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氨制冷与氟制冷对比分析

2016-06-16 09:23:38

[摘要]在制冷行业中,氨制冷系统和氟制冷系统都得到广泛的应用。以客观数据对比分析了氨制冷剂(R717)和氟制冷剂(以R22和R404A为例)的性质,表明氨制冷有较好热物理性质,而氨制冷剂的毒性和危险性限制了其应用,氟制冷剂较为安全,但其不环保性也一直得到了业内的高度重视。然后通过对比分析了氨、氟制冷系统,说明了氨制冷系统较为复杂、设备投资多、自动化程度低,主要应用于大中型冷库;氟制冷相对简单、设备投资少、易于实现自动化,主要应用于中小型冷库。最后综述了氨制冷和氟制冷的应用现状、问题和研究方向,我们要不断改进技术,克服这两种制冷方式的缺点,使其得到更广泛的应用。
[关键词] 氨制冷;氟制冷;制冷剂性质;对比分析;
0 前言
随着人们对生活品质要求越来越严格,制冷行业中两种主要的制冷方式(氨制冷和氟制冷)一直是人们争论的焦点,选择何种制冷方式能够使经济、环境、社会效益最大化。本文客观分析了氨、氟制冷剂和氨、氟制冷系统的性质,并对两种制冷方式在行业中的应用现状、存在问题、研究方向进行综述,利于人们对这两种制冷方式有清晰的了解。
1.氨制冷剂(R717)和氟制冷剂(R22和R404A)的性质对比
表1.1、1.2列出了R717、R22和R404A制冷剂的主要性质比较,以便我们对氨和氟制冷剂的特性有基本的了解。从表1.1可以看出,氨的绝热指数比氟要高,说明在相同的压缩比下氨的排气温度比氟要高,因此理论上氨难以达到较高的压缩比。氨的汽化热比氟高出数倍,在相同的制冷量和运行工况下,所需要的氨的质量流量肯定会比氟小很多,因此制冷剂的充注量也可以更小。在其他性质方面(如表1.2):
安全性方面:氨的易爆性和毒性大大限制了其应用,且随着近几年氨制冷系统的问题消息频出,人们对氨制冷系统产生一定的畏惧心理。氟制冷剂具有较高的安全性是近年来氟制冷系统发展迅速的主要原因。
环保性方面:氨的ODP为零,GWP也为零。R404A是一种对环境较为友好的制冷剂,而R22制冷剂由于其环保性能差,发展中国家将在2020年之前会限制其应用。目前行业内人士在积极寻找环境较为友好的可替代制冷剂。
材料兼容性:当氨含有水分时,对铜有腐蚀性,故氨系统的管道和阀件均不能采用铜及铜合金,在系统装置材料选择上有一定的局限性。氟制冷剂的化学稳定性和热稳定均很高,理论上对所有金属都不具有腐蚀性。
与水作用:氨允许的含水量为0.2%以下,由于氨极易溶于水,即使有微量水存在,也不会像氟利昂出现“冰塞”,故对氨制冷系统给管路系统的干燥要求不如氟利昂那样严格。氟利昂难溶于水,因此系统中若有水分存在时,易造成冰塞,通常我们在系统中设有干燥过滤器。
与油作用:目前氨制冷系统的润滑油为矿物油,不能与氨互溶,尽管有报道[11]指出已研制出与氨互溶的润滑油,然而我国还没有完全展开对氨润滑油的研究,通常都会设置油分离器和集油器等设备,通过自动或手动控制使润滑油返回压缩机。因R404A中R125、R143a、R134a组分的强极性,R404A不能与矿物油和烷基苯油混溶,但可以与聚酯油(POE)混溶[3]。但在高温时(50℃左右)有不溶解的分层现象,同时R22也与润滑油微溶解,因此通常大型氟制冷系统也会设置油分和储油器等设备。

 

表1.1 R717、R22和R404A制冷剂的主要热物理性质对比[1][2][3][4]

  R717 R22 R404A
临界温度(℃) 132.1 96.0 72
临界压力(MPa) 11.297 5.936 3.74
绝热指数(0.1013MPa,20℃) 1.32 1.19 1.12
汽化潜热(0.1013MPa)(kJ/kg) 1368.2 234.7 200.3
导热系数(0.1013MPa)(W/m℃) 饱和液:0.67

 

饱和汽:0.021

 

饱和液:0.113

饱和汽:0.002

液体:0.13

汽体:0.016

表1.2 R717、R22和R404A制冷剂的其他性质对比[1][2][5]

  R717 R22 R404A
安全等级 B2 A1 A1
环保特性 ODP=0,GWP=0 ODP=0.034,GWP=1700 ODP=0,GWP=0.94
腐蚀性 氨对钢铁没有腐蚀性,当氨中有水分时,对铜及其合金有强烈的腐蚀性 通常对所有的金属都不具有腐蚀性 无腐蚀性
与水作用 易溶解于水 难溶解于水, 制冷剂中水溶解0.055%
与油作用 难溶 部分溶解 低温时与聚酯油混溶

 

表1.3 R717R22和R404A的制冷特性对比

制冷剂 制冷量kW 轴功率kW COP 质量流量kg/h 排气温度℃ 冷凝容量kW
R717 47.1 18.36 2.57 159.8 188.8 52.2
R22 45.4 19.31 2.35 1073 103.9 57.8
R404A 43.1 21.3 2.02 1527 71.8 63.3

 

同时我们利用Bitzer压缩机软件[6]作定性比较(如表1.3),以开启式螺杆压缩机OSKA5341-K(R717)、OSK5341-K(R22和R404A)为例,这两台压缩机的区别仅是制冷剂不同。在相同的蒸发温度(-10℃)、冷凝温度(45℃)、液体过冷度(0K)和吸气过热(10K)下对比R717、R22以及R404A的制冷能力。氨在制冷量、COP、质量流量方面均比氟更有优势,但是R717的排气温度比R22与R404A高出很多,这对系统部件的配置要求会增加。
我们把这三种制冷剂的饱和线绘制在一张图中,见图1.1a的压焓图和1.1b的温焓图可以看出,氨的两相区范围较氟广,根据蒸汽压缩制冷循环,氨比氟单位质量的制冷量大得多,说明氨的制冷能力较好。然而当蒸发温度达到-33.33℃时,氨的表压为0,为了避免系统在负压下工作,一般氨主要用于蒸发温度在-33.33℃以上的系统。
 1
1.1a 氨和氟制冷剂的压焓图
 2
1.1b 氨和氟制冷剂的温焓图
图1.1 R717和R22的压焓图和温焓图
以上数据分析可以看出,氨较氟制冷剂在热物理性质和制冷能力方面更有优势,然而其不可避免的危险性大大限制了其应用,使用氨制冷剂务必保证系统的部件有很高的安全性,以及人员在使用过程中务必要按照相关规范要求,加强责任心,以防氨制冷剂的泄漏、中毒、爆炸等危险发生。
2. 氨、氟制冷系统对比
2.1系统复杂性
由于氨制冷剂和压缩机本身的特点,蒸发温度低于-28℃时氨系统就要采取双级压缩;并且通常氨制冷是泵供液系统;此外,由于氨制冷系统所使用的矿物润滑油不与氨互溶,因此氨系统不可缺少油分、集油器等设备来保证系统的回油和降低系统温度,使氨系统的油路系统非常复杂。这些使得氨系统庞大、辅机多、管路复杂、阀门多、施工复杂、施工周期长。氟系统结构紧凑,占地面积较小,附件少,机组的配置已经非常完善,且大部分可以在机组供应商的工厂内完成,因此系统的质量有充分保证。
2.2设备投资
氨系统包括的设备较多,主要有压缩机、蒸发器、冷凝器、油分离器、高低压贮液桶、中间冷却器、再冷却器、氨液分离器、低压循环桶、紧急泄氨器、放空气器、集油器、氨泵及相应的阀件和旁通阀等,造成现场安装工作量大。
氟系统包括的主要设备有压缩机、蒸发器、冷凝器、油分离器、集油器、气液分离器、贮液器及相应的阀件等,一般氟系统采用铜管或钢管,接管方便,布管简单,管路用量要比氨系统的少。
刘恒穗等[7]比较了氨、氟制冷设备投资的的费用,在同一设备质量和控制方式水平下,对于小型冷库(压缩机小于50Hp),氟比氨的设备价格低10%以上;大中型冷库,价格相差无几。若采用进口或进口件国内组装的氟制冷设备,比进口的氨制冷设备便宜30%以上,但是比国产氨制冷设备贵20%-30%。值得注意的是国产氨制冷设备控制全是人工手动控制,而氟制冷设备全部采用自动控制和自动能量调节的控制模式。
2.3自动化程度
由于国产氨系统的阀件受阀件材质、加工设备与加工工艺等因素,氨系统的阀件的泄漏问题严重,难以做到高程度的自动控制,需要专门人员二十四小时管理。氟系统由于各部件产品成熟、性能稳定,则容易实现高集成化的,较为稳定的自动控制,基本实现系统运行无人值守。
3.氨、氟制冷在冷库中的应用现状、问题和研究方向
3.1 应用现状及存在的问题
虽然目前在我国80%的冷库是用氨制冷剂,其余20%(多数是中、小型冷库)采用氟利昂制冷剂。 [7],但是现有冷库多数是在上世纪建造的,当时由于国内技术还不成熟,存在着如冷却设备金属量大,安全措施不够完善,设备技术陈旧,自动化水平较低,存在着较大的安全隐患等问题。
由于近年来装配式中小型冷库和分散式制冷的迅速发展,这些冷库制冷剂普遍使用氟利昂。在系统安全性、简化性、运行成本上,氟制冷无疑更具有优势。
3.2研究方向
由于氨的危险性,一些实际问题要引起我们的重视。杨一凡[8]综述了我国氨制冷系统中存在的问题,如理论认识不足、重视不够;设计、操作中存在不足。针对氨制冷系统中的一些不足,制冷同行们[9-11]提出一些解决方案和技术创新。在安全性方面:加强规范管理;采用标准化设计;提高自动化程度;发展自动化监测预警技术;发展应急处置技术。在系统装置方面:推广使用高性能螺杆压缩机;采用板式换热器、蒸发冷凝器等高性能换热器,开发与氨互溶的润滑油等。推广其他新技术:NH3/CO2复叠制冷技术;氨的CO2载冷技术;NH3冷水机组技术。氨制冷只有实现了安全可靠、自动化和小型化等突破,才能在制冷领域中有更广泛的应用前景。
由于氟利昂制冷剂对大气环境的危害,近年来氟制冷的使用受到了一定限制,因此积极寻找较为理想的制冷剂是氟制冷的发展方向。人们对氟利昂替代制冷剂的寻找有了积极的进展,李连生[12]介绍了制冷剂替代技术的国内外研究现状,指出R32是适合我国国情的过渡制冷剂。文献[13]提出替代R22的较好的制冷剂为R407C、R410A和R32等,同时通过系统优化的方式合理设计新型循环系统以减少氟制冷剂的使用,如干式蒸发器替代满液式蒸发器可减少50%的充灌量,降膜式替代满液式可减少约30%的充灌量。
4 结论
    从制冷剂性质和目前的应用特点方面对比分析了氨和氟制冷剂的优缺点,表明氨制冷具有较好的制冷性能,而氨的毒性和危险性是我们不得不考虑的,因此我们需要持续研究与改进氨制冷系统客观存在的问题。氟制冷较好的安全性和简洁性在中小型冷库中应用较为广泛,当前也有向大型化发展的趋势,而氟利昂对大气环境的危害不得不引起重视,因此寻找更为理想的制冷剂仍然是今后研究的重点和方向。
参考文献
[1]商业部设计院.冷库设计手册[M].北京:农业出版社,1991:99-102.
[2]赵志刚,周彬彬.R404A 制冷剂在商用制冷设备中的应用分析[J].制冷,2006,25(97):76-80.
[3]洑春干.R404A在我公司冷冻机上的使用情况[J].低温与特气,2001,19(5):35-36.
[4]NIST.REFPROP 7.1.
[5]GB/T 7778-2008,制冷剂编号方法和安全性分类[S].北京,中国标准出版社,2009.
[6]Bitzer. Bitzer Software v6.4.1.
[7]刘恒穗,程予生.果蔬保鲜冷库氨系统与氟系统的应用比较[J].工艺探讨.2007:72-74.
[8]杨一凡.氨制冷技术的应用现状及发展趋势[J].制冷学报,2007,28(4):12-19.
[9]司春强,唐俊杰.我国氨系统冷库安全现状及发展建议[J].制冷技术,2014,34(3):15-17.
[10]申江,张于峰.氨制冷技术研究进展[J].化工学报,2008,59(S2):29-36.
[11]王宝龙,石文星.NH3在中小型冷库中的应用前景[J].制冷与空调.2008,8(3):24-27.
[12]李连生.制冷剂替代技术研究进展及发展趋势[J].制冷学报.2011,32(6):53-57.
[13]马一太.制冷剂的替代与延续技术[J].制冷学报.2010,31(5):11-17.



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