林 崐金聽祥, 張 靜尤順義劉 陽鄭祖義

(1廣東志高空調有限公司 南海 528244；2鄭州輕工業(yè)學院機電工程學院 鄭州 450002)

臭氧層破壞和全球變暖已成為日益嚴峻的全球環(huán)境問題，制冷劑對環(huán)境的破壞問題已受到人們的廣泛關注，作為蒙特利爾協(xié)定及其修正案中首批禁用的物質，R22替代制冷劑的研究工作勢在必行，世界各國都致力于尋找一種性能優(yōu)良的替代制冷劑。目前，針對R22的替代方案主要有兩種:一種是HFC類，為人工合成制冷劑，以R410A和R407C為代表；另一種是HC類，是碳氫化合物，屬于自然制冷劑。從環(huán)境保護角度來看，HFC類和HC類的臭氧消耗潛能值(ODP)都為零，但是HFC類的全球變暖潛能值(GWP)仍然較大，而HC類的全球變暖潛能值(GWP)基本為零[1-3]。為此，一些學者對HC類制冷劑R290(丙烷)和R1270(丙烯)在小型空調和冰箱上的應用進行了研究。西安交通大學任挪穎等人分析和比較了R1270、R22和R290的熱物理性質和熱力學循環(huán)性能，認為R1270替代R22可以在一定程度上改善系統(tǒng)的運行特性[4-6]。為了使R1270能夠在小型制冷系統(tǒng)中大大規(guī)模使用，這里通過R1270的物理性能分析和在家用空調中性能試驗來分析R1270在家用空調中替代R22的可行性。

1 R1270與R22的熱物理性能比較

從表1中可以看出，R1270的臨界溫度、標準沸點和凝固點與R22相近，由此看出，R1270的主要物理性質與R22的也比較相近。R1270的汽化潛熱約為R22的1.88倍，在相同條件下，可以釋放出更多的潛熱，因此，在相同制冷量下，可減少制冷劑的循環(huán)量。R1270氣態(tài)和液態(tài)的導熱系數(shù)都高于R22，可改善壓縮機的散熱條件，同時提高冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，同樣制冷量情況下，所需蒸發(fā)器的傳熱面積小，這樣可以使系統(tǒng)更加緊湊，節(jié)約金屬材料。R1270飽和液體的比熱是R22的2.12倍，這可以減少制冷劑的充灌量。R1270飽和液體和飽和氣體的黏度都小于R22，這使得R1270在制冷系統(tǒng)中的流動阻力小，容易增加紊流，減小運送流體的功耗。

表1 R22和R1270主要熱物性參數(shù)比較[7]Tab.1 Comparison of thermal properties of R22 and R1270

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗機型

選用志高KFR-25GW/VD為試驗機型，原設計工質為R22，壓縮機為松下2P15S225 CZB，壓縮機相關設計參數(shù)如表2所示，蒸發(fā)器和冷凝器的相關參數(shù)如表3和4所示。

表2 壓縮機參數(shù)Tab.2 The parameter of compressor

油量/mL 350輸入功率/W 765制冷量/W 2450能效比 3.144

表3 蒸發(fā)器相關參數(shù)Tab.3 The parameter of evaporator

表4 冷凝器相關參數(shù)Tab.4 The parameter of condenser

2.2 試驗工況和方法

為了比較制冷劑性能，試驗應該在完全相同的條件下進行。考慮到R1270的液態(tài)和氣態(tài)傳熱系數(shù)都比R22高，在相同制冷量情況下，所需換熱面積小，因此，針對R1270的試驗系統(tǒng)除了與R22相同之的系統(tǒng)配置外，還準備了管徑為5mm的蒸發(fā)器和冷凝器樣機系統(tǒng)。試驗工況為國標額定制冷工況:室內27/19℃，室外35/24℃。性能試驗在按GB/T7725-2004[8]的要求建成的房間空調器試驗測試室進行，測試方法為空氣焓值法。試驗時分別測試充灌R22和R1270的空調系統(tǒng)的運行性能，然后對測試結果進行對比分析。制冷劑質量稱量是通過精確度為0.1g的電子天平來進行的。

2.3 試驗程序

1)在充灌制冷劑之前，系統(tǒng)抽真空2～3小時，真空度應低于20Pa。

2)開機運行過程中，對于R22和R1270來說，制冷劑都是以氣體從壓縮機入口充灌。

3)當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)超過1小時后，記錄數(shù)據(jù)30秒/次，記錄數(shù)據(jù)的時間應超過30分鐘。

3 結果與討論

在國標制冷工況下測試的試驗數(shù)據(jù)如表5所示。從表5中可以看出，針對R22和R1270制冷系統(tǒng)的COP、制冷量、壓縮機消耗功率、排氣溫度、壓力比和制冷劑充灌量被測量。下面將針對被測量的這些系統(tǒng)參數(shù)進行R22和R1270的對比分析。

3.1 制冷能效比對比

在家用空調系統(tǒng)中，能效比是衡量系統(tǒng)是否節(jié)能的一個重要指標。正因為能效比如此重要，首先比較R22和R1270系統(tǒng)的能效比，從表5中可以明顯看出，在相同條件下，R1270制冷系統(tǒng)的能效比要比R22高4.3%。這主要是由于R1270高的換熱效率，使得其壓力比要于R22壓力比低22.6%，低的壓力比可以降低壓縮機的輸入功率，這一點可以從表5中看到，R1270系統(tǒng)消耗功率比R22系統(tǒng)消耗功率少15W。

考慮到R1270的液態(tài)和氣態(tài)傳熱系數(shù)都比R22高，R1270的汽化潛熱約為R22的1.88倍。還減小換熱器體積，把管徑從7mm變?yōu)?mm，準備了管徑為5mm的蒸發(fā)器和冷凝器樣機系統(tǒng)針對R1270進行試驗，試驗結果如表5所示。從表中可以看出，換熱器體積減小后，制冷量基本接近，但R1270制冷系統(tǒng)的能效比要比R22高12.3%，能效等級從國標3級提高到2級，甚至接近1級。這說明在能效方面，R1270可以作為R22的替代工質，并且可以達到節(jié)能和節(jié)材的效果。

表5 國標制冷工況下R22和R1270的試驗數(shù)據(jù)Tab.5 The experimental data of R22 and R1270 in chinese standard condition

3.2 制冷能力比較

制冷能力同系統(tǒng)能效比一樣重要，從表5中可以看出，R1270的制冷量比R22提高了1.15%，制冷量基本一樣，這說明R1270在制冷能力方面也可以替代R22。

3.3 制冷劑充灌量比較

在飽和液態(tài)下，R1270的密度要比R22低很多，R1270的密度僅為R22的51.2%，液體密度的大小會直接影響制冷劑的充灌量。這一點可以從表5中看出，相同條件下，R1270的充灌量為360g，僅為R22充灌量的41%，比R22的充灌量減少了59%。

3.4 排氣溫度比較

作為R22的替代工質，和考慮制冷劑與潤滑油的穩(wěn)定性一樣，系統(tǒng)壽命和可靠性也需要考慮。而系統(tǒng)壽命和可靠性直接反映在壓縮機排氣溫度。從表5中可以看出，R1270的排氣溫度比R22降低了8℃左右。R1270的飽和液體和氣體的動力黏度系數(shù)都比R22小，黏度系數(shù)小可以減少流體與管壁以及流體內部的摩擦損失，減少功耗。另一方面，降低排氣溫度可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結論

通過分析R1270的熱物理性質，并針對其在家用空調中的應用進行了試驗研究，通過試驗研究和對比分析，可以得出如下結論:

1)在相同條件下，通過對R1270和R22的比較發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)制冷量基本接近，但R1270制冷系統(tǒng)的能效比可以比R22高出4.3%，同時R1270的充灌量僅為R22充灌量的41%，比R22的充灌量減少了59%。

考慮到R1270的液態(tài)和氣態(tài)傳熱系數(shù)都比R22高，R1270的汽化潛熱約為R22的1.88倍。在滿足制冷量的前提下，減小換熱器體積，把管徑從7mm變?yōu)?mm，利用管徑為5mm的蒸發(fā)器和冷凝器樣機系統(tǒng)針對R1270進行試驗，試驗結果發(fā)現(xiàn):R1270制冷量與R22基本一樣，但R1270制冷系統(tǒng)的能效比要比R22高12.3%，同時R1270的充灌量僅為22充灌量的30.7%，比R22的充灌量減少了69.3%。

2)與R22相比，R1270的排氣溫度可以降低8℃，這可以增加系統(tǒng)壽命和可靠性。R1270制冷系統(tǒng)的制冷量可以滿足原來R22制冷系統(tǒng)，作為R22的替代工質是一種好的選擇。

3)R1270在家用空調中應用的主要不足是R1270的可燃性，制冷系統(tǒng)的壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和管路等部件都有可能造成工質的泄漏，而溫控器、繼電器和電機等電器原件都有可能是點燃源。為了保證安全運行，家用空調應為封閉的制冷系統(tǒng)，所有的連接管路為焊接，室內外機應采用快速連接接頭，所有設備的結構應盡可能簡單，盡量減少R1270的制冷劑充灌量，將制冷系統(tǒng)和空調原件分別設置在不同的空間內，冷凝器的風扇應是壓送空氣，避免泄漏的R1270與風扇電機接觸，室內保持經(jīng)常通風，由于R1270的密度大于空氣密度，因此室外機要安裝在地勢低處，以避免R1270在空氣中擴散。

(本文受廣東省教育部產(chǎn)學研結合項目(2009B09030 0052)資助。The project was suppored by the cooperation project in industry, education and research of Guangdong province and Ministry of Education of P.R.China(2009B09030 0052).)

[1] D Jung, Y Song, B Park. Performance of HCFC22 alternative refrigerants [J]. Int. J. Refrigeration. 2000, 23:466–474.

[2] K Park, D Jung. Performance of alternative refrigerants for residential air conditioning applications [J]. Appl.Energy, 2007, 84: 985–991.

[3] 何國庚，劉璇斐. R290在小型空調器中替代R22的優(yōu)勢與問題及其解決措施[J]. 制冷與空調，2008，8(2):58-62. (He Guogeng，Liu Xuanfei. The advantages and problems and their solutions of small air-conditioner using R290 to substitute R22 [J]. Refrigeration and Airconditioning，2008，8(2):58-62.)

[4] 寧靜紅, 彭苗, 李慧宇. R290家用空調的替代與應用研究[J]. 流體機械, 2007, 5(4): 26-28.(Ning Jinghong,Peng Miao, Li Huiyu. Study of replacement and application of R290 in domestic air-conditioning [J].Fluid Machinery, 2007, 5(4): 26-28.)

[5] 劉麗剛. R290在家用空調中替代R22的實驗研究[J].順德職業(yè)技術學院學報, 2006, 34(12): 72-75. (Liu Ligang. Experimental study on replacement of R22 by R290 in household air conditioner[J]. Journal of Shunde Polytechnic, 2006, 34(12): 72-75.)

[6] 任挪穎, 晏剛, 宋飛. 天然工質丙烯替代R22的性能分析[J]. 家電科技, 2006, 3: 44-46. (Ren Nuoying, Yan Gang,Song Fei. Performance analysis of natural refrigerant propylene as substitute for R22 [J]. Household Appliances Technology, 2006, 3: 44-46.)

[7] 吳業(yè)正.制冷與低溫技術原理[M].北京:高等教育出版社, 北京: 2004.

[8] GB/T 7725-2004, 房間空調調節(jié)器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2004.