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制冷剂

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提示：此条目的主题不是冷冻剂。

制冷剂（refrigerant）又称冷媒、致冷剂[1]、冷冻剂[2]、雪种，是各种热机中借以完成能量转化的媒介物质。这些物质通常以可逆的相变（如气-液相变）来增大功率。如蒸汽引擎中的蒸汽、制冷机中的雪种等等。一般的蒸汽机在工作时，将蒸汽的热能释放出来，转化为机械能以产生原动力；而制冷机的雪种则用来将低温处的热量传动到高温处。

传统工业及生活中较常见的工作介质是部分卤代烃（尤其是氯氟烃），但现在由于它们会造成臭氧层空洞而逐渐被淘汰。其他应用较广的工作介质有氨气、二氧化硫和非卤代烃（例如甲烷）[3]。

性质

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物理性质

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理想的工作介质具有良好的热力学性能、具有化学惰性、安全环保且易于获取。所应满足的热力学性质条件有：沸点稍低于目标温度、具有较高汽化热、处于液态时密度中等、气态时的其相对密度较高、且需有较高的临界温度。由于沸点和气体密度与压强有关，一般要根据特定的运行压强选择合适的工质。现在满足这些条件的、性能优异的工作介质主要是氯氟烃。

化学性质

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工质材料的腐蚀性和机械部件（如压缩机、管道、蒸发器及冷凝器）使用材料及润滑油之间的相容性有关，例如使用工作介质时，润滑油需使用矿物油，而使用工作介质时，润滑油需使用合成润滑油。在安全方面，则需要考虑到工质是否具有毒性或可燃性。

历史

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在1980年代出现臭氧层空洞问题之前，世界上最广泛应用的工质是卤代甲烷——二氟二氯甲烷（R-12）及一氯二氟甲烷（R-22）。R-12较常运用于汽车空调和小型冰箱上，而R-22较常运用于住宅空调和轻型商用空调、冰箱和冷冻机上。一些较老的系统中还运用了三氯氟甲烷（R-11），因为它具有较高的沸点，可以配合低压系统使用，减轻了系统所需的组件的机械强度。不过因为氟氯碳化合物会造成臭氧层空洞问题，1987年签署的蒙特利尔议定书中规定减少及限制氟氯碳化物的生产。美国于1995年停止生产新的R-12，且已计划于2020年淘汰R-22。

1,1,1,2-四氟乙烷（R-134a）及其他不含氯的混合物工作介质正在取代氯代烃。一种常用来取代R-22的混合物工作介质称为R-410A，是由二氟甲烷（R-32）与五氟乙烷（R-125）以1：1的比例混合的近共沸混合物。R-410A通常在市场上以商品名“Puron”销售。另一种常见的混合物工质是R-407C，由R-32、R-125及R-134a混合而成，其临界温度较R-410A高，且全球暖化潜势（GWP）较R-410A低，当其他会破坏臭氧层的工质淘汰后，上述的工质仍可以正常贩售。

在氯氟碳化物（CFC）及氢氯氟碳化物（HCFC）被禁用之后，可以用碳氟化合物（FC）及氢氟碳化物（HFC）取代上述工作介质。不过新的工作介质属于温室气体，会使温室效应增强，促进全球暖化，近来也在讨论是否要限制或禁用这些工作介质。在1997年12月制定的京都议定书已将全氟碳化物及氢氟碳化物列入温室气体，欧盟也在2006年通过法律，限制全氟化碳及氢氟碳化物的使用，以减少温室气体的排放时。非温室气体的工作介质不在管制范围内。

早期的机械冷冻系统会以二氧化硫或氨为其工作介质，二氧化硫主要使用在小型的家用冷冻系统中，不过由于其毒性，后来就被氯氟碳化物所取代。氨（R717）是一种不会破坏环境、经济而且省能的工作介质，应用在工业冷冻系统已超过130年。而二氧化碳（R744）和氨一样，很早应用在冷冻系统中。[4]一些很早期的机器还使用其他传统的工作介质，如甲酸甲酯、氯甲烷、二氯甲烷等。

高纯度的丙烷由于性质和R-22相近，而且无毒，但极易燃，也可以作为工作介质使用。丙烷工作介质会加入痕量的乙硫醇，可让人及早注意到工作介质的泄漏。

应用

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天然的工作介质（如氨、二氧化碳及非卤代烃）不会破坏臭氧层，其全球暖化潜势为0（氨）或相当很低的值[5]。这些工作介质常用在大楼的空调系统、体育及休闲设施、化工业及制药业、汽车工业中，最重要的是应用在食品工业中，包括在制造、储存及零售的过程。也有新的应用开始使用天然工作介质，例如车用空调。

因为车用空调工作介质的排放影响全球气候，此议题已逐渐受到重视。欧盟自2011年起已禁止在汽车空调系统中使用全球暖化潜势超过150的工作介质。此措施禁止了一些高全球暖化潜势的温室气体，如GWP值为1410的工作介质，鼓励改用其他安全、省能的工作介质。

其中天然工作介质二氧化碳（R-744）是其中最有潜力的方案之一。二氧化碳不可燃，不会破坏臭氧层，其全球暖化潜势为1，不过有毒，在体积浓度超过5%时足以致命。R-744可以用作车用空调、住宅空调、热水泵、商用空调、自动贩卖机中的工作介质[6][7]。二甲醚也可以作为工作介质使用[8]。

HFO-1234yf（2,3,3,3-四氟丙烯）是一种部分氢原子被氟取代的烯烃，其GWP值只有4，非混合物，也是可取代R-134a的工作介质之一[9]。通用汽车公司已宣布自2013年起开始在所有品牌的汽车中使用HFO-1234yf[10]。

处理

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由于氟氯烃一类的工作介质会对臭氧层产生严重破坏，从1992年7月1日开始，有意或无意地将这些物质释放到大气中都会被视为违法行为。当氟氯烃在被淘汰后，必须回收以除去杂质并使其回到可再次使用的状态。这类工作介质也被禁止随意混用。部分氟氯烃在回收后仍为危险品，在运输等过程中需根据当地政府的相关法令进行特殊的防护。

类别

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工质依其从待冷却物体中吸收热的方式不同，可分为以下几种：

  • Class 1：此种工作介质是利用相变化（最常见的是沸腾）来吸收热，吸收的热能变成工作介质的潜热。
  • Class 2：此种工作介质是利用温度变化（可感热量）来吸收热，可吸收的热为热容量和温度变化量的乘积，此种工作介质包括空气、氯化钙水溶液、氯化钠水溶液、酒精等。
主条目：工作介质列表

R-# 编号系统是由杜邦公司所开发，可以系统化的识别由饱和卤化烃组成工作介质的分子结构，其编号意义如下：

  • 将其编号加90，可以得到三位数，各个位数分别表示分子中的碳、氢及氟原子个数[11]。
  • 由碳的个数可以其饱和卤化烃的单键个数，扣掉氢及氟原子个数后，剩下的就是氯原子的个数。
  • 编号后附加的小写a,b,c字母是用来识别非对称的同分异构物。
  • R-400及R-500系列是特别用来标示混合物的工作介质。R-400是由非共沸（英语：zeotropic）（zeotropic）的混合物组成，其成分的沸点差距较大，在分馏时其相对浓度会随温度而变。R-500则是共沸的的混合物所组成。最小的位数是由美国冷冻空调协会（英语：ASHRAE）（ASHRAE）所指定。

例如，R-134a有四个氟原子、二个氢原子和二个碳原子，其化学式是C2H2F4，字尾的a表示是差一个原子的非对称的异构物，因此是1,1,1,2-四氟乙烷。字尾没有a的R-134对应的化合物是1,1,2,2-四氟乙烷，不过其特性不适合当作工作介质使用。

R-# 编号系统的数字也常用在其他的场合，像作用喷雾设备（香水、杀虫剂等）的分散剂时前面会加P-（如P-12），也可以配合商品名称（如Freon 12）。由于工作介质会依其种类不同，所受到的管制也有不同，最近也会在工作介质前面加上其种类的简称，如HFC-表示是氢氟碳化物、加CFC-表示是氯氟碳化物、加HCFC-表示是氢氯氟碳化物。

混合物

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  • R-401A 是非共沸的HCFC混合物，成分包括R-32、R-152a、及R-124。此工作介质是为取代R-12而设计[12]。
  • R-404A 是近共沸的HFC混合物，成分包括重量比例52%的R-143a、44%的R-125及4%的R-134a。此工作介质是为取代氟氯碳化合物工作介质R-22及502所设计。其一般压力下的沸点是-46.5 °C，液态的密度为0.485 g/cm3[13]。
  • R-406A 是非共沸混合物，成分包括重量比例52%的R-22、4%的R-600a（异丁烷）及41%的R-142b。
  • R-407A 是非共沸的HCFC混合物，成分包括重量比例20%的R-32、40%的R-125及40%的R-134a[14]。
  • R-407C 是非共沸的HCFC混合物，成分包括R-32、R-125、及R-134a。R-32增加热容、R-125减少可燃性、R-134a减少所需的压力[15]。
  • R-408A 是非共沸的HCFC混合物，成分包括R-22、R-125及R-143a。可以替代R-502。其沸点为-44.4 °C[16]。
  • R-409A 是非共沸的HCFC混合物，成分包括R-22、R-124及R-142b，其临界温度为109.4 °C[17]。
  • R-410A是由R-32及R-125组成的近共沸的HFC混合物。美国环境保护局认为R-410可以替代R-22在家庭及商用空调中的应用。[18]。
  • R-466A是共沸混合物，成分包括R-32、R-125及三氟碘甲烷。
  • R-500 是共沸混合物，成分包括重量比例73.8%的R-12及26.2%的R-152a。
  • R-502 是共沸混合物，成分包括R-22及R-115。

空气工作介质

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空气工作介质已应用在住宅[19]、车辆[20]、及以涡轮飞机的空调及（或）冷却系统中。空气工作介质没有广为使用的原因，是因为一般认为空气作为工作介质时效率很低，不是可以实际使用的工作介质[21]。

不过配合适当的压缩及膨胀技术，可以提升空气工作介质的效率，这种情形下空气就是可以实际使用的工作介质。空气工作介质的优点是不会污染或破坏环境，对动植物的可能伤害非常的小（现有的空气冷却方式会把微量的油或润滑剂排放到大气中）。

参见

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参考文献

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  1. ^ https://terms.naer.edu.tw/detail/e1f06582ef5f37a9f044584edcddedae/
  2. ^ 存档副本. [2024-02-26]. （原始内容存档于2024-02-26）. 
  3. ^ Siegfried Haaf, Helmut Henrici “Refrigeration Technology” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002, Wiley-VCH, {{DOI:10.1002/14356007.b03_19}}
  4. ^ eurammon information paper No 1 (PDF). [2010-07-18]. （原始内容 (PDF)存档于2011-07-10） （英语）. 
  5. ^ www.eurammon.com. [2010-07-18]. （原始内容存档于2011-07-10） （英语）. 
  6. ^ CO2 as a refrigerant in different applications. [2010-07-18]. （原始内容存档于2010-07-15）. 
  7. ^ http://www.hvac-net.org.tw/archive/files/83-s3.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆） 二氧化碳制冷剂应用现况介绍
  8. ^ 存档副本 (PDF). [2012-03-14]. （原始内容 (PDF)存档于2012-03-14）.  101110
  9. ^ A/C Update: The Future of Cool. [2010-11-26]. （原始内容存档于2011-07-17）. 
  10. ^ GM First to Market Greenhouse Gas-Friendly Air Conditioning Refrigerant in U.S.. [2010-11-26]. （原始内容存档于2012-03-17）. 
  11. ^ 存档副本. [2010-07-18]. （原始内容存档于2015-12-29）. 
  12. ^ HCFC - R401A. [2010-07-18]. （原始内容存档于2003-12-14）. 
  13. ^ http://cameochemicals.noaa.gov/chemical/26023 （页面存档备份，存于互联网档案馆） Refrigerant gas R-404A
  14. ^ http://cameochemicals.noaa.gov/chemical/26024 （页面存档备份，存于互联网档案馆） Refrigerant gas R-407A
  15. ^ 存档副本. [2010-11-16]. （原始内容存档于2011-07-18）. 
  16. ^ Mixed refrigerants, R-408A page. [2010-07-18]. （原始内容存档于2006-11-26）. 
  17. ^ Mixed refrigerants, R-409A page. [2010-07-18]. （原始内容存档于2006-11-26）. 
  18. ^ 存档副本. [2015-12-25]. （原始内容存档于2002-06-01）. 
  19. ^ Air as a refrigerant in air conditioning systems in buildings （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
  20. ^ The Air Cycle Machine （页面存档备份，存于互联网档案馆） compressor technology.
  21. ^ [Is air an inefficient refrigerant?]

外部链接

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