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碳氢制冷剂都有哪些?碳氢化合物制冷剂的发展历史
来源: | 作者:Eva | 发布时间: 2022-12-03 | 783 次浏览 | 分享到:


碳氢制冷剂

制冷和空调的概念已经存在了一百五十多年。在这个行业的初期,使用了一组特定的制冷剂。这些制冷剂被称为“天然制冷剂”。这些天然制冷剂中的一些包含当今发现的一些基本元素,例如水、空气和二氧化碳。

碳氢化合物制冷剂

在天然制冷剂类别中,存在一个称为“碳氢化合物制冷剂”的子类别。碳氢化合物是地球上发现的最基本的元素之一。它们完全由氢和碳组成。在制冷和空调领域,碳氢化合物可用作制冷剂。一些最常用的碳氢化合物制冷剂是丙烷 (R-290)、异丁烷 (R-600a) 和丙烯 (R-1270)。

碳氢化合物制冷剂的完整列表可以在我们下面的列表中找到:

丙烷 (R-290)

异丁烷 (R-600a)

丁烷 (R-600)

乙烷 (R-170)

二甲醚 (R-E170)

甲烷 (R-50)

戊烷 (R-601)

异戊烷 (R-601a)

乙烯 (R-1150)

丙烯 (R-1270)

R-136A(丙烷和异丁烷的混合物)

R-436B(丙烷和异丁烷的混合物)

R-441A(乙烷、丙烷、异丁烷和丁烷的混合物)

R-510A(二甲醚和异丁烷的混合物)

R-433A(丙烷和丙烯的混合物)

R-433B(丙烷和丙烯的混合物)

R-433C(丙烷和丙烯的混合物)

今天,碳氢化合物在世界各地用于自动售货机、超市冰箱/冰柜、商业制冷、食品加工、冷库、工业制冷、冷藏运输、冷却器、空调系统和热泵。如您所见,它们对各种应用具有高度的适应性。

碳氢化合物对环境的影响

除了多功能性之外,碳氢化合物制冷剂还以其环保性而闻名。其他制冷剂类别,如 CFC、HCFC 和 HFC,都有明显的环境缺陷。例如,CFC 和 HCFC 制冷剂含有已被发现会破坏臭氧层的氯。这些制冷剂由于其高臭氧消耗潜能值而被淘汰。(ODP)

虽然 HFC 制冷剂不会损害臭氧层,但它们还有另一个环境不利因素,即全球变暖潜能值。(GWP) HFC 制冷剂是温室气体或超级污染物。GWP 值越高,制冷剂在全球变暖中造成的破坏就越大。在我撰写本文时,HFC 仍在全球范围内广泛使用,但我们也开始慢慢看到它们被逐步淘汰。

随着 HFC、CFC 和 HCFC 都即将消失,只剩下两个主要选择。世界可以转向称为 HFOs 的新制冷剂分类,或者世界可以回到使用天然制冷剂(如碳氢化合物)的根源。

碳氢化合物制冷剂的臭氧消耗潜能值为零,全球变暖潜能值非常低。我能找到的碳氢化合物制冷剂的绝对最高 GWP 是 25。其他碳氢化合物都在五到零之间。作为比较点,让我们看一下常用的 HFC R-404A 制冷剂。404A的GWP是三千九百二十二。

这个数字是惊人的,它清楚地说明了为什么许多公司正在寻找碳氢化合物来满足他们未来的制冷剂和空调需求。这些公司可以放心,因为他们使用的制冷剂永远不会被淘汰或淘汰。最重要的是,碳氢化合物的运行温度与 HFC 制冷剂几乎相同,但制冷剂充注量比标准 HFC 系统少。

伙计们,碳氢化合物并不都是称心如意的。今天没有完美的制冷剂,或许将来会有。无论您选择哪种制冷剂,总会有一个缺点。它可能是成本、效率、操作压力、毒性或易燃性。在碳氢化合物的情况下,缺点是它们的安全性和可燃性等级。在美国,易燃制冷剂的概念吓跑了很多消费者。然而,近年来,碳氢化合物已开始在全国范围内流行起来。

碳氢化合物制冷剂安全

在本节中,我们将了解碳氢化合物最突出的缺点,即易燃性。就像任何危险的事情一样,如果采取适当的预防措施和小心,那么风险就会降到最低。碳氢化合物制冷剂也不例外。是的,与 HFC 和 HFO 等其他常用制冷剂相比,它们极易燃烧。但是,同样,如果采取适当的护理就是安全的。

碳氢化合物的主要风险是制冷剂着火或爆炸。当碳氢化合物处于所谓的可燃性下限和上限之间时,就会发生这种情况。(LFL 和 UFL。)如果遵循适当的安全标准,那么您应该不会遇到制冷剂超过可燃性下限的情况。

如果您试图将现有的碳氟化合物系统改造成碳氢化合物制冷剂,也会出现易燃性问题。碳氟化合物系统并非用于处理易燃制冷剂,您需要确保在改造时采取适当的预防措施。改装碳氟化合物系统时的另一个注意点是始终更改系统上的标签。有记录在案的技术人员在改装为丙烷的空调上工作时吸烟的案例。该装置没有重新贴标签,发生了爆炸。

正如我们上面提到的,易燃性是使用碳氢化合物制冷剂时的主要风险。虽然碳氢化合物不一定像氨一样有毒,但如果浓度足够高,它仍然会产生有害影响。在极端情况下,可能会发生窒息。只有经过授权和培训的人员才能在碳氢化合物制冷和空调系统上工作,这一点非常重要。

碳氢化合物制冷剂的历史

好的伙计们,现在我们知道什么是碳氢化合物制冷剂,让我们来看看它们的一些历史、它们是如何形成的以及它们的未来。

随着岁月的流逝,标准蒸汽压缩系统取得了越来越多的进步。在 1860 年代,Thaddeus Lowe 设计了二氧化碳 (R-744) 系统。在 1870 年代,基于氨的系统由 David Boyle 发明,并由 Carl Von Linde 改进。二十世纪初不久,另一种称为氯甲烷的制冷剂在法国获得了专利。(R-40) 这种新型制冷剂是现代卤化碳制冷剂的祖父,该制冷剂在世界范围内广泛使用。

二十世纪初,工业制冷在世界范围内突飞猛进。选择的制冷剂是氨。正如你们大多数人所知,氨被视为“完美”的制冷剂。它是目前最高效的制冷剂。唯一的问题是它的毒性。大量释放或在封闭区域释放的氨是致命的。这就是工业应用使用它而住宅和商业领域犹豫不决的原因。商业部门在氨系统有限的情况下正在增长,但速度远不及工业部门。可能发生致命事故的可能性吓跑了许多企业和业主。

此时大多数家庭仍然依靠冰盒和其他手动方式来储存食物。确实有冰箱的家庭通常非常富有。这些房主使用了多种制冷剂,例如氨水、氯甲烷、二氧化硫和丙烷。在所有这些制冷剂中,尽管最安全且事故最少的是碳氢化合物。虽然丙烷和异丁烷易燃,但每个系统中的少量装料有助于降低风险。在 1920 年代,碳氢化合物似乎成为大多数家用和商用冰箱的标准制冷剂。

氯氟烃/氟氯烃的上升

20世纪30年代初,通用汽车公司和杜邦公司组成了一个团队。这个团队的目标只有一个:创造一种“完美的”制冷剂,它可以大规模生产,便宜、安全、高效,而且不易燃。一段时间后,团队成员之一小托马斯·米格利发明了我们今天所知的制冷剂的新分类:氯氟烃(CFCs)和氟氯烃(HCFCs)。在这些新的制冷剂分类中,最突出的两种制冷剂是R-12和R-22。

这些新型制冷剂是革命性的。不再只有富人买得起冰箱和空调。这些制冷剂把它放在普通人触手可及的地方。在发明后不久,越来越多的空调和冰箱被生产出来。20世纪50年代,人们发现了一种更好的合成方法。这种改进的过程导致了市场的爆发。需求无处不在,很快全国几乎家家户户都有了冰箱。空调也不落后。

氟氯烃和氟氯烃制冷剂的迅速增加导致世界各地碳氢化合物的使用量不断下降。毕竟,如果有更便宜更安全的替代品,为什么还要使用碳氢化合物呢?

氯氟烃/氟氯烃的下降

在20世纪80年代,人们发现了一个问题。两位来自加利福尼亚大学的美国科学家马里奥·莫利纳和谢普伍德·罗兰最先注意到氯对大气的影响。(请记住,所有的氟氯烃和氟氯烃都含有氯。)

这两位科学家发现,当CFC制冷剂暴露在紫外线照射下,氯原子会从CFC分子中分离出来。剩下的残渣被氧化,产生氯氧化分子和新的残渣。氯原子和氯氧化分子向上移动到平流层。在平流层中有一层叫做臭氧层。臭氧层保护地球免受紫外线和辐射。这些科学家发现的是,所有这些氯来自氟氯烃和氟氯烃制冷剂,它们正在以一种方式进入平流层。当它到达平流层时,氯开始攻击并削弱臭氧层。

在使用氯氟烃和氟氯烃制冷剂的几十年里,氯开始在平流层积聚,随着时间的推移,臭氧层开始形成一个洞。现在,我说的是洞,但这并不是一个洞。相反,这一层的强度减弱了。因此,虽然没有空洞,但由于氟氯烃和氟氯烃制冷剂的作用,臭氧的厚度正在减少,而且正在迅速减少。

臭氧阻止有害的UVB波长的紫外线穿过地球的大气层。没有它,或者它的减弱,各种各样的坏事都可能发生。其中包括患皮肤癌的几率大大增加,更严重的晒伤,白内障的几率更高,以及其他一系列问题。

在发现臭氧层变弱后,各国联合起来签署了被认为是有史以来最伟大和最有效的条约之一。1986年至1987年,世界上100多个国家签署了《蒙特利尔议定书》。该议定书是一项国际条约,旨在保护臭氧层并完全淘汰造成臭氧层减弱的化学物质。该条约于1989年生效。

在那之后不久,全球开始停止使用氟氯烃和氟氯烃制冷剂。像美国这样的工业化国家首先开始逐步淘汰制冷剂。R-12在1990年代早期和所有其他的氟氯化碳制冷剂一起被逐步淘汰。HCFC制冷剂如R-22甚至R-502被给予了更多的时间。R-22的真正淘汰在某些国家直到2010年才开始。

俗话说旧的不去新的不来。被提议用来取代氟氯烃和氟氯烃的制冷剂被称为氢氟碳化合物或氢氟碳化合物。这些制冷剂不含氯,所以它们不会伤害臭氧层。其中一些制冷剂包括今天被称为R-134a、R-404A和R-410A的流行制冷剂。但是,现在这些氢氟碳化合物制冷剂因加剧全球变暖而受到抨击。

在放弃使用氟氯烃/氟氯烃制冷剂的过程中,大多数国家转向使用氟氯烃制冷剂。同样,氢氟碳化合物是简单的解决方案。它们既安全又便宜,而且不会对臭氧层造成损害。虽然有一些国家和公司选择使用天然制冷剂和碳氢化合物,但世界上大多数国家都改用氢氟碳化合物。

就像以前的含氟制冷剂一样,氢氟碳化合物本身就有缺陷。伙计们,这次不是氯。对于氢氟碳化合物,最大的担忧是全球变暖潜力(GWP)。全球变暖潜势是一种测量温室气体能在大气中捕获多少热量的方法。氢氟烃制冷剂是温室气体或超级污染物。GWP值越高,制冷剂对全球变暖的影响越大。我们使用天然制冷剂二氧化碳(R-744)作为全球升温潜能值的基准。二氧化碳的全球变暖潜能值为1,而流行的HFC R-404A的全球变暖潜能值接近4000。

氢氟碳化合物在全球的使用不能继续下去。这一点是肯定的。但不确定的是,用什么来取代氢氟碳化合物?世界是走天然碳氢制冷剂路线,还是趋向于被称为氢氟烯烃的一类新型含氟制冷剂?

虽然世界还没有完全淘汰氢氟碳化物,但我们正在朝着这个方向努力。欧洲已经逐步淘汰R-134a,正在逐步淘汰R-404A和R-410A。加利福尼亚、纽约和其他州已经宣布了逐步淘汰氢氟烃制冷剂的计划。这是唯一的开始。氢氟碳化合物很快就会被淘汰。

今天的碳氢化合物

正如我上面提到的,下一个问题是,世界将转向HFOs还是碳氢化合物等天然制冷剂?现在还很难说。如果我要做一个有根据的猜测,我会说我们正在寻找大约一半和一半。一些公司和国家正在完全推动新的HFO制冷剂,甚至是降低全球升温潜能值的HFC制冷剂,如R-32。其他领域已经开始开发新技术,以便更容易地使用二氧化碳等天然制冷剂。

说到碳氢化合物,我们可以发现它们分布在全球的各种应用中。由于可燃性风险,我们发现大多数碳氢化合物处于需要较小电荷的系统中。显然,费用越小,风险越小。这就是为什么在欧洲碳氢化合物是冰箱的主要制冷剂。在整个欧洲大陆,使用异丁烷(R-600a)的冰箱超过5000万台。

除了像冰箱这样的小型带电系统,我们还可以在自动售货机和制冰机中发现碳氢化合物。在自动贩卖机中使用丙烷和异丁烷的最初推动始于日本和韩国。近年来,我们现在开始看到碳氢化合物自动售货机被生产和分发到美国各地。

碳氢化合物关注的另一个市场是超市和便利店的冰箱和冰柜。我们现在使用的HFC系统都是通过控制室进行连接和管理的。为了保持所有这些装置的凉爽和工作相当大的制冷剂充注是需要的。碳氢化合物提供了另一种解决方案。一个碳氢化合物装置将独立出来。它没有与主控制室相连。事实上,它是即插即用的。你可以把它移动到商店里任何你需要的地方,然后插上电源。超市经理喜欢这个功能,因为它使他们更容易向顾客展示他们的销售商品。除了使用方便之外,管理人员还会注意到改用碳氢化合物可以节省效率。

然而,将它们作为一个独立系统的最大卖点是费用更低。就像冰箱和自动售货机一样,收费越低,风险越小。碳氢化合物在HFC超级市场系统中使用是不可行的。费用太大了。

这些碳氢化合物系统在美国、欧洲和日本的超市里越来越受欢迎。全食连锁有超过100家使用碳氢化合物的商店,塔吉特有900多家,阿尔迪有200多家。除了这些杂货店连锁店,我们还看到越来越多的加油站改用碳氢化合物。

虽然小型空调似乎是合乎逻辑的下一步,但美国环境保护署(Environmental Protection Agency)并不认为碳氢化合物可用于空调的使用。

好消息是,近年来,环保署已经开始放松对冰箱和冰柜碳氢化合物的收费限制。早在2018年,美国环保署就其变化发布了一项SNAP规则。

结论

在20世纪的大部分时间里,碳氢化合物制冷剂的前景是严峻的。在30年代早期,氟氯烃和氟氯烃使它们黯然失色,然后随着氢氟碳化合物的出现,它们再次黯然失色。然而,在21世纪,世界似乎将重新爱上碳氢化合物。

碳氢化合物市场正以跳跃式的速度增长,随着时间的推移,可能的市场规模每年都在扩大。监管和限制正在放宽,以允许碳氢化合物铺平通往光明和清洁未来的道路。