淺析自然工質(zhì)在制冷空調(diào)中的運用

摘要：

近年來，隨著各類污染問題的不斷加劇，使得自然生態(tài)環(huán)境日趨惡化，其中又以臭氧層破壞最為嚴(yán)重，這一問題已經(jīng)逐漸引起全球性的關(guān)注。臭氧層的破壞不但會給生態(tài)環(huán)境帶來相當(dāng)巨大的危害，而且還會對人體健康造成也十分嚴(yán)重的影響。臭氧層遭到如此嚴(yán)重破壞與制冷空調(diào)中使用的人工合成制冷劑有著密切的關(guān)聯(lián)。為了保護(hù)人類的生存環(huán)境，必須采取有效的措施降低制冷劑對臭氧層的破壞。基于此點，本文首先簡要介紹幾種常見的自然工質(zhì)及其特點，并在此基礎(chǔ)上提出自然工質(zhì)在制冷空調(diào)中的具體運用。

關(guān)鍵詞：自然工質(zhì)；制冷空調(diào)；氨；水；制冷劑

就制冷空調(diào)而言，其歷經(jīng)了三代制冷劑的應(yīng)用，其中第一代是以CO2和NH3為代表的原生代，也就是我們所說的自然工質(zhì)；隨后出現(xiàn)的第二代制冷劑主要是以含氯的合成制冷劑為主，如CFCs、HCFCs等，正是由于這類制冷劑的使用，致使臭氧層的破壞日益加劇；經(jīng)過人們的不斷改良，第三代制冷劑隨之出現(xiàn)，其以含氫和氟的合成制冷劑為主，其中比較有代表性是HFCs等。雖然第三代制冷劑有效地解決了臭氧層的破壞問題，但卻帶來了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，故此這類制冷劑也必將遭致淘汰。此時我們所要面臨的是第四代制冷劑的研發(fā)，其最基本的要求是GWP值和ODP值均為零。而想要研制出這樣一種新的合成物必然要經(jīng)過漫長的時間，并且需要科研人員的不斷努力，與其如此，不如退回到第一代自然工質(zhì)的研究上，挖掘出自然工質(zhì)在制冷空調(diào)中的潛力。借此本文就自然工質(zhì)在制冷空調(diào)的運用展開探討。

一、幾種常見的自然工質(zhì)及其特點

（一）氨

氨（NH3）作為一種自然工質(zhì)被使用約有120年左右的歷史，氨具有良好的熱力性質(zhì)、成本相對比較便宜、GWP及ODP值均為0等優(yōu)點。氨壓縮制冷系統(tǒng)的運行效率比較高，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較為緊湊，這種制冷系統(tǒng)的特點具體可概括為兩方面：一方面是在相同制冷容量的前提下，氨制冷壓縮機的容積僅為R22的50%左右，并且管路系統(tǒng)的容積也會以相同的比例減少；另一方面，因為氨具有良好的傳熱性，從而使得冷凝器與蒸發(fā)器的換熱面積也可相對減少。基于以上兩大特點，有效地降低了氨制冷系統(tǒng)的成本。雖然氨的優(yōu)點是顯而易見的，但是氨本身卻具有較強的毒性及可燃性，正是這一缺點使氨的應(yīng)用受到了極大程度的限制。當(dāng)氨制冷系統(tǒng)中的空氣含量達(dá)到一定程度時，極有可能引起爆炸，故此一般的氨制冷系統(tǒng)都會設(shè)有空氣分離裝置。而氨本身具備的特殊性質(zhì)卻有效地降低了因氨泄漏而引起的安全事故。此外，因為氨與一般的潤滑油難以相溶，這也在一定程度上影響了氨的應(yīng)用，并且當(dāng)氨溶于水后會對銅產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，因此，一般以氨為制冷劑的系統(tǒng)不可使用以銅為主的材料。

（二）二氧化碳

CO2能夠作為制冷工質(zhì)并被廣泛使用的主要原因在于其自身具有以下特性：其一，不可燃且安全無毒，能夠適應(yīng)各類潤滑油及多種機械材料；其二，具有極高的熱物理性質(zhì)，能夠充分與制冷循環(huán)及其設(shè)備相適應(yīng)，而且CO2具有相當(dāng)高的單位容積制冷量，在零攝度的條件下，其單位容積制冷量為NH3的1.58倍、R22的8.25倍；其三，具有十分良好的傳熱性和流動性，能夠有效縮小制冷系統(tǒng)及壓縮機的尺寸，進(jìn)而使整個系統(tǒng)變得更加緊湊，同時運行維護(hù)也比較方便，經(jīng)濟性較高；其四，制冷循環(huán)壓縮比要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)工質(zhì)制冷循環(huán)，從而使得壓縮機的容積效率能夠始終維持在比較高的水平上。CO2的缺點是循環(huán)效率相對較低、運行壓力高。通過大量的實驗研究表明，冷卻器高壓側(cè)的最佳壓力值約為10Mpa，而CO2單級壓縮跨臨界循環(huán)的COP值要比傳統(tǒng)工質(zhì)低很多。

（三）碳?xì)浠衔?/p>

在幾種較為常見的碳?xì)浠衔镏校椋–3H8）是一種最常用的制冷劑，其屬于中溫制冷劑。丙烷本身具有十分優(yōu)良的兼容性，能夠適應(yīng)多種潤滑油，而且還有良好的熱力學(xué)性能，對金屬沒有強烈的腐蝕性，成本也相對較低。丙烷作為制冷劑主要因為其具有超強的物理性質(zhì)，如標(biāo)準(zhǔn)沸點、臨界溫度以及壓力等參數(shù)均與R22極為近似，可在不對原機組及生產(chǎn)線進(jìn)行任何改造的前提下，直接對丙烷進(jìn)行灌裝，正因如此，丙烷可以作為直接替代物使用，替代成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于R134a。但是，碳?xì)浠衔锏娜秉c也十分明顯，即易燃易爆。丙烷本身的著火濃度極限非常低，其在空氣中的可燃極限為體積分?jǐn)?shù)的2～10%。雖然碳?xì)浠衔锞哂幸兹家妆娜秉c，但卻并未影響到它在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用，據(jù)有關(guān)資料顯示，德國有將近90%以上的冷藏和冷凍箱都是以碳?xì)浠衔餅橹评鋭W洲新生產(chǎn)出來的家用型冷藏和冷凍箱，也有25%的制冷劑采用的是碳?xì)浠衔铩?/p>

二、自然工質(zhì)在制冷空調(diào)中的具體運用

（一）氨在制冷空調(diào)系統(tǒng)中的運用

1.增強制冷系統(tǒng)密封性能。由于我國地理環(huán)境存在溫差較大的特點，所以制冷空調(diào)的設(shè)計壓力應(yīng)比歐洲略高，這就對氨制冷劑的防泄漏工作提出了更高的要求。氨制冷劑的泄露部位主要在軸封處，現(xiàn)階段對于延長軸封壽命及其防泄漏的方法多種多樣，如采用螺旋槽型干氣密封法、半封閉或全封閉式壓縮機、氨半封閉無罩螺桿壓縮機等均能起到防止泄露的作用。此外，為了增強制冷系統(tǒng)的密封性能，還必須在設(shè)計和安裝系統(tǒng)時采用焊接的方式將所有管道進(jìn)行連接，盡量少用法蘭連接。

2.減少氨的充注量。由于氨的危險性與其充注量成正比，所以必須降低氨的充注量，確保制冷空調(diào)的使用安全。當(dāng)前，低氨充注系統(tǒng)成為了廣大研究者的研制重點，如阿法拉伐公司生產(chǎn)的全不銹鋼釬焊版式換熱器，可將氨的充注量降至0.029kg/kw制冷量。通過研究表明，在氨制冷系統(tǒng)中應(yīng)用微通道換熱技術(shù)也可以達(dá)到降低充注量的目的，可降低到傳統(tǒng)換熱技術(shù)充注量的1%。

3.注意材料的應(yīng)用。在制冷系統(tǒng)中，與氨制冷劑相接觸的材料中不能含汞、銅、鋅、橡膠、銅合金、鎘合金的成份。在傳統(tǒng)的氨制冷劑管道中，多數(shù)采用低合金鋼、低碳鋼和不銹鋼作為換熱器的整體材料，而現(xiàn)在多選用鋁或鋁合金材料。

（二）水在制冷空調(diào)系統(tǒng)中的運用

由于水具備無危險、無毒害的特性，所以將水作為自然工質(zhì)，可以使制冷系統(tǒng)在真空的狀態(tài)下運行擁有較高的安全性和可靠性。

1.水壓縮制冷系統(tǒng)在建筑空調(diào)和供暖領(lǐng)域的運用。水具備較高的臨界參數(shù)，可以與其他自然工質(zhì)一樣，在亞臨界條件下循環(huán)可以獲取較高的循環(huán)性能系數(shù)。在水制冷循環(huán)中，基于水的壓縮比過大，所以必須采取多級壓縮的方式，并且采用離心式壓縮機，有效降低排氣溫度。經(jīng)理論研究表明，將水作為自然工質(zhì)應(yīng)用于壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)中，其關(guān)鍵在于研制與此相適宜的壓縮機和設(shè)備，便可以充分發(fā)揮高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的作用，完全滿足建筑空調(diào)和供暖領(lǐng)域?qū)嵩礈囟鹊囊螅瑩碛谐Ｒ?guī)工質(zhì)所具備的性能。

2.水制冷可以實現(xiàn)制冷與蓄冷功能。水制冷不僅可以制造冷水和冰，還可以運用閃蒸器替代傳統(tǒng)的蒸發(fā)器制取冰水混合物。在閃蒸器中產(chǎn)生的水蒸氣必須經(jīng)過多級壓縮后再進(jìn)入泠凝器進(jìn)行冷凝，冷凝過后的水流入閃蒸器，而在此過程中生成的冰晶混合物便儲存到蓄冰槽內(nèi)，制冷空調(diào)系統(tǒng)可從蓄冰槽內(nèi)獲取所需的冷量。

3.水壓縮式制冷方式的發(fā)展應(yīng)用前景。與當(dāng)前廣泛運用的溴化鋰——水吸收式制冷方式相比，水壓縮式制冷方式具備能源利用率高、冷卻水量小的優(yōu)勢，同時也可以避免系統(tǒng)處于長時間運行狀態(tài)下出現(xiàn)冷量減退的現(xiàn)象。通過在水制冷系統(tǒng)中采取先進(jìn)的壓縮機技術(shù)和壓縮方式，就可以實現(xiàn)水壓縮式制冷替代吸收式制冷，并取得更大的使用優(yōu)勢。

結(jié)論：

總而言之，自然工質(zhì)在制冷空調(diào)領(lǐng)域中的運用還有許多問題需要解決，而隨著人們對自然工質(zhì)認(rèn)識的不斷深入，這些問題基本上都可以轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的相應(yīng)技術(shù)問題，并且會在技術(shù)進(jìn)步的過程中得到逐步解決。可以說自然工質(zhì)的應(yīng)用主要取決于人們環(huán)境意識的不斷增強，雖然科學(xué)技術(shù)給我們帶來了十分巨大的利益，但無可否認(rèn)的是環(huán)境和資源也受到了嚴(yán)重破壞。因此，探尋一種能夠與自然和諧發(fā)展的模式，已成為必然選擇，自然工質(zhì)的應(yīng)用絕對能夠滿足這種選擇。期望在不久的將來，人們能夠?qū)⒆匀还べ|(zhì)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變成一種自覺行為。

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