制冷循环系统中制冷剂选择及性能评价

制冷循环系统中制冷剂选择及性能评价

李久林

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摘要:本文围绕制冷循环系统中制冷剂的选择和性能评价展开论述。首先介绍了制冷剂的种类及其选择标准,包括环境友好性、热力学性质、安全性和经济性等。然后分析了常用制冷剂的优缺点,并对其在不同应用领域的性能进行评价。最后提出了提高制冷效率、减少环境影响的建议,为制冷循环系统的优化设计提供参考。

关键词:制冷剂、制冷循环、环境影响、性能评价、优化设计

引言:制冷循环系统在工业、农业、家用电器等多个领域得到了广泛应用,是现代生活不可或缺的一部分。制冷剂作为制冷循环的工作介质,其选择直接影响系统的制冷性能、环境影响和经济效益。随着对环境保护要求的不断提高,传统制冷剂面临着被逐步淘汰的命运,开发和选用环境友好型制冷剂迫在眉睫。

一、制冷剂的种类及选择标准

制冷剂是制冷循环系统中承担热量传递和介质循环的关键工质,其种类繁多、性质多样。根据化学组成和分子结构的不同,制冷剂可分为几大类:

1. 卤代烃制冷剂 这是最早和最广泛使用的一类合成制冷剂,包括全卤代烃(如氟氯烃CFC类)和部分卤代烃(如氢氟碳化物HFC类)等。它们具有良好的热力学性质,但由于会破坏臭氧层和导致温室效应,目前正逐步被淘汰。
2. 无机制冷剂 主要指一氧化碳、氨、空气等无机物。其中氨具有理想的热力学性质,但存在可燃爆炸的安全隐患;二氧化碳无毒且环保,但工作压力较高,对系统要求严格。
3. 有机制冷剂 包括烷烃、不饱和烃等碳氢化合物。其中丙烷、异丁烷等对臭氧无破坏作用,温室效应也较小,是一类具有发展前景的新型环保制冷剂。
4. 混合制冷剂 为改善单一制冷剂的性能,常将两种或多种制冷剂按一定比例混合使用,形成具有适中热力学性质的混合物。

在选择制冷剂时,需要全面考虑环境影响、热力学性质、安全性、经济性等多方面因素:环境影响是当前最受重视的方面。制冷剂不应破坏臭氧层,且应尽量降低温室效应,减少对大气的不利影响。热力学性质直接决定制冷剂的制冷性能。理想制冷剂应具有适中的沸点、临界温度、压缩比等,以保证在实际工况下能高效运转。安全性主要包括毒性、可燃性等,对人体健康和设备运行均有影响。某些制冷剂还可能导致设备部件腐蚀,因此在选用时需格外谨慎。经济性同样不可忽视,制冷剂的生产、运输、回收等成本直接影响了系统的总体经济性。

不同应用场合对制冷剂的要求有所差异,因此制冷剂的选择应遵循系统分析、因地制宜的原则,在满足各项标准的基础上,权衡利弊,择优选用。

二、常用制冷剂及其性能评价

目前,在制冷循环系统中广泛使用的制冷剂主要有三大类:氟氯烃(CFCs)制冷剂、氢氟碳化物(HFCs)制冷剂和天然制冷剂。它们在不同应用场合展现出各自的优缺点,性能表现有所差异。

1. 氟氯烃(CFCs)制冷剂

氟氯烃制冷剂是最早推广使用的一类合成制冷剂,主要包括R12、R11、R113等。它们具有良好的热力学性质,化学性质相对稳定,制冷效率较高。然而,随着人们对其破坏臭氧层的危害效应有了进一步认识,氟氯烃制冷剂已被列为控制物质,在发达国家已全面禁止使用,发展中国家也将在未来几年内全面淘汰。

2. 氢氟碳化物(HFCs)制冷剂

为了替代氟氯烃制冷剂,氢氟碳化物制冷剂应运而生。这类制冷剂不含氯原子,对臭氧层无直接破坏作用,如R134a、R404A、R410A等广泛应用于家用空调、商用冷柜、车辆空调等领域。不过,氢氟碳化物的全球变暖潜能值较高,也会导致一定程度的温室效应,因此在一些国家和地区存在使用限制。

3. 天然制冷剂

天然制冷剂是一类来源于自然界的环保型制冷剂,主要包括氨、二氧化碳和低温烷烃等。

(1) 氨 作为世界上最早使用的制冷剂之一,氨具有良好的热力学性质、低成本等优点。但由于其具有毒性和可燃性,使用时对安全要求极高,主要应用于大型工业制冷系统。

(2) 二氧化碳 二氧化碳无毒、无臭、不燃烧,属于绿色环保制冷剂。但其临界温度较低,工作压力高,对系统的密封性、强度等提出更高要求,主要用于热泵、逆向制冷系统及级联制冷等。

(3) 烷烃 烷烃制冷剂如丙烷、异丁烷等,可燃性虽高但毒性很低,而且对环境基本无影响。目前多作为混合制冷剂组分使用,如在热泵、车辆空调等领域应用前景良好。

总的来说,上述制冷剂在不同领域都发挥着重要作用。从环保角度看,天然制冷剂无疑是更加理想的选择。但就安全性、经济性等其它条件而言,合成制冷剂则可能占据一定优势。未来的发展趋势是在进一步限制使用温室效应较高的制冷剂的同时,积极研发新型环保制冷剂,并根据实际应用要求,选用性能经济、安全可靠且对环境影响最小的制冷剂。

三、提高制冷效率、减少环境影响的建议

1. 优化制冷循环设计

制冷循环的设计方案直接决定了系统的制冷性能和能源消耗水平。在设计时应充分考虑实际工况,选择合理的制冷剂、压缩机型式、换热器结构等,并对系统进行全面模拟仿真,以期在满足使用要求的前提下,实现最佳的热力学性能。同时,注重系统集成设计,推广应用新型节能技术,如级联制冷、副循环制冷等,以进一步提升制冷效率。

2. 采用新型环保制冷剂

合理选择制冷剂是提高制冷效率、减少环境影响的关键。传统的氟氯化合物制冷剂正逐步被淘汰,天然制冷剂和新型低全球变暖潜能值(GWP)合成制冷剂成为未来发展方向。如二氧化碳、氨、烷烃及氢氟烯烃(HFO)等,不仅对环境影响小,在特定条件下还可获得较高的制冷效率。因此,积极开发和推广使用这类环保高效制冷剂是大势所趋。

3. 加强系统维护管理

制冷系统的运行效率在很大程度上取决于日常维护管理的水平。定期进行泄漏检测和处理,对易磨损部件及时替换,保证介质充注量适中,都有助于避免因故障而导致的能耗增加和制冷剂泄漏。同时,合理控制系统运行工况,尽量避免partial load和on-off循环运转,也可有效提高效率。

4. 推广节能减排技术

多种先进的节能技术近年来在制冷领域得到了广泛应用,如热回收利用、变频调速、电子膨胀阀等,可显著提升制冷系统的能效水平。此外,冷热源利用地热、太阳能等可再生能源技术,以及余热回收等措施,还可从源头上减少化石能源消耗,降低温室气体排放。由此可见,积极推广节能减排技术在制冷行业中具有重要意义。

通过制冷循环的优化设计、新型环保制冷剂的推广使用、加强系统维护管理、采用节能技术等多管齐下,制冷循环系统的运行效率必将不断提高,对环境的不利影响也将逐步减小,最终实现经济效益和环境效益的统一。

结语：制冷剂的选择关系到制冷循环系统的性能表现和环境影响,因此必须权衡多方面因素进行综合考虑。推广使用环境友好、高效节能的新型制冷剂,优化系统设计,加强维护管理,是未来制冷行业发展的重点方向。只有不断创新和完善,才能使制冷循环系统在满足人们生活需求的同时,真正实现经济效益和环境效益的有机统一。

参考文献：

[1]杨宗桥,林正炜,袁安泰,等.船用冷暖一体空调新型环保制冷剂的选择研究[J].山东化工,2023,52(13):258-262.DOI:10.19319/j.cnki.issn.1008-021x.2023.13.001.

[2]邬辉红.使用碳氢制冷剂的自复叠制冷系统性能优化研究[D].郑州轻工业大学,2023.DOI:10.27469/d.cnki.gzzqc.2023.000139.