制冷剂与载冷剂.docx

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制冷剂与载冷剂

制冷剂与载冷剂

制冷剂是制冷机中的工作介质，故又称制冷工质。

制冷剂在制冷机中循环流动，在蒸发器内吸取被冷却物体或空间的热量而蒸发，在冷凝器内将热量传递给周围介质而被冷凝成液体，制冷系统借助于制冷剂状态的变化，从而实现制冷的目的。

载冷剂又称冷媒，是在间接供冷系统中用以传递制冷量的中间介质。

载冷剂在蒸发器中被制冷剂冷却后，送到冷却设备中，吸收被冷却物体或空间的热量，再返回蒸发器重新被冷却，如此循环不止，以达到传递制冷量的目的。

本章主要介绍制冷剂必备的特性以及常用制冷剂和载冷剂的主要性质。

2.1制冷剂

蒸气压缩式制冷系统中的制冷剂是一种在系统中循环工作的，汽化和凝结交替变化进行传递热量的工作流体。

系统中的制冷剂在低压低温下汽化吸热（实现制冷），而在高压高温下凝结放热（蒸汽还原为液体）。

有适宜的压力和温度，并满足一定条件的可作为制冷剂的物质大约有几十种，常用的不过十几种。

在空调、冷藏中广泛使用的制冷剂不过几种。

2.1.1制冷剂的种类与编号

2.1.1.1制冷剂的种类与分类

可作为制冷剂的物质较多，其种类如下：

1）无机化合物，如水、氨、二氧化碳等。

2）饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物，俗称氟利昂，主要是甲烷和乙烷的衍生物，如R12、R22、R134a等。

3）饱和碳氢化合物，如丙烷、异丁烷等。

4）不饱和碳氢化合物，如乙烯、丙烯等。

5）共沸混合制冷剂，如R502等。

6）非共沸混合制冷剂，如R407C等。

通常按照制冷剂的标准蒸发温度，将其分为三类，即高温、中温和低温制冷剂。

所谓标准蒸发温度，是指在标准大气压力下的蒸发温度，也就是通常所说的沸点。

1）高温（低压）制冷剂：

标准蒸发温度ts＞0℃，冷凝压力Pc≤0.2～0.3MPa。

常用的高温制冷剂有R123等。

2）中温（中压）制冷剂：

0℃＞ts＞-60℃,0.3MPa＜Pc＜2.0MPa。

常用的中温制冷剂有氨、R12、R22、R134a、丙烷等。

3）低温（高压）制冷剂：

ts≤-60℃。

常用的低温制冷剂有R13、乙烯、R744等。

2.1.1.2制冷剂的编号表示方法

为了书写和称谓方便，国际上统一规定用字母“R”和它后面的一组数字及字母作为制冷剂的编号。

具体的表示方法在GB7778—1987中已有明确规定。

现简述如下。

1.卤代烃卤代烃是三种卤素（氟、氯、溴）之中的一种或多种原子取代烷烃（饱和碳氢化合物）中的氢原子所得的化合物，其中氢原子可以有，也可以没有。

如二氟二氯甲烷（CCl2F2）是氟和氯原子取代了甲烷（CH4）中所有的氢原子而得的化合物,卤代烃根据烷烃中H原子被卤素取代的差异，可分为六类。

①全氟代烃，或称氟烃（FC），烷烃中氢原子完全被氟原子所取代，如CF4。

②氯氟烃（CFC），烷烃中氢原子被氯和氟原子所取代，如CF2Cl2。

③氢氟烃（HFC），烷烃中氢原子部分被氟原子所取代，如C2H2F4。

④氢氯氟烃（HCFC），烷烃中氢原子部分被氯和氟原子所取代，如CHF2Cl。

⑤氢氯烃（HCC），烷烃中氢原子部分被氯原子所取代，CH3Cl。

⑥全氯代烃（CC），烷烃中氢原子完全被氯原子所取代，如CCl4。

由此可见，卤代烃的种类很多，但只有其中一部分被用作制冷剂。

部分卤代烃制冷剂由于对环境有负面影响而被限制和禁用。

制冷剂都规定一识别的编号；以取代其化学名称、分子式或商业名称。

国际上通用的编号法则是采用ASHRAE（美国供热、制冷和空调工程师学会）规定的编号法。

对于卤代烃制冷剂，其编号与化合物的结构有着对应的关系，即是说根据编号可以推导出化学式，反之亦然。

卤代烃的化学通式为

CmHnFxClyBrz

根据化学式中关于饱和碳氢化合物的结构，化学式中的m、n、x、y、z有下列关系

n+x+y+z=2m+2（2-1）

化学式对应的编号为RabcBd

其中R为Refrigerant（制冷剂）的第一个字母；B代表化合物中的溴原子；a、b、c、d为整数，分别为：

a等于碳原子数减1，即a=m-1，当a=O时，编号中省略；

b等于氢原子数加1，即b=n+1；

c等于氟原子数，即c=x；

d等于溴原子数，即d=z,当d=0时，编号中Bd都省略。

氯原子数在编号中不表示，它可根据（2-1）式推算出来。

例如CCl2F2中碳原子数m=1，则a=1-1=0；氢原子数n=0,b=0+1=1；氟原子数x=2，则c=2；无溴原子；因此，其编号为R12。

C2HF3Cl2编号中各个数分别为a=2-1=1，b=1+1=2，c=3。

因此，其编号为R123。

习惯上，R12、R22又称为氟利昂12、氟利昂22……。

也有写成F12、F22……。

“氟利昂”（Freon）是国外一生产厂家定的商业名称。

其他国外厂商就冠以其他名称，如“阿克敦”（Arcton）、“琴纳特朗”（Genetron）等。

由于乙烷的卤化物有同分异构体，如CHF2CHF2和CH2FCF3都是四氟乙烷，分子量相同，但结构不同，它们的编号根据碳原子团的原子量不对称性进行区分。

前者两个碳原子团的原子量对称，则用R134表示；后者不对称较大，则用R134a表示。

卤代烃除了上述的表示方法，目前还直接用其所含的氢、氯、氟、碳来表示，即分别以英文H、Cl、F、C来表示，编号法则不变。

例如R12可写成CFC12，该化合物中含有氯、氟、碳原子，原子数可以根据编号推算；又如R22可写成HCFC22；R134a可写成HFC134a。

常用的卤代烃的化学式及编号见附表。

2.饱和碳氢化合物（烷烃）碳氢化合物称烃，其中饱和碳氢化合物称为烷烃，其中有甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）……。

这些制冷剂的编号法则是这样的，甲烷、乙烷、丙烷同卤代烃；其他按600序号依次编号。

3.不饱和碳氢化合物和卤代烯烯烃是不饱和碳氢化合物中的一类，有乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）等。

烯烃分子里的氢原子被卤素（氟、氯、溴）原子取代后生成的化合物称为卤代烯。

如二氯乙烯（C2H2Cl2）是乙烯中两个氢原子被氯原子取代生成的化合物。

烯烃及卤代烯的编号用四位数，第一位数是1，其余三位数同卤代烃的编号法则。

例如，C2H4的编号为R1150，C2H2Cl2的编号为R1130。

饱和碳氢化合物、烯烃、卤代烯在空调制冷及一般制冷中并不采用，它们只用在石油化工工业中的制冷系统中。

4.环状有机化合物分子结构呈环状的有机化合物，如八氟环丁烷（C4F8），二氯六氟环丁烷（C4Cl2F6）等。

这些化合物的编号法则是：

在R后加C，其余同卤化烃编号法则，如C4F8的编号为RC318。

5.共沸混合制冷剂由两种或多种制冷剂按一定的比例混合在一起的制冷剂，在一定压力下平衡的液相和气相的组分相同，且保持恒定的沸点，这样的混合物称为共沸混合制冷剂。

共沸混合制冷剂可以由组分制冷剂的编号和质量百分比来表示。

如R22/R12（75/25）或R22/12（75/25）是由75%（质量）的R22与25%（质量）的R12混合的共沸混合制冷剂。

对于已经成熟的商品化的共沸混合制冷剂，则给予新的编号，从500序号开始。

目前已有R50O、R501、R502、……R509。

常用共沸混合制冷剂的组分及编号见附表。

6.非共沸混合制冷剂由两种或多种制冷剂按一定比例混合在一起的制冷剂，在一定压力下平衡的液相和气相的组分不同（低沸点组分在气相中的成分总高于液相中的成分），且沸点并不恒定。

非共沸混合制冷剂与共沸混合制冷剂一样，用组成的制冷剂编号和质量百分比来表示。

例如R22/152a/124（53/13/34）是由R22、R152a、R124三种制冷剂按质量百分比53％、13％、34％混合而成。

对于已经商品化的非共沸混合制冷剂给予3位数的编号，首位是4。

例如R22/152/124（53/13/34）制冷剂的编号为R401A，又如R407C为R32/125/134a（23/25/52）非共沸混合制冷剂。

7.无机化合物无机化合物的制冷剂有氨（NH3）、二氧化碳（CO2）、水（H2O）等，其中氨是常用的一种制冷剂。

无机化合物的编号法则是700加化合物分子量（取整数）。

如氨的编号为R717，二氧化碳的编号为R744。

制冷剂的种类很多，但目前在冷藏、空调、低温试验箱等的制冷系统中采用的制冷剂也就是Rll、R12、R22、R13、R134a、R123、R142、R502、R717等十几种。

2.1.2对制冷剂的要求

制冷剂的性质将直接影响制冷机的种类、构造、尺寸和运转特性，同时也影响到制冷循环的形式，设备结构及经济技术性能。

因此，合理地选择制冷剂是一个很重要的问题。

通常对制冷剂的性能要求从热力学、物理化学、安全性和经济性方面加以考虑。

1.热力学方面的要求：

1）沸点要求低是一个必要的条件，这样可以获得较低的蒸发温度。

2）临界温度要高、凝固温度要低，以保证制冷机在较广的温度范围内安全工作。

临界温度高的制冷剂在常温条件下能够液化，即可用普通冷却介质使制冷剂冷凝，同时能使制冷剂在远离临界点下节流而减少损失，提高循环的性能。

凝固点低，可使制冷系统安全地制取较低的蒸发温度，使制冷剂在工作温度范围内不发生凝固现象。

3）要求制冷剂具有适宜的工作压力，要求蒸发压力接近或略高于大气压力，冷凝压力不能过高。

尽可能使冷凝压力与蒸发压力的压力比（Pk/Po）小。

4）要求制冷剂的汽化潜热大，在一定的饱和压力下，制冷剂的汽化潜热大，可得到较大的单位制冷量。

5）对于大型制冷系统，要求制冷剂的单位容积制冷量尽可能地大。

在产冷量一定时，可减少制冷剂的循环量，从而缩小制冷机的尺寸和管道的直径。

但对于小型制冷系统，要求单位容积制冷量小些，这样可不致于使制冷剂所通过的流道截面太窄而增加制冷剂的流动阻力、降低制冷机效率和增加制造加工的难度。

6）要求制冷剂的绝热指数小些，可使压缩过程功耗减少，压缩终了时的排气温度不过高，从而改善运行性能和简化机器结构。

7）对于离心式制冷压缩机应采用分子量大的制冷剂，因为分子量大其蒸汽密度也大，在同样的旋转速度时可产生较大的离心力，每一级所产生的压力比也就大。

采用分子量大的制冷剂，当制冷系统的压力比Pk/Po一定时，所需要的离心式制冷压缩机的级数少。

2.物理化学方面的要求：

1）要求制冷剂的粘度尽可能小，粘度小可以减少流动阻力损失。

2）热导率要求高，可提高换热设备的传热系数，减少换热设备的换热面积。

3）要求制冷剂纯度高。

4）制冷剂的热化学稳定性要求好，高温下不易分解。

制冷剂与油、水相混合时对金属材料不应有明显的腐蚀作用。

对制冷机的密封材料的膨润作用要求尽可能小。

5）在半封闭和全封闭式制冷机中，电机线圈与制冷剂、润滑油直接接触，因此要求制冷剂应具有良好的电绝缘性。

6）制冷剂溶解于油的不同性质表现出不同的特点。

制冷剂在润滑油中的溶解性可分为完全溶解、微溶解和完全不溶解。

一般可认为R717、R13、R14等是不溶于油的制冷剂；R22、R114等是微溶于油的；R11、R12、R21、R113等是完全溶于油的。

3.安全性方面的要求：

1）要求制冷剂在工作温度范围内不燃烧、不爆炸。

2）要求所选择的制冷剂无毒或低毒，相对安全性好。

制冷剂的毒性、燃烧性和爆炸性都是评价制冷剂安全程度的指标，各国都规定了最低安全程度标准，如英国标准4334—1969；美国国家标准ANSIBl5—1978等。

3）要求所选择的制冷剂应具有易检漏的特点，以确保运行安全。

4）要求万一泄漏的制冷剂与食品接触时，食品不会变色、变味，不会被污染及损伤组织。

空调用制冷剂应对人体的健康无损害，无刺激性气味。

4.经济性方面的要求要求制冷剂的生产工艺简单，以降低制冷剂的生产成本。

总之，要求制冷剂“价廉、易得”。

2.1.3常用制冷剂的性质

在蒸汽压