2011-第一章制冷剂的替代及应用幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,制冷与空调装置,制冷教研室 刘凤珍,1,第,1,章 制冷剂的替代及应用,2,本章主要内容：,制冷剂的性质,制冷剂的发展,制冷剂的替代及应用,3,制冷剂的性质,制冷剂的作用,制冷剂是一种能够在制冷系统的蒸发器内蒸发并从被冷却物体中吸取热量而气化，然后在冷凝器内将热量传递给周围的介质而本身液化的工作物质。,4,制冷剂的性质,热力性质：标准大气压下蒸发温度低，工作温度范围内冷凝压力不宜过高，单位容积制冷量要大，临界温度要高。,物化性质：黏度和密度尽可能小，有较强的换热性能，有一定的吸水性，应具有化学稳定性（不燃烧、不爆炸，高温下不分解，不腐蚀材料，与润滑油不起化学反应等），对人体健康无害，无刺激作用。,环保性：对大气臭氧层无破坏作用，不产生温室效应。,经济性：价廉，容易采购等。,5,制冷剂的发展,制冷剂的发展经历了三个阶段：,第一阶段：,19,世纪,早期的制冷剂,（,1830,1930,）,主要有：乙醚,(1834),、,CO,2,(1866),、,NH,3,(1870),、,SO,2,(1874),等作为制冷剂。,特点：,早期的制冷剂，,效率低，大多数为可燃的或有毒或两者兼而有之，另外有些还有强腐蚀性和不稳定性，或有些压力过高而经常引发事故。,6,第二阶段：,20,世纪,90,年代前,（,1930,1990),主要采用,CFCs,和,HCFCs,制冷剂,背景：一战后，制冷机产量增加，急需高安全性和高性能的制冷剂。,1930,年代起，美国杜邦公司研制出氟利昂,(,Freon,),工质，制冷剂开始进入,Freon,时代。,主要有：,R12(1931),、,R11(1932),、,R114(1933),、,R22(1936),、,R13(1945),、,R14(1955),及,1950,年代的共沸混合工质及,1960,年代的非共沸混合工质等作为制冷剂。,7,Freon,的,性质：,优点：热力性质优良，几乎无毒和无燃爆危险，并能适应不同的工作温度范围。,1974,年发现大气臭氧层破坏的化学机制。,1980,年,CFCs,问题提出：确认,CFCs,是引起臭氧破坏和温室效应的危害物质，从而引发,CFCs,的禁用和替代问题。,8,臭氧破坏：,臭氧层：,臭氧层是处于离地面,15,60km,高度的大气平流层区域，该层中的臭氧分子,O,3,在正常情况处于动态平衡，并维持一定的浓度,相对不变,（即平均体积分数为,(5,8),10,-4,%),。,9,臭氧破环机理：,注意：在反应中,Cl,自由基仅起催化作用，,1,个,Cl,自由基可以消耗,10,万个臭氧分子。,10,“,臭氧空洞,”,和臭氧层消耗：,1977,年，南极上空臭氧总量在,9,月下旬开始迅速减少一半左右，形成,“,臭氧空洞,”,，一直持续到,11,月才逐渐恢复。,1989,年初，科考队在北极上空发现臭氧浓度也有季节性的降低，由于北极没有极地大陆和高山，形成不了大规模的,“,极地风暴,”,，故臭氧空洞没有南极厉害。,11,臭氧层破坏带来的危害：,臭氧层能吸收大量的紫外线，臭氧层的破坏从而导致更多紫外线到达地球，从而带来不利的影响，包括：,增加皮肤癌的可能性：,臭氧每减少,10%,，常见皮肤癌发病提高,26%,。,增加患白内障的机会，破坏人体免疫系统。,降低农作物产量和使其质量劣化。,对浮游植物的生长产生不利影响。,12,破坏臭氧层的物质应具备的特征：,特征一：含氯、溴或另一种相似的原子参与臭氧变氧的化学反应。,特征二：在低层大气中必须十分稳定（即大气寿命长），从而使其能到达臭氧层。,用,ODP,（,消耗臭氧潜能值,）来衡量制冷工质对臭氧层的影响程度。,常用工质的,ODP,为：,R11=1.0;,R12=0.82;,R13=1.0;,R22=0.034;,R123=0.012;,R134a=0,。,13,问题：,为什么,R22,（含,1,个,Cl),和,R123(,含,2,个,Cl),的,ODP,比,R13,（含,1,个,Cl),和,R12(,含,2,个,Cl),的,ODP,小得多？,原因：由于,R22,和,R123,的大气寿命分别为,11.9,年和,1.4,年（而,R13,和,R12,的大气寿命分别为,640,年和,100,年），且原子相对活泼，能在低层大气中发生分解，从而到达大气层中的数量大大减少，故其破坏臭氧能力小得多。,14,第一批禁用制冷剂：,蒙特利尔议定书,1987.9,氯氟烃（,CFCs,）类：,R11,、,R12,、,R113,、,R114,、,R115,五种，主要用于制冷、空调、气溶胶喷雾剂、溶剂与清洗剂、保温塑料发泡等工业中。,溴氟烃（,Halon,哈龙,),类,:,Halon1211,、,Halon1301,、,Halon2402,三种，主要用于消防和灭火剂。,15,温室效应：,科学还发现,CFCs,工质除了对臭氧层有破坏作用外，同时还是一种温室气体，它能吸收地球表面向太空中的热辐射，从而产生温室效应，导致全球变暖，从而带来许多不利影响。,16,17,温室效应的危害：,地球温度升高，从而使冰川融化，导致海平面上升,气候变化反常而难预测，海洋风暴增多,地球上的病虫害增加,土地干旱，沙漠化面积增大,作物收成减少，生态系统破坏,18,温室气体：,二氧化碳,CO,2,：占,90%,左右,水蒸气,大部分制冷剂：大部分,CFC,、,HCFC,、,HFC,。,其它气体：如甲烷、一氧化氮等。,19,全球变暖间接作用：,由于空调和制冷过程需要消耗能量（如电力），而能量在大多数情况下来自于煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧直接消耗，从而排放大量,CO,2,，从而对全球变暖产生间接作用。,注意：制冷剂的间接效应与能源的利用效率有关。,20,评价温室效应的指标：,全球变暖潜能值,GWP,：,相对于,CO,2,的造成温室效应的能力。,即将,CO,2,的,GWP,值设定为1，其它物质的,GWP,值相对,CO,2,的来确定。,注意：在不同的时间框架内，同一制冷剂，相对,CO,2,的,GWP,值是变化的，时间越长，该值越小。,如：,R22,：,GWP=1600(100,年）；,970(200,年）,R123,：,GWP=90(100,年）；,55(200,年）,R134a,：,GWP=1200(100,年）；,730(200,年）,21,变暖影响总当量,TEWI,：,直接效应：取决于,GWP,、气体释放量及考虑的时间框架长度。,间接效应：取决于系统运行过程的效率和能源种类。,TEWI,：综合考虑了制冷剂排放的直接效应和能源利用的间接效应。,22,如何考虑温室效应及相关政策？,不应把,GWP,作为唯一指标，应以,TEWI,为指标全面考虑。,间接效应远远大于直接效应，因而不仅应着眼于,GWP,值，更应着眼于提高系统效率。,控制温室气体排放的相关政策有,1997,年,12,月在日本京都签署的,京都议定书，它是非强制性的协议，从而又将,HCFCs,和,HFCs,工质推向浪尖。,23,防止全球变暖应采取的举措：,提供高效节能设备，减少,CO,2,的排放量。,尽可能减少制冷设备使用和销毁时制冷剂的排放量或泄漏量，并采取有效的回收再生设备，加强制冷剂的回收利用。,选择制冷剂时，不仅要考虑,ODP,值，也应兼顾,GWP,和,TEWI,的值。,24,第三阶段：绿色环保制冷剂,(1990,年至今,),以氢氟烃（,HFCs,）、天然制冷剂及碳氢（,HCs,）类为主,目前代表工质有：,R22,、,R123,（,HCFCs,过渡工质）,R134a,（,HFCs,）,R407C,、,R410A,（,HFCs,的混合工质）,NH,3,、,CO,2,和,H,2,O,（天然制冷剂）,异丁烷,R600a,、丙烷,R290,（碳氢类）等,25,制冷剂的替代及应用,如何替代？,替代的原则,ODP,较小。,制冷剂的热力性能较好。,灌注式替代要求系统不做过大改动。,寻找替代物的方法,氟利昂族中寻找替代物,用,HFCs,替代,CFCs,和,HCFCs。,使用天然制冷剂。,26,几种替代工质的选择：,R12,的替代工质,R12,原来主要用于冰箱冷柜、汽车空调、中小型离心式压缩机冷水机组中，是第一批被淘汰的制冷剂。,目前,R12,的替代工质有三类：,R134a,、碳氢化合物,R600a,及其混合物,R290,R600a,、二元或三元混合物，如,R401a,、,R401b,等,27,R11,的替代工质,R11,原来主要用于大中型离心式压缩机冷水机组中，是第一批被淘汰的制冷剂。,目前,R11,的替代工质有：,R123,、,R22,、,R134a,、,R227ea,等，目前比较成熟的是用,R123,替代。,28,R22,的替代制冷剂,R22,主要用于家用空调、商业制冷、中央空调、大型离心式压缩机冷水机组中，是第二批被淘汰的制冷剂。,目前,R22,的替代工质比较成熟的有：,R407C,和,R410A,29,制冷剂的应用：,大中型集中式空调用制冷剂,冷量范畴：,350kW,3500kW,，,1500kW,以下采用空冷或水冷，,1500kW,以上采用水冷。,传统制冷剂：大中型离心式冷水机组采用,R11,和,R12,，大中型螺杆式或活塞式冷水机组用,R22,。,替代制冷剂：用,R123,替代,R11,，,R134a,替代,R12,，,R407C,替代,R22,。,30,替代工质,R123,性质：,(ODP=0.012,GWP=120),R123,的环境性能好，但有毒。,摩尔质量大，从而影响压缩机的压缩比，故改装时需要调整叶轮及其转速。,密度小，需要增加叶轮和输气管的尺寸。,汽化潜热稍小，导致冷量降低。,击穿电压稍低，对封闭压缩机绝缘问题影响不大。,溶油性较好，吸水性稍强，可以选用矿物油及,XH-6,分子筛干燥剂。,对弹性材料腐蚀性强。,31,用,R123,替代,R11,的技术问题：,改进压缩机的齿轮传动装置和叶轮。,改变封闭压缩机的电机绕组。,冷水机组的制冷量与实际的热负荷进行优化匹配。,更换密封件（如型圈、密封垫片、轴封等）。,设置制冷剂浓度传感器和报警装置。,32,替代工质,R134a,性质：,(ODP=0,GWP=1300),R134a,的环保和安全性能好。,冷凝压力稍高。,饱和气液密度小而使单位容积制冷量减小。,汽化潜热大而使其单位质量制冷量大。,质量热容比小而使排气温度降低。,饱和液黏度大导致换热管阻力损失增加。,击穿电压低，电机绝缘性能好。,吸湿性很强，与普通的矿物油难溶等。,能腐蚀某些弹性材料。,33,用,R134a,替代,R12,的技术问题：,压缩机需改型。,分子筛由,XH-5,改为,XH-7,或,XH-9,。,更换润滑油，改装机组要解决润滑油的残留问题。,采用酯类油,(POE),或聚二醇类油,(PAG),及合适的加工用油和清洗剂冲洗系统，当替换旧设备时，系统中的矿物油质量分数不超过,5%,。,系统需要重新优化匹配。,吸水性强，注意控制水分。,需要采用新的电机漆包线、漆皮材料和消声器材料等。,R134a,系统要求的清洁度和含水量是十分严格的。,34,用,R407C,替代,R22,的技术问题：,R407C,：,R32/125/134a(23/25/52),(ODP=0,GWP=1700),采用专用的压缩机。,非共沸混合工质，成分会发生变化。,工作压力比,R22,高,20%,，部件、管路需耐压校核。,由于存在一定的温度滑移，故需要改进换热器和机组的设计来提高其效率，如增大换热器面积，采取逆向流动换热器等等。,采用酯类油,POE,。,改用,XH-10,或,XH-11,分子筛。,在不做优化匹配时，与,R22,相比，冷量约为,0.9,1.1,倍，效率为,0.9,1.0,倍。,35,户式集中式空调用制冷剂,冷量范畴：,2,120kW,的制冷和热泵机组,传统制冷剂：,R22,目前国内大多数仍用,R22,，仅少数国外进口产品和需要出口的国内产品用替代制冷剂,R407C,、,R410A,等。,36,家用空调器用制冷剂,传统制冷剂：,R22,替代制冷剂：为,HFC,制冷剂如,R407C,、,R410A,等，其中,R410A,目前最被认可。,在一般空调工况下，,R410A,的压力为,R22,的,1.5,倍，因此如何设计耐高压部分元件，是,R410A,制冷剂应用于该领域的技术重点问题。由于,R410A,制冷剂在空调用途的热力循环中，其流动性佳，传热效率好，所使用的压缩机及空调系统的元件的尺寸皆可缩小，省材从而节省成本。,37,用,R410A,替代,R22,的技术问题：,R410A,：,R32/125(50/50),(ODP=0,GWP=2000),专用的压缩机。,工作压力比,R22,高,1.5,倍，部件、管路需耐压校核。,采用酯类油,POE,。,改用,XH-10,或,XH-11,分子筛。,在不做优化匹配时，冷量为,1.4,1.5,倍，效率为,0.92,1.0,倍。,38,商用制冷设备用制冷剂,商用制冷设备包括：冷冻冷藏库、室内拼装冷库、冷冻冷藏柜和陈列式冷冻冷藏柜等。,传统制冷剂：,R12,、,R22,、,R502,和,R717,等,替代制冷剂：冷冻冷藏库为,R717,，但仍需解决有毒的危险问题，常采用间接制冷来实现，即机房和库房分开采用载冷工质来实现。冷冻冷藏柜主要是,R502,的替代问题，目前比较成熟的制冷剂是,HFC,混合制冷剂，如,R507A,、,R404A,、,R407A,以及清华,3,号,THR03,等。,39,家用电冰箱和冷柜用制冷剂,传统制冷剂：,R12,替代制冷剂：,R134a,和碳氢化合物,R600a,等。,注意：用,R134a,替代，要解决毛细管堵塞引起工作可靠性的问题，因此对系统的清洁度和含水量都有严格的限制；用碳氢化合物替代，要解决易燃易爆问题，但由于电冰箱、冷柜中的制冷工质充灌量很小，所以能够用于该场合。,40,替代工质,R600a,性质：,(ODP=0,GWP=20),R600a,的环保性能好。,热工性能好。,溶油性好，不需更换润滑油。,材料相容性好。,单位质量制冷量大，故其充注量少。,41,用,R600a,替代,R12,的技术问题：,R600a,易燃易爆。,R600a,单位容积制冷量相差大，故压缩机需改型。,纯,R600a,蒸发时处于真空状态，故要求较高的密闭性。,42,冰箱工况：,R12,与,R134a,比较,制冷剂,P0,(Mpa),Pk,(Mpa),压比,排温,质量制,冷量相,对值,COP,容积制,冷量相,对值,R12,0.129,1.352,10.46,145.7,1,1,1,R134a,0.115,1.457,12.85,134.9,1.25,0.979,0.932,43,冰箱工况：,R12,与,R600a,比较,制冷剂,P0,(Mpa),Pk,(Mpa),压比,排温,质量制,冷量相,对值,COP,容积制,冷量相,对值,R12,0.129,1.352,10.46,145.7,1,1,1,R600a,0.063,0.76,12.0,115.2,2.18,1.01,0.509,44,汽车空调用制冷制,传统制冷剂：,R12,替代制冷剂：,R134a,及,CO,2,（天然工质，不存在回收问题）,注意：采用平流式冷凝器，可增大冷凝能力，降低冷凝压力；冷冻油选用,PAG,类和多元醇酯类；分子筛干燥剂由原来的,XH-5,改为,XH-7,或,XH-9,；软管采用带尼龙内衬的、配用注灌,R134a,相应的快速接头等，以满足,R134a,循环的要求。,45,中国制冷剂的替代及发展趋势：,目前我国制冷剂的替代问题主要是解决,R22,的替代问题。,R12,由于破坏臭氧严重，上世纪,90,年代末已禁止使用。而,R22,冷媒，按照,2007,年,9,月,蒙特利尔协议书,第,19,次缔约方大会通过了关于加速淘汰,HCFCs,的调整案规定，我国将在,2013,年,1,月,1,日将在,HCFCs,的生产和使用冻结在,2009-2010,年两年的平均水平，到,2015,年削减到,90%,，到,2030,年实现除维修和特殊用途外全部淘汰。,46,新型制冷剂的目前发展现状：,长期以来，发达国家及其跨国公司利用自身技术和资本优势，曾一度形成对环保制冷剂技术专利的高度垄断，极大地限制中国制冷产业的发展。近年来，世界各大空调生产商已普遍加快替代,R22,的研发步伐。就目前最热门的替代品,R410A,而言，发达国家已全面垄断它的专利权和最终定价权。,面对这一压力，我国两大空调生产巨头即,格力,空调公司于,2011,年,7,月，全球首条碳氢制冷剂,R290,（丙烷）分体式空调示范生产线在珠海格力电器竣工，,R290,冷媒空调将正式量产。而另一空调巨头,美的,也同时推出,R32,（,CH,2,F,2,）,(ODP=0,GWP=650),、,R290,（,C,3,H,8,）,(ODP=0,GWP=3),、,R161,（,CH,5,F,）,(ODP=0,GWP=10),三款新型环保制冷剂。,47,后记：,由于,R410A,的,GWP,仍然很高，最终也只能作为一种过渡产品使用。,目前行业比较认可的气候友好型制冷剂主要有,R290,、,R32,、,CO,2,、,HFO-123yf,（用于汽车空调）等。但从性价比上看，气候友好型制冷剂与,R410A,相比基本没有优势。,所以未来制冷剂发展何去何从，仍没有定论。,大家反思？,48,小结：,评价制冷工质影响环境的指标及含义？各是以什么为标准的？我们制冷行业应该如何做才能降低对环境的影响？,破环臭氧层的必备条件是什么？,蒙特利尔议定书,和,京都议定书,的区别及对制冷工质的控制前提？,各种制冷场合所用的传统工质是什么？其替代工质分别有哪些？在进行替代时需要解决哪些问题？,了解新型环保制冷工质的当前发展现状？,49,