船用制冷劑替代形勢與原則

船用制冷劑替代形勢與原則分析摘要：航運(yùn)界的制冷劑替代是當(dāng)前制冷劑替代的一個(gè)重要領(lǐng)域，面臨CFC和HCFC被限制使用和被替代的國際國內(nèi)形勢，本文通過對(duì)中海中遠(yuǎn)兩大集團(tuán)船舶制冷劑應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研，介紹了船用制冷裝置制冷劑替代的選擇，著重討論了制冷劑使用中會(huì)遇到的問題及其解決方法。關(guān)鍵字：遠(yuǎn)洋船舶制冷劑替代CFCHCFC環(huán)境特性1前言臭氧層的破壞和全球氣候變暖是當(dāng)前全球所面臨的主要環(huán)境問題。由于制冷、空調(diào)、熱泵行業(yè)廣泛采用的CFC及HCFC類物質(zhì)對(duì)臭氧層有破壞作用以及產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使全世界的制冷、空調(diào)、與熱泵行業(yè)面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。CFC與HCFC的替代已成為當(dāng)前國際性的熱門話題。表1是一些常用的制冷劑。表1常用制冷劑氟利昂制冷劑已淘汰的氟利昂昂CFCRl1、R122、R13過渡期使用的氟氟利昂HCFCCR22、R1223、R124、R1422bHCFC混合制制冷劑R401、R4402、R403系列可長期選擇的氟氟利昂HFCR134a、R1125、R32、R143aaHFC混合制冷冷劑R404A、R5507A、R410AA、R407系列非氟利昂類制冷冷劑非氟利昂類制冷冷劑R717(NHH3)、R2900(C3HH8)、R12770(C33H6)、R1700(C2HH6)、R600aa(C4HHlo)、R7444(CO22)非氟利昂類混合合制冷劑R290、R6600a2船舶制冷裝置制冷劑概況船用制冷裝置中普遍使用的是中壓中溫制冷劑R12和R22。R11和R22皆適用于高溫(100℃～0℃)、中溫(0℃～-20℃)和低溫(-20℃～-60℃)工況。由于R12的優(yōu)良制冷性能，其在制冷設(shè)備中的應(yīng)用長達(dá)60年之久，仍在運(yùn)營的一些上世紀(jì)七八年代建造的船舶，主要采用的是R12制冷劑，到1997年的數(shù)據(jù)以上海地區(qū)為例，國內(nèi)船舶采用R12的占到40％以上，而在90年代及最近一段時(shí)間建造及改造的船舶考慮了CFCs類制冷劑禁用，所以這些數(shù)據(jù)有了很大改觀，現(xiàn)行運(yùn)營的新造船舶主要以R22為主，以中國海運(yùn)集團(tuán)為例，到2001年底該公司400余艘各類船舶在制冷空調(diào)系統(tǒng)中采用R22占船舶總數(shù)的78％，R12占17％，R134a約占5％。根據(jù)統(tǒng)計(jì)如今全球貨物年海運(yùn)量已達(dá)48億噸，數(shù)以萬計(jì)的江河船舶和遠(yuǎn)洋船舶均設(shè)有各種空調(diào)和制冷裝置。世界上冷藏船使用的制冷劑量達(dá)到3875噸/年，其中85％以上為R22，其余為R11和其它制冷劑，而其中老齡船舶冷藏集裝箱幾乎全部使用R12，其總量達(dá)到2475噸。但是R12已禁止使用，R22僅限于過渡期(2030年以前)使用。目前某些船舶已明確規(guī)定不能使用CFCs和HCFCs，因此船舶制冷劑的替代工作相當(dāng)緊迫。3船舶制冷劑替代原則從上世紀(jì)90年代以來，在制冷劑替代和相關(guān)的大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究上，學(xué)者們達(dá)成共識(shí)，及替代不僅要看ODP及GDP值的大小，更重要的是看他們的大氣壽命、理論循環(huán)制冷效率、總的當(dāng)量變暖影響TEWI、壽命期氣候特性LCCP的指標(biāo)。國際制冷學(xué)會(huì)在2000年對(duì)新替代制冷劑的使用狀況進(jìn)行的調(diào)研結(jié)果表明，制冷空調(diào)領(lǐng)域廣泛使用Rl34a、R404A、R407C和R410A等HFC類新制冷劑，采用新制冷劑并不用對(duì)設(shè)備進(jìn)行很大的改動(dòng)，R410A例外，因?yàn)樗哂休^高的冷凝壓力。壓縮機(jī)發(fā)展趨勢是采用HFC替代，Bitzer、Caryle－Cartier、York、Grasso等制造廠目前有較多的產(chǎn)品除使用R22外，廣泛使用HFC類制冷劑(R134a、R404A、R407C、R410A，少量使用R507)。4替代制冷劑的選擇4.1替代制冷劑應(yīng)具備的條件選擇替代制冷劑應(yīng)考慮以下要求：(1)對(duì)環(huán)境的影響，即是否破壞臭氧層，是否加劇溫室效應(yīng)；(2)優(yōu)良的熱力性能；(3)安全性，如無毒，不可燃；(4)系統(tǒng)的耐久性，包括熱力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性與材料以及材料、潤滑油的相容性等；(5)制造成本低，生產(chǎn)工藝簡單，便于管理等。4.2R12的替代選擇R134a不破壞臭氧層，GWP值較低，對(duì)環(huán)境的影響很小。因R134a與R12的物理特性相當(dāng)接近，是替代R12的首選。自蒙特利爾議定書問世以來，R134a也是最早被關(guān)注，研究最多的制冷劑。R134a與R12和R22的物理特性比較見表2。表2R134a與R12和R22的物理特性比較特性R134aR12R22分類HFCCFCHCFC分子式CH2FCF22C2Cl2FCHClF2分子量102102.986.48沸點(diǎn)（℃）-26.2-29.8-40.84液體密度（400℃）kg/ddm31.1471.2521.131氣體壓力（0//40℃）bar2.93/100.163.1/9.665.0/15..3臨界溫度℃10111296.13臨界壓力barr40.641.649.86毒性ppm100010001000燃燒性無無無ODP（R111=1）01.00.05GWP（CO22=1）130085001700R134a和R12的物理特性非常接近R134a的毒性也很小，不可燃，安全性能較好。與R12相比，R22的沸點(diǎn)更低，故它的應(yīng)用范圍更廣。R22的飽和壓力比R12高65％左右，即使在低溫工況下，蒸發(fā)壓力仍大于大氣壓力。在允許使用HCFCs的情況下，R22可以替代R12，因?yàn)榕cR134a相比，R22的生產(chǎn)工藝簡單、制造成本低、應(yīng)用范圍廣。目前R22也廣泛用于R12的替代。圖1R134a和R12的熱力性能比較R134a和R12的熱力性能比較見圖1。R134a和R12的熱力性能在中溫和空調(diào)工況(蒸發(fā)溫度高于-10℃)非常接近，在相同工況下，使用這兩種制冷劑的壓縮機(jī)排氣量、外形等可以比較接近。但在較低蒸發(fā)溫度情況下(蒸發(fā)溫度低于-23.3℃)，在相同工況下，R134a的制冷量比R12低20％～40％，所以在低溫工況下，制冷裝置使用R134a要達(dá)到使用R12的制冷量，設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)排氣量需增加25％～50％。一般情況下，蒸發(fā)溫度高于-23.3℃，R134a可替代R12，低溫工況(蒸發(fā)溫度低于-30℃)不推薦使用R134a。此外R134a的一些溫度特性，如排氣溫度、油溫和電機(jī)繞組溫度等都低于R12。綜上所述，R134a是非常理想的制冷劑，可以作為船用制冷裝置替代R12的制冷劑長期選擇。4.3R22的替代選擇長期以來，R22以其優(yōu)良的物理、化學(xué)性能、良好的熱力性能(飽和壓力適中、容積制冷量大、低能耗、合適的臨界溫度、低粘度、高導(dǎo)熱系數(shù)等)、良好的使用安全性(無毒、不燃、不爆等)、經(jīng)濟(jì)性、與礦物油的可溶性及對(duì)金屬和非金屬材料無腐蝕性等特點(diǎn)而廣泛用于制冷空調(diào)領(lǐng)域。但R22對(duì)大氣臭氧層有破壞作用，僅允許過渡期使用，在某些新設(shè)備中已不允許使用，尋找替代R22的制冷劑就顯得非常重要。圖2R134a與R22的熱力性能比較R134a和R22的熱力性能比較見圖2。在同樣工況下，R134a與R22的COP值非常接近，但制冷量比R22低30％~50％。R134a雖然可以替代R22。但要在相同工況下達(dá)到相同的制冷量，所有管道，包括部件之間以及熱交換器尺寸都要放大，系統(tǒng)管路需增加65％左右，壓縮機(jī)需要有較大的排氣量和大的排氣管路，排氣量需增加40％以上。此外，R134a的應(yīng)用范圍也有限制。因此HFCs類的混合制冷劑，如R404A、R407C和R410A等引起了人們的注意，因混合制冷劑各成分可以充分發(fā)揮“優(yōu)勢互補(bǔ)，取長補(bǔ)短”的作用。例如在發(fā)揮環(huán)保性能、熱工性能和使用性能好的易燃制冷劑優(yōu)勢的同時(shí)，采用可抑制其易燃性的其它制冷劑構(gòu)成多組分制冷劑。從整體上看，多組分制冷劑能較好地滿足多方面的要求，更具有低GWP、高效、安全、降低轉(zhuǎn)軌成本等優(yōu)點(diǎn)。R407C、R410A和R404A與R22的物理性質(zhì)比較見表3。目前R410A和R407C被認(rèn)為是R22的較好替代制冷劑。R404A是共沸混合制冷劑，在一定的溫度范圍內(nèi)，其性能與單一組分的制冷劑相同。R404A在低溫下具有良好的性能，是低溫工況下的主要制冷劑。R407C是非共沸混合物，易發(fā)生溫度滑移，蒸發(fā)過程和冷凝過程的開始和終了溫度存在著差異，大約有6℃的溫度滑移。R407C的壓力比R22略有上升，約上升10％。R407C和R22制冷劑的熱力性能比較見圖3。R407C與R22的熱力性能非常接近，因此國內(nèi)和歐洲主要采用R407C作為R22的替代制冷劑。表3R404A、R407C、R410A和R22的物理特性比較特性R22R407CR410AR404A成份R22R32/1255/1344aR32/1255R143a/1225/1334a混合比例（質(zhì)量量分?jǐn)?shù)）10023/25/55250/5052/44/44分子量86.4886.272.5997.6沸點(diǎn)（℃）-40.84-43.56-51.6-46.6液體密度（kgg/m3）1191113610611039臨界溫度（℃℃）96.1386.7471.4772.1臨界壓力（bbar）49.8646.149.237.4溫度滑移（℃℃）07.4<0.20.7毒性1000100010001000燃燒性無無無無ODP(R111=1)0.05000GWP(CO22=1)1700150017003750圖3R407C與R22的熱力性能比較R410A是近共沸混合物，溫度滑移很小。但R410A壓力很高，比R22高50％左右，當(dāng)R410A替代R22時(shí)，必須對(duì)系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括大部分部件需承受高壓，熱交換器需進(jìn)行優(yōu)化。R410A和R22的熱力性能比較見圖4。R410A與R22的COP很接近，制冷量比R22提高30％~40％，傳熱性能好，熱交換能力提高20％~30％，即達(dá)到同樣的制冷量，壓縮機(jī)可減小約30％左右，換熱器的尺寸更小，壓力損失小。適合制冷裝置向小型、高效化發(fā)展。圖4R410A與R22的熱力性能比較4.4使用R12制冷裝置的改造使用R12的制冷裝置一般建議用R134a替代R12。但是鑒于R134a與原R12系統(tǒng)不相容，所以在用R134a代替R12時(shí)必須對(duì)R12系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造，下面就這個(gè)問題提供參考意見。1壓縮機(jī)用R134a替代R12時(shí)，不一定要更換壓縮機(jī)，僅在壓縮機(jī)有故障的情況下才必須更換。2冷凝器用R134a替代R12后，由于兩者的熱力學(xué)特性不同，所以原R12系統(tǒng)冷凝器的散熱面積就不夠，排氣壓力升高；同時(shí)，由于R134a在冷凝器中的冷凝換熱系數(shù)比R12高，所以R134a冷凝時(shí)的壓力損失比R12大。因此，如仍用原R12系統(tǒng)的冷凝器，必須增加冷凝器冷卻風(fēng)扇的排量（即更換功率更大的風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)或加裝電子風(fēng)扇），或加裝冷凝器高效聚風(fēng)罩，以增加通過冷凝器散熱片的空氣量，提高冷凝效率。如果更換冷凝器，則必須采用新型、高效、低阻的冷凝器，且管路直徑需加大。只有這樣，才能既保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，又減少一次性投資費(fèi)用。3儲(chǔ)液干燥器用R134a替代R12后，原儲(chǔ)液干燥器不能繼續(xù)使用，必須換用新的儲(chǔ)液干燥器（裝有合成沸石干燥劑和PAG或ESTER油潤滑劑），因?yàn)镽12制冷系統(tǒng)干燥器中的干燥劑是XH5，與R12相容，而與R134a不相容。4膨脹閥或節(jié)流孔管用R134a替代R12時(shí)不必更換膨脹閥或節(jié)流孔管，但這樣并不意味著它們完全適用于R134a系統(tǒng)，它們會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較高的過熱度，使蒸發(fā)器制冷效率有所降低。嚴(yán)格地講，R134a系統(tǒng)與R12系統(tǒng)中的膨脹閥是不能互換的，否則制冷效率會(huì)受到影響。因此，膨脹閥需根據(jù)R134a系統(tǒng)的工作條件重新設(shè)計(jì)的。5蒸發(fā)器在未發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器泄漏的情況下，用R134a替代R12時(shí)蒸發(fā)器不必更換。R134a與R12在蒸發(fā)器管內(nèi)的蒸發(fā)換熱系數(shù)大體相等，但R134a的壓力損失比R12大，因?yàn)镽134a與PAG油混合物的粘度比R12與礦物油混合物的粘度大，并且在相同溫度下R134a飽和蒸氣的比熱容比R12大，因而在相同質(zhì)量流量下R134a的熱流密度比R12大。若要更換蒸發(fā)器，則必須采用新型、高效的蒸發(fā)器。6橡膠軟管R134a替代R12時(shí)，空調(diào)制冷系統(tǒng)軟管不必更換，但若軟管出現(xiàn)泄漏，則應(yīng)更換。用于R12系統(tǒng)的橡膠軟管是三層結(jié)構(gòu)的。使用R134a時(shí)，由于R134a的分子直徑小，傳統(tǒng)三層橡膠軟管產(chǎn)生泄漏的可能性增大，因此，在更換橡膠軟管時(shí)應(yīng)采用為R134a設(shè)計(jì)的四層橡膠軟管（在三層橡膠軟管內(nèi)增加1層尼龍內(nèi)襯，最外層則采用三聚乙丙烯橡膠）。這種橡膠軟管柔軟、耐熱，而且還防水。7O型密封圈R134a系統(tǒng)不能使用丁睛橡膠NBR的O型密封圈，應(yīng)使用聚丁睛橡膠H-NBR、氯丁橡膠或三聚乙丙烯橡膠的O型密封圈。8冷凍機(jī)油目前，推薦ESTER油（脂類油）和PAG油（合成油）作為R134a系統(tǒng)的潤滑劑，但由于PAG油對(duì)環(huán)保不利，所以最好使用ESTER油。注意：在注入R134a以前必須將原R12系統(tǒng)清洗干凈。9壓力開關(guān)用R134a替代了R12后系統(tǒng)壓力會(huì)發(fā)生變化，因此應(yīng)調(diào)整壓力開關(guān)的工作壓力范圍：提高高壓開關(guān)的工作壓力范圍（3.14MPa時(shí)斷開，2.55MPa時(shí)閉合），適當(dāng)降低低壓開關(guān)的工作壓力范圍（0.04MPa時(shí)斷開，0.005MPa時(shí)閉合）。高壓釋放閥壓力側(cè)排氣壓力應(yīng)為3.14MPa。目前，用R134a替代R12的投資費(fèi)用尚較高，但隨著R134a系統(tǒng)大量應(yīng)用，技資費(fèi)用肯定會(huì)下降，而隨著對(duì)R12的限產(chǎn)、停產(chǎn)，R12系統(tǒng)的原材料及配件成本將會(huì)逐步升高。因此，用R134a替代R12的時(shí)機(jī)，用戶應(yīng)仔細(xì)把握。4.5使用R22制冷裝置的改造R410A和R407C被認(rèn)為是目前R22的較好替代制冷劑。系統(tǒng)改造建議用R407C替代，因其需要的系統(tǒng)改動(dòng)小，改造成本低。R410A是高壓制冷劑，壓縮機(jī)、換熱部件都需重新設(shè)計(jì)，所以R410A只適用于新制造的機(jī)組。使用R22的制冷裝置改造一般建議使用R407C。(1)系統(tǒng)系統(tǒng)用R407C替代時(shí)，由于系統(tǒng)的制冷量和COP相近，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的改動(dòng)較小。壓力基本相當(dāng)，但仍需對(duì)壓縮機(jī)、換熱器、配管和閥件等進(jìn)行壓力校核。R407C的傳熱性能稍差，冷凝器的面積需要增加。R407C是非共沸混合物，易發(fā)生溫度滑移。換熱器應(yīng)設(shè)計(jì)為逆流換熱器，不推薦使用滿液式蒸發(fā)器。(2)材料的相容性塑料、橡膠配件要選用與R407C相