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制冷剂应用知识手册 制冷剂应用知识手册 编译者注本手册的主要资料来源摘译自美佳（MCQUAY）空调公司的制冷剂应用手册 （AG 31-007） ，参考了部分教科书籍和相关报纸的报道，并摘编了中国CFC制冷剂淘汰纲要内容。 制冷剂知识手册 目目 录录 1. 介绍.................................................................................................................................................4 2. 什么是制冷剂.................................................................................................................................4 2.1. 制冷剂发展历史........................................................................................................................4 3. 常用制冷剂.....................................................................................................................................5 3.1. 水, R-718....................................................................................................................................5 3.1.1. 氨, R-717........................................................................................................................5 3.1.2. 二氧化碳, R-744............................................................................................................5 3.1.3. 烃类物质........................................................................................................................5 3.1.4. 氯氟碳族 CFC族........................................................................................................6 3.1.5. 氢氯氟碳族 HCFC族.................................................................................................6 3.1.6. 氢氟碳族HFC族..........................................................................................................6 4. 何谓好制冷剂.............................................................................................................................7 4.1. 概述............................................................................................................................................7 4.2. 蒸气压缩制冷循环....................................................................................................................7 4.3. 制冷剂性质................................................................................................................................9 4.3.1. 毒性................................................................................................................................9 4.3.2. 可燃性..........................................................................................................................11 4.3.3. 效率..............................................................................................................................11 4.3.4. 换热性质......................................................................................................................12 4.3.5. 臭氧消耗潜值ODP ...................................................................................................12 4.3.6. 全球变暖潜值GWP ..................................................................................................13 4.3.7. 材料相容性..................................................................................................................13 4.3.8. 冷冻油..........................................................................................................................14 4.3.9. 临界点..........................................................................................................................14 4.3.10. 温度滑差......................................................................................................................15 4.3.11. 音速..............................................................................................................................17 4.3.12. 物理性质......................................................................................................................17 5. 制冷剂化学性质...........................................................................................................................17 5.1. 概述..........................................................................................................................................17 5.2. 无机化合物..............................................................................................................................18 5.3. 氟碳族......................................................................................................................................18 5.4. 混合物......................................................................................................................................18 5.5. 共沸制冷剂..............................................................................................................................18 5.6. 非共沸制冷剂..........................................................................................................................18 5.7. 烃类物质..................................................................................................................................19 5.8. 元素的不同化学性质..............................................................................................................19 6. 制冷剂和制冷系统.......................................................................................................................19 6.1. 压缩机......................................................................................................................................19 6.2. 换热器......................................................................................................................................20 6.3. 管路和压力损失......................................................................................................................21 7. 同温层臭氧消耗...........................................................................................................................21 7.1. 臭氧消耗的化学过程..............................................................................................................21 7.2. 为何是在南极出现空洞........................................................................................................22 第 2 页 共 2 页 制冷剂知识手册 7.3. 臭氧消耗展望..........................................................................................................................22 8. 蒙特利尔议定书...........................................................................................................................23 8.1. 背景..........................................................................................................................................23 8.2. 淘汰时限..................................................................................................................................23 8.3. 美国对CFC族的淘汰方案 ......................................................................................................23 8.4. 蒙特利尔议定书对HCFC族的淘汰要求................................................................................23 8.5. 美国的HCFC族淘汰方案........................................................................................................24 8.5.1. 如果达到限量美国要作什么..................................................................................25 8.5.2. 美国规定的HCFC族配给体制....................................................................................25 8.6. 加拿大的CFC淘汰方案 ..........................................................................................................27 8.7. 加拿大的 HCFC族淘汰方案..................................................................................................28 8.8. 欧洲的淘汰方案......................................................................................................................29 8.9. 中国的淘汰方案......................................................................................................................30 8.10. 蒙特利尔议定书和美国对HFC族的态度 ..........................................................................30 9. 制冷剂对气候改变的影响...........................................................................................................30 9.1. 二氧化碳等温室气体..............................................................................................................31 9.1.1. 二氧化碳水平的变化..................................................................................................31 9.2. 制冷剂的直接与非直接影响..................................................................................................32 9.3. TEWI........................................................................................................................................32 9.3.1. 制冷剂排放..................................................................................................................32 9.3.2. 能量消耗......................................................................................................................33 10. 京都议定书...................................................................................................................................33 10.1. 背景......................................................................................................................................33 10.2. 京都议定书要求..................................................................................................................33 10.3. 目标气体..............................................................................................................................34 10.4. 二氧化碳接收器..................................................................................................................34 10.5. 二氧化碳排放贸易..............................................................................................................34 10.6. 清洁发展机制......................................................................................................................34 10.7. 发展中国家..........................................................................................................................34 10.8. 蒙特利尔议定书和京都议定书的关系..............................................................................35 11. 制冷剂展望...................................................................................................................................35 11.1. 水 R-718...............................................................................................................................35 11.2. 氨R-717.................................................................................................................................35 11.3. 二氧化碳R-744.....................................................................................................................35 11.4. 丙烷 R-290 和异丁烷 R-600a.........................................................................................36 11.5. R-134a......................................................................................................................................36 11.6. R-22 的替代.............................................................................................................................36 11.7. R-407C.....................................................................................................................................37 11.8. R-410A.....................................................................................................................................37 11.9. R-123 的替代...........................................................................................................................37 12. 结论...............................................................................................................................................38 13. 专题文章.......................................................................................................................................39 第 3 页 共 3 页 制冷剂知识手册 1. 介绍 1. 介绍 CFC 制冷剂曾经被认为对人类和这个行星是安全的，但在 1980 年代中期人们发现，正在严重地 破坏地球的生态。 在设计建筑物时， 制冷剂从曾经很少被讨论， 突然变成了设计师的主要考虑事项。 当 HVAC 设备制造商以制冷剂作为重要的市场卖点时，多是公说公有理婆说婆有理。这使得设 备采购决策者经常无所适从。 虽然 CFC 问题已经非常清楚了，但还有许多问题需要说明。本手册希望能提供详尽的制冷剂相 关知识，以对制冷剂如何影响我们的产品及个人的生活加强理解。 2. 2. 什么是制冷剂 什么是制冷剂 在上个千年结束的时候，曾排出了名目繁多的十大排行榜，包括一个二十世纪最伟大发明的排 行榜。与太空飞行和计算机的发明并列，制冷也进入了这个十大排行榜，因为如果没有制冷，食物 保存将不可能。另外，也不可能有高层建筑或现代保健设施。 韦氏词典把制冷剂定义成“在制冷循环中使用的或像冰用于直接冷却的一种物质” 。HVAC 工业 的业外人士可能会把制冷剂描述成空调器中使用的某种流体。 HVAC 工业的许多业内人士将马上想到 CFC 族物质（氯氟碳） 。 以上这些定义都是对的，但制冷剂比那些物质更广泛。水是制冷剂，在吸收式制冷机中使用。 二氧化碳CO2和氨NH3作为“天然”制冷剂而为人所知。易燃物质如丙烷和异丁烷也被作为制冷 剂使用。对于卤代烃物质如CFC, HCFC 和 HFC族物质，更是受到广泛欢迎的制冷剂。ASHRAE标准 34 制冷剂命名和安全分类列出了 100 多种制冷剂，尽管其中许多并不在常规商业HVAC中使用。 制冷剂是化学物质。一些物质，被认为是制冷剂（如 R-141b） ，实际上却广泛应用于诸如发泡 剂场合，其实很少用于冷却场合。 2.1. 制冷剂发展历史制冷剂发展历史 十九世纪中叶出现了机械制冷。雅各布.帕金斯（Jacob Perkins）在 1834 年建造了首台实用 机器。它用乙醚作制冷剂，是一种蒸气压缩系统。二氧化碳CO2 和氨NH3分别在 1866 年和 1873 年首次被用作制冷剂。其他化学制品包括化学氰（石油醚和石脑油） 、二氧化硫R-764和甲醚，曾 被作为蒸气压缩用制冷剂。 其应用限于工业过程。 多数食物仍用冬天收集或工业制备的冰块来保存。 二十世纪初，制冷系统开始作为大型建筑的空气调节手段。位于德克萨斯圣安东尼奥的梅兰大 厦是第一个全空调高层办公楼. 1926 年, 托马斯.米奇尼（Thomas Midgely）开发了首台 CFC（氯氟碳）机器，使用 R-12. CFC 族（氯氟碳）不可燃、无毒（和二氧化硫相比时）并且能效高。该机器于 1931 年开始商业生产并 很快进入家用。威利斯.开利（Willis Carrier）开发了第一台商用离心式制冷机，开创了制冷和 空调的纪元。 20 世纪 30 年代，一系列卤代烃制冷剂相继出现，杜邦公司将其命名为氟利昂（Freon） 。这些 物质性能优良、无毒、不燃，能适应不同的温度区域，显著地改善了制冷机的性能。几种制冷剂在 空调中变得很普遍，包括 CFC-11、CFC-12、 CFC-113、CFC-114 和 HCFC-22.20 世纪 50 年代，开始 使用共沸制冷剂。60 年代开始使用非共沸制冷剂。 空调工业从幼小成长为几十亿美元的产业，使用的都是以上几种制冷剂。到 1963 年,这些制冷 剂占到整个有机氟工业产量的 98。 到 1970 年代中期, 对臭氧层变薄的关注浮出水面，CFC 族物质可能要承担部分责任。这导致了 1987 年蒙特利尔议定书的通过，议定书要求淘汰 CFC 和 HCFC 族。新的解决方案是开发 HFC 族，来 担当制冷剂的主要角色。HCFC 族作为过渡方案继续使用并将逐渐淘汰。 第 4 页 共 4 页 制冷剂知识手册 在 1990 年代，全球变暖对地球生命构成了新的威胁。虽然全球变暖的因素很多，但因为空调 和制冷耗能巨大（美国建筑物耗能约占总能耗的 1/3） ，且许多制冷剂本身就是温室气体，制冷剂又 被列入了讨论范围。虽然 ASHRAE 标准 34 把许多物质分类为制冷剂，但只有少部分用于商业空调。 下面是现在仍在使用或过去曾用过的常用制冷剂的一个快速浏览。 表 1 提供了常用制冷剂的技术 数据. 3. 常用制冷剂常用制冷剂 3.1. 水水, R-718 多数制冷过程是吸收循环或蒸气压缩循环。商业吸收循环一般用水作为制冷剂，溴化锂为吸收剂. 水无毒、不可燃、来源丰富。是一种天然制冷剂.吸 收式制冷机即使是双效制冷机，其挑战是 COP（性能系数） 只比 1 稍大（离心式制冷机的 COP 大于 5） 。从寿命周期的 观点来看，吸收式制冷机需要一个彻底的调查， 以确定 其解决方案在经济上是否可行。从环保观点来看，用水作 为制冷剂是好的。吸收式制冷机的低 COP 值可能表明比离 心制冷机需要消耗更多的化石燃料。但是不一定，因吸收 式制冷机直接使用化石燃料，而电制冷机使用电能。选择用哪种制冷机实际上取决于电能是如何产 生的。 3.1.1. 氨, R-717 3.1.1. 氨, R-717 氨NH3被认为是一种效率最高的天然制冷剂。它是一种今天仍在使用的“原始”制冷剂。多用 于正位移压缩机的蒸气压缩过程。 ASHRAE标准 34 将其 分类为B2 制冷剂 毒性高低可燃. ASHRAE标准 15 要求 对氨制冷站有特殊的安全考虑。尽管在商业空调也使用 很多，但氨在工业制冷上的应用更广泛些。 3.1.2. 二氧化碳, R-744 3.1.2. 二氧化碳, R-744 二氧化碳CO2 是一种天然制 冷剂. 它在 19 世纪末 20 世纪初停止使用， 现在正在研究重新对它的使用。 用于蒸气压缩循环正位移压缩机。在 32℃ 时CO2的冷凝压力 超过 6MPA，这是一个挑战。而且，CO2的临界点很低，能效 差。尽管如此，仍可能有一些应用，如复叠制冷，CO2将是 有用的。 3.1.3. 烃类物质 3.1.3. 烃类物质 丙烷R-290和异丁烷R-600a,以及其他氢碳物质,能够在 蒸气压缩过程中 作 为 制 冷 剂 使 用。在北欧，大 约有 35的制冷 机 使 用 氢 碳 物 质。它们毒性低 且能效高，但容易燃烧。后者严重限制了它们在北美的使用，因受现今安全规范的制约。 第 5 页 共 5 页 制冷剂知识手册 3.1.4. 氯氟碳族 CFC 族 3.1.4. 氯氟碳族 CFC 族 氯氟碳族CFC 族有许多物质，但在空调中最常用的是 R-11、R12、R-113 和 R-114. CFC 族到 20 世纪中叶时已经普遍使用。发达国家在 1995 应蒙特利尔议定书的要求停止了 CFC 族的生产。在 发展中国家它们仍被生产和使用（按时间表将很快淘汰） 。它们用于蒸气压缩过程的所有型式的压 缩机中。常用 CFC 族物质都稳定、安全（从制冷剂标准的角度看） 、不可燃且能效高。不幸的是， 它们破坏臭氧层。 3.1.5. 氢氯氟碳族 HCFC 族 3.1.5. 氢氯氟碳族 HCFC 族 氢氯氟碳族HCFC 族几乎和 CFC 族同时出现。 HCFC-22 是世界上使用最广泛的制冷剂。HCFC-123 是 CFC-11 的过渡替代制冷剂。 它们用于蒸气压缩过 程的所有型式的压缩机中。 HCFC-22 能效高，被分 类成 A1 低毒不燃. HCFC123 能效高，被分类成 B1 高毒不燃.和 CFC 族一样, 这些制冷剂按蒙特 利尔议定书的要求将逐步淘汰。在发达国家已被限量生产且很快将减产。发展中国家也有一个淘汰 时间表，但淘汰时限延长。 3.1.6. 氢氟碳族HFC 族 3.1.6. 氢氟碳族HFC 族 氢氟碳族HFC 族是相对较新的制冷剂， 因 CFC 族的淘汰 将日益受到关注。 HFC 族制冷剂无臭氧消耗潜值ODP0. HFC-134a 是 CFC-12 和 R-500 的替代制冷剂. 它们用于蒸 气压缩过程的所有型式的压缩机中。 常用 HFC 族制冷剂 能效高被分类成 A1