HCFCs面臨被替 空調(diào)業(yè)制冷技術(shù)壓力重重

HCFCs面臨被替空調(diào)業(yè)制冷技術(shù)壓力重重根據(jù)《蒙特利爾議定書》第19次締約方會(huì)議的要求，HCFCs替代的限期提前了，所以研究HCFC的替代物質(zhì)及相關(guān)的技術(shù)迫在眉睫。2007年9月17～21日，在加拿大蒙特利爾的蒙特利爾會(huì)議中心召開了《蒙特利爾議定書》第19次締約方會(huì)議。在此會(huì)議上加速了HCFC的淘汰，把1992在哥本哈根修正案中所確定的HCFCs凍結(jié)年度提前3年，從原定的2016年提早到2013年，而且是以2009年與2010年的生產(chǎn)量與消費(fèi)量的平均值為統(tǒng)計(jì)核算基礎(chǔ)；所確定的HCFC完全淘汰時(shí)間提前了10年，從原定的2040年提早到2030年。作為生產(chǎn)和消耗HCFCs的大國(guó)，要做到HCFCs完全替代，是需要很長(zhǎng)時(shí)間和一定技術(shù)積累的，所以研究HCFC的替代物質(zhì)及相關(guān)的技術(shù)迫在眉睫。目前中國(guó)生產(chǎn)和使用的受控HCFCs包括：HCFC-22、HCFC-123、HCFC-124、HCFC-141b和HCFC-142b，其中HCFC-22的生產(chǎn)量占全部HCFCs的80%以上，主要用于制冷劑、發(fā)泡劑和其他化工產(chǎn)品的原料。在我國(guó)冰箱行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)基本采用了R600a替代CFC-12，消耗HCFC-22的行業(yè)主要包括空調(diào)器行業(yè)（包括房間空調(diào)器、汽車空調(diào)器）、工商制冷行業(yè)、泡沫行業(yè)和以其為原料的化工行業(yè)。由于未來中國(guó)經(jīng)濟(jì)將保持較高的增長(zhǎng)速度，HCFCs的產(chǎn)量及各終端行業(yè)排放的HCFCs均處于上升階段，至2020年將達(dá)到峰值，這會(huì)增加淘汰HCFCs的壓力，同時(shí)在淘汰HCFCs相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，也要考慮到技術(shù)的可行性，使其對(duì)相關(guān)行業(yè)的影響最小。制冷行業(yè)和泡沫行業(yè)是我國(guó)HCFCs的兩大主要排放源，約占總量的99%，其中房間空調(diào)排放量位居第一。所以要重點(diǎn)考慮房間空調(diào)器制冷劑的替代問題。有效的HCFCs替代物質(zhì)要求滿足以下要求：第一，考慮到目前全球變暖的因素，HCFCs的替代物質(zhì)要求ODP（ozonedepressionpotential）消耗臭氧潛能值和GWP（GlobalWarmingPotential）全球變暖潛能值均為零或近似為零。第二，熱力學(xué)要求：替代品應(yīng)與原制冷劑、發(fā)泡劑有近似的沸點(diǎn)、熱力學(xué)特性及傳熱特性。第三，可行性要求：具有可供應(yīng)性（工藝成熟、價(jià)格適宜、能被市場(chǎng)接受），易采用性（無需對(duì)原有裝置進(jìn)行大改動(dòng)即可達(dá)到要求）?，F(xiàn)有HCFCs替代物主要分為：HFC型制冷劑，如：R134a、R410A、R404A、R407C等；自然制冷劑，如：CO2、R717（氨）和HC型制冷劑，如：R600a和R290。HFC型制冷劑的特點(diǎn)是與現(xiàn)有的制冷劑性能較為接近，制冷系統(tǒng)不需要做大的改動(dòng)。R410A是由HFC-32和HFC-125各50%組成的混合制冷劑R410A，這是一種近共沸混合制冷劑，是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%R32和50%R125組成。R410A的ODP值為0，GWP值為1975。目前，中國(guó)企業(yè)出口歐盟國(guó)家的空調(diào)產(chǎn)品主要用它來替代HCFC-22，技術(shù)應(yīng)用比較成熟，日本、美國(guó)和歐洲部分國(guó)家采用此方案。R410A單位容積制冷量較大，傳熱性能及流動(dòng)性能較好，但是，由于R410A的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度較高，制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要提高系統(tǒng)的耐壓能力，制冷配件也要選擇專門供R410A使用的配件。雖然ODP為零，但是GWP較高，這種制冷劑并不是完全的“綠色制冷劑”，我們選擇此種制冷劑作為HCFCs的替代物時(shí)要慎重，當(dāng)限制GWP時(shí)，那么我們發(fā)展中國(guó)家的制冷空調(diào)行業(yè)到那時(shí)恐怕就將面臨第三次制冷劑的大淘汰。所謂的自然制冷劑是在自然中存在的能夠作為制冷劑使用的物質(zhì)。由于他們一直存在大氣中，對(duì)生物界無危害，所以在當(dāng)前臭氧層遭到破壞、全球氣候變暖的情況下，重新使用那些自然制冷劑是一種非常安全的選擇。?氨制冷劑NH3，代號(hào)R717，應(yīng)用于制冷技術(shù)已有近130年歷史。目前氨制冷劑在大型冷庫(kù)、超市食品陳列柜中得到了廣泛的應(yīng)用。氨制冷劑合成工藝成熟，制取容易，價(jià)格低廉。氨制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中（冷凝壓力一般為0.981MPa，蒸發(fā)壓力一般為0.098-0.49MPa）；其單位容積制冷量較CFC-12、HCFC-22大；制冷系數(shù)高，放熱系數(shù)大，故相同溫度及相同制冷量時(shí)，氨壓縮機(jī)尺寸最小。氨制冷劑的缺點(diǎn)是易燃、有毒、遇水后對(duì)鋅、銅、青銅合金（磷青銅除外）有腐蝕作用、有刺鼻的氣味。所以采用氨作為制冷劑的制冷系統(tǒng)要具備兩個(gè)特點(diǎn)：其一是安全性，要有完善的密封系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng)以及完善的報(bào)警系統(tǒng)。其二是耐腐蝕，在氨制冷裝置中，其管道、儀表、閥門等均不能采用銅和銅合金材料。?CO2制冷劑CO2在本世紀(jì)初曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于空調(diào)及船舶的制冷系統(tǒng)，跨臨界循環(huán)的CO2制冷循環(huán)在熱泵、空調(diào)、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍、洗衣機(jī)干燥器等方面的應(yīng)用前景很好。與HCFCs相比，CO2有其自身的優(yōu)點(diǎn)，其ODP=0，GWP=1；容易獲取；不燃燒，無毒，使用安全；化學(xué)穩(wěn)定性好，與潤(rùn)滑油不反應(yīng)，對(duì)裝置無腐蝕作用；比容較小，單位容積制冷量大，使得壓縮機(jī)尺寸減小，其制冷性能相當(dāng)于原來采用R22或R12或R134a的制冷裝置。目前日本的一些熱泵熱水器產(chǎn)品采用了以CO2作為制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)，系統(tǒng)不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)生的熱水溫度高。在美國(guó)、挪威、德國(guó)等國(guó)家將CO2應(yīng)用于汽車空調(diào)中，也取得了成功。CO2制冷系統(tǒng)主要的問題是具有較高的臨界壓力和低的臨界溫度，制冷系統(tǒng)壓力高，如：蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)，蒸發(fā)壓力為3.55MPa，冷凝溫度為50℃時(shí)，冷凝壓力為10MPa，所以采用CO2的制冷系統(tǒng)必須具備高承壓能力，高可靠性等特點(diǎn)，同時(shí)，該系統(tǒng)的成本很高。碳?xì)浠衔铮℉Cs）碳?xì)浠衔镌?9世紀(jì)末到20世紀(jì)初是廣泛使用的制冷劑，但由于其具有可燃性，后被鹵代烴替代。臭氧層消耗與全球變暖兩大全球問題提出后，碳?xì)浠衔镌俅巫哌M(jìn)了制冷行業(yè)。具有代表性的是R600a、R290，目前中國(guó)的冰箱企業(yè)多數(shù)已經(jīng)采用了R600a制冷劑的制冷系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：環(huán)保；易獲得、價(jià)格低；熱力性能好；與原制冷系統(tǒng)兼容。由于碳?xì)浠衔镆兹?、易爆，采用碳?xì)浠衔锏闹评湎到y(tǒng)主要的問題是可燃性問題，對(duì)于封閉式壓縮機(jī)系統(tǒng)，認(rèn)為制冷劑灌注量少于150g是安全的，所以目前在冰箱產(chǎn)品應(yīng)用較為普遍，而對(duì)于空調(diào)產(chǎn)品應(yīng)用較少。在IEC60335-2-40：2005《家用和類似用途電器的安全熱泵、空調(diào)器和除濕機(jī)的特殊要求》中已經(jīng)對(duì)使用可燃制冷劑的制冷器具作了特殊規(guī)定，如：器具的安裝、運(yùn)行、儲(chǔ)存的房間面積應(yīng)大于規(guī)定值，器具的運(yùn)輸、標(biāo)識(shí)和存放要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，詳細(xì)的列出了說明書應(yīng)包含的安裝書、維修和使用信息，經(jīng)過模擬泄漏的測(cè)試器具的帶電部件附近的制冷劑濃度在規(guī)定范圍內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)充分考慮了空調(diào)器產(chǎn)品使用可燃制冷劑時(shí)可能帶來的安全隱患。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下三個(gè)方面：第一是對(duì)可能成為點(diǎn)火源的部件的限定。有些電器部件的內(nèi)部有起著接通或斷開電氣回路作用的敞開式觸點(diǎn)，在觸點(diǎn)接通或斷開的瞬間，由于兩個(gè)觸點(diǎn)間電勢(shì)突變而會(huì)產(chǎn)生電弧火花。相關(guān)部件如：繼電器、電容器、非封閉壓縮機(jī)的過載保護(hù)器等。對(duì)于此類部件，可采用符合IEC60079-15:2001標(biāo)準(zhǔn)要求的密封型電氣零部件或用固態(tài)型電氣件，以避免電火花的產(chǎn)生。若無法滿足IEC60079-15的要求，則應(yīng)設(shè)法將其放置在密閉的金屬盒或塑料盒中，達(dá)到使?jié)撛邳c(diǎn)火源與可燃性制冷劑隔離開的目的。第三是對(duì)部件之間連接方式以及連接部位周圍的環(huán)境的規(guī)定。電路中由于在不同部件之間、同一部件的不同極性之間存在著電勢(shì)差，如果由于安裝設(shè)置的原因造成電器部件之間或某個(gè)電器部件的不同極性之間的間距過小的話，就存在著電氣擊穿而產(chǎn)生電火花的潛在危險(xiǎn)。所以，在產(chǎn)品的電氣連接方式上要采取有效的緊固措施，以避免因電氣連接松動(dòng)而產(chǎn)生電火花。具體的實(shí)施方法可以是：設(shè)計(jì)合理的布線方式，使導(dǎo)線易于與接線端子的接線柱可靠連接；在導(dǎo)線被夾緊時(shí)不應(yīng)減少其被夾持的截面積，并能可靠地保持恒定接觸壓力；為防止在偶然情況下不同極性帶電體之間的電氣間隙變小，擬選用的接線端子的結(jié)構(gòu)應(yīng)為不同極性接線柱之間的絕緣隔板高度不小于接線柱的高度。第三是避免制冷劑泄漏。采用厚管壁的銅管，制冷系統(tǒng)的管路要焊接牢固，避免由于安裝、運(yùn)輸過程造成銅管或焊縫破裂。由于HCFCs完全替代的時(shí)間提前了，該項(xiàng)工作也更加緊迫了。筆者對(duì)兩類HCFCs的替代物質(zhì)進(jìn)行了分析，概況如下：HFC型制冷劑：具有ODP為零，使用HFC型制冷劑的制冷系統(tǒng)與現(xiàn)有的HCFC22制冷系統(tǒng)比較接近，改造容易，制冷性能與HCFC22相似。缺點(diǎn)是GWP較高，隨著對(duì)環(huán)保要求的提高，此類制冷劑可能會(huì)再次被替代。自然制冷劑：具有ODP為零，GWP非常低的優(yōu)點(diǎn)，是真正的環(huán)保型制冷劑。但是將自然制冷劑廣泛應(yīng)用到空調(diào)制冷系統(tǒng)中，還有許多技術(shù)問題需要解決，其中比較可行的是采用碳?xì)浠衔铮鏡290。要依據(jù)IEC60335-2-40：2005標(biāo)準(zhǔn)要求，從限定使用可能成為點(diǎn)火源的部件、合理地規(guī)定電氣部件之間的連接方式、可靠地進(jìn)行制冷系統(tǒng)管路之間的焊接等方面合理地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，解決其可燃性的問題。根據(jù)《蒙特利爾議定書》第19次締約方會(huì)議的要求，HCFCs替代的限期提前瞭，所以研究HCFC的替代物質(zhì)及相關(guān)的技術(shù)迫在眉睫。2007年9月17～21日，在加拿大蒙特利爾的蒙特利爾會(huì)議中心召開瞭《蒙特利爾議定書》第19次締約方會(huì)議。在此會(huì)議上加速瞭HCFC的淘汰，把1992在哥本哈根修正案中所確定的HCFCs凍結(jié)年度提前3年，從原定的2016年提早到2013年，而且是以2009年與2010年的生產(chǎn)量與消費(fèi)量的平均值為統(tǒng)計(jì)核算基礎(chǔ)；所確定的HCFC完全淘汰時(shí)間提前瞭10年，從原定的2040年提早到2030年。作為生產(chǎn)和消耗HCFCs的大國(guó)，要做到HCFCs完全替代，是需要很長(zhǎng)時(shí)間和一定技術(shù)積累的，所以研究HCFC的替代物質(zhì)及相關(guān)的技術(shù)迫在眉睫。目前中國(guó)生產(chǎn)和使用的受控HCFCs包括：HCFC-22、HCFC-123、HCFC-124、HCFC-141b和HCFC-142b，其中HCFC-22的生產(chǎn)量占全部HCFCs的80%以上，主要用於制冷劑、發(fā)泡劑和其他化工產(chǎn)品的原料。在我國(guó)冰箱行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)基本采用瞭R600a替代CFC-12，消耗HCFC-22的行業(yè)主要包括空調(diào)器行業(yè)（包括房間空調(diào)器、汽車空調(diào)器）、工商制冷行業(yè)、泡沫行業(yè)和以其為原料的化工行業(yè)。由於未來中國(guó)經(jīng)濟(jì)將保持較高的增長(zhǎng)速度，HCFCs的產(chǎn)量及各終端行業(yè)排放的HCFCs均處?kù)渡仙A段，至2020年將達(dá)到峰值，這會(huì)增加淘汰HCFCs的壓力，同時(shí)在淘汰HCFCs相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，也要考慮到技術(shù)的可行性，使其對(duì)相關(guān)行業(yè)的影響最小。制冷行業(yè)和泡沫行業(yè)是我國(guó)HCFCs的兩大主要排放源，約占總量的99%，其中房間空調(diào)排放量位居第一。所以要重點(diǎn)考慮房間空調(diào)器制冷劑的替代問題。有效的HCFCs替代物質(zhì)要求滿足以下要求：第一，考慮到目前全球變暖的因素，HCFCs的替代物質(zhì)要求ODP（ozonedepressionpotential）消耗臭氧潛能值和GWP（GlobalWarmingPotential）全球變暖潛能值均為零或近似為零。第二，熱力學(xué)要求：替代品應(yīng)與原制冷劑、發(fā)泡劑有近似的沸點(diǎn)、熱力學(xué)特性及傳熱特性。第三，可行性要求：具有可供應(yīng)性（工藝成熟、價(jià)格適宜、能被市場(chǎng)接受），易采用性（無需對(duì)原有裝置進(jìn)行大改動(dòng)即可達(dá)到要求）?，F(xiàn)有HCFCs替代物主要分為：HFC型制冷劑，如：R134a、R410A、R404A、R407C等；自然制冷劑，如：CO2、R717（氨）和HC型制冷劑，如：R600a和R290。HFC型制冷劑的特點(diǎn)是與現(xiàn)有的制冷劑性能較為接近，制冷系統(tǒng)不需要做大的改動(dòng)。R410A是由HFC-32和HFC-125各50%組成的混合制冷劑R410A，這是一種近共沸混合制冷劑，是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%R32和50%R125組成。R410A的ODP值為0，GWP值為1975。目前，中國(guó)企業(yè)出口歐盟國(guó)傢的空調(diào)產(chǎn)品主要用它來替代HCFC-22，技術(shù)應(yīng)用比較成熟，日本、美國(guó)和歐洲部分國(guó)傢采用此方案。R410A單位容積制冷量較大，傳熱性能及流動(dòng)性能較好，但是，由於R410A的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度較高，制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要提高系統(tǒng)的耐壓能力，制冷配件也要選擇專門供R410A使用的配件。雖然ODP為零，但是GWP較高，這種制冷劑並不是完全的“綠色制冷劑”，我們選擇此種制冷劑作為HCFCs的替代物時(shí)要慎重，當(dāng)限制GWP時(shí)，那麼我們發(fā)展中國(guó)傢的制冷空調(diào)行業(yè)到那時(shí)恐怕就將面臨第三次制冷劑的大淘汰。所謂的自然制冷劑是在自然中存在的能夠作為制冷劑使用的物質(zhì)。由於他們一直存在大氣中，對(duì)生物界無危害，所以在當(dāng)前臭氧層遭到破壞、全球氣候變暖的情況下，重新使用那些自然制冷劑是一種非常安全的選擇。?氨制冷劑NH3，代號(hào)R717，應(yīng)用於制冷技術(shù)已有近130年歷史。目前氨制冷劑在大型冷庫(kù)、超市食品陳列櫃中得到瞭廣泛的應(yīng)用。氨制冷劑合成工藝成熟，制取容易，價(jià)格低廉。氨制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中（冷凝壓力一般為0.981MPa，蒸發(fā)壓力一般為0.098-0.49MPa）；其單位容積制冷量較CFC-12、HCFC-22大；制冷系數(shù)高，放熱系數(shù)大，故相同溫度及相同制冷量時(shí)，氨壓縮機(jī)尺寸最小。氨制冷劑的缺點(diǎn)是易燃、有毒、遇水後對(duì)鋅、銅、青銅合金（磷青銅除外）有腐蝕作用、有刺鼻的氣味。所以采用氨作為制冷劑的制冷系統(tǒng)要具備兩個(gè)特點(diǎn)：其一是安全性，要有完善的密封系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng)以及完善的報(bào)警系統(tǒng)。其二是耐腐蝕，在氨制冷裝置中，其管道、儀表、閥門等均不能采用銅和銅合金材料。?CO2制冷劑CO2在本世紀(jì)初曾經(jīng)廣泛應(yīng)用於空調(diào)及船舶的制冷系統(tǒng)，跨臨界循環(huán)的CO2制冷循環(huán)在熱泵、空調(diào)、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍、洗衣機(jī)幹燥器等方面的應(yīng)用前景很好。與HCFCs相比，CO2有其自身的優(yōu)點(diǎn)，其ODP=0，GWP=1；容易獲?。徊蝗紵?，無毒，使用安全；化學(xué)穩(wěn)定性好，與潤(rùn)滑油不反應(yīng)，對(duì)裝置無腐蝕作用；比容較小，單位容積制冷量大，使得壓縮機(jī)尺寸減小，其制冷性能相當(dāng)於原來采用R22或R12或R134a的制冷裝置。目前日本的一些熱泵熱水器產(chǎn)品采用瞭以CO2作為制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)，系統(tǒng)不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)生的熱水溫度高。在美國(guó)、挪威、德國(guó)等國(guó)傢將CO2應(yīng)用於汽車空調(diào)中，也取得瞭成功。CO2制冷系統(tǒng)主要的問題是具有較高的臨界壓力和低的臨界溫度，制冷系統(tǒng)壓力高，如：蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)，蒸發(fā)壓力為3.55MPa，冷凝溫度為50℃時(shí)，冷凝壓力為10MPa，所以采用CO2的制冷系統(tǒng)必須具備高承壓能力，高可靠性等特點(diǎn)，同時(shí)，該系統(tǒng)的成本很高。碳?xì)浠衔铮℉Cs）碳?xì)浠衔镌?9世紀(jì)末到20世紀(jì)初是廣泛使用的制冷劑，但由於其具有可燃性，後被鹵代烴替代。臭氧層消耗與全球變暖兩大全球問題提出後，碳?xì)浠衔镌俅巫哌M(jìn)瞭制冷行業(yè)。具有代表性的是R600a、R290，目前中國(guó)的冰箱企業(yè)多數(shù)已經(jīng)采用瞭R600a制冷劑的制冷系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：環(huán)保；易獲得、價(jià)格低；熱力性能好；與原制冷系統(tǒng)兼容。由於碳?xì)浠衔镆兹?、易爆，采用碳?xì)浠衔锏闹评湎到y(tǒng)主要的問題是可燃性問題，對(duì)於封閉式壓縮機(jī)系統(tǒng)，認(rèn)為制冷劑灌註量少於150g是安全的，所以目前在冰箱產(chǎn)品應(yīng)用較為普遍，而對(duì)於空調(diào)產(chǎn)品應(yīng)用較少。在IEC60335-2-40：2005《傢用和類似用途電器的安全熱泵、空調(diào)器和除濕機(jī)的特殊要求》中已經(jīng)對(duì)使用可燃制冷劑的制冷器具作瞭特殊規(guī)定，如：器具的安裝、運(yùn)行、儲(chǔ)存的房間面積應(yīng)大於規(guī)定值，器具的運(yùn)輸、標(biāo)識(shí)和存放要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，詳細(xì)的列出瞭說明書應(yīng)包含的安裝書、維修和使用信息，經(jīng)過模擬泄漏的測(cè)試器具的帶電部件附近的制冷劑濃度在規(guī)定范圍內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)充分考慮瞭空調(diào)器產(chǎn)品使用可燃制冷劑時(shí)可能帶來的安全隱患。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下三個(gè)方面：第一是對(duì)可能成為點(diǎn)火源的部件的限定。有些電器部件的內(nèi)部有起著接通或斷開電氣回路作用的敞開式觸點(diǎn)，在觸點(diǎn)接通或斷開的瞬間，由於兩個(gè)觸點(diǎn)間電勢(shì)突變而會(huì)產(chǎn)生電弧火花。相關(guān)部件如：繼電器、電容器、非封閉壓縮機(jī)的過載保護(hù)器等。對(duì)於此類部件，可采用符合IEC60079-15:2001標(biāo)準(zhǔn)要求的密封型電氣零部件或用固態(tài)型電氣件，以避免電火花的產(chǎn)生。若無法滿足IEC60079-15的要求，