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重新評(píng)價(jià)和認(rèn)識(shí)氨工質(zhì)在CFCs替代中的作用
作者：林康立 （揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)院 南京210048）
摘要：本文提出應(yīng)重機(jī)關(guān)報(bào)評(píng)價(jià)和認(rèn)識(shí)氨工質(zhì)在CFCs替代中的作用，擴(kuò)大氨工質(zhì)的應(yīng)用范圍。文中針對(duì)氨工質(zhì)的特性和優(yōu)缺點(diǎn)，提出應(yīng)用氨工質(zhì)的安全對(duì)策和設(shè)計(jì)、制造中應(yīng)注意的問題；并呼吁有關(guān)部門應(yīng)在法規(guī)和規(guī)范上作出相應(yīng)的修改和調(diào)整。
關(guān)鍵詞：氨工質(zhì) CFC替代
1 概述
氨（Ammonia,NH3）-一種最常見的、最易取得的、廉價(jià)的無機(jī)化合物一作為制冷劑（R717）應(yīng)用于制冷空調(diào)工程中已有120多年的歷史。當(dāng)前實(shí)施“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略，節(jié)能和環(huán)保則是兩個(gè)極其重要的課題。制冷劑的應(yīng)用和發(fā)展，百余年來，經(jīng)歷了由應(yīng)用天然制冷劑，例如CO2、HCFCs、HFCs，而在當(dāng)前，為了加強(qiáng)環(huán)保而又重新走向應(yīng)用天然制冷劑的過程。
為了防止地球大氣臭氧層進(jìn)一步遭到破壞，為了減少具有溫室效應(yīng)的氣體的排氣，改善人類的生態(tài)環(huán)境，尋找氯氟烴（CFCs）的替代物質(zhì)和替代技術(shù)已成為全球面臨的一個(gè)重要而緊迫的課題，引起了整個(gè)國際社會(huì)的關(guān)注。當(dāng)前國內(nèi)國外的科技部門、研究機(jī)構(gòu)、大型企業(yè)集團(tuán)都在為尋找完美的（也可以說其ODP、GWP均為零）替代物質(zhì)而切切實(shí)實(shí)地努力著。
國外業(yè)已推出了R123來替代R11；R134a來替代R12；并采用R22作為過渡性的工質(zhì)。但從國內(nèi)外發(fā)一的有關(guān)文章以及綠色和平組只所散發(fā)的宣傳材料來看，R123、R134a的ODP雖然為零，但其溫室效應(yīng)的潛能指標(biāo)GWP高達(dá)420。不僅如此，人們對(duì)于R134a比R12要低8-12％的制冷量；對(duì)于無法找到合適的潤滑油與其共用，乃至認(rèn)為R123、R134a仍有致癌的毒性和易燃性，而不甚滿意。雖然也有許多非共沸的混合工質(zhì)推出，但其中仍含有將被淘汰的R22的成分。
目前國內(nèi)普遍能接受的過渡性工質(zhì)HCFC-22美國有些企業(yè)推崇為當(dāng)前危害最低（其ODP=0.05）、價(jià)廉而易取得的、熱特性好的制冷劑。但從減少溫室氣體排放，防止全球氣候變熱的角度出發(fā)，R22的使全球變暖潛能值GWP=510，也不是完美的制冷劑。對(duì)于我國作為一個(gè)發(fā)展中的國家來說，所有國外研制的替代工質(zhì)，例如R123、R134a、R407C等等，都有一個(gè)專利保護(hù)的問題，外國公司不可能低價(jià)轉(zhuǎn)讓給我國來大量生產(chǎn)，而向國外購買，不僅價(jià)格高而且受制于外國公司，對(duì)發(fā)展民族制冷空調(diào)事業(yè)不利。
從ODP、GWP這兩項(xiàng)指標(biāo)而言，氨應(yīng)該說是一種于臭氧層無員，又無溫室效應(yīng)的效完美的“綠色”制冷劑。過去，氨的一些危害性被不恰當(dāng)?shù)乜浯�，尤其在民用或空調(diào)工程中的應(yīng)用，受到了思想認(rèn)識(shí)上和種種法規(guī)上的限制。近20年來，人們充分認(rèn)識(shí)到保護(hù)大氣臭氧層和減少溫室效應(yīng)氣體排放的緊迫性，在尋找CFC、HCFC的替代物質(zhì)和替代技術(shù)的過程中，國外相繼重新評(píng)價(jià)和研究氨在制冷空調(diào)中的地位的應(yīng)用。
也有學(xué)者呼吁，既然人類使用氨有一百多年的經(jīng)驗(yàn)，在制造上也已十分進(jìn)步和成熟，不妨也可以使用氨作CFCs的替代物質(zhì)。我國的科研機(jī)構(gòu)和大專院校在這方面卻不能令人滿意。筆者感到幾乎所有的高等院校和科研機(jī)構(gòu)，都單純?cè)诜合盗械娜ψ觾?nèi)，去研究和尋找CFC、HCFC的替代物。這方面的文章雖然也很多，但還未拿出國內(nèi)自己品牌的替代物質(zhì)，或已實(shí)用于制冷機(jī)中。
個(gè)別學(xué)者也提出過氨在新的形勢下，應(yīng)重新認(rèn)識(shí)和擴(kuò)大應(yīng)用范圍，但實(shí)際的研究工作卻開展得很少。就拿利用余熱的吸收式制冷來說，也具有明顯的偏向：溴化鋰吸收式制冷研究得很多，產(chǎn)品也很多；而能夠制取零度以下的氨水吸收式制冷，卻很少有人研究；有關(guān)氨介質(zhì)的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)，也很少研究�？梢哉f，氨的重新評(píng)價(jià)和擴(kuò)大應(yīng)用，迄今仍未能引起國內(nèi)制冷空調(diào)界的關(guān)注，尚未見到重新評(píng)價(jià)和研究氨的安全應(yīng)用、把氨工質(zhì)應(yīng)用于空調(diào)冷源工程上的有分量的文章。
2 氨的特性和特點(diǎn)
（1）氨的特性
氨是最容易取得的、價(jià)格低廉的無機(jī)化學(xué)品。氨，分子量M=17.03；沸點(diǎn)-33.42℃臨界溫度132.30℃；臨界壓力11.283MPa；自燃點(diǎn)651℃；熔點(diǎn)-77.75℃；其液相密度0.771kg/L。氨的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，屬于乙類；根據(jù)GB50058《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，氨氣屬于IIAT1級(jí)組，也就是說，是最低的爆炸危險(xiǎn)級(jí)組。氨的毒性，根據(jù)GB5044-85《職業(yè)性接角毒特危害程度分級(jí)》規(guī)定，屬于IV級(jí)（輕度危害），最高允許濃度10mg/m3；根據(jù)TJ-79《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：在廠房車間中，其最高允許濃度為30mg/m3；在民民區(qū)內(nèi)，最高允許濃度為0.20mg/m3。氨無致癌的危險(xiǎn)。氨在空氣中的濃度達(dá)到5ppm時(shí)，即能聞到氣味；氨比空氣輕而容易逸至室外。
氨容易被水吸收而成為氨水，而水本身就是農(nóng)田的肥料，流入土地有利無害。氨的價(jià)格僅為R22的一半不到，是R123、R134a的1/10-1/15。
（2）氨的特點(diǎn)
①氨作為制冷劑的優(yōu)勢
（a）氨的消耗臭氧潛能值ODP和使全球變暖潛能值GWP均為零。因此，氨是完全有利于環(huán)保的。這也是當(dāng)前氨又被重新認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。
（b）氨的蒸發(fā)潛熱大，單位質(zhì)量制冷量、單位容積制冷量均大。也就是說，其COP值大。因此，它是一種節(jié)能的制冷劑。
（c）氨的來源廣泛，價(jià)格低廉，氨壓縮制冷機(jī)的制造經(jīng)驗(yàn)成熟，制造成本低。使用氨為制冷劑的機(jī)組作為工業(yè)和空調(diào)的冷源是能節(jié)省一次投資和運(yùn)行費(fèi)用的。
（d）從利用余熱出發(fā)，只有氨水吸收式制冷機(jī)可以制取0℃以下冷量。這是目前溴化鋰吸收式制冷無法達(dá)到的唯一方式。
（e）氨的臨界溫度和臨界壓力為132.4℃及11.45MPa,高于R22(96.2℃/5MPa)和R134a(102℃/4.15MPa)。臨界壓力也高于R132（4MPa）。可以在較高的熱源溫度和冷源溫度下實(shí)現(xiàn)熱泵循環(huán)。
（f）氨的傳熱系數(shù)大，氨與潤滑油無互溶性，氨油分離比較容易。這對(duì)于蒸發(fā)器和冷凝器而言，可以設(shè)計(jì)得更為緊湊。而且不會(huì)像氟利昂那樣，因制冷劑溶有較多的潤滑油而使制冷量減少和造成蒸發(fā)器液面波動(dòng)。
（g）氨易溶于水，緊急排氨時(shí)，可用水沖，變成氨水排出。此外，氨中允許的含水量為0.2％以下，即使有水存在，由于與氨生成NH4OH，呈液體狀存在，不會(huì)像氟利昂那樣，形成“冰塞”。而且，濃氨水在蒸發(fā)器中，仍能蒸發(fā)制冷。只是在蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)溫度會(huì)變化和上升。含水10％，蒸發(fā)溫度約上升0.3℃。因此，氨制冷的管路系統(tǒng)的干燥要求不如氟利昂那樣嚴(yán)格。
(h)氨泄漏時(shí)，容易發(fā)現(xiàn)。氨的強(qiáng)烈的刺激性氣味，令人生畏，限制了它的使用范圍。但從另一角度看，即使有很少量的泄漏，也容易察覺到，可及時(shí)采取措施，避免發(fā)生重大事故。
表1 氨與其他常用制冷制的特性比較 制冷劑 分子式 類別 沸點(diǎn)℃ ODP （R11=1） GWP （CO2=1） 禁用與否 毒性燃燒 性 -15℃時(shí)的蒸發(fā)潛熱（KJ/kg）
制冷系數(shù)COP R11 CCLF3 CFC 23.82 1 1500 是 低毒非燃 191.76 4.57 R12 CCL2F2 CFC -28.79
1 4500 是 低毒非燃 161.61 4.69 R22 CCLF2H HCFC -40.78 0.05 510 否 非毒不燃 217.29 4.75
R123 C2CL2F3H HCFC 27.81 0.02 29 否 有毒不燃 193.39 低于R11 R134a C2CF4H2 HFC -28.50
0 420 否 非毒有燃 209.46 低于R12 R717 NH3 無機(jī) -33.40 0 0 - 有毒可燃 1312.56 4.84
②使用氨為制冷劑所存在的問題
（a）刺激性 試驗(yàn)表明：人對(duì)氨的氣味有感覺的平均濃度為5ppm；人長時(shí)間暴露在濃度為6.25-25ppm的含氨空氣中，對(duì)肺功能和呼吸道沒有損害。
（b）毒性 我國將氨列為IV級(jí)有毒物質(zhì)（輕度危害），最高允許濃度為10mg/m3。按美國ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)34-78，氨列入安全性為第二類的制冷劑，規(guī)定直接蒸發(fā)式的氨制冷設(shè)備不得用于為人服務(wù)的空調(diào)系統(tǒng)中。當(dāng)空氣中氨的濃度達(dá)到5，000-10，000ppm，而在這人濃度下，人已感到了強(qiáng)烈的刺激，必然會(huì)采取必要的措施（通風(fēng)換氣、事故排風(fēng)、尋找泄漏點(diǎn)、停車、緊急泄氨等等）。
（c）可燃可爆性 氨氣與空氣混合其體積比達(dá)到15-28％有可能發(fā)生爆燃。 表2列舉了空氣中氨含量對(duì)人體生理影響和爆炸極限（ppm與mg/m3）值，由表2可以看到氨的刺激性、毒性以及可燃可爆與濃度的關(guān)系。氨雖屬于可燃可爆、有毒有害氣體，但均在較輕度的范圍內(nèi)，如果處理得當(dāng)，完全可以防止事故發(fā)生。
（d）腐蝕性 主要是解決氨用機(jī)器、設(shè)備和配管時(shí)的選材問題。由于氨的“避銅”的要求，對(duì)氨用換熱傳質(zhì)設(shè)備來說，要采用強(qiáng)化傳熱管（一般均用銅制）就比較困難，因而，這也是目前需要研究的課題。
氨在以下情況對(duì)部分金屬及合金有腐蝕：a.含微量O2和CO2的液氨對(duì)高強(qiáng)度鋼的焊接部分有一定的腐蝕性，易發(fā)生裂縫；b.液氨對(duì)高鎳鑄鐵、鎳銅合金、銅合金（磷青銅除外）有腐蝕性，屬C級(jí)，腐蝕率10.25mm/a；同樣，氨水溶液對(duì)上述材料也有腐蝕性（C級(jí)）；c.1％氨水溶液對(duì)銅的腐蝕率為160mm/a；d.0.5％氨水溶液對(duì)鋁的腐蝕率較小，為6.9~12.4mm/a；氨水對(duì)鋁的腐蝕率更小，這＜0.013mm；e.濃氨水對(duì)鋼的腐蝕率為0.08mm/a。
3 應(yīng)用氨為制冷劑的安全對(duì)策
首先，應(yīng)在認(rèn)識(shí)上解決如何正確評(píng)價(jià)和應(yīng)用氨工質(zhì)的問題。過去，氨的毒性和可燃可爆性被人為地夸大和誤解，導(dǎo)致夸大和誤解的主要因素是氨確有強(qiáng)烈的刺激性氣味。從表2上可知，正因?yàn)橛袕?qiáng)烈的氣味，當(dāng)濃度僅5ppm時(shí)，人們即可感覺到，即可采取措施；當(dāng)濃度達(dá)到危及人的健康和生命時(shí)，其濃度是可聞到的濃度的幾倍、幾十倍、乃至上百倍。
要引起爆炸的濃度是感受到的上萬倍。筆者認(rèn)為，將氨工質(zhì)應(yīng)用于民用空調(diào)，設(shè)計(jì)中可采取下列措施： 表2 空氣中含氨量對(duì)人體生理影響和爆炸極限 項(xiàng)目 ppm(V)
N(mg/m3) 備注 可以感覺到氨的氣味的最低濃度 5 3.476 也有資料認(rèn)為50ppm 長期停留為無害的最大濃度 6.25~25 4.3~17.43
有資料認(rèn)為100ppm GB5044-85（職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)）規(guī)定最高允許濃度 14.38 ＞10 短期停留對(duì)人體無害時(shí)的濃度 300~500
209~348 強(qiáng)烈刺激鼻子和咽喉 408 284 刺激人的眼睛 698 486 引起強(qiáng)烈的咳嗽 1720 1196 短時(shí)間（30min）有危險(xiǎn) 2500~4500
1740~3130 立即引起致命危險(xiǎn) 5000~10000 3476~6953 環(huán)境允許濃度（工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)） 民用生活區(qū) 0.2876 0.2
工廠車間 43 30 點(diǎn)燃極限 下限 11.5％ 80000 日本資料 上限 27％ 187730 爆炸極限 下限 15％ 104300 中國資料《勞動(dòng)衛(wèi)生學(xué)》
上限 28％ 194700 爆炸下限與感受 ~30000倍
（1）采用集中供冷 將各建筑空調(diào)冷源集中起來，由氨制冷站供空調(diào)冷水給各用戶。
（2）采用間接供冷 不采用直接蒸發(fā)式（即蒸發(fā)器與被冷卻場所或物品直接接觸，或?qū)⒄舭l(fā)器放在回風(fēng)道中）的氨制冷設(shè)備；而采取液氨蒸發(fā)-冷水降溫的間接熱交換或氨-鹽水-空調(diào)冷水的間接熱交換的模式。
（3）制冷裝置露天化 氨壓縮機(jī)房可以半露天化，外墻敞開（氨水吸收式制冷裝置一般都是露天化的）。
（4）加強(qiáng)通風(fēng)換氣 氨機(jī)房應(yīng)有機(jī)械通風(fēng)換氣和事故排風(fēng)設(shè)施。事故排風(fēng)機(jī)就采用防爆風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，防爆等級(jí)為ExIIAT1。正常換氣次數(shù)6次/h；事故排風(fēng)，應(yīng)在原有的基礎(chǔ)上，再加上8次/h,即間有14次/h以上的換氣。而且，事故通風(fēng)機(jī)的開關(guān)應(yīng)裝在進(jìn)出機(jī)房的大門旁、方便操作處。有條件時(shí)，應(yīng)設(shè)氨濃度報(bào)警并與事故排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖。
（5）注意防震防泄漏 設(shè)備安裝和配管中，應(yīng)注意設(shè)備基礎(chǔ)的防震，管道支架的穩(wěn)固；采用2.5MPa以上的管道壓力等級(jí)，采用氨用專門的閥門和法蘭，注意法蘭熱片的品種和質(zhì)量，在換閥門和法蘭時(shí)，必須同時(shí)更換墊片。
（6）重視氨水吸收式制冷的應(yīng)用 在熱-電-冷三聯(lián)供系統(tǒng)中，除用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組作為余熱轉(zhuǎn)換為冷量的設(shè)施外，好可以考慮用氨吸收式制冷來轉(zhuǎn)換余熱。氨吸收式制冷具有溴化鋰吸收式制冷不可替代的特點(diǎn)：即能制取0℃以下級(jí)別的冷量。既然溴化鋰機(jī)組可被譽(yù)為無公害的“綠色”冷源，那么氨吸收式制冷同樣也是可以替代CFCs工質(zhì)而成為無公害的“綠色”冷源。
為了擴(kuò)大氨制冷的應(yīng)用范圍，對(duì)科研和設(shè)備制造的要求是：
（1）應(yīng)進(jìn)一步研制高效率的、無泄漏的氨壓縮制冷機(jī)、氨泵、氨水泵以及氨用設(shè)備、容器和儀表。氨用設(shè)備均為壓力容器，應(yīng)符合國家對(duì)壓力容器的監(jiān)察要求。
（2）進(jìn)行氨工質(zhì)的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)的研究，使之縮小氨用設(shè)備，減輕重量，并實(shí)施小型化、機(jī)組化。一般蒸氣型的氨水吸收式制冷裝置，也完全應(yīng)該在強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)和提高精餾效率上下功夫，縮小設(shè)備尺寸，使“裝置”變?yōu)椤皺C(jī)組”。
（3）加強(qiáng)對(duì)氨用金屬材料的研究，采用輕質(zhì)的，高強(qiáng)度的，不滲漏的，而且在液氨、氨水中不腐蝕的材料，以減輕設(shè)備重量、強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)。 對(duì)于學(xué)會(huì)或政府主管部門而言，應(yīng)對(duì)國內(nèi)外的氨用機(jī)器和設(shè)備的應(yīng)用，氨的毒性、可燃性所引起的安全法規(guī)、規(guī)范和法律，加以重新研究、討論。根據(jù)了新的研究的成果和實(shí)際調(diào)查結(jié)果，根據(jù)百年來應(yīng)用氨工質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)氨工質(zhì)可否用于民用空調(diào)工程，作為CFCs、HCFCs的替代物質(zhì)以及應(yīng)如何正確應(yīng)用氨工質(zhì)作出相應(yīng)的補(bǔ)充和修改。
4 結(jié)束語
氨是一種公認(rèn)的優(yōu)良的制冷劑，尤其在當(dāng)前，為可持續(xù)發(fā)展的需要，應(yīng)用氨可以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的目的，應(yīng)該擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。氨的應(yīng)用已有百年的歷史，應(yīng)該說，對(duì)其優(yōu)、缺點(diǎn)都有足夠的認(rèn)識(shí)。我們必須采用“戰(zhàn)略上藐視”而“戰(zhàn)術(shù)上重視”的思想，克服恐懼心理，對(duì)其所存的問題，認(rèn)真地采取有效的措施解決。并應(yīng)制訂必要的法規(guī)制度，加強(qiáng)管理和培訓(xùn)，完全有可能將氨工質(zhì)應(yīng)用于民用空調(diào)在內(nèi)的其他需要用冷的地方。
也期望科研、制造部門，在旨化傳熱傳質(zhì)上有所突破，使氨冷機(jī)組高效化，小型化，氨水吸收式制冷機(jī)組化，使用戶用得放心，收到效果。
