因为破坏臭氧层的的确属 于氟利昂,但并不是所有的氟利昂都破坏臭氧层。
什么是氟利昂呢?氟利昂是烷烃的卤代物,是由氟、氯 和溴原子代替烷烃中全部或部分氢原子而形成的新的化 合物的统称,这些新的化合物的性能是由其中所含氟、 氯、溴所决定的,且随氟、氯、溴原子的个数而变化。
占2.8米这一点点。甲烷是1.7克/米3,相应是1.4厘米厚。臭氧浓 度是400×10-9,换算后只有3毫米厚。一氧化二氮是310x10-9,仅为 2.5毫米。氟里昂有许多种,但大气中含量最多的氟利昂12也只有 400×10-12,换算到标准状态只有3微米。由此可见大气中温室气体含
量之少。也正因为如此,所以人为释放如不加限制,便很容易引起全球 迅速变暖。 武汉理工大学 轮机工程系
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2.温室效应源自温室气体
不是每种气体都强烈吸收地面长波辐射。地球大气中起温室作用的气 体称为温室气体,主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟里昂 以及水汽等。它们几乎吸收地面发出的所有波长的长波辐射,其中只有 一个很窄的长波辐射区段吸收很少,因此称为“窗区”。地球正是通过 这个窗区把从太阳获得的热量中的70%又以长波辐射形式返还宇宙空间 ,以维持地面温度不变。温室效应正是因为人类活动增加了温室气体的 数量和品种,而使这70%的数值下降,留下的余热使全球变暖的。
1.氨(代号:R717) 氨是目前使用最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1.1~1.3MPa,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/m3。 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。
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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:
1.低压高温制冷剂 冷凝压力Pk≤2~3Kg/cm2(绝对),T0 >0℃ 如R11(CFCl3),其T0=23.7℃。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 。 2.中压中温制冷剂 冷凝压力Pk< 20Kg/cm2(绝对),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
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3.氟利昂-22(代号:R22)
R22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℃,在常温下冷凝压力同氨相似,单位容积标准制冷 量约为454kcal/m3。
R22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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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。
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2.氟利昂-12(代号:R12)
R12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℃,在 常温下冷凝压力一般为0.78~0.98MPa,凝固温度为-155℃,单位容积标准 制冷量约为288kcal/m3。
活塞式制冷压缩机中。 3.高压低温制冷 冷凝压力Pk≥20Kg/cm2(绝对),T0≤-70℃。 如R13(CF3Cl)、R14(CF4)、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。
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三、常用制冷剂的特性
目前使用的制冷剂已达70~80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:
第三种解释,美国科学家莫里纳(Molina) 和罗兰德(Rowland) 提出,人工合成的一些含氯和含溴的物质是造成南极臭氧洞的元凶, 最典型的是氟氯碳化合物(CFCs,俗称氟里昂)和含溴化合物哈龙 (Halons)。
越来越多的科学证据否定了前两种观点,而证实氯和溴在平流层通过 催化化学过程破坏臭氧是造成南极臭氧洞的根本原因。
第三节 制冷剂
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。
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