【科技前沿】一种蒸汽压缩制冷的新制冷剂和系统配置

根据不断变化的对于安全性和环境特性的要求，蒸汽压缩设备中使用的制冷剂也在不断发展。当前制冷剂的高全球变暖潜能值正迫使制冷行业考虑使用新的流体。没有完美的制冷剂存在，必须在全球变暖潜能值（GWP）、消耗臭氧潜能值（ODP）、毒性、可燃性、稳定性、能源效率、系统复杂性、制冷剂价格和长期可用性前景之间权衡取舍。氟化烯烃（HFO）已成为一类新的制冷剂。通常将HFO与当前的HFC制冷剂混合，是许多应用的替代选择。天然制冷剂（包括氨、CO₂、丙烷和异丁烷）在广泛的应用中重新引起了人们的兴趣。

压缩式制冷系统原理
蒸汽压缩式制冷系统利用所有流体的两个基本特性：（1）沸腾温度随压力而变化，（2）相变（液体沸腾成蒸气并冷凝成液体）伴随着吸收或放热。一个常见的示例是，随着压力锅中压力的升高，水的沸腾温度会升高到100°C以上。同样，制冷剂的沸腾温度随压力而变化，并且通过在制冷循环中的不同点控制制冷剂的压力，可以在吸收热量的同时在低压和低温下沸腾。通过将生成的制冷剂气体压缩到更高的压力，它凝结回液体，并在更高的温度下释放热量（如图1所示）。根据所需的效果，基本循环可用于加热对象（热泵加热）或冷却对象（空调和制冷）。

如图1A所示，蒸气压缩式制冷系统通过在较低的压力下使蒸发器（4→1）中的工作流体（制冷剂）沸腾，并从低温源（例如冷藏空间）中吸收热量来运行。产生的蒸气被压缩至较高压力（1→2）。然后将其冷凝回液体（2→3），冷凝的热量则排到温度较高的散热器（大多数制冷和空调系统的环境空气）中。然后，制冷剂被还原回初始压力下的状态以完成循环（3→4）。图1B为热力学图上的循环。冷凝和蒸发过程（理想情况下）在恒定压力下，因此在恒定温度下（对于纯流体），理想的压缩过程是恒定的熵。

制冷剂在此过程中不被消耗，而是无限循环。只有当制冷剂通过泄漏或使用和处置技术不佳而泄漏到大气中时，制冷剂的ODP或GWP才会真正影响环境。因此，由制冷剂向大气的排放导致的直接全球升温，不同于驱动循环所需的能量所产生的间接全球升温效应，例如燃烧化石燃料的发电厂排放的二氧化碳。间接影响与直接影响的比率随制冷剂、应用和能量供应而变化。采取适当的维修做法以最大程度地减少泄漏，在大多数情况下，间接影响很明显。

蒸汽压缩系统用于各种设备，从小型冰箱到大型中央系统，这些系统可提供数兆瓦的冷却能力。压缩机分为三大类：
（1）往复式压缩机（类似于典型的汽车发动机）和其他类型的线性压缩机；
（2）旋转式压缩机，包括螺杆式、涡旋式、滚动活塞式、滑阀式和其他单叶片或多叶片类型，其压力上升是由于连续不断地减小机器内腔的容积而引起的；
（3）运动压缩机，包括径向和轴向涡轮（类似于喷气发动机），它们将动能传递给气流，然后，动能转化为压力上升。通常，压缩机技术的基础已经很成熟，但是创新的系统设计可以使不同类型的压缩机（以及相应类型的制冷剂）用于多种新应用。

新制冷剂
世界上大多数制冷系统都使用碳氟化合物制冷剂。面对所需的更改，新制冷剂向具有类似热物理性质的流体的过渡使重新设计和重新组装的成本降至最低，从而有助于快速响应对CFC和HCFC的限制。在十年之内，氢氟碳化合物被确立为首选替代品。

氢氟烯烃（HFO）被确定为最有前途的替代品。“烯烃”是指一类在碳原子之间具有双键的有机化学物质。双键对大气中天然存在的羟基自由基具有高度反应性，导致HFO的大气寿命为数天至数周，而HFC的大气寿命为数年至数十年。HFO是HFC的子集，但是它们的环境特征差异很大。自1930年代以来，HFO在化学工业中已广为人知，并且已对可能的制冷剂进行了早期研究。基于众多专利，大多数研究围绕它们作为含氟聚合物进行。

HFO的大气分解产物正受到越来越多的关注。分子中具有–CF3基团的任何化合物都有可能在大气中反应形成三氟乙酸或TFA（CF₃CO₂H）。TFA易溶于水，对水生生物有毒，不易降解。1千克HFO-1234yf的分解产生1千克三氟乙酸。相比之下，HFC-134a的TFA产率为23％，HFO-1234ze（E）的TFA产率为10％。TFA的天然来源与海洋中的天然本底水平同时存在。由于HFO的大气寿命非常短，因此需要关注TFA的局部沉积，并且不会流向海洋的盆地积聚。

新系统配置