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1、1. 制冷剂的传热特性和其他特性2010-01-27 19:23:43 来源：热泵热水器技术网浏览： 299 次1.1.1.1. 卡诺循环卡诺循环是一种完全可逆的理论循环。图 5 表示卡诺循环。卡诺循环的效率公式是：COP = TR /(TO - TR) 式中 TR是绝对蒸发温度，TO是绝对冷凝温度。请注意制冷剂不是公式的一部分。建立制冷剂模型并计算理论性能是可能的，但如果考虑到系统设计和部件效率等的工程实际情况，谈制冷剂的效率就是将苹果和苹果进行比较，没有任何价值。相对于不同的制冷系统设计，制冷剂的最佳效率是各不相同的。任何根据系统设计来分析哪种制冷剂的效率最高的做法，这都是没有意义的。图
2、5 卡诺循环1.1.2.换热性质制冷的主要目的是将热量从不需要的地方转移到需要的地方（或转移到至少不会有问题的地方）。此过程换热是关键。制冷剂可能因其强的换热性能，而使得理论效率很高。好的换热效果使得换热器的传热温差小，从而使压缩机耗功减小，效率提高。有许多因素影响换热。有几个因素如管路设计、材料和流量（雷诺数）和制冷系统自身有关。制冷剂有三个关键性质影响系统的总体换热能力。它们是粘度( ) 、比热 (cp)和导热系数 ( ) 。这些参数在换热器设计时用于计算普朗特数(Pr= cp/ )。制冷剂的选择目标是单位制冷剂能够携带很多热量（比热大）且热量传递容易（导热系数高），也希望容易增加紊流（低
3、粘度）而减小运送流体时的功耗。换热讨论市场上一般认为R-123 是效率最高的制冷剂。 这种说法是基于不考虑制冷剂换热性质的理论模型。 该模型假定在规定的设计工况下热量会完全传递。事实上 R-134a 的换热性质比R-123 更好 ( 参见表 1 - 制冷剂性质，对比粘度和导热系数) 。从而使换热器中的传热温差更小，在相同的制冷量下所要求压比就小。较小的压比将减少功率消耗，增强系统性能。1.1.3.臭氧消耗潜值(ODP) ODP是一种物质破坏大气臭氧层的一个指数。表 1 列出了许多常用制冷剂的ODP值。请注意 R-11 和 R-12 的破坏潜值最大(1.0).制冷剂的ODP不影响制冷剂的性能，
4、但却也是一个关键性质。所有具有臭氧破坏潜值的制冷剂都已经或将要按照蒙特利尔议定书的要求淘汰。任何新的制冷剂或制冷产品的开发都要求对臭氧层无破坏作用。ODP 讨论R-22 是一种 HCFC ，ODP为 0.055. R-22在发达国家已被限量生产，在美国要求在2010年停止在新设备中的使用。当前， R-22 是最常用的制冷剂，仍然没有清晰的替代物。R-22的低 ODP值使得整个制冷工业正呈现出勃勃生机。1.1.4.全球变暖潜值(GWP) GWP 是一种物质产生温室效应的一个指数。GWP 是在 100 年的时间框架内，制冷剂的温室效应对应于相同效应的二氧化碳的质量。二氧化碳被作为参照气体，是因为其
5、对全球变暖的影响最大。烃类制冷剂的GWP 值一般比二氧化碳高，但排放量小很多。GWP 讨论R-134a 是一种 HFC制冷剂 . HFC 族是京都议定书中关于温室气体清单中六类化学制品中的一类。这意味着试图满足京都议定书的国家必须仔细考虑如何使用HFC族制冷剂，但就京都议定书的要求而言，并没有说要淘汰HFC族制冷剂。现在或将来都不能说HFC族物质不是一个可行的替代方案。关于制冷剂温室效应的一个更科学的指标是TEWI 。制冷剂的GWP 并不排斥其使用，但在评价时应予以考虑。更重要的指标是TEWI ( 总当量变暖影响 ) ，这将在随后讨论. 1.1.5.材料相容性制冷剂是否和制冷回路中的其他物质起
6、反应，在实际应用时是非常重要的。制冷剂将和铜、钢、冷冻油、 垫片和电机绝缘层等相接触。所有这些物质都应仔细确认和制冷剂的相容性。外来物质如湿气也应当加以考虑。CFC族制冷剂的一个重要好处是稳定和不易起反应。这有利于和其他材料的相容性。不幸的是， CFC族制冷剂的这种固有的稳定性和很长的大气寿命是导致其被淘汰的一个原因。当使用对环境更友好的制冷剂时，材料相容性的挑战一般会增加。材料相容性讨论在大部分情况下，当设计一个制冷系统时，材料的相容性都能够预先确定。但在将老系统臵换成新制冷剂时，改造技师有责任仔细考虑材料的相容性。当将 CFC制冷剂换成HCFC-123 和 HFC134a 时，考虑的重点应
7、是材料相容性，因为 HCFC-123与 R-11 制冷机中的绝缘层和垫片一点也不相容。已经找到了许多同时与R-11 或 R-123 相容的材料， 新 R-11 制冷机中都已经使用了这些新材料，这避免了将R-11 换成 R-123 时的大量改造费用。今天， 几乎还有一半的CFC制冷机仍在使用。许多将在其使用寿命结束时替换掉。这些老机器如果考虑改造的话，应进行全面评价。原用材料和HCFC-123不相容的制冷机在改造时会花费巨大的费用。1.1.5.1. 和电机绕组的相容性很多压缩机使用的是闭式电机，与起冷却作用的制冷剂直接接触。制冷剂和绝缘层会互相影响， 制冷剂会从绝缘层中析取聚合物，或者是绝缘层吸
8、收制冷剂。当聚合物被析出时，绝缘层会变脆、 分层和其他方面退化，这些变化将导致电机失效。析出的聚合物会沉积在制冷系统的其他地方，使流动变粘或引起阻塞。如果制冷剂被绝缘层吸收，绝缘层的介电强度和物理性状会下降。当绕组变热时， 制冷剂的快速释放会使绝缘层起泡而导致绕组过早失效。磁性线圈的绝缘层一般是一种热烤珐琅。与和空气接触不一样，珐琅和制冷剂接触时绝缘性能会下降。所以在充注制冷剂前后测量的绕组绝缘电阻值将会显著不同。要特别关注基于所选制冷剂认真考虑电机的绝缘。当更换制冷剂时也要特别注意原设计中所用绝缘材料和新制冷剂的相容性。1.1.5.2. 和橡胶及塑料的相容性垫片、 O形圈等可能是用橡胶制成.
9、 制冷剂、冷冻油或两者的混和物可能会析取橡胶成分而使橡胶的性质发生不利变化。这将导致橡胶的收缩或膨胀变形而使垫片失效。部分氯丁橡胶在 HFC制冷剂中会收缩，而丁腈橡胶和R-123 接触时会膨胀。 制冷剂对塑料的影响一般随着制冷剂分子中氟原子的减少而减小。1.1.5.3. 制冷剂和金属的相容性烃类制冷剂与金属接触时一般非常稳定。在诸如极热的极端条件下，制冷剂和金属会起反应。通过提高温度，ANSI/ASHRAE标准 97 提供了一种材料相容性加速寿命实验方法。在 Imagination Resources Inc.公司所进行的实验中，按照标准97 的程序， R-12 、R-500、R-123 及
10、R-134a 与铜、钢、铝、太阳牌4GS油进行了实验，只有R-123 显示出不相容的迹象。卤代烃制冷剂在含水时会水解形成酸性物质，对金属有腐蚀作用。和油形成的混合物能够溶解铜，然后沉积在温度较高的钢铁部件上，形成一层铜膜，这就是铜镀现象.1.1.6.冷冻油和汽车发动机一样，制冷系统的机械部件必须进行润滑。这些部件包括整个系统中的压缩机和各种阀门 ( 含热力膨胀阀 ) 。好冷冻油的目标是保护运动零件、增加压缩机内部的密封性（与粘度有关） 、与制冷剂及系统中其他材料化学相容、在制冷剂中的溶解度低且是安全的。在干式制冷回路中( 即直接膨胀式 参见 16 页 蒸发器温度滑差) ， 冷冻油经常随制冷剂在
11、回路中流动， 并沿路对部件进行润滑。在进行管路设计时必须注意确保油能回到压缩机而不会积存在回路的某些地方。在满液式制冷系统中，油很容易积存在蒸发器中而不能回到压缩机，油的积存也会使蒸发器的换热效率下降。满液式系统中一般有回油系统来将冷冻油从制冷剂中分离出来（如油分离器），并让油回到压缩机。因为希望冷冻油和制冷剂混溶, 两者必须相容。 冷冻油包括矿物油、烷基苯油、 聚酯油(POE)、聚烯醇油、改性聚烯醇油和乙烯醚油。商用空调中最熟悉的两种油是矿物油和聚酯油(POE)。矿物油是天然的（从原油提炼）。聚酯油 (POE)是用酒精合成制得的。冷冻油讨论将负压的R-11 制冷机转换成R-123 时，原来的
12、CFC制冷剂使用的是矿物油。这些油在整个制冷回路中流动，接触到了回路中的几乎所有内部表面。新的HCFC-123 制冷剂要求使用合成油如POE 。POE 冷冻油与 R-123 是相容的，与矿物油却不相容。转换时的挑战是，在充注新POE 冷冻油之前怎样才能完全清除掉原先的矿物油？通过采用适当的更换程序，以及利用在POE 冷冻油中加入添加剂来增强与残留矿物油的相容性的方法，可以克服这个问题。1.1.6.1. 制冷剂和冷冻油的相容性制冷剂和冷冻油的相容性对制冷系统的正常运行和寿命都有非常重要的影响。CFC制冷剂一般用矿物油作为冷冻油。制冷剂中的氯原子提供了良好的抗磨性，因而在矿物油中不要或只需很少的添
13、加剂。矿物油和 POE油是不相容的。 尽管一般条件下不会存在这两种油的混和物，但在系统更换制冷剂时这种情况却可能出现。HCFC 制冷剂既可用矿物油也可用合成油。有时加入添加剂来增强冷冻油的性能。HFC 制冷剂大多使用合成冷冻油，如POE油。1.1.6.2. POE 油和水POE油的吸湿性比矿物油强得多。湿气在制冷回路中是有害的，因为湿气能与碳一起形成碳酸，可能造成冰堵或铜镀。应特别注意不让POE 冷冻油暴露在大气中以免吸收湿气。1.1.7.临界点图 6 - 临界点临界点是压焓图(P-H) 上不能区分制冷剂到底是液体还是气体的点。在此点时液体和气体的温度、 密度和成分都相同。临界点的性质用临界密
14、度、临界压力、临界比容和临界温度来表征。当在临界点以上运行时，不可能出现单独的液相，制冷剂在制冷循环中不会冷凝成液体。研究表明当压缩二氧化碳时，排气温度就可能是在临界点以上。在低于但靠近临界点运行时，会比较难于压缩，导致效率很低，制冷量很小。临界点讨论在许多应用中都认为R-410A 是 R-22 的优先替代工质。但和R-22 的临界温度96 C相比，R-410A 的临界温度只有70C。当空冷产品用于高温环境时，这一点是一个问题。比如在美国东南部，环境设计条件经常是40C以上，加上14C的制冷剂传热温差后，R410A的温度距临界点的温差为16C，非常靠近曲线的圆顶，只有很小的冷凝余地，将导致效率
15、的降低。如此，标准工况下一台R-410A 的 5 冷吨的冷凝机组，在上述工况下会衰减成3.5冷吨一点也不奇怪。这也说明R-410A 用于风冷热泵是不合适的。1.1.8.温度滑差温度滑差是随着非共沸制冷剂如R-407C 和 R-410A 的使用而出现的一个新名词。非共沸制冷剂由几种制冷剂组份混和而成，其性质不象单组份制冷剂。温度滑差定义为在蒸发器或冷凝器中制冷剂相变开始和结束时的温度差值( 单位为C)， 此差值中不包含过冷度或过热度。例如 R-407C 由 R-32 ( 标准沸点 -52 C)、 R-125( 标准沸点 -49 C)和 R-134a( 标准沸点 -26 C)组成，当 R-407C
16、 沸腾时（即蒸发过程） ，R-32 最先沸腾，剩下液体各组份的比例会发生变化， 使得平均沸点将会不同，此过程称为 分馏 。分馏过程中平均沸点的变化值就是温度滑差 . 图 7 - R-134a/32混和物的非共沸特性图 7 表示 R-134a/32 混和物在R-32 的含量从0 到 100% 变化时的非共沸特性。在图上划一条垂线，垂线分别与液体线和蒸气线相交所得得温度差值就是该浓度时的温度滑差. 1.1.8.1. 蒸发器中的温度滑差空调中蒸发器由两种主要型式：干式 （也叫直膨式） 和满液式 . 干式蒸发器的制冷剂走管内，水（制冷机）或空气（直膨盘管）走管外。满液式蒸发器用于制冷机，水走管内，制冷剂走壳程。图 8 - 干式蒸发器干式蒸发器比满液式蒸发器更适应制冷剂的温度滑差，但作为一个系统其效率比较低。图 8 为干式蒸发器.制冷剂流过热膨胀装臵（如热力膨胀阀） ，雾化成细小的液滴进入蒸发器管内。 细小液滴的表面积很大，从管外的冷冻水或空气中吸收热量。有温度滑差的非共沸制冷剂在管内分馏，沸点低的组份先蒸发，接着是其他组份。干式蒸发器所具有
