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1、3 3 制冷剂、载冷剂与贮冷剂制冷剂、载冷剂与贮冷剂 制冷剂是制冷系统中传递能量、实现循环的工作介质，简称工制冷剂是制冷系统中传递能量、实现循环的工作介质，简称工质。除热电制冷器外，其余各种制冷机都需要使用制冷剂。在本质。除热电制冷器外，其余各种制冷机都需要使用制冷剂。在本章的讨论中，以蒸气压缩式制冷机所使用的制冷剂为主。章的讨论中，以蒸气压缩式制冷机所使用的制冷剂为主。 3.1 3.1 制冷剂概述制冷剂概述 3.2 3.2 制冷剂对环境的影响制冷剂对环境的影响 3.3 3.3 制冷剂的热物理性质制冷剂的热物理性质 3.4 3.4 制冷剂的化学性质与实用性质制冷剂的化学性质与实用性质 3.5
2、3.5 混合制冷剂混合制冷剂 3.6 3.6 常用制冷剂常用制冷剂3.7 3.7 载冷剂载冷剂 3.8 3.8 贮冷剂贮冷剂 3.9 3.9 与制冷剂相配合的润滑油简介与制冷剂相配合的润滑油简介 13.1 3.1 制冷剂概述制冷剂概述 3.1.1 3.1.1 制冷剂的选用原则制冷剂的选用原则 3.1.2 3.1.2 制冷剂代号与种类制冷剂代号与种类 3.1.3 3.1.3 制冷剂基本性质制冷剂基本性质 3.1.4 3.1.4 按标准沸点分类按标准沸点分类 23.1.1 3.1.1 制冷剂的选用原则制冷剂的选用原则 在蒸气压缩式制冷机中，对制冷剂共性要求主要有以下几点。 1)应是环境可接受物质，
3、即应对环境无破坏作用或破坏作用轻微。2)临界温度要高由于临界温度是制冷剂可以加压液化的最高温度，临界温度低的制冷剂在常温或普通低温下有可能不会液化，此时将需要温度很低的冷却介质；且由于当制冷剂在节流前的温度接近临界温度时，制冷剂的气化潜热很小，节流损失就会很大，循环的经济性将很差；因此希望制冷剂的临界温度比环境温度高的多。 3)有合适的饱和蒸气压希望在使用条件下蒸发压力最好不低于大气压，以避免空气漏入制冷系统内部；还希望冷凝压力不太高，通常应低于2.5MPa，以免压缩机和冷凝器等设备过于庞大；同时冷凝压力与蒸发压力之比不过大，以免压缩终温过高，压缩机的输气系数过低；冷凝压力与蒸发压力之差也希望
4、尽可能的小，以降低对压缩机强度的要求。 4)化学稳定性和热稳定性好不燃烧、不爆炸、无毒；不腐蚀常用工程材料、与润滑油不起化学反应；在使用温度下不分解、不变性。3 5)凝固温度要低以免制冷剂在蒸发温度下凝固。 6)粘度和密度要小目的是减小制冷剂的流动阻力。 7)导热系数要高这样可提高换热器的传热系数，减小传热面积，降低材料消耗。 8)绝热指数要小可使压缩过程耗功减少，降低压缩终温。 9)液体比热要小这样在节流时液体降温放出的热量少，节流产生的闪发蒸气量小，节流损失较小。 10)气化潜热要大可获得较大的单位制冷量，同时节流后的干度较小。 11)价廉易得。4除了以上共同要求以外，不同型式的制冷系统和
5、制冷压缩机对制冷剂还有一些特定要求。 1)离心式压缩机要求制冷剂的分子量要大，以提高级压比，减少级数。 2)制冷量在200W以下的制冷机要求制冷剂的单位容积制冷量要小，以免压缩机的尺寸过小，加工困难；制冷量于1000W 的制冷机要求制冷剂的单位容积制冷量要大，以减小压缩机的尺寸和制冷剂容积流量。 3)小型制冷系统要求制冷剂与润滑油能相互溶解，以便利用回气夹带回油，简化系统。 4)全封闭和半封闭式制冷压缩机要求制冷剂电绝缘性能好。完全满足上述各种要求的制冷剂并不存在，各种制冷剂都是某些方面较优，而另一些方面不足。应根据工程实际要求，在满足特定要求的前提下，权衡取舍，找出最佳方案。53.1.2 3
6、.1.2 制冷剂代号与种类制冷剂代号与种类 工业中可用的每种制冷剂均有唯一的、国际统一的代号，代号与种类是相关的。 制冷剂的代号和编号规则通用美国采暖制冷空调工程师协会标准ASHRAEStandard 3467的规定，此规定已被国际标准ISO 8171974和中国国家标准GB 777887所采用。这些标准规定了单一制冷剂和混合制冷剂的国际通用代号。 63.1.3 3.1.3 制冷剂基本性质制冷剂基本性质 制冷剂基本性质有： 分子式 、分子量 、标准沸点ts() 、凝固温度 tb()、临界温度 tc() 、临界压力 pc(MPa)、临界比体积 vc(m3/kg) 、绝热指数k (101.1kPa
7、) 如为混合制冷剂，其基本性质还有：组成 、质量成分 、温度滑移() 73.1.4 3.1.4 按标准沸点分类按标准沸点分类 在工程习惯上，对制冷剂常按标准沸点分成高温用、中温用和低温用三类。标准沸点在0以上的称为高温制冷剂，标准沸点在 -46以上的称为中温制冷剂，标准沸点在 -46以下的称为低温制冷剂。 83.2 3.2 制冷剂对环境的影响制冷剂对环境的影响 自1974年，莫林纳(M.J.Molina)和罗兰(F.S.Rowland)提出此问题以来，大量的研究和大气实测数据表明，臭氧问题已经非常严重。目前臭氧问题与温室效应、雨并列为全球性三大环境问题。 3.2.1 3.2.1 消耗臭氧物质对
8、环境的破坏作用消耗臭氧物质对环境的破坏作用 3.2.2 3.2.2 对臭氧作用的评价指标对臭氧作用的评价指标 3.2.3 3.2.3 根据环保观点的命名根据环保观点的命名 93.2.1 3.2.1 消耗臭氧物质对环境的消耗臭氧物质对环境的破坏作用破坏作用 大部分卤代烃类制冷剂都含有氯或溴。这类制冷剂热力性能良好、毒性低或无毒、有数十年应用经验、技术成熟；但由于其中含氯或溴，会给大气环境造成很大破坏。这类物质称为消耗臭氧物质。大气中的O3主要分布在平流层的中部，距地面2540km处，浓度约10-5。在自然平衡的条件下，大气中O3的生成速率与分解速率是平衡的，O3的浓度主要与太阳活动及季节有关。每
9、年秋季开始下降，冬末春初浓度最低；每年春季开始上升，夏末秋初浓度较高。太阳辐射中的包含的波长为0.200.28m的紫外线和波长为0.280.32m的紫外线对地球生物有强烈的杀伤作用，而平流层中O3吸收的吸收带恰在这二个波段，从而阻止这二个波段的紫外线到达地面。 10 含有氯或溴的消耗臭氧物质一经排放到大气层，会逐步上升到平流层。在那里，紫外线的辐射会将其中的氯和溴分解出来，形成氯离子或溴离子。以氯为例，氯离子与O3作用后，会将O3中的一个氧夺走，使臭氧成为氧，即： ClO3ClOO2 从而丧失了对、紫外线的吸收能力。而生成的氧化氯极不稳定，又能与大气中的游离氧相互作用，重新生成氯离子和氧分子：
10、ClOOClO2 这样的循环链式反应使得Cl不断地与O3起作用，一个Cl可以破坏近 105个O3分子，导致O3的分解速率远大于合成速率，致使大气中的O3不断减少。 由于O3浓度的下降，到达地面的紫外线，特别是紫外线将显著增加。至1995年，高纬度地区上空O3浓度已下降了50以上。 除消耗臭氧以外，消耗臭氧物质还会造成温室效应。 113.2.2 3.2.2 对臭氧作用的评价指标对臭氧作用的评价指标 为了评价各种物质对大气中臭氧的作用，主要应用以下指标。1)相对臭氧耗损潜能 ODP： ODP是Ozone Depletion Potential 的缩写，为一相对值，以 R11的ODP=1。ODP 表
11、述了物质对O3的破坏能力，从环保角度看ODP越小越好。2)温室效应潜能 GWP： GWP是Global Warming Potential的缩写，也为一相对值，以 R11的GWP=1。GWP表述了物质对温室效应的影响能力，从环保角度看GWP越小越好。3)大气寿命：指在大气中稳定存在的时间。大气寿命越短，对环保越有利。 123.2.3 3.2.3 根据环保观点的命名根据环保观点的命名 根据对臭氧层的作用，美国杜邦公司首先提出了卤代烃类物质新的命名方法，并已为全世界所接受。 1)CFC CFC表示全卤化氯(溴)氟化烃类物质。这类物质不含氢原子，对臭氧的破坏作用和温室作用均很强、化学性质稳定、大气寿
12、命长。目前排放到大气中的消耗臭氧物质多为此类，常用的制冷剂也多属此类。已经排放到大气层中的 CFC对环境造成的破坏，可能要数百年才能消除，也可能是不可逆损害。这类物质作为制冷剂使用已经被禁止了。 2)HCFC HCFC表示含氢的氯氟化烃类物质。这类物质对臭氧的破坏作用和温室作用均较 CFC类物质弱，由于含氢，化学性质不如 CFC类物质稳定，因此大气寿命也缩短了。这类物质虽然对环境的破坏较 CFC类小，但如长期大量向大气中排放，也将产生严重后果。这类物质目前可以作为短期过渡制冷剂使用。 3)HFC HFC表示含氢无氯的氟化烃类物质。这类物质由于不含氯和溴，对臭氧不产生破坏作用，温室作用也较弱。且
13、由于含氢，大气寿命较短。这类物质虽然对环境的破坏较小，但因其不是自然界中存在的物质，如长期大量向大气中排放，也许会产生意想不到的后果。这类物质可以作为长期过渡制冷剂使用。 133.3 3.3 制冷剂的热物理性质制冷剂的热物理性质 制冷剂的热物理性质是制冷剂最重要的性质，是进行制冷循环和换热计算时必不可少的基本参数。 3.3.1 3.3.1 制冷剂常用热力学性质表与图制冷剂常用热力学性质表与图 3.3.2 3.3.2 基本热力性质基本热力性质3.3.3 3.3.3 热物性参数的计算热物性参数的计算3.3.4 3.3.4 其他热物理性质其他热物理性质 143.3.1 3.3.1 制冷剂常用热力学性
14、质制冷剂常用热力学性质表与图表与图 制冷剂的热力学性质可以通过热力学参数之间的关系去描述。这些关系通常表示成两种形式。第一种是基于实验的热力性质表与图；第二种是以少数实验点为基础的参数关系式。用参数关系式计算出数值后，也可列成表或作图，目前绝大部分图表均是这样得出的。制冷剂最常用的热力性质表是饱和液体及蒸气表、过热蒸气表，最常用的热力性质图是lgp-h图。由于制冷剂的焓和熵是相对数值，在使用热力性质表和图时，应注意焓和熵的基准问题，不同单位制的图表有不同的基准，不是同一套的图表也可能用不同的基准。不同的图表在同一压力和温度下的焓和熵值不同，但任意两个状态焓和熵的差值相同。在制冷计算中，各计算值
15、实际上均以焓和熵的差值表示，并不要求绝对数值。因此，在工程设计中，应尽可能的使用同一套图表，如需多套图表联合使用，应注意修正基准值。 15在国际单位制图表中，以 0的饱和液体为基准点，基准点的焓和熵值为基准值，其数值为：hl0=200.00 kJ/kg sl0=1.000 kJ/(kgK)在工程单位制的图表中，仍以 0的饱和液体为基准点，而焓和熵的基准值成为：hl0=100.00 kcal/kg sl0=1.000 kcal/(kgK)在英制图表中，以 -40的饱和液体为基准点，焓和熵的基准值为：hl0=0.00 BTU/lb sl0=0.00 BTU/(lbF) 163.3.2 3.3.2
16、基本热力性质基本热力性质 制冷剂的热力性质包括标准沸点、临界温度、压缩性系数、特鲁顿数等。 标准沸点Ts指在标准大气压(101325Pa)下的蒸发温度，通常称为沸点。标准沸点与工质分子组成情况有关。 临界温度 Tcr是指物质不可能加压液化的最低温度。当温度在临界温度以上，无论压力为多少，也不可能使气体物质液化。物质的临界温度与标准沸点有一定联系，对于大多数物质有：Ts/Tcr0.6 17 压缩性系数 Z又称压缩因子。对于制冷剂过热蒸气，如引入压缩性系数，则状态方程可表示为：pv=ZRT于是压缩性系数为：式中：p压力(kPa)； v实际比容(m3/kg)； R气体常数(kJ/kgK)；T温度(K)；vid理想气体比容(m3/kg)。 实际气体分子之间存在着范德瓦尔斯力，包括永久偶极矩之间的作用力静电力(Keesomb force)，在永久偶极矩与被诱导偶极矩之间的相互作用的诱导力(Debyeforce)，被诱导偶极矩之间的相互作用的色散力(London force)，使得实际气体的比容较理想气体要小。在工程设计中，压缩因子可用查图法得出，也可用近似计算的方法得出。18估算气体的压缩因子，
