空调的秘密 篇一:从“易燃易爆炸”到“奇妙能力歌”——关于空调制冷剂的故事

2019-10-08 22:13:20 3点赞 18收藏 4评论

张大妈上有不少关于空调的文章了,很多文章热衷于测评,然而其中的各种分析与判断,从我这个行业老兵来看,总缺点科学和技术的基础,于是乎便起手写这一系列的文章:让我们走进科学,追根溯源,剖析原理,聊聊空调的那些秘密。第一篇就先说说制冷剂。

全文约4000字,干货请直接拖到最后。

从何而来

谈起制冷剂,我们耳熟能详的就是氟利昂,然而,这个流淌在空调内部,仿佛魔术一样给每个宅男以关怀的东西,到底是什么?

开利并不是第一个使用制冷剂的人开利并不是第一个使用制冷剂的人

这句话熟悉吧,每到气温高过30度,都会有人在朋友圈开始感叹。然而开利并不是制冷的发明人,自然也不是第一个使用制冷剂的人。

第一个人是谁?

十万年前的一个午后,在东非大峡谷一条潺潺的小溪旁,一个直立人在洗去身上围猎角马染上的血迹,他把水泼在身上,一阵风吹来,一阵凉爽感刺激着他刚刚开始进化的大脑。突然,他好像明白了什么,把身上泼了更多的水,找了一片大树叶子扇了起来。

没错,这就是制冷剂的起源。制冷剂就是把制冷对象的热量带走降低温度的东西,水是最早的制冷剂。在古代,中国或外国的皇帝,都曾有凉殿的享受。《唐羽林》中记载说,唐玄宗在含凉殿召见大臣,宝座后有水力带动的风扇产生凉气,而且还把水引到天花板上再洒下来,“四隅积水成帘飞洒”,其清凉自不必言。

唐含凉殿唐含凉殿

这种情况下,水变成水蒸气带走热量。工业革命开始,科学家们开始设想,将水或其它挥发性液体装入密闭管道,通过在管道内蒸发制冷,蒸发后的气体回收,通过压缩机变成高压气体,再减压变成液体,形成循环。1834年帕金斯(Jacob Perkins)获得了一个专利,它改进了蒸汽压缩制冷循环,还使用二乙醚(乙基醚)作为他所设计的系统制冷剂。最初使用的制冷剂还包括乙醚、甲醚,氨、二氧化碳、二氧化硫等。开利将制冷与空气换热器结合发明了空调,他使用的也是这些制冷剂。早期的制冷剂,几乎多数是可燃的或有毒的,或两者兼而有之,而且有些还有很强的腐蚀和不稳定性,或有些压力过高,经常发生事故。

开创纪元

1929年,俄亥俄州克利夫兰某家医院的冰箱发生冷媒泄漏事故,直接导致超过100人丧生。这下科学家们坐不住了,美国一个叫小托马斯·米奇利(Midgley Thomas Jr.)的机械工程师和化学家经过两年实验,合成出了二氟二氯甲烷(CFC-12,R12)。这个听起来有些复杂的化学物质,就是后来大名鼎鼎的氟利昂。它与二氧化硫相比有不可燃、无毒并且能效高的优点。1931年该机器开始批量化生产并很快走进了千家万户。

氟利昂之父小托马斯·米奇利(Midgley Thomas Jr.)氟利昂之父小托马斯·米奇利(Midgley Thomas Jr.)

说起这位小托马斯,也是一个神人。他原来是学机械的,就职于通用汽车,因为工作需要开始搞化学。他除了发明氟利昂之外,另外一个同样重量级的发明就是汽车抗爆剂——四乙基铅。凭着这两项发明,小托马斯1944 年当选了美国化学会的主席。你说我一个机械工程师,怎么就成了化学会的主席呢?一个人的命运啊,当然要靠自我奋斗。但也要考虑历史的进程。。。

从1931年开始,R12, R11和R22等具有优良热力性能的制冷剂以全新的面貌统治了制冷工业约60年,这些制冷剂统称为氟利昂,这是杜邦产品商标,杜邦在同时期还开发了包括氯丁橡胶、尼龙等一系列行业核心新产品,进一步奠定了当时杜邦在化工领域的领导者地位。在空调从无到有再到发展为几百亿美元的大产业,所用制冷剂一直上述的几种。 R12广泛应用于家用冰箱、冷冻柜、陈列柜等低温领域,它替代了原来使用的SO2、甲酸以及氨-水吸收式等冰箱,使冰箱走进了千家万户.同时,R12是汽车空调使用的唯一介质。另外,R22是家用空调、大型冷水/热泵机组首选的制冷剂。R11是大型离心式冷水机组最青睐的介质。

历史终结 

然而随着时代的进步, 臭氧层变薄的问题逐渐走进人们的视野,20世纪50年代末到70年代就发现臭氧浓度有减少的趋势。1985年英国南极考察队在南纬60°地区观测发现臭氧层空洞,引起世界各国极大关注。臭氧层的臭氧浓度减少,使得太阳对地球表面的紫外辐射量增加,对生态环境产生破坏作用,影响人类和其他生物有机体的正常生存。。而CFC(氯氟烃,主要包括R11、R12、R113、R114、R115、R500、R502等)族物质则可能就是元凶之一,当其进入平流层后受到强烈紫外线照射,分解产生氯游离基,游离基同臭氧发生化学反应,使臭氧浓度减少,从而造成臭氧层的严重破坏。

臭氧层空洞结束了CFC和HCFC的历史臭氧层空洞结束了CFC和HCFC的历史

这导致了在1987年蒙特利尔议定书中写下了将CFC和HCFC(氢氯氟烃,主要包括R22、R123、R141b、R142b等)族淘汰的条款。HCFC族作为过渡制冷剂慢慢地也被淘汰。停用CFC后,近年来地球的臭氧层正在慢慢的恢复。

(再讲一个小故事,近年来在东北亚上空,又出现了一个小臭氧层空洞,大家猜猜为什么?)

  再上层楼

你方唱罢我登场,CFC和HCFC走了,HFC(氢氟烃,主要包括R134A、R125、R32、R407C、R410A、R152等)族成了制冷剂市场的主角。

其实,在几十年前HFC是和CFC一起备选的制冷剂,但是当时为什么没有竞争过CFC呢?让我们插播一则广告,不对,一则科普知识:

理想的制冷剂物理特性:

  1. 蒸发压力要高:若制冷剂之蒸发压力低於大气压力时,则空气易侵入系统,系统处理上较为困难,因此希望制冷剂在低温蒸发时,其蒸发压力可高于大气压力。

  2. 蒸发潜热要大:制冷剂之蒸发潜热大,表示使用较少的制冷剂便可以吸收大量的热量。

  3. 临界温度要高:临界温度高,表示制冷剂凝结温度高,则可以用常温的空气或水来冷却制冷剂而达到凝结液化的作用。

  4. 冷凝压力要低:冷凝压力低,表示用较低压力即可将制冷剂液化,压缩机之压缩比小,可节省压缩机之马力。

  5. 凝固温度要低:制冷剂之凝固点要低,否则制冷剂在蒸发器内冻结而无法循环。

  6. 气态制冷剂之比容积要小:气态制冷剂之比容积愈小愈好,则压缩机之容积可缩小使成本降低,且吸气管及排气管可以用较小的配管。

  7. 液态制冷剂之密度要高:液态制冷剂之密度愈高,则液管可用较小的配管。

  8. 可溶于冷冻油,则系统不必装油分离器。

理想的制冷剂化学特性:

  1. 化学性质稳定:在冷冻循环系统中,冷媒只有物理变化,而无化学变化,不起分解作用。

  2. 无腐蚀性:对钢及金属无腐蚀性,氨对铜具有腐蚀性,因此氨冷冻系统不得使用铜管配管;绝缘性要好,否则会破坏压缩机马达之绝缘,因此氨不得使用於密闭式压缩机,以免与铜线圈直接接触。

  3. 无环境污染性:对自然环境无害,不破坏臭氧层,温室效应低。

  4. 无毒性。

  5. 不具爆炸性与燃烧性。

CFC除了破坏臭氧层之外,符合理想制冷剂的所有特征!

实际上,使用HFC替代CFC和HCFC在制冷效果、能效比等方面是有一定损失的,以R410a为例:R410a循环工作压力比R22约高57%,制冷系数比R22约小7.7%,其余参数与HCFC-22基本接近,此外,在高温时R410a制冷效率会进一步下降。

而且最大的问题是HFC只能使用POE ( Polyol Ester )多元醇酯冷冻机油,POE对水汽有很强的吸收,而后变为酸性物质,而且POE的酸性化不可逆。制冷系统中存在酸性物质,会引起各个部件特别是压缩机线圈的腐蚀,线圈腐蚀就会短路,短路就会烧压缩机。作为对比,R22系统使用的矿物油润滑剂,对水分是不溶的,更不会产生别的物质。要注意的是,POE吸水是要限制到PPM级的,在其出厂说明上甚至会说明不能使用塑料容器,因为塑料容器表面会吸附水分子。

从“易燃易爆炸”到“奇妙能力歌”——关于空调制冷剂的故事

但是,绿水青山就是金山银山,为了环保,只能忍痛割爱!

目前主要的HFC有R134A、R410a和R32,其中,家用空调主要使用R410a和R32,让我们来看看这两个的对比:

  • R32:二氟甲烷,CH2F2;

  • R410a:R32(CH2F2)和R125(C2HF5)50:50组成的混合物,为准共沸混合制冷剂,也就是说两种组分的沸点不同。这点对加氟带来了新的问题,由于气体中两种成分比例会有偏差,需要加液体,操作与其它制冷剂完全不同!

R32与R410a热力性能非常接近,实际上R410a中一半是R32。饱和液态时R32比R410a的密度小,而液态密度的大小直接影响工质的充灌量,所以在相同的容积下R32的充灌量要小,对比实验中 R32的充灌量是R410a的60%左右。安全特性方面,R32为无毒可燃A2,R410a为无毒可燃A1,R410a稍好,但R32也不用担心其安全性。R32能效较高,如果压缩机排量相同,采取R32的系统,制冷量要提高12%左右,COP提高5%左右。此外,R32碳排放低(虽然我认为碳排放无关紧要),与R22相比CO2减排比例可达77.6%,而R410A减排CO2为2.5%。但在同样工况下R32压缩机排气温度较R410a约高20℃。高排气温度可能会造成电机寿命问题。

天人合一

未来,制冷剂的替代已经不单单是从其热工性能方面去考虑,而更多的是站在全球气候变化,温室效应,臭氧层破坏程度的角度来选择、研制制冷剂。低的ODP消耗臭氧潜能值与非常低的GWP全球变暖潜能值,这两点已成为新制冷剂必备的条件。
为发展制冷工业,人类发明了各种各样的制冷剂。但是,目前已经发现或者潜藏着对环境的危害作用。这时,早期的部分“天然制冷剂”重新燃起了人们的希望。 例如:

  • 氨—优良的热力性能、ODP=0和GWP<1,但有毒,在化学工业和食品工业中以及中央空调(欧洲)都重新得到了应用。 

  • 二氧化碳—ODP=0和GWP=1,作为复叠循环低压级和低温载冷剂时具有优良性能。 目前在我国寒冷地区冬季热泵制热使用二氧化碳制冷剂已经很多了,-20℃环境也可供应90℃热水,这才是真正的制热王!奔驰汽车也在汽车上开始使用二氧化碳制冷。

  • 碳氢化合物—ODP=0和GWPG<1,用于冰箱制冷剂和发泡剂,也可用于冷水机组,RAC和PAC等,但易燃易爆,这非常不利。例如,我国一直在进行R290(丙烷)空调的相关开发推广工作,,但一直不太顺利。

  • 水—ODP=0和GWPG<1,用于冷凝温度较低的水冷冷水机组以及冰蓄冷机组。 

  • 空气—ODP=0和GWP=1,用于较低温度的冷库时有较高的热力指标。

历史仿佛又回到了起点,但,这是起点之上的起点。人们采用了更先进的技术和设备,克服将这些天然制冷剂天生的缺点,对其加以利用,这是技术带来的进步。

干货

1. R22空调能效高,安装方便,维护简单,但市场上找不到变频型号了。明年R22在发达国家停止使用,而我国是发展中国家,还能再用10年,10年之后维护的问题应该也不大。

2. R32比R410a稍好,能效比高,而且在制热时,其压缩机排气温度高反而成为优势!(这也是为什么进口日系空调让人感觉制热效果好的原因之一,还有原因我们后续文章分析)。

3. R32和R410a都需严格按照规范安装,抽真空的真空度和时间都要达到厂家说明书要求,阴雨天不要安装空调,这时候抽再长时间也抽不干净水份。对于不抽真空或抽真空时间不够或操作失误造成系统暴露在空气中的,请坚决要求换机,这台空调实际上已经报废了。此外,R32和R410a空调大修(如换四通阀、压缩机等)难度非常高,我认为国内维修点基本不具备能力,请直接换机。

4.R410a加氟操作与其它制冷剂不一样,需要加液体,因为液体进入压缩机会有液击损坏的可能,这样就不能开着空调加氟。正确的操作方法是排掉所有的制冷剂,全系统抽真空后,采用电子秤定量加注制冷剂液体。这对维修人员的技术要求也比较高。反过来就更加要求安装要规范,避免出现漏氟现象。

OK,关于制冷剂的故事我们先讲到这里,下次我们聊聊空调里更神秘的东西,再见!


   

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