关于民用建筑暖通空调系统制冷剂的选用

制冷剂(又称“冷媒”,俗称“氟”)的选用比较复杂,需要考虑的因素较多,选择时应根据具体情况,进行全面的剖析,主要从以下五个方面来考虑:

A.环保要求。所选制冷剂要对人类生态环境无损坏作用,不损坏大气臭氧层,不发生温室效应。需满足国标《制冷系统及热泵安全与环境要求》GB/T9237-2017中的相关要求。

B.制冷温度的要求。根据制冷剂温度和冷却条件的不同,选用高温(低压)、中温(中压)、低温(高压)制冷剂,选用临界温度较高、在常温或普通低温下可液化的制冷剂。一般选择的制冷剂蒸发温度要低于制冷温度10℃,同时还需要考虑制冷设备的冷却条件、使用环境等。运行中的冷凝压力不应超过压缩机安全使用条件的规定值。

C.制冷剂的性能参数。根据制冷剂的热力性质、物理性质和化学性质,选用无毒、不爆炸、不燃烧的制冷剂;选用传热好、阻力小、与制冷系统材料相容性好(对金属材料不腐蚀,对润滑油不发生化学作用,高温不分解)的制冷剂。

D.压缩机的类型。暖通空调用压缩机一般为活塞式压缩机、回转式螺杆压缩机和离心式压缩机,不同的压缩机工作原理有所不同。其中活塞式压缩机和回转式螺杆压缩机较为常用,属容积式压缩机,是通过缩小制冷剂蒸气的体积来提高其压力的,一般选用单位体积制冷量大的制冷剂。

E.经济性。价格低,易获得。

根据以上因素,理想的制冷剂为化学性质稳定、不污染环境、无毒、不爆炸、不燃烧、无腐蚀性、蒸发压力高(不得低于大气压力,以免外部空气渗入系统中)、冷凝压力低(用较低压力即可将冷媒液化,压缩机压缩比小,可节省压缩机马力)、临界温度高、凝结温度低(避免在蒸发温度下凝结而无法循环)、单位容积制冷量大(蒸发潜热大,使用较少的制冷剂便可以吸收大量的热量)、等熵指数小(气态比容小、液态密度大,可缩小压缩机容积使成本降低,且吸气管及排气管可以用较小的冷媒配管)、热导率高、粘度小(减少系统中活动阻力)、绝缘好、经济性好的制冷剂。但完全满足这些条件的制冷剂还未发现,所以选择时要综合考虑。以下为制冷剂的简单介绍:

一、制冷剂的分类

(一)按成分分为单一制冷剂(如:R22和R32)和混合制冷剂(如:R410A)。

(二)按照制冷剂的标准蒸发温度(标准蒸发温度是指标准大气压力下的蒸发温度,也就是沸点),分为高、中、低温三类。

高温(低压)制冷剂:蒸发温度高于0℃,冷凝压力低于(0.2~0.3)MPa。这类制冷剂适用于离心式制冷压缩机空调系统。

中温(中压)制冷剂:蒸发温度-60~0℃,冷凝压力(0.3~2.0)MPa。这类制冷剂一般用于普通单级压缩和双级压缩的活塞式制冷系统中。

低温(高压)制冷剂:蒸发温度低于-60℃,冷凝压力高于2.0MPa。这类制冷剂适用于复迭式制冷装置的低温部分或-70℃以下的低温装置中。

(三)按照化学组成不同,制冷剂还可分为以下几类:1)无机化合物;2)饱和烃的卤化物(氟利昂);3)碳氢化合物;4)共沸制冷剂;5)非共沸制冷剂。

二、制冷剂的编号表示方法

制冷剂的编号是根据国标《制冷剂编号方法和安全性分类》GB/T7778-2017中的方法来编制的,因为涉及到的化学类专业术语比较多,这里就不作详细阐述,感兴趣的可以参阅标准内容。简单总结如下:

(一)制冷剂编号的首字母R为“制冷剂”英文Refrigerant(s)的缩写。

(二)无机化合物:编号为R7XX,其中XX(数字)为无机化合物的分子量(整数部分)。

例:氨为R717、二氧化碳为R744、水为R718。

(三)饱和烃的卤化物(氟利昂):编号为R(m-1)(n+1)x(a、b…)B(z),其中数字m、n、x、z是根据分子式CmHnFxClyBrz而来(n+x+y+z=2m+2)。当m=1时,(m-1)可省略;如果z=0,B(z)可省略(溴分子数,z为0);a、b…表示同分异构体。

例:氯二氟甲烷(CHClF2)为R22、二氟甲烷(CH2F2)为R32、五氟乙烷(CHF2CF3)为R125。

(四)碳氢化合物:烷烃类(饱和碳氢化合物)的编号与氟利昂编号方法相同(除丁烷例外,写成R600);

例:甲烷(CH4)为R50、乙烷(C2H6)为R170,此外,同素异构物在代号后面加一个字母“a”,如异丁烷为R600a;

烯烃类(非饱和碳氢化合物和它们的卤族元素衍生物)的编号为R1+氟利昂编号方法;

例:乙烯(C2H4)为R1150。

(五)共沸制冷剂:编号为R5XX,其中R5为共沸制冷剂编号,XX为发现的先后顺序。

例:R500=R152a/R12(26.2/73.8),表示R152a和R12分别按26.2%和73.8%混合而成第一位共沸制冷剂。

(六)非共沸制冷剂:编号为R4XX,其中R4为非共沸制冷剂编号,XX为发现的先后顺序。

例:R410A为R32(50%)和R125(50%)混合而成,A表示

注:为区分氟利昂对大气臭氧层的破坏程度,常用CFC、HCFC、HFC、HC来代替R。

CFC——氯氟化碳,含氯、不含氢,公害物,严重破坏臭氧层禁用

HCFC——氢氯氟化碳,含氯、含氢,低公害物质属于过渡性物质

HFC——氢氟化碳,不含氯,无公害可作为替代物

HC——碳氢化合物,不含氯、不含氟、无公害可作为替代物

三、制冷剂的安全性

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/T7778-2017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)。固将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。


四、制冷剂的性能参数

(一)根据国标《制冷剂编号方法和安全性分类》GB/T7778-2017和《制冷系统及热泵安全与环境要求》GB/T9237-2017中可查得制冷剂的相关参数,如民用建筑暖通空调系统常用的制冷剂R22、R410A和R32的相关参数如下:

参数

制冷剂

R22

R410A

R32

安全等级

A1、无毒难燃

A1/A1、无毒难燃

A2L、无毒弱可燃

实用限值(kg/m³)

0.30

0.44

0.061

ATEL/ODL(kg/m³)

0.21

0.42

0.30

摩尔质量(g/mol)

86.5

72.6

52

蒸汽密度25℃,101.3kPa(kg/m³)

3.54

2.97

2.13

标准沸点(℃)

-41

/

-52

泡点/露点101.3KPa(℃)

/

-51.6/-51.5

/

ODP值

0.055

0

0

GWP值

1810

2088

675

自燃温度(℃)

635

ND

648

大气寿命(年)

12.1

-

5.6

注:ATEL——急性毒性接触限值,根据标准《制冷剂编号方法和安全性分类》GB/T7778-2017确定的在发生制冷剂释放时降低对人的急性毒性风险危害的最大建议制冷剂浓度。

ODL——缺氧限值,导致氧气不足从而发生异常生理效应的某一制冷剂或其他气体的浓度。

ODP——臭氧消耗潜值(臭氧衰减指数),用于考察物质的气体散逸到大气中对臭氧破坏的潜在影响程度。规定制冷剂R11的臭氧破坏影响作为基准,取R11的ODP值为1,其他物质的ODP是相对于R11的比较值;

GWP——全球变暖潜能值表示某气体在不同时间内在大气中保持综合影响及其吸收外逸热红外辐射的相对作用。规定在固定时间范围内1公斤物质与1公斤CO2的脉冲排放引起的时间累积(100年)的辐射强迫的比率。

ND——表示不确定;

大气寿命——任何物质排放到大气层被分解一半(数量)所需的时间。

(二)通过手机APP程序RefTools等可查得制冷剂的临界温度和临界压力,如:

参数

制冷剂

R22

R410A

R32

临界温度(℃)

96.14

71.34

78.11

临界压力(MPa)

4.99

4.901

5.782

同时,可根据压力计算出对应的饱和温度,也可以通过温度计算出对应的冷凝压力。大家可以在RefTools等APP上直接查询。

(三)通过Refprop等软件可查得制冷剂的压焓图,并根据《制冷原理与设备》中的公式计算出制冷剂的单位容积制冷量。

(四)根据国标《制冷系统及热泵安全与环境要求》GB/T9237-2017可计算出制冷剂的允许充注量(需根据使用空间类别和安装场所类别来确定允许充注量)。

综述:制冷剂的选用需结合环保要求、制冷温度的要求、制冷剂的性能参数、压缩机的类型和性价比综合考虑。暖通空调设备的研发和制冷剂的选用是相辅相成的,设备研发阶段就需同步考虑制冷剂的选用。目前,中国市场上民用建筑暖通空调系统所用的制冷剂主要为R22、R410A、R32三种,也有少部分选用R290。

选用设备时,需要根据应用场所计算出制冷剂的允许充流量,判断是否安全,是否可应用。

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