《空氣制冷劑發(fā)展問題研究7000字（論文）》

引言節(jié)能和空氣環(huán)保問題是目前制冷劑研發(fā)人員最關(guān)心的問題之一，臭氧層的不斷破壞，氣候的逐漸變暖，以及近幾年來各個國家均出現(xiàn)的異常天氣現(xiàn)象，更是讓人們擔(dān)憂。我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降闹评洚a(chǎn)品中所使用的制冷劑大多數(shù)為HCFCs和CFCs類制冷劑，對臭氧層有嚴(yán)重破壞，也會造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，因此，很多專家學(xué)者們紛紛展開了替代制冷劑的研究，越來越多的新型制冷劑也已應(yīng)用于制冷行業(yè)中。但是，仍存著各種問題，如制冷劑的GWP值較高，有較高的可燃性，較大溫度滑移等問題。盡管如此，傳統(tǒng)制冷劑在碳?xì)漕惞?jié)能制冷劑時也面臨這挑戰(zhàn)與機(jī)會，時代在發(fā)展，科學(xué)在進(jìn)步，各行各業(yè)隨著時代的進(jìn)步也要做出相應(yīng)的改變。提升制冷劑的環(huán)境效應(yīng)和防爆性能，還有降低灌注量等成了制冷劑發(fā)展的新挑戰(zhàn)。本文首先對目前制冷劑的類型、主要性質(zhì)以及使用原則進(jìn)行分析總結(jié)。以及對現(xiàn)有空氣制冷劑應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行對比分析，從溫室效應(yīng)，對臭氧層的保護(hù)，研發(fā)技術(shù)等因素歸納造成新型碳?xì)漕愔评鋭╇y以廣泛使用的原因，分析出新型碳?xì)漕愔评鋭?yīng)用現(xiàn)狀，歸納并提出碳?xì)漕愔评鋭┰谖磥淼墓?jié)能化發(fā)展趨勢。2制冷劑簡介2.1制冷劑的分類制冷劑是目前制冷系統(tǒng)節(jié)能的研究熱點(diǎn)，它的工作原理主要是通過自身的性質(zhì)，在整個制冷系統(tǒng)中不斷進(jìn)行循環(huán)時，發(fā)生的各種狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)制冷效果。例如當(dāng)制冷劑在空調(diào)制冷系統(tǒng)內(nèi)時，通過冷凝器吸收被蒸發(fā)的冷卻水、空氣等介質(zhì)的全部熱量，從而發(fā)生制冷劑液體的汽化，而在制冷系統(tǒng)中會把自身的全部熱量直接傳遞出去給周圍的空氣、水等物質(zhì)，從而最終實(shí)現(xiàn)冷凝過程。按其化學(xué)組成可以分為：單一的固體制冷劑和混合單一制冷劑。按其研究過程主要包括：揮發(fā)性介質(zhì)、氟氯烴、替代制冷劑、碳?xì)漕惢衔锼膫€階段。一個制冷裝置的最終制冷效果、是否使其具有一定的經(jīng)濟(jì)性、其安全系統(tǒng)的運(yùn)行過程都與其制冷劑的各種性質(zhì)直接相關(guān)，所以在我們進(jìn)行對制冷劑的科學(xué)研究時，對于制冷劑的各種有關(guān)特質(zhì)的正確了解和掌握是必不可少的。2.2制冷劑的主要性質(zhì)1.環(huán)境影響我們常見的制冷劑對于環(huán)境的危害和影響因素主要分為兩個指標(biāo)。一是對于大氣臭氧層的嚴(yán)重破壞程度，用規(guī)定臭氧衰減大小指數(shù)方法根據(jù)，即ODP（臭氧衰減指數(shù)）的大小來計算表示制冷劑對于環(huán)境的破壞和危害的嚴(yán)重程度。另一個指標(biāo)是造成臭氧溫室的效應(yīng)，用臭氧溫室效應(yīng)指數(shù)規(guī)定GWP（溫室指數(shù)）的大小數(shù)值來計算表制冷劑示對于溫室效應(yīng)的影響程度。通常以R11規(guī)定為ODP和GWP值為1，作為一個基準(zhǔn)，其他常用制冷劑的ODP和GWP值也就是它們相對于R11的一個比較值。例如大部分HFCs制冷劑GWP值大于1000，而碳?xì)漕愄烊恢评鋭〨WP值較低，ODP值為0，是比較節(jié)能的替代制冷劑。2.熱力性質(zhì)制冷劑的各種熱力學(xué)學(xué)性質(zhì)通常認(rèn)為是指其各熱力學(xué)參數(shù)，和狀態(tài)參數(shù)之間的相互關(guān)系，例如制冷劑在壓力、溫度、比體積、比焓等參數(shù)下的性能表現(xiàn)關(guān)系。它的性質(zhì)是一種制冷劑化學(xué)性質(zhì)決定的，其熱力學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)參數(shù)一般可由化學(xué)試驗和熱力學(xué)的偏微分方程式組合來確定。大部分碳?xì)漕愄烊恢评鋭┓悬c(diǎn)、凝固點(diǎn)較低，熱力性能良好。3.毒性毒性的確定及其依據(jù)主要根據(jù)人類和動物的臨床實(shí)驗及對動物和人的健康影響相關(guān)資料。現(xiàn)在世界的毒性標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)美國食品工業(yè)和環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會的專家委員大會所用的TLVs，即最高濃度允許含量的數(shù)值來確定作為一個毒性指標(biāo)，當(dāng)這些毒性指標(biāo)的最高濃度數(shù)值大于1000時才認(rèn)為該化學(xué)物質(zhì)本身無毒，否則具有一定的毒性。雖然某些HFCs的本身實(shí)際上是毒性較低的，但是含有硫和氯的鹵代烴在進(jìn)行高溫或強(qiáng)烈火焰反應(yīng)時，很容易就可能會從空氣中分解出極毒的含氯光氣。另外需特別指出的一點(diǎn)，在除了臭氧以外的所有鹵代烴工質(zhì)幾乎都可以引起人體窒息，所以在其進(jìn)行室內(nèi)操作時，必須注意保證其具有良好的空氣通風(fēng)和保溫條件。而現(xiàn)在研究的碳?xì)漕愄烊恢评鋭┗臼菬o毒的。4.燃燒性和爆炸性不同的制冷劑之間的燃燒性和爆炸性一般都相差很大。比較容易發(fā)生燃爆的情況是制冷劑在一定的空氣量燃燒過程中釋放可燃物質(zhì)，當(dāng)含量達(dá)到一定的燃燒范圍時，遇到強(qiáng)烈的明火就可能會直接發(fā)生燃燒性的爆炸。所以，如果我們在使用過程中遇到易燃易爆的制冷工質(zhì)，一定在使用前要先具有做好防火防爆等的意識和相關(guān)安全防護(hù)措施。一些制冷工質(zhì)的燃燒和爆炸的特性可以查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)表，例如R600在800℃以上，空氣體積分?jǐn)?shù)3%-6%時爆炸壓力最大?？諝庵邪l(fā)生燃燒或者爆炸的體積分?jǐn)?shù)的范圍越小，則制冷劑越易燃。另外還有部分制冷劑表示不發(fā)生燃燒或者燃燒特性未知。2.3制冷劑選用原則1.環(huán)境指數(shù)要好，即要求制冷劑的環(huán)境指數(shù)具有一定的可接受范圍。即要求環(huán)境變量指數(shù)如ODP、GWP等在制冷劑中為零或盡可能的小。2.使用制冷劑的熱力性質(zhì)必須能夠滿足國家指定制冷系統(tǒng)的實(shí)際使用熱力性質(zhì)要求。在壓縮機(jī)確定的制冷循環(huán)溫度和壓力范圍內(nèi)，進(jìn)行制冷所需要的壓縮和制冷循環(huán)時，其本身的制冷循環(huán)特性必須能夠滿足一定的熱力性質(zhì)要求。即制冷所需要的壓力和制冷循環(huán)壓力比必須合適，其單位容積壓縮機(jī)的制冷量和單位質(zhì)量制冷量也盡可能大，同時要求壓縮機(jī)必須具有合適的制冷量和排氣溫度，制冷系統(tǒng)比功也需要比較合適等。3.制冷劑需要良好的傳熱性和材料的流動性。這樣傳熱性可以有效提高材料和制冷劑的熱交換性，流動的阻力可以大大減少，提高了制冷系統(tǒng)的性能。這樣可以讓交換制冷設(shè)備的尺寸減小，達(dá)到了制冷材料節(jié)約的主要目的。4.制冷劑具有比較好的化學(xué)物理穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性好。在壓縮制冷系統(tǒng)中，當(dāng)材料溫度發(fā)生相對改變或材料壓力發(fā)生變化時，不會直接發(fā)生材料變質(zhì)、不會與制冷潤滑系統(tǒng)部分發(fā)生直接化學(xué)反應(yīng)，不會對其他壓縮制冷材料機(jī)構(gòu)件部分造成直接化學(xué)反應(yīng)，或進(jìn)行腐蝕破壞。并且對于符合要求的制冷材料進(jìn)行壓縮制冷過程的情況下，制冷劑溫度相對較高時也可以保證其不會直接發(fā)生化學(xué)分解。5.沒有任何的毒性，也沒有比較刺激的氣味，制冷劑在正常使用情況下，不會發(fā)生燃燒，不會爆炸或者其燃爆性較小，使用時也比較安全。對于有毒性或燃爆性能差的制冷劑，應(yīng)該在設(shè)備上增加相應(yīng)的安全措施，這樣的話成本也就增加了。6.要求其比較容易在市場或自然中獲得且原料充足，制造工藝也要簡單，同時又比較便宜。當(dāng)確定了制冷劑后，此時，需考慮其本身的物理化學(xué)性質(zhì)，設(shè)計出的制冷系統(tǒng)在流程上，運(yùn)行操作上，結(jié)構(gòu)上與之相匹配，以保障整個系統(tǒng)的節(jié)能性能。3空氣制冷劑應(yīng)用中存在的問題3.1溫室效應(yīng)沒有被減弱在響應(yīng)號召制冷節(jié)能環(huán)保方面，各國均積極的采取了一系列的臭氧層制冷劑替代制備工作，但是又在工作中出現(xiàn)了新的問題。雖然出臺了對臭氧層制冷劑保護(hù)的政策，并已完全淘汰了大多數(shù)的消耗臭氧層的HFCs物質(zhì)。防止其排放進(jìn)入到全球大氣和水中，臭氧中甲基溴的化合物含量也已逐漸減小很多。但近年來相關(guān)學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)另外一個重要的環(huán)境保護(hù)問題，即溫室效應(yīng)沒有被逐漸的減弱。相反的，替代性制冷劑的出現(xiàn)卻是讓全球氣候的溫度正在慢慢變暖的主要原因。對于目前GWP值較高的替代性制冷劑如氫氟烴等物質(zhì)的大量制備，會直接導(dǎo)致全球氣候變暖，并且在大氣中停留時間較長，難以通過化學(xué)反應(yīng)降低其溫室效應(yīng)。近年來，許多國家出臺關(guān)于替代制冷劑的新的國家標(biāo)準(zhǔn)方案并進(jìn)行調(diào)整實(shí)施，主要調(diào)整目的之一就是為了要求各國加速淘汰和替代氫氟烴類的制冷劑，阻止溫室效應(yīng)的進(jìn)一步加速。3.2保護(hù)臭氧層與氣候效益沖突當(dāng)許多國家規(guī)定在2040年之前，降低制冷劑中ODP值較高的化學(xué)物質(zhì)的排放量，若用制冷劑中CO2的當(dāng)量來計算就是大約相當(dāng)于150億噸。然而另外一個很重要的問題就是在各國使用替代制冷劑時，用一些GWP值相對較高的制冷劑去淘汰和替代一些氫氟烴類，則可能會直接導(dǎo)致國際氣候保護(hù)協(xié)議中氣候效益顯著的大幅降低。事實(shí)上，在2017年的國際氣候保護(hù)會議上各國代表已經(jīng)很明顯的察覺到了氣候效益降低可能會出現(xiàn)的實(shí)際問題。所以在后來各國加速逐步淘汰和替代掉HFCs類的制冷劑時，有關(guān)的文件已經(jīng)明確規(guī)定在制冷劑中選擇替代物的原則，首先需要根據(jù)每個國家的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，要逐步的淘汰和替代掉所有氫氟烴類的制冷劑中ODP值相對比較高的一類，并且在進(jìn)行所有制冷劑的淘汰和替代工作過程中所進(jìn)行研究的新的制冷劑和替代工藝必須能夠滿足，不會對于環(huán)境氣候造成任何的破壞。其中最重要的一條就是避免對于環(huán)境污染和氣候的變化造成影響，并且最好也就是能夠盡量的滿足環(huán)保、節(jié)能。即在能夠滿足制冷劑中ODG值最小的同時，盡量的選擇能夠使用最低的GWP值也或者說是最節(jié)能的材料作為替代制冷劑。從近年來的發(fā)展趨勢中我們可以充分的看到世界各國的締約方對于制冷劑新技術(shù)的追求，希望得到保護(hù)臭氧層和逐漸降低的溫室氣體效應(yīng)的兼顧。3.3新型制冷劑研發(fā)困難當(dāng)在2009年年底時召開哥本哈根會議之后，目前最為緊迫的任務(wù)就是要研制出新的環(huán)保（ODP=0，低的GWP值）型的制冷劑，它也是一項具有全球挑戰(zhàn)性的任務(wù)，這次會議也被譽(yù)為是“拯救人類的最后一次機(jī)會”。我們以前所使用的HCFC類制冷劑，以及現(xiàn)在有些已經(jīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中的R22的替代制冷劑，比如R410A、R407C與用于冷凍冷藏系統(tǒng)的R502的一些替代制冷劑，比如R404A、R507A等。這些制冷劑可以達(dá)到原有制冷劑的制冷性能，或與被替代制冷劑相當(dāng)，而且ODP值為零，與原系統(tǒng)相比大大降低了，但是他們還有另外一個較嚴(yán)重的問題：GWP值較高，依然對環(huán)境造成影響。根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)最近公布的消息，目前仍在投入使用的HCFC（比如R22）類制冷劑以及其某些替代制冷劑對氣候變暖的影響大約為24%，所占據(jù)的比例并不小，因而各個國家均有而且必須要有這樣的責(zé)任：盡快根據(jù)各國自身的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，研發(fā)出新一代的環(huán)保的HCFCs類制冷工質(zhì)。而在2010年5月，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評估小組最新發(fā)布的報告顯示，新一代的HCFCs類替代制冷劑已有改善，GWP值相對來說已有所降低，比如替代制冷劑R290，已被用于小型的制冷空調(diào)、制冰機(jī)和展示柜；NH3、CO2，已被應(yīng)用于冷庫，這些也均屬于自然工質(zhì)，環(huán)境指數(shù)較好；R1234y，已被應(yīng)用于汽車空調(diào)上，等等還有許多新的這樣的具有低GWP值得替代制冷劑。還有就是我們也不可忽略由于系統(tǒng)效率低而消耗較多電能所帶來的溫室氣體排放的問題。在2009年的8月份，美國提出它們要加快研究低GWP值替代制冷劑的研究，從2010年起它們要全面的停止HCFCs類制冷劑的生產(chǎn)和銷售，大力研究和擴(kuò)大R1234y（具有低GWP值，但有一定的可燃性）的相關(guān)技術(shù)，以使其更好的投入使用。歐盟的一些國家也早已在2004年的時候停止了HCFCs類制冷劑的銷售，并且英國國會議員在2010年3月份的時候又發(fā)布了希望呼吁英國政府讓它們能夠拿出一種方案使比較大的超市在使用制冷系統(tǒng)時不使用HCFCs類制冷劑。歐盟的國家正努力的研究著新的替代工質(zhì)，主要研究方向放在了碳?xì)浠衔锖桶钡任镔|(zhì)上（這些物質(zhì)一般具有一定的可燃性），或者是以它們?yōu)槟承┗旌咸娲べ|(zhì)組元。由于自身國力等條件的限制，要求發(fā)展中國家從2015年開始淘汰HCFCs類制冷劑，但要在2030年時全面的停止生產(chǎn)和使用。4空氣制冷劑應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢4.1性能研究各個發(fā)達(dá)國家都在努力地尋找著可以替代的方案，就目前的科學(xué)研究和現(xiàn)狀的情況來看，國際上主要由兩種可以替代的方案：一種是長期主張回歸自然，采用天然的制冷劑作為其替代HCFCs物質(zhì)，主要在北歐國家、韓國、德國等國，采用自然碳?xì)浠衔锏闹评鋭┨娲肪€，由于碳?xì)涫亲匀淮嬖诘幕衔镔|(zhì)，其在自然已經(jīng)延續(xù)了至少有幾百年的歷史了，并且環(huán)境影響性質(zhì)良好，其ODP、GWP值均基本為零，不會對人類環(huán)境健康造成什么樣的危害。如已經(jīng)廣泛投入使用的混合物R600、還有一些R1234、R717、R744等，是HCs類的制冷劑混合物。另外一種常用的路線方法就是近幾年年由美國和以及日本共同提出的，采用HFCs這類混合物來替代傳統(tǒng)的制冷劑混合物，是這些國家比較推崇的制冷劑研究方向和重點(diǎn)，例如美國研發(fā)的一種進(jìn)共沸混合制冷劑R410、杜邦公司研發(fā)進(jìn)共沸混合物制冷劑R407，以及其他一些混合物質(zhì)的共沸化合物，這些混合物的另一個相同點(diǎn)就是其ODP的數(shù)值均為零，滿足了臭氧層方面環(huán)境保護(hù)的基本要求。但是，其GWP的數(shù)值較高，會對臭氧層產(chǎn)生較大的溫室效應(yīng)，對于環(huán)境仍造成危害。但是這些制冷劑的制備還是存在著一些技術(shù)性的問題，我們需要繼續(xù)并且必須要加快進(jìn)行替代技術(shù)研究的速度和步伐。如R410的制冷系統(tǒng)排氣壓力較高，進(jìn)行替代時對制冷系統(tǒng)的耐磨性和管道性能需要進(jìn)一步提升。4.2灌注量方面為了保證現(xiàn)有的R290、R600等空調(diào)系統(tǒng)的使用安全性，并保證達(dá)到國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可適當(dāng)減少碳?xì)漕惢衔锏闹评鋭┕嘧⒘?，保證即使是發(fā)生了制冷劑短時間全部的泄露也不會意外發(fā)生安全事故。國外學(xué)者對空調(diào)系統(tǒng)R600充注量的控制與優(yōu)化分析研究結(jié)果表明，制冷劑主要是存在于空氣冷凝器中，部分的制冷劑存在于壓縮機(jī)等零部件里，極少部分在換熱器管路中。冷凝器與空氣蒸發(fā)器的直接傳熱效果對于空調(diào)系統(tǒng)換熱器性能的影響很大。因此該方法可通過減小空調(diào)系統(tǒng)換熱器的管徑、優(yōu)化換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與流程的組織，降低制冷劑充注量，保證安全，提升空調(diào)系統(tǒng)能效。國內(nèi)學(xué)者分別對板式分體機(jī)的充注R600與灌注R600進(jìn)行了性能對比實(shí)驗，結(jié)果表明，分體機(jī)采用4mm管換熱器的分體機(jī)制冷量明顯優(yōu)于原5mm管換熱器，且分體機(jī)充注量減少約20%，具有明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益和安全使用效益。另外有研究將分體機(jī)采用微通道管殼式分體換熱器的100kwR600熱泵與分體機(jī)傳統(tǒng)的板式分體換熱器的灌注量進(jìn)行了能效和灌注量進(jìn)行了對比。其研究結(jié)果表明，在不需要使用熱泵和儲液器的情況下，采用微通道的管殼式分體換熱器可將R600的能效和灌注量減少到2kg以下，而散熱性能幾乎不變。平行流帶式換熱器是一種高效緊湊的流帶式微通道熱交換器，外形緊湊、換熱效率高。目前美國有一項研究結(jié)果表明，采用管裝平行流帶式換熱器的系統(tǒng)，對比管裝或流帶式采用換熱器的系統(tǒng)，更能有效控制降低制冷劑的用量，并大幅提高能效比。4.3防火防爆方面在保證制冷性能的前提下，碳?xì)漕愔评鋭┑墓嘧⒘枯^少，且它們?nèi)键c(diǎn)較高400℃以上，燃燒極限適合，同時滿足爆炸條件的概率較低。為有效保證了R600等碳?xì)漕愔评鋭┑目照{(diào)器及制冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，可選擇采用完全封閉的空調(diào)器及制冷系統(tǒng)。空調(diào)器所連接的管路均完全采用焊接并改善了管材及零部件焊接的工藝，可以大大減少了灌注劑的用量。同時采用防爆電器、增加檢測儀等多種方式來有效防范R600的爆炸安全事故。相關(guān)研究在對R600家用空調(diào)器的可靠性監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的研究中特別指出，空調(diào)器在非工作狀態(tài)時，應(yīng)通過其結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計，使空調(diào)制冷劑盡量安全地貯存在空調(diào)室外機(jī)內(nèi)，需要在其設(shè)計和制造以及生產(chǎn)時嚴(yán)格地遵守國家相關(guān)安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并在使用說明書等相關(guān)文件方面明確提示空調(diào)使用者注意按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行操作，R600等碳?xì)漕愔评鋭┳鳛榧矣弥醒肟照{(diào)器的其制冷工藝本身是安全的。4.4發(fā)展趨勢在我國，也已有不少相關(guān)學(xué)者進(jìn)行著制冷劑的替代研究工作，都已經(jīng)開始了不同HFCs類和HCs類混合化合物的一些替代研究工作。因此，針對目前混合制冷劑的使用現(xiàn)狀，未來替代制冷劑的發(fā)展趨勢有：在環(huán)保方面，無論未來的制冷劑如何的發(fā)展，如何被添加劑所替代，環(huán)保始終都是其中的一個起著關(guān)鍵作用的決定性因素。因此，對于未來可持續(xù)發(fā)展的新型的制冷劑替代產(chǎn)品和制冷劑仍必須嚴(yán)格遵守各項指標(biāo)的規(guī)定，制冷劑不論其添加劑是天然存在的還是后來人工合成的，首先必須更好的滿足環(huán)保條件，只有這樣才能夠可以更好的實(shí)現(xiàn)制冷劑的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)然，對于未來的制冷添加劑的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行研究最好是采用天然的制冷劑，這樣如果能夠取之自然并用之于自然的話，就會使環(huán)境在不會受到危害的同時達(dá)到節(jié)省的目的。對于空調(diào)節(jié)能方面，現(xiàn)在由于人們的工作和生活現(xiàn)代化水平一直在提高，對于生活水平和質(zhì)量的要求也就越來越高。因而對于空調(diào)等一些實(shí)用設(shè)備的電能需求也隨之的增大了。因此，目前每年已經(jīng)到