自然工质CO_2和三种氟利昂制冷剂性能对比

2009年第1期　总第167期低　温　工　程CRY OGEN I CSNo 11　2009Sum No 1167CO 2非共沸混合工质制冷系统的理论分析张桂荣1　张仙平2(1石家庄铁道学院机械工程分院　石家庄　050043)(2河南工程学院土木工程系　郑州　450007) 摘　要:在设定工况条件下,采用3组CO 2非共沸混合工质(R744/R22、R744/R1270、R744/R600a ),对制冷系统进行了热力学理论分析和计算。

研究了系统制冷量、压缩机功耗、制冷CO P r 和冷凝压力随CO 2质量配比的变化关系。

结果表明:在相同工况下,R744/R600a 的冷凝压力最低,比R744/R22平均低22.9%,比R744/R1270平均低18.8%;R744/R1270具有较好的综合性能。

关键词:CO 2　CO P r 非共沸混合工质　理论分析中图分类号:T B615 文献标识码:A 文章编号:100026516(2009)012010204 收稿日期:2008209225;修订日期:2008212218作者简介:张桂荣,女,37岁,女,硕士,讲师。

Theoreti ca l ana lysis on refr i gera ti n g system s usi n g CO 2a szeotrop i c m i xture refr i geran tZhang Guir ong 1　Zhang Xianp ing2(1School ofMechanical Engineering,Shijiazhuang Rail w ay I nstitute,Shijiazhuang 050043,China )(2Depart m ent of Civil Engineering,Henan I nstitute of Engineering,Zhengzhou 450007,China ) Abstract :Under the design operating conditi ons,the perfor mances of a refrigerating syste m was ana 2lyzed by using three gr oup s of CO 2zeotr op ic m ixture refrigerants (R744/R22,R744/R1270,R744/R600a )res pectively .The influence of CO 2compositi on on refrigerating capacity,comp ress or power,CO P r at cooling mode and condensing p ressure was investigated .The results show that under sa me operating con 2diti ons the high p ressure of syste m using R744/R600a is m ini m um ,which is averagely l ower than that of R744/R22by 22.9%,R744/R1270by 18.8%.R744/R1270has a better comp rehensive characteristics .Key words :CO 2;CO P r ;zeotr op ic m ixture refrigerant;theoretical analysis1　引　言CO 2作为自然工质,它的性能非常优良(环保(ODP =0,G W P =1)、安全、无毒、不可燃、易获取、热物理性质极佳)。

目前环保问题成了全球的热门话题，臭氧层的不断破坏和气候的逐渐变暖，是当今地球人类所面临的两大亟待解决的环境问题。

谈到臭氧层的破坏，人们立刻会想到空调制冷行业的氟里昂，曾经有一段时间，人们对氟里昂几乎达到谈虎色变的程度。

谈到气候变暖，人们不觉想到两极冰山融化、雪山冰线缩小、海平面上升、暴雨洪水泛滥。

2002年7月1日《河北省淘汰消耗臭氧层物质实施办法》出台，规定：家用冰箱、冰柜、空调从2002年7月1日起不得继续充灌含氟里昂制冷剂；2003年底，在用汽车空调完成替换氟里昂制冷剂；2003年1月1日后出厂的新车空调不得使用含氟里昂的制冷剂；2003年底前工业及商业用中央空调及冷藏设备淘汰氟里昂制冷剂。

由于家用冰箱、空调及冷柜都用到氟里昂制冷剂，为人们普遍认知。

因而制冷空调行业成了破坏臭氧层和制造温室效应的众矢之的。

但人们很少知道，氟里昂大部分排放是由于化工工业生产过程造成的，空调制冷剂的泄漏只是一小部分。

工业上如灭火、发泡等是一次性使用，大量的氟里昂物质排放到大气中，而空调制冷剂是密封在机组的循环系统中，只是存在机组泄漏的可能。

诚然，空调制冷行业是臭氧层破坏和制造温室效应的参与者。

那么，摆在我们面前的是，冷媒替代技术的研发及使用，已成为当今制冷空调行业的研究课题。

一、氟里昂制冷剂首先了解氟里昂的定义，氟里昂是饱和烃类（碳氢化合物）的卤族衍生物的总称，是本世纪三十年代随着化学工业的发展而出现的一类制冷剂，它的出现解决了制冷空调界对制冷剂的寻求。

从氟里昂的定义可以看出，现在人们所说的非氟里昂的r134a、r410a及r407c等其实都是氟里昂。

我们用于制冷行业的氟族制冷剂有r11（cfcl3）、r12（cf2cl2）、r22（chf2cl）、r32（ch2f2）、r113（c2f3cl3）、r114（c2f4cl2）、r115（c2f5cl）、r123（c2hf3cl2）、r125（chf2cf3）、r134a（ch2fcf3）、r143a（ch3cf3）、r141b（ccl2fch3）、r142b（h3c2f2cl）、r152(ch3chf2)、r404a （44%的r125和52%的r143a及4%的134a）、r407c（23%的r32和25%的r125及52%的r134a）、r410a（50%的r32和50%的r125）、r500（73.8%的r12和26.2%的r152）、r502（48.8%的r22和51.2%的r115）等。

制冷剂安全等级制冷剂是用于制冷设备中的一种特殊物质，它在制冷循环中起着传热媒介的作用。

制冷剂的安全等级是衡量其对人体和环境影响的指标之一。

不同的制冷剂具有不同的安全等级，本文将介绍几种常见制冷剂的安全等级及其相关知识。

1. R22制冷剂：R22是一种常见的氟利昂制冷剂，其安全等级为A1级。

这意味着R22制冷剂在正常使用条件下对人体无毒无害，不会对大气臭氧层造成破坏。

然而，由于R22属于温室气体，其全球变暖潜势较高，因此在全球范围内逐步被禁止使用。

2. R410A制冷剂：R410A是一种新型的制冷剂，其安全等级也为A1级。

与R22相比，R410A的制冷效果更好，能够提供更高的制冷效率。

同时，R410A对臭氧层的破坏潜力较低，对环境的影响也较小。

因此，R410A被广泛应用于现代空调系统中。

3. R134a制冷剂：R134a是一种HFC制冷剂，其安全等级为A1级。

与氟利昂制冷剂相比，R134a的全球变暖潜势更低，对臭氧层的破坏性也较小。

因此，R134a被广泛应用于汽车空调系统和商用制冷设备中。

4. R290制冷剂：R290是一种天然制冷剂，其安全等级为A3级。

R290属于烷烃类制冷剂，具有良好的环境友好性。

然而，由于R290属于易燃气体，其在使用和储存过程中需要特殊的安全措施。

因此，R290制冷剂在家用和商用制冷设备中的应用相对较少。

除了上述几种常见制冷剂，还有许多其他类型的制冷剂，它们的安全等级也各不相同。

选择合适的制冷剂应综合考虑其制冷性能、环境影响以及安全性能等因素。

在使用制冷剂时，应遵循相关的安全操作规程，确保人身安全和环境保护。

制冷剂的安全等级是衡量其对人体和环境影响的重要指标。

各种制冷剂具有不同的安全等级，选择合适的制冷剂对于保障人身安全和环境保护至关重要。

在使用制冷剂时，应严格遵守安全操作规程，确保制冷设备的正常运行和安全使用。

随着我国社会的高速发展和人民生活水平的提高，经济发展与环境保护的矛盾也日益突出。

为减少采暖燃煤使用量、改善空气环境、提高能源使用效率，我国北方开始推广“煤改电”、“煤改气”等一系列政策。

北京怀柔区实施“煤改电”政策后，在电价方面将取消阶梯电价，并且在采暖期最低可享受0.1元/度的优惠电价；在采暖设备方面，对空气源热泵按照实际供热面积每平米200元补贴。

基于节能环保的环境要求和供热采暖的生活需求，采暖用空气源热泵代替传统锅炉已成为一种发展较快的趋势。

1 研究现状1.1热泵发展近况近年来国内外众多高校、研究机构和企业都一直致力于解决热泵在全年长期运行中的问题，尤其是在低温工况下运行的问题。

早在2003年，清华同方就宣称将某热泵产品进行技术革新，使得该产品的工作环境从（-8～7）℃扩大到（-15～45）℃。

2006年，南京工业大学的学者王伟设计并搭建了一台可单双级切换的压缩空气源热泵热水器，制冷剂选用R134a，得到双级压缩热泵热水器在-20℃的环境下运行COP能保持在1.5左右，相对于电热水器有较明显的优势。

广东长菱空调气冷机公司陈俊骥设计搭建一套采用中间喷射的涡旋热泵热水器并进行了实验，实验表明：该系统能在-20℃～43℃的环境温度下正常运行，制取热水的水温达到65℃；在-15℃的环境温度以下，该设备COP依然能保持在2.0以上。

国外对低温空气源热泵热水器的研究主要集中在日本、美国和一些西欧国家。

美国学者Wang X等在2009年以R410A 为工质建立一个11kW的实验台，比较了经济器和闪发器对制冷制热的影响，得出结论：外界环境为46.1℃时，闪发蒸汽喷射相对于单级系统制冷量和制冷系数分别提高14%和4%；外界环境为-17.8℃时，制热量和制热系数分别提高30%和20%。

1.2热泵循环研究进展基于热泵技术的发展要求，许多国内外学者对不同的热泵循环进行了理论对比分析，也根据不同的循环理论进行实验研究。

空调制冷剂R22、R410a、R32、R290的安全性能比较目前在家用空调和热泵中广泛应用的制冷剂是R22，它属于臭氧消耗物质HCFC，根据蒙特利尔议定书，我国到2030年将淘汰所有制造业HCFC的生产与消费。

R22的替代制冷剂大体可分为三类：第一类为HFC制冷剂，如R410a（已广泛应用）、R32（潜力制冷剂）；第二类为HC碳氢制冷剂，如R290（潜力制冷剂）；第三类为天然工质二氧化碳CO2——由于其工作压力高，一般不用于家用空调。

对于目前家用空调使用的R22、R410a、R32、R290制冷剂的安全性，主要包括毒性和可燃性。

国家标准《制冷剂编号方法和安全性分类》GB/T 7778-2017将制冷剂的毒性分为A类（低慢性毒性）、B类（高慢性毒性）；将可燃性分为第1类（无火焰传播）、第2L类（弱可然）、第2类（可然）、第3类（可燃易爆）。

根据GB/T 778-2017，制冷剂安全性细分为8类，分别为：A1、A2L、A2、A3、B1、B2L、B2、B3，其中，A1最安全，B3最危险。

R22：将被淘汰制冷剂R22化学成分为氯二氟甲烷（CHClF2），不燃烧、不爆炸，毒性很小，安全等级属于A1。

R22消耗臭氧层潜值ODP>0，因此不宜长期使用，我国到2030将全面淘汰。

R410a由R32和R125按质量分数各50%的比例组成，其中R32（二氟甲烷CH2F2，A2L），R125（五氟乙烷CF3CHF2，A1），R410a 的安全等级为A1，也属于不燃烧、不爆炸，毒性很小的工质。

与R22相比，R410a属于高压制冷剂，对设备和系统耐压强度要求更高，但有利于减小压缩机排量、减小换热铜管直径、节约原材料；R410a的传热和流动特性优于R22，有利于提高空调的运行效率，节能效果明显，目前已被广泛使用。

R410a的ODP=0，不消耗臭氧；但是R410a全球变暖潜值GWP=1730（作为比较，CO2的GWP=1），对全球变暖的促进作用较大，因此R410A并不是最终的环保制冷剂解决方案。

制冷剂的评价与选择一、制冷剂按GB7778-87规定分四种，简单表示如下：1、无机化合物制冷剂：氨（R717）、水（R718）CO2（R744）2、氟利昂制冷剂：二氟一氯甲烷CHF2Cl（R22）、四氟一烷C2H2F4（R134a）、二氟二氯甲烷CF2Cl2（R12）3、混合制冷剂：（共沸混合：R500—R12/R152a，R502—R22/R115等）4、碳氢化合物制冷剂：甲烷（R50）、乙烯（R1150）等二、（不完全统计）制冷剂的实际使用情况备注：单螺杆制冷压缩机主要有：霍尔（英）、芝加哥风动工具公司（美）、三井（日）、普格托（法）、格拉莎—斯根（荷）等厂商。

目前国外常用制冷剂为等R22、R717、R134a。

荷兰格拉莎首创单螺杆制冷压缩机，1968年引进专利形成MSIO系列，蜗杆共四种直径240~345mm，每种直径四种内容积比2.32，2.87，3.43，3.95（由蒸发温度决定，R22的蒸发温度范围为-40～15℃）。

2、国内使用情况：估计类似国外情况3、作为制冷剂的介质约为80余种，国内外常用的制冷剂为R22、R717、R134a。

三、常用制冷剂的比较：0k注：①、毒性等级共6级，1级毒性最大，6级毒性最小； ②、25℃时，氮为1；③、R717的燃点为1171℃，爆炸极限体积分数15.5～27％，氨的含量为110～192g/m3；④、R22的含水量不得超过0.0025％（质量比）以防“水塞”，R717含水量不得超过0.12％。

2、根据上表所列热力、理化及安全环保特性简单分析比较如下： （1）、热力特性a ） 在大气压力下，上述制冷剂的正常蒸发温度要低，且正常蒸发温度所对应的压力都高于大气压力（以免向制冷机内渗漏空气，降低制冷能力），冷凝压力不要过高（影响冷凝器、管道的安全，密封等）。

R22与R717相近似；b ） 压比要小（冷凝压力与蒸发压力差值小）R22压比小些为2.89，R717压比为3.36；c ） 单位容积的制冷量要大（减少容积流量——减少尺寸、重量、成本）R22与R717相比大体相近，仅差百分之几；d ） 压缩特性来比较，R22、R134a 比R717好。

常用制冷剂性能对比常用制冷剂性能对比1．制冷剂R123不在《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》（1999年）受控的10种物质之内，R123符合《国家方案》的环保要求。

2．哥本哈根国际《议定书》修正案规定R123可使用到2040年，并且中国目前尚未签署《议定书》哥本哈根修正案。

3．环保制冷剂是指当制冷剂散发至大气层后，对臭氧层的破坏大小和对全球气候变暖的影响大小；R134a对臭氧层没有影，但对全球气候变暖的影响是R123的十几倍，所以《京都议定书》对R134a也作了限定使用；R123对臭氧层有较小的影响，但对全球气候变暖影响很小。

4．制冷剂R22、R123、R134a均有毒，有毒与环保是两个不同概念，有毒不等于不环保。

目前家用冰箱和家用空调均大量使R22，而安全性完全有保障。

5．制冷剂R123在离心式制冷机工作时蒸发器为负压，不存在制冷剂向外泄漏的问题。

6．中央空调的用户完全不与制冷剂相接触，根本不存在用户安全问题，与用户接触的是水。

7．中南大学制冷方面的教授对R22、R123和R134a的几点意见：（1）制冷剂的选择与设备生产厂商的技术及设计思路密切相关。

与采用的压缩机型式、热力循环效率、制冷工况、对材料的腐蚀性、与润滑油的相溶性、以及经济性、安全性等有很大关系，可以理解为厂商的“个性”。

（2）有的制冷机组厂家声称采用无氟的制冷剂或如何环保的制冷剂，把冷水机组的销售变成了制冷剂选用的唯一比较，给不太了解制冷剂的用户造成困惑，而忽略了对机组本身的性能参数比较。

（3）目前采用的制冷剂或多或少都含有R22等，是一种混合工质。

（4）另外我国没有承诺何时终止使用R22、R123等制冷剂的时间，关于制冷剂选择的焦虑是没有必要的，用户大可不必把心思花费到考虑选用何种制冷剂上，这些事情应交由设备生产厂商去考虑，因为这些是他们最关心的。

的ODP值作为基准值。

制冷剂的排放会产生全球气候变暖的温室效应，其影响程度用全球变暖潜值（GWP）表示。

常用制冷剂性能介绍制冷剂有许多种,平常也被称作为雪种,雪媒,或又称冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝结时放热。

当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、氟利昂类、水和少数碳氢化合物等。

1987年9月在加拿大的蒙特利尔室召开了专门性的国际会议，并签署了《关于消耗臭氧层的蒙特利尔协议书》，于1989年1月1日起生效，对氟利昂在的r11、r12、r113、r114、r115、r502及r22等cfc类的生产进行限制。

1990年6月在伦敦召开了该议定书缔约国的第二次会议，增加了对全部cfc、四氯化碳（ccl4）和甲基氯仿（c2h3cl3）生产的限制，要求缔约国中的发达国家在2000年完全停止生产以上物质，发展中国家可推迟到2021年。

另外对过渡性物质hcfc提出了2021年后的控制日程表。

hcfc中的r123和r134a是r12和r22的替代品。

制冷剂在热力学上的要求1制冷剂的冷却温度(沸点)ts必须高,在通常的大气压力下。

这就是一个很关键的性能指标。

ts愈高，则不仅可以制备较低的温度，而且还可以在一定的冷却温度to之下，并使其冷却压力po低于大气压力。

以防止空气步入制冷系统，出现外泄时较难辨认出。

2制冷剂在常温下的冷凝压力pc应尽量低些，以免处于高压下工作的压缩机、冷凝器及排气管道等设备的强度要求过高。

并且，冷凝压力过高也有导致制冷剂向外渗漏的可能和引起消耗功的增大。

3对于大型活塞式压缩机来说，制冷剂的单位容积制冷量qv建议尽可能小，这样可以增大压缩机尺寸和增加空调工质的循环量；而对于小型或微型压缩机，单位容积制冷量可以大一些；对于小型离心式压缩机亦建议制冷剂qv必须大，以不断扩大离心式压缩机的采用范围，并防止大尺寸叶轮制造之困难。

4制冷剂的临界温度必须低些、冷凝温度必须高些。

临界温度的多寡确认了制冷剂在常温或普通低温范围内若想液化。

常用制冷剂性能对比常用制冷剂知识1．制冷剂R123不在《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》（1999年）受控的10种物质之内，R123符合《国家方案》的环保要求。

2．哥本哈根国际《议定书》修正案规定R123可使用到2040年，并且中国目前尚未签署《议定书》哥本哈根修正案。

3．环保制冷剂是指当制冷剂散发至大气层后，对臭氧层的破坏大小和对全球气候变暖的影响大小；R134a对臭氧层没有影，但对全球气候变暖的影响是R123的十几倍，所以《京都议定书》对R134a也作了限定使用；R123对臭氧层有较小的影响，但对全球气候变暖影响很小。

4．制冷剂R22、R123、R134a均有毒，有毒与环保是两个不同概念，有毒不等于不环保。

目前家用冰箱和家用空调均大量使R22，而安全性完全有保障。

5．制冷剂R123在离心式制冷机工作时蒸发器为负压，不存在制冷剂向外泄漏的问题。

6．中央空调的用户完全不与制冷剂相接触，根本不存在用户安全问题，与用户接触的是水。

7．中南大学制冷方面的教授对R22、R123和R134a的几点意见：（1）制冷剂的选择与设备生产厂商的技术及设计思路密切相关。

与采用的压缩机型式、热力循环效率、制冷工况、对材料的腐蚀性、与润滑油的相溶性、以及经济性、安全性等有很大关系，可以理解为厂商的“个性”。

（2）有的制冷机组厂家声称采用无氟的制冷剂或如何环保的制冷剂，把冷水机组的销售变成了制冷剂选用的唯一比较，给不太了解制冷剂的用户造成困惑，而忽略了对机组本身的性能参数比较。

（3）目前采用的制冷剂或多或少都含有R22等，是一种混合工质。

（4）另外我国没有承诺何时终止使用R22、R123等制冷剂的时间，关于制冷剂选择的焦虑是没有必要的，用户大可不必把心思花费到考虑选用何种制冷剂上，这些事情应交由设备生产厂商去考虑，因为这些是他们最关心的。

制冷剂对臭氧层的破坏程度用破坏臭氧层潜值（ODP）表示，其数值以R11的ODP值作为基准值。