国内外自然工质研究现状与发展趋势

仿真

　　　　　　　　暖通空调HV&AC　2003年第33卷第1期　　　　　　　　 41

科技综述

国内外自然工质

研究现状与发展趋势

天津大学　马一太☆　魏　东　王景刚

摘要　概述了在水、氨、碳氢化合物、二氧化碳等自然工质领域里的国内外研究现状和发

展趋势,着重讨论了二氧化碳跨临界循环的系统特点和应用技术关键,并对自然工质的应用前景作了分析。

关键词　自然工质　全球环境　二氧化碳跨临界循环

Worldwidestate2of2the2artsandtrendsofnaturalrefrigerants

ByMaYitai★,WeiDongandWangJinggang

Abstract　Outlinesprogressinresearchofnatalgeratsincwater,ammonia,hydrocarbonsandcarbondioxide.Emphasisecrritispivotaltechnologiesoftranscriticalcarbondioxideclandfretandtheprospectsofnaturalrefrigerants.

Keywordslefriggloalenvironment,transcriticalcarbondioxidecycle★Tianjin,China

①0　引言

从对环境的长期安全来看,应尽量避免使用那些最终会排放到生物圈中并影响生态平衡的非自然工质,重新起用自然工质是一种非常安全的选择。自然工质被已故前国际制冷学会主席G.Lorentzen称为解决环境问题的最终方案[1]。众所周知,自然工质一直存在于大气中,对生物界无害。于是,曾经一度被淘汰的CO2和碳氢化合物又一次

受到重视,而氨工质也在集中空调、超市食品陈列系统中得到应用,水作为一种制冷工质也开始得到重视和研究。美国、德国、挪威等国家学术研究和商业推广齐头并进,我国学者近年来也开始了自然工质的研究。

1　水

臭氧层耗减和全球温暖化进程的加剧,已成为日益严峻的全球环境问题。氯氟烃类人工合成制冷工质对臭氧层有破坏作用及产生温室效应,使制冷与空调行业面临严重挑战,寻找高效、绿色环保制冷工质已成为当前国际社会共同关注的问题。

在研究、开发和使用人工合成的制冷工质替代物时,应正确协调《蒙特利尔议定书》与《京都协议》的要求。为保护大气臭氧层,自1987年《蒙特利尔议定书》制定以来,ODP

=0的HFC作为较有前景的替代工质已经开发研究了十

几年,HFC制冷剂相继投入市场并越来越得到推广应用。但1997年制定的《京都议定书》将HFC物质列入了温室气体减排清单,因此,HFC只能是一种过渡性替代物而不是能长久使用的制冷剂。

随着世界制冷空调技术的应用和发展,对制冷工质的需求量逐年上升,每年达到百万吨级的消耗量。使用的人工合成类制冷工质的绝大部分将扩散到大气中去,有的物质在大气中存留数百年,有的物质分解后会产生其它副作用或是分解出有害物质,始终对地球的生态环境存在着潜在的危险,而且对地球生态环境的长期影响,短期内也难以预料。

水是人类赖以生存的极其珍贵的自然资源,作为制冷工质,对环境无任何破坏作用,同时,其优良的物理和化学性质,亦不会对人类产生任何不良影响。在吸收式制冷系统中,利用水作为制冷剂已有几十年的历史,在某些场合,水也被用来作为直接蒸发冷却的工质。最近,以水作为制冷剂的压缩式制冷研究也受到了人们的重视[2],如德国

①☆马一太,男,1945年11月生,博士,教授,博士生导师

300072天津大学热能研究所

(022)27404741

E2mail:ytma@http://doc.guandang.net收稿日期:20010326

仿真

Essen大学已成功地建造了制冷容量为800kW的制冷循

再高则制冷装置停车。其次,为强化传热和减少氨容量,采用两种形式的板式蒸发器。小冷量的采用沉浸式,载冷剂

在板间流动,氨在壳体中浸润板式蒸发器;大冷量的采用传统的板式换热器,材料为不锈钢或铝,也有采用淋浇式蒸发器,液氨用泵再循环通过喷嘴喷淋在管子上[4]。

对于那些需用离心式压缩机的大型装置,由于分子量小,限制了在给定叶轮圆周速度时的压缩比,即使中等压比也需要许多级。最近随着新材料的开发和应用,可采用更高的圆周速度,便能弥补此缺陷。

由于氨和普通润滑油的不溶性,给氨制冷机的润滑带来了困难。为将氨的应用范围进一步扩展到小型机组和家用冰箱,主要的研究任务应是开发气体冷却的半封闭或全封闭压缩机,目前已研制出能溶于氨的合成润滑油,也研制出能耐氨和该种润滑油的铝导线和绝缘材料[5]。一种新型氨压缩机如图2所示。在该压缩机中,定子与转子之间设置的屏蔽罩可有效防止氨泄漏并保护电机绕组的安全。3　碳氢化合物

目前作为制冷剂应用的碳氢主烷(、丁)()等。丙

烷[6]在石化工业作为工质用于大型制冷装置已有多年的历史。碳氢化合物的优点是ODP=0,GWP很小,和所

有常用的工程材料和润滑油都能相溶,且价格低廉。因为可以作为制冷剂的碳氢化合物原先就已存在,并不需要另外去合成,不会改变自然界碳氢化合物的含量,所以对温室效应没有直接影响。20世纪90年代初,臭氧层耗减和全球变暖两大问题提出后,碳氢化合物再一次被引入制冷空调领域,当今德国90%的冷藏箱和冷冻箱采用碳氢化合物作为制冷剂,在全欧洲新生产的家用冷藏/冷冻箱中,用作制冷剂的25%为碳氢化合物[5,7]。

丙烷具有优良的热力性能,单位容积制冷量较大,很适合于回转式压缩机。传热性能稍次于氨,但比CFC,HCFC和HFC要好得多。丙烷的主要物理性质如标准沸点、凝固点、临界温度、临界压力等参数与R22极其相近,初期可考虑采用R22系统,不对原机和生产线进行改造,直接灌装丙烷,属于直接(dropin)替代物。考虑到CFC替代费用,丙烷的转换费用比HFC及R600a都低,适合于发展中国家。

随后发展起来的异丁烷(R600a)已在欧洲和一些发展中国家广泛用于冰箱中。这主要是由于它可在较高的冷凝温度下工作,而又不会使效率有大的降低。异丁烷的临界

环装置(见图1)。

水的物理特性决定了系统要在远低于常

压的工作压力下运行,与吸收式制冷相似,系统真空度的保持,对系统的运行效果极其重要。其次,尽管冷凝图1　以水为工质的压缩机制冷系统

压力和蒸

发压力都较低,但系统的压缩比却较高,容积流量较大,需要采用专门压缩机和多级压缩的方式。在中高温热泵领域,水被认为是一种理想的制冷工质,以水作为工质的应用技术关键是研究和开发适宜低压水蒸气的制冷压缩机。2　氨

氨已被使用达120年之久而至今仍在许多国家的大型工业系统中应用。其优点是ODP=0,GWP接近于0,具有优良的热力性质,价廉且容易检漏,是当今25kW的制冷剂,,为减小,。

,主要是毒性和可燃性,其次是具有刺激性气味。这方面的缺陷在“氟利昂时代”往往被夸大了。实际上它的毒性只有氯气的1/10～1/50,着火极限为15.5%(容积比),比通常的烃类和天然气高3～7倍,而燃烧热却比它们少一半左右。100多年的历史经验表明,氨的事故率是很低的。一项最近的调查表明[3],氨的事故率至多是和卤化物一样的。由于氨有强烈的刺激性气味,实际上氨蒸气在空气中的浓度达5×106时,已能闻到,这比眼睛和喉咙受到刺激的浓度低5～10倍,因此一旦有微小的泄漏就会被及时发现,而这一浓度远低于氨的着火浓度。另外,氨比空气轻,很容易上升从屋顶逸出室外,当氨和水接触时,能很快被水吸收,这一性能可用来消除空气中的氨蒸气,大大减少事故的发生。而且,通过近几年的研究和开发,新型氨制冷系统已较有效地解决了安全性问题。新设计的系统中氨的充注量已大为减少,密封性能也有较大的改进。

首先,新一代的氨制冷装置需要有可靠的报警系统和氨清除系统。在集中空调系统、大型商店和超级市场 …… 此处隐藏：13716字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……