Chapter2

Refrigerant&SecondCoolantObjectives1.Understandrequirementsforrefrigerantsonthermodynamics,physics&chemistry,safetyandenvironment.2.BefamiliarwiththecharacteristicsandapplicationsofR717andR22.3.Identifythetypes,propertiesandapplicationsofsecondcoolants.12.1RefrigerantFunction：Theworkingmediuminarefrigerationsystemiscalledrefrigerant,like“blood”forourbody.circulateflow－thermodynamicpropertieswillbechanged－exchangeenergywithenvironment

condense－h(huán)eatrejectionphasechange

evaporate－h(huán)eatextraction22.1RefrigerantDevelopmenthistoryAether,lowtemperaturePe<B,easilyexplodewhenairleaksinward.1866，Windhausen,CO2,highpressure(Pc＝8MPa).1870，CarlLinde，NH3,largerefrigerationsystems.1874，RaulPicte,SO2,intensetoxicity,phasedoutgradually.1929－1930，ThomesMidgley,R12,theearliesttobeused.1974,somefreonwasfoundtodestroyozonelayer.1980’,ItisdeterminedthatCFCisthesubstancetoworsengreenhouseeffectanddestroyozonelayer.32.1Refrigerant2.1.1requirementsforrefrigerant1.EnvironmentalfriendlyLowergreenhouseeffectanddepletionofozonelayer42.1Refrigerant2.thermodynamicproperties(1)appropriatepressureCondensingpressurePc

Pc12～15barEvaporatingpressurePePe

B(atmosphericpressure)appropriatePc/Pe,forone-stagecompressionsystem,Pc/Pe

8~1051.Thermodynamicproperties(2)AppropriateqvRefrigerationsystem,Q0＝qmq0=qVqvLargedevice:Highertheq0

andqv，smallertheqm

andqV，andsmallerthecompressorsizeSmalldevice:Largerqvisdesired.61.Thermodynamicproperties(3)Highercriticaltemperatureandlowerfreezingtemperature(4)smallerk(Thedischargetemperaturet2shouldnotbeexcessive.)Forisentropiccompression,highert2wouldworsenlubricatingcondition（breakdownordilutionofthelubricatingoil)，orcauseproblems:decompositionoftherefrigerantunderhightemperatureorformationofcontaminantssuchassludgeoracids.72.PhysicalandChemicalProperties(1)behaviorwithlubricatingoilThemiscibilityrelatestothestate,componentsofrefrigerant,andtypesofrefrigerantandlubricatingoil.1）immiscibleInavesselofliquidmixtureofrefrigerantandoil,themixturedelaminatedistinctly,oilcanbeseparatedfromlubricatingoileasily,suchasNH3,CO2，R13，R14，R115.8(1)Behaviorwithlubricatingoil2）miscibleCompletemiscibility:R11,R12,R21,R113,R500.Partialmiscibility:R22,R114,R152andR502.CriticalsolutiontemperatureRich-oilandpoor-oillayers9(1)BehaviorwithlubricatingoilThetemperaturedoesaffectmuchonthemiscibility.Thepropertyofmiscibility

isadvantageousanddisadvantageoustorefrigerationequipment.10Advantagesanddisadvantages

ofgoodmiscibility1.forminggoodlubricatingconditiononthebearingsandrunningsurfaces2.noeffectonthepropertiesofheattransfer3.changingthermodynamicpropertiesofrefrigerant.ts=f(ps)4.reducingviscosityoflubricatingoil.112.PhysicalandChemicalProperties(2)Behaviorwithwatermiscibility:R717

immiscibility:R12FreezingofthewaterCorrosionofmetalsDamagetothemotorinsulationinhermeticcompressors123.PhysicalandChemicalProperties(3)Highthermalconductivityandcoefficientofheattransfer：reducesurfaceofheattransfer(4)Lowviscosityandsmalldensity：lowerpowerconsumptionandsmallerpipingsize(5)nocorrosiontometalandothermaterials(6)Chemicalstability，nonflammable,andnoexplosion.134.Otherrequirements(1)noharmtohealth，non-toxicity，withoutanypungentsmell.Toxicitygrades：1-6NH3：level2，R22：level5.Thehigherthegradenumber,thelesstoxicthesubstance.(2)cost:shouldbecheapandbeacquiredeasily142.1.2refrigerantcompositionInorganiccompounds,hydrocarbons,halocarbonsandmixtures1.Inorganiccompounds:R7××NH3－R717CO2－R744H2O－R718152.1.2Refrigerantcomposition2、Freonderivativesofsaturatedhydrocarboncontainingchlorine,fluorineandbromineDerivativesofmethaneandethanefewerH，reducingflammabilitymoreF,lessharmfultopeople，lightercorrosiontometalmoreCl，risingtsatatmosphere162.FreonChemicalformulasofsaturatehydrocarbon：CmH2m＋2Freon:CmHnFxClyBrz

n+x+y+z=2m+2

code：R（m－1）（n＋1）（x）B（z）Dichlorodifluoromethane:CF2Cl2m=1,n=0,x=2R12monochlorodifluoromethane：CHF2Cl

m=1,n=0,x=2R22CF3Br:

m=1,n=0,x=3,z=1R13B1C2H2F4:

m=2,n=2,x=4R134173、hydrocarbonsalkyl：saturatedhydrocarbon，thesamecodingmethodasfreonmethaneCH4R50ethaneC2H6

R170propaneC3H8

R290ButaneC4H10R600

Isobutane

R600a

EtheneC2H4R1150propyleneC3H6R1270184.mixtureTwoormorerefrigerantsmixaccordingtocertainproportionsAzeotropicmixture(共沸混合工質(zhì)）：thesamebehaviorsascommonrefrigerantcodeR5xx(R500～R506)R502:48.8%R22and51.2%R115194.MixtureNon-azeotyopicmixture（非共沸混合工質(zhì)）：R4xxR410AR32/125(50/50)R407CR32/125/134a(23/25/52)20Classification:

boilingtemperaturetBat1atm1.hightemperature（lowpressure）refrigerant,tB>0C,Pc<=0.3MPa，R11，R113，R1142.midtemperature（midpressure）refrigerant,tB=0–﹣60℃，Pc=0.3–2MPa，R12，R22，R717，R2903.lowtemperature（highpressure）refrigerant，tB<﹣60°C，Pc=2–4MPa，R13，R14，R17021第2章制冷劑與載冷劑

2.1制冷劑2.1.3常用制冷劑1、R717(ammonia)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度－33.4℃，凝固溫度－77.7℃大型蒸氣壓縮式系統(tǒng)，氨水吸收式系統(tǒng)(1)－15/40℃范圍，壓力適中（2～15bar）(2)較大qv221、R717(3)粘性小，流動(dòng)阻力小，傳熱性能好(4)易燃，易爆，有毒系統(tǒng)設(shè)空氣分離器，檢修時(shí)注意通風(fēng)，工作區(qū)濃度小于0.02mg/l。(5)難溶于油貯液器蒸發(fā)器下部定期排油。(6)易溶于水，對(duì)Cu及Cu合金有腐蝕性。232、氟利昂（Freon）中小型蒸氣壓縮式系統(tǒng)，封閉式壓縮機(jī)(1)T、P范圍寬廣(2)qv小(3)密度大，傳熱性能差，流動(dòng)性差(4)絕熱指數(shù)小，壓縮機(jī)排溫低(5)安全，不燃、不爆(6)對(duì)天然橡膠和塑料有浸蝕作用24(7)難溶于水“冰塞”(freezingofthewater)和“鍍銅”現(xiàn)象(copperplating)含水量<0.0025%系統(tǒng)裝設(shè)干燥過濾器氟利昂的性質(zhì)和H、F及Cl的個(gè)數(shù)有關(guān)H少，燃燒和爆炸性小F多，毒性小、對(duì)金屬腐蝕性小、穩(wěn)定Cl多，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)高2、氟利昂（Freon）25R12及其替代物R12小型冷凍裝置，家用冰箱、冷柜、小型商用冷凍陳列柜，組合冷庫(kù)。與R717和R22比，同t下，p低；排溫低；qv小分子量大，流動(dòng)性比R22差，傳熱性能與R22差不多。公害物質(zhì)26R134a臭氧無(wú)害排溫低，傳熱性能好。溶水性強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)干燥要求高。溶油性：與烷烴類油不相溶，與酯類油（POE）相溶。專門撿漏儀GWP＝0.27，仍具有相當(dāng)?shù)臏厥倚?yīng)27異丁烷R600aR12的自然替代工質(zhì)熱力性質(zhì)與R12有差異。（以冰箱工況為例）壓比高，qv小，排溫低。在空氣中可燃。與礦物油很好互溶。溶水性差。Rpe/Mpapc/Mpapc/pet2/℃q0qvCOPR120.1291.35210.46145.7111R600a0.0630.7612.0115.22.180.5091.0128R22及其替代物R22飽和壓力特性與R717相似，qv差不多。排溫低無(wú)色、無(wú)味，不燃、不爆，毒性小，對(duì)金屬無(wú)腐蝕。與水互溶性差有限溶油29R407C

R32/125/134a(23/25/52)與R22沸點(diǎn)較接近與酯類油互溶在空調(diào)工況，qv略低于R22。在低溫工況，qv低得多。主要技術(shù)問題（1）專用壓縮機(jī)（2）成分會(huì)發(fā)生變化（3）工作壓力高10％，部件、管路需耐壓校核（4）改進(jìn)換熱器和機(jī)組設(shè)計(jì)，如加大換熱面積、逆流換熱（5）用酯類油POE30R410A

R32/125(50/50)近共沸與酯類油互溶在空調(diào)工況，qv與R22差不多。在低溫工況，qv高約60％。專門壓縮機(jī)工作壓力高1.5倍31第2節(jié)關(guān)于CFCs等工質(zhì)的

禁限使用及替代一、CFCs問題的提出1、鹵代烴類物質(zhì)的新的表示方法（1）碳?xì)浠衔顲H4，C2H6，C3H8，記作HCs。（2）氟化碳（氟烴）烴中的氫原子完全被氟原子置換，CF4（R14），C2F6（R116）

，記作PFCs。（3）氯氟化碳（氯氟烴）烴中的氫原子完全被氯和氟原子置換。CFCl3（R11），CF2Cl2（R12），記作CFCs。（4）氫氯氟化碳（氫氯氟烴）烴中的氫原子部分被氯和氟原子置換。CHF2Cl

（R22），C2H3F2Cl

（R142b），記作HCFCs。32（5）氫氟化碳（氫氟烴）烴中的氫原子部分被氟原子置換。CHF3（R23），C2H2F4（R134a），記作HFCs。（6）氫氯化碳（氫氯烴）烴中的氫原子部分被氯原子置換。CH2Cl2（R30），C2HCl5（R120），記作HCCs。（7）氯化碳（氯烴）烴中的氫原子完全被氯原子置換。CCl4（R22）記作PCCs。R134a－HFC134a；R22－HCFC22；R12－CFC12；R142b－HCFC142b33CFCs，HCFCs，HFCsCFCs－氯氟烴，不含氫的氟利昂－公害物質(zhì)HCFCs－氫氯氟烴，含氫－低公害物質(zhì)HFCs－氫氟烴，沒有Cl，有HF，－無(wú)公害物質(zhì)34Halon的命名及代號(hào)（哈龍）Halon××××CFClBr蒙特利爾議定書規(guī)定限制使用Halon-1211，CF2ClBr，R12B1Halon-1301，CF3Br，R13B1Halon-2402，C2F4Br2，R114B2消耗臭氧物質(zhì)ODS（OzoneDepletionSubstance）352.有關(guān)CFCs等物質(zhì)禁限使用的基本知識(shí)（1）大氣臭氧層及其作用離地面15～60km大氣平流層，有效減少太陽(yáng)紫外線對(duì)地球表面的輻射。紫外線A波長(zhǎng)﹥320nm（1nm＝10－9m）長(zhǎng)，無(wú)害紫外線B波長(zhǎng)＝295－320nm，中，有一定危害紫外線C波長(zhǎng)﹤320nm，短，有嚴(yán)重危害（2）CFCs等物質(zhì)對(duì)臭氧層的破壞30％－制冷劑；25％－噴霧劑；25％－發(fā)泡劑；20％－清洗劑36南極臭氧空洞的變化372000年臭氧空洞的形狀2002年臭氧空洞變形了383940（3）臭氧層被破壞及溫室效應(yīng)帶來的影響CFC又稱氯氟烴，是氟利昂制冷劑家族中的一員研究表明，當(dāng)CFCs受強(qiáng)烈紫外線照射后，將產(chǎn)生下列反應(yīng)（以CFC12為例）:CF2Cl2------CF2Cl＋Cl；Cl＋O3----ClO＋O2；ClO＋O-----Cl＋O2循環(huán)反應(yīng)產(chǎn)生的氯原子不斷地與臭氧分子作用，使一個(gè)氯氟烴分子，可以破壞成千上萬(wàn)個(gè)臭氧分子，使臭氧層出現(xiàn)“空洞”，這一現(xiàn)象已被英國(guó)南極考察隊(duì)和衛(wèi)星觀測(cè)所證實(shí)。據(jù)UNEP（聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署）提供的資料，臭氧每減少1％,紫外線輻射量約增加2％。臭氧層的破壞將導(dǎo)致：①危及人類健康，可使皮膚癌、白內(nèi)障的發(fā)病率增加，破壞人體免疫系統(tǒng)；②危及植物及海洋生物，使農(nóng)作物減產(chǎn)，不利于海洋生物的生長(zhǎng)與繁殖；③產(chǎn)生附加溫室效應(yīng)，從而加劇全球氣候轉(zhuǎn)暖過程；④加速聚合物（如塑料等）的老化。因此保護(hù)臭氧層已成為當(dāng)前一項(xiàng)全球性的緊迫任務(wù)。41（3）臭氧層被破壞及溫室效應(yīng)帶來的影響CFC12（R12）損耗臭氧層的發(fā)應(yīng)：CF2Cl2CF2Cl＋ClCl＋O3ClO＋O2

ClOCl＋O2損耗臭氧層的危害：人體免疫力下降；加劇溫室效應(yīng)；破壞生態(tài)平衡：危害地球生物；農(nóng)業(yè)、漁業(yè)減產(chǎn)；紫外線引起建筑物、繪畫、包裝材料的老化等。42二、保護(hù)大氣的國(guó)際行動(dòng)（1）《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》1987，受控物質(zhì)2類8種（制冷劑5種，哈龍3種），逐年減少R11,R12,R113,R114,R1151990，倫敦修正案，擴(kuò)大受控范圍，66種，HCFC過渡性受控物質(zhì)34種。加快限制進(jìn)程，發(fā)達(dá)國(guó)CFCs到2000年，發(fā)展中國(guó)家順延10年。1992，哥本哈根修正案，發(fā)達(dá)國(guó)CFCs到1996年1月1日，對(duì)過渡性受控物質(zhì)提出淘汰時(shí)間表。2030年禁用，發(fā)展國(guó)2016年凍結(jié)生產(chǎn)量，2040年禁用。（2）聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約及京都議定書發(fā)達(dá)國(guó)家2008－2012年減排溫室氣體5.2％，控制排放氣體：CH4，N2O，SF6，CFCs，HCFCs，HFCs。43常用制冷劑及其性質(zhì)CCl4(R10)CH4(R50)CF4(R14)穩(wěn)定性增大可燃性增大可燃性增大毒性中間大氯氟烴CFC氫氟烴HFC含氫氯氟烴HCFCChlorine:氯Fluorine:氟Carbon:碳Hydrogen:氫44類別物質(zhì)類別物質(zhì)第一類（氯氟烷烴）CFCl3(CFC11)CF2Cl2(CFC12)C2F3Cl3(CFC113)C2F4Cl2(CFC114)C2F5Cl(CFC115)第二類（溴氟烷烴）CF2BrCl(哈隆1211)CF3Br(哈隆1301)C2F4Br2(哈隆2402)CFCS、HCFCS的限用與禁用表2-2受控制的消耗臭氧層物質(zhì)（蒙特利爾議定書）締約國(guó)1996.1.1：以1989年的HCFC消費(fèi)量加2.8%CFC消費(fèi)量的總和（折合到ODS噸）作為基準(zhǔn)加以凍結(jié)；2004.1.1：消減35%；2010.1.1：消減65%；2015.1.1：消減95%；2020.1.1：消減95.5%(0.5%僅用于現(xiàn)有設(shè)備的維修)；2030.1.1：消減100%美國(guó)2003.1.1：禁止HCFC141b用于發(fā)泡劑；2010.1.1：凍結(jié)HCFC22和HCFC142b的生產(chǎn)；不再制造使用HCFC22新設(shè)備；2015.1.1：凍結(jié)HCFC123和HCFC124的生產(chǎn)；2020.1.1：禁用HCFC22和HCFC141b；不再制造使用HCFC123和HCFC124的新設(shè)備；2030.1.1：禁用HCFC123和HCFC124歐共體國(guó)家2000.1.1：消減50%；2004.1.1：消減75%；2007.1.1：消減90%；2015.1.1：消減100%；瑞士、意大利2000.1.1禁用HCFC德國(guó)2000.1.1禁用HCFC22瑞典，加拿大2010.1.1禁用HCFC表2-3HCFC禁用時(shí)間表（發(fā)達(dá)國(guó)家）45行業(yè)消耗臭氧層物質(zhì)完全淘汰時(shí)間（年）家用制冷設(shè)備CFC112010CFC122010汽車空調(diào)器CFC122002＊工商業(yè)制冷設(shè)備CFC112002＊CFC122006＊化工生產(chǎn)CFC112010CFC122010CFC1132006表2-4中國(guó)制冷空調(diào)和化工行業(yè)最終淘汰消耗臭氧層物質(zhì)時(shí)間表注：＊允許維修使用到2010年。46第3節(jié)保護(hù)臭氧層的具體措施一、使用中的CFCs工質(zhì)裝置（1）減少ODS向大氣的排放：減少充裝量；強(qiáng)化密封；研究CFCs的回收系統(tǒng)。（2）用對(duì)大氣臭氧層破壞能力較小的替代工質(zhì)HCFC142b－CFC12，CFC114；HCFC22－CFC12，R502HCFC123－CFC11R407c（R134a/R125/R32,52/25/32)－HCFC22，CFC1247二、研究和開發(fā)新的替代工質(zhì)變暖影響總當(dāng)量（總的相當(dāng)變暖潛能值）TEWI（TotalEquivalentWarmingImpact)1.HFCs替代灌注式替代R410A（HFC32/HFC125,50/50)2.自然替代工質(zhì)（1）R717，GWP=0,ODP=0（2）碳?xì)浠衔铮℉Cs）HC290，HC600，HC600a48環(huán)境特性指標(biāo)ODP和GWPODP－臭氧消耗潛能值ozoneDepletionpotentialGWP－溫室效應(yīng)潛能值（GlobalWarmingPotential)可以接受的制冷劑：ODP<=0.05，GWP<=0.5CFCs替代物的研究短期－減少CFCs排放；中期－采用HCFCs及其非共沸混合物；長(zhǎng)期－采用HFCs49制冷劑的環(huán)境特性50替代制冷劑的研究動(dòng)向制冷劑代號(hào)R12R134aR600a相對(duì)分子質(zhì)量120.92102.058.13標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度/℃-29.8-26.5-11.7燃燒極限（體積分?jǐn)?shù)）/%無(wú)無(wú)1.8～8.4ODP值1.000GWP值450042015冷凝壓力（40℃時(shí)）/MPa1.011.020.53蒸發(fā)壓力（-30℃時(shí)）/MPa0.100.0840.047理論排氣溫度/℃120～125125～130100～105液體密度（-25℃時(shí)）/kg/m31472.01371.0608.3潤(rùn)滑油礦物油酯類油礦物油對(duì)雜質(zhì)的敏感性敏感高度敏感敏感容水性極微易容極微真空度要求一般較高一般材料兼容性好不好好表2-6R12、R134a、R600a主要物性及性能對(duì)比51載冷劑（secondaryrefrigerant)1.載冷劑將制冷裝置制冷量傳遞給被冷卻介質(zhì)的媒介?？諝獗焕鋮s方式直接蒸發(fā)冷卻：如家用空調(diào)器。通過載冷劑冷卻：集中式空調(diào)，大冷量系統(tǒng)52AdvantagesTheadvantagesofusingasecondaryrefrigerantarethattherefrigerantintheprimarysystemcanbeconfinedtoasmallarea,theplantroom,withreducedriskofleakagebecauseofsmallernumberofpipejointsneeded;thewholerefrigeratingplantcanbefactoryassembled,sothatonlypipeworkforthesecondaryrefrigerantneedbedoneonthesite;andtheproblemofcontrollinganddistributingtherefrigerationissomewhatsimplified.53EvaporatorrefrigerantSecondaryrefrigerant（chilledwater）空調(diào)房間airconditionedroom空調(diào)冷凍水系統(tǒng)(chilled-watersystem)54二、對(duì)載冷劑的要求1、在使用溫度范圍內(nèi)呈液態(tài)，不氣化，不凝固凝固點(diǎn)低于制冷劑蒸發(fā)溫度沸點(diǎn)高于使用溫度2、無(wú)毒，無(wú)刺激性氣味，化學(xué)穩(wěn)定性好3、比熱容大，密度小，粘度小，傳熱性好換熱器尺寸減?。涣鲃?dòng)阻力損失小，循環(huán)流量及泵功減小。55三、常用載冷劑

水、無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)物液體1、水（0℃以上場(chǎng)合）

空調(diào)中多用7℃的水2、無(wú)機(jī)鹽水溶液（brine）凝固溫度較低，適用中低溫制冷裝置CaCl2，NaCl，MgCl2（calciumchloride,sodiumchloride,magnesiumchloride)56t

EG析鹽析冰鹽水工作溫度t制冷劑蒸發(fā)溫度teE－共晶點(diǎn)（eutecticpoint），tE，

E不結(jié)冰不析鹽的最低點(diǎn)CaCl2tE＝－55℃，

E＝29.9%鹽水溶液的凝固溫度曲線

E572、無(wú)機(jī)鹽水溶液選擇鹽水溶液：<