空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展動態(tài)和研究狀況
2008-02-02 來源：中國機械資訊網(wǎng) 文字：[
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當(dāng)前的制冷技術(shù)已經(jīng)幾乎滲透到各個生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)研究領(lǐng)域，并在改善人類的生活質(zhì)量方面發(fā)揮著巨大作用�？梢哉f，現(xiàn)代技術(shù)進步離開了制冷技術(shù)發(fā)展是不可想象的。為了讓空調(diào)企業(yè)的技術(shù)人員及時了解空調(diào)制冷技術(shù)的最新進展，本文以近期間有關(guān)空調(diào)制冷技術(shù)的相關(guān)文獻為基礎(chǔ)，對其中的主要內(nèi)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(zhì)到人工合成的物質(zhì)；那么制冷劑發(fā)展的第二個階段將再回歸到自然物質(zhì)。
早期的制冷劑是自然界中容易獲得或制取的物質(zhì)，如乙醚、氨、CO2等。但是這些早期的制冷劑最后都因為制冷設(shè)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(jì)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(xué)特性，無毒，不燃燒，極其穩(wěn)定等性質(zhì)，很快成為制冷劑的主角，被大量生產(chǎn)和使用，如家用冰箱、汽車空調(diào)、小型冷庫都用R12，至20世紀(jì)七十年代，包括制冷劑，發(fā)泡劑在內(nèi)的各種鹵代烴的年產(chǎn)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(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的人工合成物質(zhì)，當(dāng)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(yīng)中氯原子被不斷的放出，所以分解反應(yīng)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(dǎo)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(shù)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(dāng)其沖的無疑就是制冷空調(diào)行業(yè)中應(yīng)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(shè)計、制造、運行、維修等方面積累了豐富的成功經(jīng)驗。
然而由于R22對臭氧層的耗損作用和較高的溫室效應(yīng)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(yīng)在1999年7月 1日將CFC類物質(zhì)的消耗量凍結(jié)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(yán)格地說，目前還沒有找到任何一種單工質(zhì)的性能優(yōu)于R22的制冷劑。而目前R22的主要替代工質(zhì)包括HFCS類工質(zhì)和天然工質(zhì)。雖然對于HFCS類工質(zhì)的研究已比較成熟，由HFCS類工質(zhì)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(zhì)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(zhì)。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(jīng)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?xì)浠衔颮1270等等。
現(xiàn)在一些國家競相開展了對HCFC22替代技術(shù)的研究。經(jīng)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(zhì)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(shè)備改用R407c后除更換潤滑油，調(diào)整系統(tǒng)沖注量及節(jié)流元件外，對壓縮機和其余設(shè)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(yù)測，R407c在低制冷量范圍的(5-20KW)家用空調(diào)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(xué)性能。許多報告指出，經(jīng)系統(tǒng)沖注量、熱交換器的優(yōu)化后的空調(diào)設(shè)備采用這一混合工質(zhì)后的制冷量完全可與 R22相當(dāng)，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(zhì)，雖然它與R22的熱力性質(zhì)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(dǎo)率高，粘度低，使其具有優(yōu)于R22的傳輸特性。R410a在適當(dāng)?shù)膲毫Ψ秶鷥?nèi)經(jīng)優(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(shè)計等所需費用。故而它可作為R22的長期替代物，在普通空調(diào)如單元式或風(fēng)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(diào)中有廣闊的應(yīng)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(nèi)都應(yīng)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(diào)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(zhì)和熱力循環(huán)性進行比較，碳?xì)浠衔颮1270的環(huán)境接受性能好，主要的熱物理性質(zhì)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(chǎn)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(xué)會(IIR)從1994年起舉辦兩年一度的專題討論天然工質(zhì)的國際會議，交流探討在此領(lǐng)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(shù)最有可能成為R22的長期替代物。
(1) R717：是具有120多年使用經(jīng)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(shù)的出現(xiàn)，為氨的擴大應(yīng)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(shù)人員還在繼續(xù)不斷地努力。
(2) R290：也是一種在化工生產(chǎn)中已長期使用的非常廉價的天然制冷劑。丙烷的熱力性質(zhì)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(guān)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?zé)崞骰蛘卟捎脙杉墘嚎s即可達到與常規(guī)制冷劑相似的效率，而不設(shè)膨脹機，這也是各公司開發(fā)CO2小型制冷或者汽車空調(diào)的研究方向。
CO2 制冷技術(shù)已經(jīng)跨進實際應(yīng)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(chǎn)已達十萬臺。
日本冷凍空調(diào)空調(diào)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)JRA-4050-2004 家電熱泵熱水機(二氧化碳冷媒)對這類產(chǎn)品的性能、安裝等有嚴(yán)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{(diào)，所以將CO2用于家用空調(diào)也只有一步之遙。在汽車空調(diào)方面，可以說國際上各大汽車公司都進行了CO2汽車空調(diào)的研制，并能過專門協(xié)調(diào)機構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)，國際汽車工程學(xué)會不斷發(fā)布有關(guān)報告。歐盟正在講座相關(guān)CO2汽車空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)備在2008-2010年將歐洲的汽車空調(diào)全部改為CO2系統(tǒng)。R134a汽車空調(diào)只是過渡性的，一旦時機成熟，向CO2系統(tǒng)轉(zhuǎn)變已是定局。而這個“時機”不僅是技術(shù)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(shù)的研究和運用。
熱聲制冷是21世紀(jì)以來發(fā)展的一種新的制冷技術(shù)，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(zhì)，因此不會導(dǎo)致使用的CFCS或HFCS臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)而危害環(huán)境；其基本機構(gòu)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(shù)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(shù)的發(fā)展方向。
所有的熱聲產(chǎn)品的工作原理都基于所謂的熱聲效應(yīng)，熱聲效應(yīng)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(dāng)然，實際的熱聲理論遠比這復(fù)雜的多。
當(dāng)然，熱聲制冷的設(shè)計水平及制造工藝也在不斷的提高。目前，美國在熱聲領(lǐng)域內(nèi)的投入最大，研究機構(gòu)最多，取得了許多突破性的進展。
如上世紀(jì)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(qū)動的熱聲制冷機；還有在美國 LOS Alamos國家實驗室(LANL)，SWIFT教授領(lǐng)導(dǎo)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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