空調制冷技術發(fā)展動態(tài)和研究狀況
2008-02-02 來源：中國機械資訊網 文字：[
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當前的制冷技術已經幾乎滲透到各個生產技術、科學研究領域，并在改善人類的生活質量方面發(fā)揮著巨大作用�？梢哉f，現(xiàn)代技術進步離開了制冷技術發(fā)展是不可想象的。為了讓空調企業(yè)的技術人員及時了解空調制冷技術的最新進展，本文以近期間有關空調制冷技術的相關文獻為基礎，對其中的主要內容進行綜合報道，以供大家參考。
1、制冷劑的研究進展
總的看來，可以把制冷劑的發(fā)展歷程劃分為兩個階段，第一個階段是從自然物質到人工合成的物質；那么制冷劑發(fā)展的第二個階段將再回歸到自然物質。
早期的制冷劑是自然界中容易獲得或制取的物質，如乙醚、氨、CO2等。但是這些早期的制冷劑最后都因為制冷設備龐大效率較低，所以在后來出現(xiàn)熱力性能較好的氟利昂制冷劑后，最后在20世紀50年代退出常規(guī)制冷系統(tǒng)。
1929 年美國通用公司合成出R12，以后很快出現(xiàn)了R11、R22等稱為氟利昂的系列鹵代烴化合物，因其優(yōu)良的熱力學特性，無毒，不燃燒，極其穩(wěn)定等性質，很快成為制冷劑的主角，被大量生產和使用，如家用冰箱、汽車空調、小型冷庫都用R12，至20世紀七十年代，包括制冷劑，發(fā)泡劑在內的各種鹵代烴的年產量達到數(shù)百萬噸，并有繼續(xù)增加的趨勢。
但是，氟利昂是一種化學性質非常穩(wěn)定的人工合成物質，當它們揮發(fā)到大氣中以后很長時間不會被自然界分解，而一直擴散到平流層，在大氣層11km至45km處的同溫層與臭氧層相遇，由于在平流層受到強烈太陽紫外線照射，含氯的氟利昂分子(稱為氯氟碳化合物，英文縮寫為CFC)便分解游離氯原子，而氯原子可以催化分解臭氧分子，在反應中氯原子被不斷的放出，所以分解反應不斷進行，氯原子使臭氧層受到破壞、減薄直至消失。由于氟得昂被大量使用，導致近年來南極上空的臭氧空洞不斷擴大；而且據(jù)報道在我國青藏高原上空也出現(xiàn)了臭氧空洞，因此對氟利昂制冷劑的替代勢在必行。
2、國際R22替代技術的情況
在成功地進行了CFC的替代之后,人們更多地把注意力投向HCFC。而其中首當其沖的無疑就是制冷空調行業(yè)中應用最廣泛的HCFC中的R22，,該制冷劑自1936年問世以來就以其優(yōu)越的綜合性能席卷了整個制冷界,并且在設計、制造、運行、維修等方面積累了豐富的成功經驗。
然而由于R22對臭氧層的耗損作用和較高的溫室效應值，1992年的哥本哈根國際會議將其列入了逐步禁用范圍，1995年的維也納國際會議對其規(guī)定的禁用日程為，按照履約要求，我國應在1999年7月 1日將CFC類物質的消耗量凍結在1995年至1997年的平均水平上，至2005年削減50%，2010年全部淘汰。
嚴格地說，目前還沒有找到任何一種單工質的性能優(yōu)于R22的制冷劑。而目前R22的主要替代工質包括HFCS類工質和天然工質。雖然對于HFCS類工質的研究已比較成熟，由HFCS類工質組成的非共沸混合物理論上可利用各組分沸點不同實現(xiàn)勞倫茲循環(huán)，提高制冷循環(huán)效率，但HFCS類工質仍然存在一定的GWP值 (全球變暖潛能值)，與R22使用的礦物油不相溶，需要使用與之相溶的合成油，并且與干燥劑、密封材料及其他材料的相溶性也需要進一步研究，所以越來越多的人將目光投向了天然工質。天然制冷劑的最大優(yōu)點在于其GWP值及ODP(臭氧潛能值)值約為0，不會對環(huán)境造成危害，并具有優(yōu)良熱力性能及經濟性，目前研究比較成熟的此類制冷劑包括了R407C，R32/134a,R410a,R134a，以及碳氫化合物R1270等等。
現(xiàn)在一些國家競相開展了對HCFC22替代技術的研究。經過幾年的實驗和評估，R22比較成熟的HFCS替代物有如下幾種：
A、 R407c：是眾多候選替代制冷劑中呼聲較高的R22替代物。這是由于R407c的熱力性質與R22比較相似，它們的工作壓力和制冷量都比較接近。這使得替代簡單易行，原有R22機器設備改用R407c后除更換潤滑油，調整系統(tǒng)沖注量及節(jié)流元件外，對壓縮機和其余設備均可不做改動。但采用R407c后機器的制冷量和能效比比用R22時稍有下降，而R407c最大的缺陷可能是溫度滑移較大。據(jù)最新的資料預測，R407c在低制冷量范圍的(5-20KW)家用空調中和除螺桿式壓縮機之外的高制冷量范圍(20-350KW)容積式壓縮機的冷水機組中很有前途。
B、R32/134a：這種非共沸混合物在30/70%時具有最佳的熱力學性能。許多報告指出，經系統(tǒng)沖注量、熱交換器的優(yōu)化后的空調設備采用這一混合工質后的制冷量完全可與 R22相當，而能效比還可提高幾個百分點。其缺點是在某種條件下呈可燃性，雖然它在正常工作條件下是不可燃的。
C、 R410a：其熱力性能十分接近單工質，雖然它與R22的熱力性質不很相似，但卻可能是R22最有前途的HFC類替代物。使用R410a的制冷系統(tǒng)需徹底改型，但改型后的機器變得更為緊湊。它的另一優(yōu)勢是液相的熱導率高，粘度低，使其具有優(yōu)于R22的傳輸特性。R410a在適當?shù)膲毫Ψ秶鷥冉泝?yōu)化后有比 R22更高的能效比，在相同的造價下整體效率可提高5%左右，足以彌補改型設計等所需費用。故而它可作為R22的長期替代物，在普通空調如單元式或風冷，水冷的整體式冷水機組(大容量除外)及冷量較大的住宅空調中有廣闊的應用前景。
D、R134a：與R22相比，壓力、冷量都會降低，大多數(shù)的管道包括換熱器在內都應擴大以減少壓力損失，壓縮機的排量也要增加。用它代替R22后系統(tǒng)的制冷量有大幅度的下降，能效比也略有下降。系統(tǒng)的改型費用較高,因此對于小型住宅或商用空調不太可能用它，但對大型冷水機組尤其是用螺桿或離心式壓縮機時比較合適。
E、 R1270：通過對R1270與R22的熱物理性質和熱力循環(huán)性進行比較，碳氫化合物R1270的環(huán)境接受性能好，主要的熱物理性質與R22相似，其氣化潛熱比R22和R290都要高，傳熱效率高，并且R1270的可燃可爆性也可以通過生產過程和制冷裝置中安全措施的完善而得到克服。與R22系統(tǒng)潤滑油及其它部件均能兼容，并且與R22容積制冷量相差不大，不需要壓縮機進行改型。具有高制冷量，高循環(huán)性能系數(shù)，充注量大大減少的優(yōu)點，總體考慮可是一種性能優(yōu)良的制冷劑。
3、天然制冷劑
HFC替代物雖然解決了臭氧層的消耗問題，但其較高的GWP 值仍然是困擾人們的一個不可忽視的問題。如果從環(huán)境的可接受性考慮，天然制冷劑無疑是解決問題最徹底而又最完滿的途徑。以挪威的勞倫曾 (G.Lorentzen)教授為代表的提倡天然制冷劑的流派投向了“取之于自然,還之與自然”的天然制冷劑。
國際制冷學會(IIR)從1994年起舉辦兩年一度的專題討論天然工質的國際會議，交流探討在此領域中的新發(fā)現(xiàn)和成果。目前在天然制冷劑中以氨、丙烷與其他烴的混合物及CO2制冷技術最有可能成為R22的長期替代物。
(1) R717：是具有120多年使用經驗的一種廉價天然制冷劑，其熱力性能優(yōu)良，其容積制冷量和能效比均可優(yōu)于R22；然而R717的排氣溫度很高，它與某些材料與原有潤滑油的不相溶性令人顧慮。但是新的潤滑油及其他新技術的出現(xiàn)，為氨的擴大應用提供了可能性，目前已有使用氨的整裝式冷水機組面市，制冷技術人員還在繼續(xù)不斷地努力。
(2) R290：也是一種在化工生產中已長期使用的非常廉價的天然制冷劑。丙烷的熱力性質與R22非常接近，因而有可能成為R22的直接沖灌式制冷劑。與R22相比，丙烷的能效比較高，排氣溫度低，容積制冷量也較小。其弱點是具有可燃性。近年來使用丙烷的呼聲在增長，也已制定出有關的安全使用規(guī)程。
(3)CO2：由于CO2的高密度和低粘度，CO2的流動損失小，傳熱效果好。通過強化傳熱可以彌補它循環(huán)不高的缺點，增加回熱器或者采用兩級壓縮即可達到與常規(guī)制冷劑相似的效率，而不設膨脹機，這也是各公司開發(fā)CO2小型制冷或者汽車空調的研究方向。
CO2 制冷技術已經跨進實際應用的門檻。日本幾大公司開發(fā)的CO2熱泵熱水器已上市多年，年產已達十萬臺。
日本冷凍空調空調協(xié)會標準JRA-4050-2004 家電熱泵熱水機(二氧化碳冷媒)對這類產品的性能、安裝等有嚴格的規(guī)定。實際上熱水器稍加改裝，即可變?yōu)橛袩峄厥盏募矣每照{，所以將CO2用于家用空調也只有一步之遙。在汽車空調方面，可以說國際上各大汽車公司都進行了CO2汽車空調的研制，并能過專門協(xié)調機構聯(lián)合攻關，國際汽車工程學會不斷發(fā)布有關報告。歐盟正在講座相關CO2汽車空調的標準，準備在2008-2010年將歐洲的汽車空調全部改為CO2系統(tǒng)。R134a汽車空調只是過渡性的，一旦時機成熟，向CO2系統(tǒng)轉變已是定局。而這個“時機”不僅是技術性的，而且是政策性、商業(yè)性的。
4、熱聲制冷
除了在制冷劑方面的進展，在新的制冷理論及實踐方面也有許多進展，如熱聲制冷技術的研究和運用。
熱聲制冷是21世紀以來發(fā)展的一種新的制冷技術，與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，熱聲熱機具有無可比擬的優(yōu)勢：無需使用污染環(huán)境的制冷劑，而是使用惰性氣體或其混合物作為工質，因此不會導致使用的CFCS或HFCS臭氧層的破壞和溫室效應而危害環(huán)境；其基本機構是非常簡單和可靠，無需貴重材料，成本上具有很大的優(yōu)勢；它們無需振蕩的活塞和油密封或潤滑，無運動部件的特點使得其壽命大大延長。熱聲制冷技術幾乎克服了傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的缺點，可成為下一代制冷新技術的發(fā)展方向。
所有的熱聲產品的工作原理都基于所謂的熱聲效應，熱聲效應機理可以簡單的描述為在聲波稠密時加入熱量，在聲波稀疏時排出熱量，則聲波得到加強；反之聲波稠密時排出熱量，在聲波稀疏時吸入熱量，則聲波得到削弱。當然，實際的熱聲理論遠比這復雜的多。
當然，熱聲制冷的設計水平及制造工藝也在不斷的提高。目前，美國在熱聲領域內的投入最大，研究機構最多，取得了許多突破性的進展。
如上世紀90年代早期，美國海軍研究生院(NPS)的Garrett教授開發(fā)的熱聲制冷機；2000年左右，開發(fā)了太陽能驅動的熱聲制冷機；還有在美國 LOS Alamos國家實驗室(LANL)，SWIFT教授領導著世界著名的熱聲研究組，他們主要研發(fā)的熱聲
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