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冷媒

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冷媒,通稱製冷劑致冷劑工作介質雪種,是各種熱機中藉以完成能量轉化的媒介物質。這些物質通常以可逆的相變(如氣-液相變)來增大功率。如蒸汽引擎中的蒸汽制冷機中的雪種等等。一般的蒸汽機在工作時,將蒸汽的熱能釋放出來,轉化為機械能以產生原動力;而制冷機的雪種則用來將低溫處的熱量傳動到高溫處。

傳統工業及生活中較常見的冷媒是部分鹵代烴(尤其是氯氟烴),但現在由於它們會造成臭氧層空洞而逐漸被淘汰。其他應用較廣的冷媒有氨氣二氧化硫和非鹵代烴(例如甲烷[1]

性質[編輯]

物理性質[編輯]

理想的冷媒具有良好的熱力學性能、具有化學惰性、安全環保且易於獲取。所應滿足的熱力學性質條件有:沸點稍低於目標溫度、具有較高汽化熱、處於液態時密度中等、氣態時的其相對密度較高、且需有較高的臨界溫度。由於沸點和氣體密度與壓強有關,一般要根據特定的運行壓強選擇合適的工質。現在滿足這些條件的、性能優異的冷媒主要是氯氟烴。

化學性質[編輯]

工質材料的腐蝕性和機械部件(如壓縮機管道蒸發器冷凝器)使用材料及潤滑油之間的相容性有關,例如使用冷媒時,潤滑油需使用礦物油,而使用冷媒時,潤滑油需使用合成潤滑油。在安全方面,則需要考慮到工質是否具有毒性可燃性

歷史[編輯]

在1980年代出現臭氧層空洞問題之前,世界上最廣泛應用的工質是鹵代甲烷——二氟二氯甲烷(R-12)及一氯二氟甲烷(R-22)。R-12較常運用於汽車空調和小型冰箱上,而R-22較常運用於住宅空調和輕型商用空調、冰箱和冷凍機上。一些較老的系統中還運用了三氯氟甲烷(R-11),因為它具有較高的沸點,可以配合低壓系統使用,減輕了系統所需的組件的機械強度。不過因為氟氯碳化合物會造成臭氧層空洞問題,1987年簽署的蒙特婁議定書中規定減少及限制氟氯碳化物的生產。美國於1995年停止生產新的R-12,且已於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冷媒正在取代氯代烴。一種常用來取代R-22的混合物冷媒稱為R-410A,是由二氟甲烷(R-32)與五氟乙烷(R-125)以1:1的比例混合的近共沸混合物。R-410A通常在市場上以商品名「Puron」銷售。另一種常見的混合物工質是R-407C,由R-32、R-125及R-134a混合而成,其臨界溫度較R-410A高,且全球暖化潛勢(GWP)較R-410A低,當其他會破壞臭氧層的工質淘汰後,上述的工質仍可以正常販售。

氯氟碳化物(CFC)及氫氯氟碳化物(HCFC)被禁用之後,可以用全氟化碳(FC)及氫氟碳化物(HFC)取代上述冷媒。不過新的冷媒屬於溫室氣體,會使溫室效應增強,促進全球暖化,近來也在討論是否要限制或禁用這些冷媒。在1997年12月制定的京都議定書已將全氟碳化物及氫氟碳化物列入溫室氣體,歐盟也在2006年通過法律,限制全氟化碳及氫氟碳化物的使用,以減少溫室氣體的排放時。非溫室氣體的冷媒不在管制範圍內。

早期的機械冷涷系統會以二氧化硫為其冷媒,二氧化硫主要使用在小型的家用冷涷系統中,不過由於其毒性,後來就被氯氟碳化物所取代。氨(R717)是一種不會破壞環境、經濟而且省能的冷媒,應用在工業冷涷系統已超過130年。而二氧化碳(R744)和氨一樣,很早應用在冷涷系統中。[2]一些很早期的機器還使用其他傳統的冷媒,如甲酸甲酯氯甲烷二氯甲烷等。

高純度的丙烷由於性質和R-22相近,而且無毒,也可以作為冷媒使用。丙烷冷媒會加入痕量的乙硫醇,可讓人及早注意到冷媒的泄漏。

應用[編輯]

天然的冷媒(如氨、二氧化碳及非鹵代烴)不會破壞臭氧層,其全球暖化潛勢為0(氨)或相當很低的值[3]。這些冷媒常用在大樓的空調系統、體育及休閒設施、化工業及製藥業、汽車工業中,最重要的是應用在食品工業中,包括在製造、儲存及零售的過程。也有新的應用開始使用天然冷媒,例如車用空調。

因為車用空調冷媒的排放影響全球氣候,此議題已逐漸受到重視。歐盟自2011年起已禁止在汽車空調系統中使用全球暖化潛勢超過150的冷媒。此措施禁止了一些高全球暖化潛勢的溫室氣體,如GWP值為1410的冷媒,鼓勵改用其他安全、省能的冷媒。

其中天然冷媒二氧化碳(R-744)是其中最有潛力的方案之一。二氧化碳不可燃,不會破壞臭氧層,其全球暖化潛勢為1,不過有毒,在體積濃度超過5%時足以致命。R-744可以用作車用空調、住宅空調、熱水泵、商用空調、自動販賣機中的冷媒[4][5]二甲醚也可以作為冷媒使用[6]

HFO-1234yf(2,3,3,3-四氟丙烯)是一種部份氫原子被氟取代的烯烴,其GWP值只有4,非混合物,也是可取代R-134a的冷媒之一[7]。通用汽車公司已宣佈自2013年起開始在所有品牌的汽車中使用HFO-1234yf[8]

處理[編輯]

由於氟氯烴一類的冷媒對臭氧層造成了嚴重損害,從1992年7月1日開始,有意或無意地將這些物質釋放到大氣中都會被視為違法行為。當氟氯烴在被淘汰後,必須回收以除去雜質並使其回到可再次使用的狀態。這類冷媒也被禁止隨意混用。部分氟氯烴在回收後仍為危險品,在運輸等過程中需根據當地政府的相關法令進行特殊的防護。

類別[編輯]

工質依其從待冷卻物體中吸收熱的方式不同,可分為以下幾種:

  • Class 1:此種冷媒是利用相變化(最常見的是沸騰)來吸收熱,吸收的熱能變成冷媒的潛熱
  • Class 2:此種冷媒是利用溫度變化(可感熱量)來吸收熱,可吸收的熱為熱容量和溫度變化量的乘積,此種冷媒包括空氣、氯化鈣水溶液、氯化鈉水溶液、酒精等。

R-# 編號系統是由杜邦公司所開發,可以系統化的識別由飽和鹵化烴組成冷媒的分子結構,其編號意義如下:

  • 將其編號加90,可以得到三位數,各個位數分別表示分子中的原子個數[9]
  • 由碳的個數可以其飽和鹵化烴的單鍵個數,扣掉氫及氟原子個數後,剩下的就是原子的個數。
  • 編號後附加的小寫a,b,c字母是用來識別非對稱的同分異構物
  • R-400及R-500系列是特別用來標示混合物的冷媒。R-400是由非共沸zeotropic英語(zeotropic)的混合物組成,其成份的沸點差距較大,在分餾時其相對濃度會隨溫度而變。R-500則是共沸的的混合物所組成。最小的位數是由美國冷凍空調協會英語ASHRAE(ASHRAE)所指定。

例如,R-134a有四個氟原子、二個氫原子和二個碳原子,其化學式是C2H2F4,字尾的a表示是差一個原子的非對稱的異構物,因此是1,1,1,2-四氟乙烷。字尾沒有a的R-134對應的化合物是1,1,2,2-四氟乙烷,不過其特性不適合當作冷媒使用。

R-# 編號系統的數字也常用在其他的場合,像作用噴霧設備(香水、殺蟲劑等)的分散劑時前面會加P-(如P-12),也可以配合商品名稱(如Freon 12)。由於冷媒會依其種類不同,所受到的管制也有不同,最近也會在冷媒前面加上其種類的簡稱,如HFC-表示是氫氟碳化物、加CFC-表示是氯氟碳化物、加HCFC-表示是氫氯氟碳化物。

混合物[編輯]

  • R-401A 是非共沸的HCFC混合物,成份包括R-32R-152a、及R-124。此冷媒是為取代R-12而設計[10]
  • R-404A 是近共沸的HFC混合物,成份包括重量比例52%的R-143a、44%的R-125及4%的R-134a。此冷媒是為取代氟氯碳化合物冷媒R-22及502所設計。其一般壓力下的沸點是-46.5 °C,液態的密度為0.485 g/cm3[11]
  • R-406A 是非共沸混合物,成份包括重量比例52%的R-22、4%的R-600a(異丁烷)及41%的R-142b
  • R-407A 是非共沸的HCFC混合物,成份包括重量比例20%的R-32、40%的R-125及40%的R-134a[12]
  • R-407C 是非共沸的HCFC混合物,成份包括R-32、R-125、及R-134a。R-32增加熱容、R-125減少可燃性、R-134a減少所需的壓力[13]
  • R-408A 是非共沸的HCFC混合物,成份包括R-22、R-125及R-143a。可以替代R-502。其沸點為-44.4 °C[14]
  • R-409A 是非共沸的HCFC混合物,成份包括R-22、R-124及R-142b,其臨界溫度為109.4 °C[15]
  • R-410A是由R-32及R-125組成的近共沸的HFC混合物。美國環境保護局認為R-410可以替代R-22在家庭及商用空調中的應用。[16]
  • R-500 是共沸混合物,成份包括重量比例73.8%的R-12及26.2%的R-152a。
  • R-502 是共沸混合物,成份包括R-22及R-115

空氣冷媒[編輯]

空氣冷媒已應用在住宅[17]、車輛[18]、及以渦輪飛機的空調及(或)冷卻系統中。空氣冷媒沒有廣為使用的原因,是因為一般認為空氣作為冷媒時效率很低,不是可以實際使用的冷媒[17]

不過配合適當的壓縮及膨脹技術,可以提昇空氣冷媒的效率,這種情形下空氣就是可以實際使用的冷媒。空氣冷媒的優點是不會污染或破壞環境[17],對動植物的可能傷害非常的小(現有的空氣冷卻方式會把微量的油或潤滑劑排放到大氣中)。

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

外部連結[編輯]