制冷剂的发展及展望

制冷剂的发展及展望
摘要：本文介绍了制冷剂的发展，具体分析了人类对制冷剂的要求，介绍了制冷剂的替代，并提出制冷剂今后发展的主要方向:环保和节能，总结出制冷剂未来的发展趋势。

关键词：制冷剂；环保；节能；发展趋势
Abstract:This article describes the development of a refrigerant, a detailed analysis of the human refrigerant, alternative refrigerants, and asked the refrigerant in the future development direction: environmental protection and energy saving, summed up the future development trend of the refrigerant.
Key word:refrigerant; environmental protection; energy saving; trends 在科技发展的今天，空调器、冰箱走进了社会各个领域，给人们的生产生活带来了极大的便利，特别是近年来，制冷技术得到飞跃，尤其是制冷剂的使用得到很大的发展，更新换代的脚步日益加快。

1制冷剂的基本概况
制冷剂是制冷装置中的工作介质，又称制冷工质。

制冷装置进行制热制冷就是利用制冷剂的循环流动去进行热量交换，所以制冷剂是制冷装置必不可少的部分。

早期使用的制冷剂有乙醚、二氧化硫、氯化钾、二氧化碳等。

[1]由于其本身的缺点，现除二氧化碳还用于生产干冰等制冷系统外，其余均被淘汰。

现被采用的制冷剂约有二三十种，主要有氨、氟利昂、水等。

一般认为,制冷剂的发展主要分为三个阶段:
第一阶段，从1830 年到1930 年，主要采用NH3、CO2、H2O 等作为制冷剂,它们有的有毒，有的可燃,，有的效率低，用了约100 年的时间。

第二阶段，从1930 年到1990 年，主要采用CFCs和HCFCs 制冷剂，使用了约60 年。

第三阶段，从1990 年至今，主要以HFCs (含氟烃) 为主。

2制冷剂的分类
在压缩式制冷剂中广泛使用的制冷剂是氨、氟里昂和烃类。

按照化学成分，制冷剂可分为五类：无机化合物制冷剂、氟里昂、饱和碳氢化合物制冷剂、不饱和碳氢化合物制冷剂和共沸混合物制冷剂[2]。

2.1 无机化合物制冷剂
这类制冷剂使用得比较早，如氨（NH3）、水（H2O）、空气、二氧化碳（CO2）和二氧化硫（SO2）等。

这类天然工质制冷剂大多具有ODP=0，GWP=0，广泛存在，对环境无害，良好的热力性质及低成本、高效率等优点。

其中氨的能效高、传热性能好，具有较好的热力学性质和热物理性质，属于中温制冷剂；在常温和普通低温范围内压比适中，相变潜热大。

但其缺点是毒性大、腐蚀有机配件；与润滑油、铜及其合金不相容；排气压力较高。

与CFCs相比，CO2的优点是压力接近最佳经济水平[3]；能完全适应各种润滑油和常用机器零部件；运动粘度低，压缩比较低，单位容积制冷量大。

2.2 氟里昂（卤碳化合物制冷剂）
氟里昂是饱和碳氢化合物中全部或部分氢元素被氯（Cl）、氟（F）和溴（Br）代替后所得衍生物的总称。

氟里昂的应用比NH3晚60 余年，但它一问世就以其无毒无臭、不燃不爆、稳定性好、对设备有良好的润滑作用而成为制冷工业的明星。

但它是一种“温室效应气体”，温室效应值比二氧化碳大1700倍，更危险的
是它会破坏大气层中的臭氧[4]。

2.3 饱和碳氢化合物制冷剂
这类制冷剂中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和环状有机化合物等。

这类制冷剂易燃易爆，安全性很差。

2.4 不饱和碳氢化合物制冷剂
这类制冷剂中主要是乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）和它们的卤族元素衍生物。

2.5 共沸混合物制冷剂
这类制冷剂是由两种以上不同制冷剂以一定比例混合而成的共沸混合物，这类制冷剂在一定压力下能保持一定的蒸发温度，其气相或液相始终保持组成比例不变，但它们的热力性质却不同于混合前的物质，是一种利用共沸混合物改善其特性的制冷剂。

3对制冷剂的要求
制冷装置的内部压力较之外界要高,容易造成制冷剂的泄漏。

所以不但要求制冷装置可以达到预期的温度调节功能,更要求制冷剂无害于我们的生活环境。

总体而言,目前对制冷剂的要求有以下几个方面:
(1) 对人类的生态环境没有破坏作用。

即不破坏大气臭氧层,不产生温室效应。

(2) 临界温度较高,在常温或普通低温下能够液化。

且希望临界温度比环境温度高的多,以减少制冷剂节流时的损失，提高循环的经济性。

(3) 在工作温度范围内，具有适宜的饱和蒸气压力，即蒸发压力不宜低于大气压力，以免外部空气渗入制冷机系统；冷凝压力不宜过高,否则会引起压缩机耗功增加，要求设备具有较高的承压能力，使设备过分笨重，增加金属材料的消耗量。

(4) 单位容积制冷量大。

对制取一定的制冷量而言，它可以减少压缩机的输气量，即可减少压缩机的结构尺寸[5]。

(5) 粘度和密度小，以减少制冷剂在系统中的流动阻力损失。

(6) 热导率高。

它可提高换热器的传热系数，减少换热设备的传热面积和金属材料消耗量。

(7) 不燃烧、不爆炸、无毒、对金属材料不腐蚀、对润滑油不发生化学作用，高温度下不分解。

(8) 排气温度低，有利于机器的安全运行和寿命的提高。

(9) 应具有良好的电绝缘性能。

(10) 单位容积压缩功小。

目前而言,尚未找到完全满足以上所有条件的制冷剂。

选择制冷剂时,首先考虑符合环保要求,然后按照不同的用途、装置的大小、压缩机的结构形式、使用条件等全面加以考虑[6]。

4制冷剂的替代
目前使用的制冷剂对环境产生巨大的破坏作用，促使着人们积极的寻求能够保护环境的新型替代制冷剂。

为了保护臭氧层和减小温室效应，必须要求制冷剂的OPD 值和GWP 值都要比较小。

新型的替代制冷剂主要包括人工合成型和天然型两大类，有单一工质和混合工质两个方面，混合工质又可分为共沸混和物、近共沸混和物和非共沸混和物三种。

常用的替代物有R134a，R407c，R410a，氨，CO2，R600a 等碳氢化合物[7]。

市场上主要有两大类：格林柯尔公司认可的只有R4l1A、R4l1B，并具有低可燃性，在替代R时应充分考虑可行性。

清华系列环保制冷TH R03 b（R290/R22/R152a 混合物），T HRO3b 的环保性并不强，主要是COP 指数比R22 高一些，因此主要优势在节能上。

由于人工合成制冷剂对环境的影
响，人们开始重新将目光转向对地球生态系统无害的水、氨、二氧化碳、空气、碳烃化合物等自然工质[8]。

其中CO2尤其受到重视，CO2制冷剂是一种安全无毒、不可燃的自然工质，不破坏臭氧层，温室效应系数（GWP=1），价格低廉，不需回收，可降低设备报废处理成本。

CO2的热力性质很好，单位容积制冷量为人工制冷剂的3～10 倍。

经过汽车空调的实验，CO2系统的效率虽然比R12 系统的效率低一些，但是CO2系统具有很大的提高潜力，未来可望达到与R12 相当的效率水平[9]。

5制冷剂的发展趋势
目前制冷空调行业中使用的制冷剂多为CFC(氯氟烃的统称) 和HCFC(含氢氯氟烃) ,这些物质对臭氧层具有破坏作用并产生温室效应,当前环境变暖引起的气候变化,臭氧层空洞等已成为全球性的环境问题,如果任其发展下去将对人类的生存和发展构成严峻的挑战。

总得来说制冷剂的发展趋势应该满足生态环境可持续发展的要求，并且推动其进一步发展。

根据可持续发展中经济发展与保护资源、保护生态环境的协调一致的核心要求[10]。

因此，今后制冷剂的发展方向有两个: 第一是环保。

使用绿色环保的制冷剂已经是大势所趋,绿色环保制冷剂可以是合成的，也可以是天然的，虽然合成的环保制冷剂也对臭氧不会造成破坏，但从地球生态的可持续发展来看天然制冷剂是最理想的选择，因为天然制冷剂本来就是地球生态系统中存在的，无论是使用还是排放到环境中，取之于自然回之于自然，对环境的影响比合成制冷剂都小的多，相信随着技术的不断进步，天然制冷剂必将大有发展[11]。

第二个是节能。

随着人们生活水平的提高制冷空调等设备越来越普及，同时其消耗的大量的能源也越来越引起人们的注意。

我国尚处于社会主义初级阶段，生产力水平还不能完全满足社会主义现代化建设的需要，随着工业化脚步的加快，电力资源显得尤为匮乏。

所以，今后选择节能性的制冷剂也是制冷剂发展的一个远大目标。

[12]
6展望与建议
制冷剂替代工程势在必行，但那是一个漫长的过程，将在相当长的时间内对人类提出巨大的挑战，即21 世纪需要人类开发出品质好、质量优，能够最大限度满足人类需求的制冷剂。

鉴于我国工业发展的步伐,提出以下几点建议:
(1) 我国制冷工业起步较晚，所以制冷剂替代不能操之过急，没有必要在短时间内淘汰过渡性替代品，应该分阶段完成。

在保证正常的制冷剂替代步伐外，尽量减小对工业的冲击[13]。

(2) 冷剂的替代过程中，除了要注重国际社会的环保标准外，还要注重可燃性和毒性等安全指标。

(3) 应进一步开展自然工质替代的理论和应用方面的研究，使自然工质更广泛的应用于制冷空调行业中，为保护人类的生态环境做贡献。

参考文献：
[1]吴晓阳.氟利昂制冷剂的替代与发展探讨[J].宁波化工，2009.
[2]王朋.新型制冷剂的替代研究与可持续发展[J].日用电器，2007.
[3]秦伟，李茂德.制冷剂的可持续发展[J].节能与环保，2006.
[4] Jurgen Sub, Horst Kruse. Efficiency of the indicated process of CO2-compressor [J]. International Journal of Refrigeration, 1998, 21(3): 194-201.
[5]秦伟，李茂德.制冷剂环境影响及可持续发展浅析[J].应用能源技术，2006.
[6]李刚.节能、环保与制冷剂分析[J].节能技术，2004.
[7]韩宝琦，李树林．制冷空调原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，2002. [8］姜守忠.制冷原理与设备［M］.高等教育出版社,2004.1-21.
[9] Hubacher B, Groll E A. Measurement of performance ofcarbon dioxide compressors [R/OL]. /research/completed/. [10] 杨军, 陆平, 张利, 等. 新型全封闭旋转式CO2压缩机的开发及性能测试[J].上海交通大学学报, 2008,42(3): 426-529.
[11]杨一凡. 氨制冷技术的应用现状及发展趋势[J]. 制冷学报, 2007, 28(4): 12-19.
[12] Mitsuhiro Fukuta, Radermacher R. Performance of a vane compressor for CO2 cycle [C]// 4th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids at Purdue University, USA, 2000: 339-346.
[13] 史琳, 朱明善. 家用/商用空调用R32替代R22的再分析[J]. 制冷学报, 2010, 31(1): 1-5.。