林創(chuàng)輝

(廣東申菱空調(diào)設(shè)備有限公司,佛山528313)

1 前 言

臭氧層破壞和全球氣候變暖,是當(dāng)前世界所面臨的主要環(huán)境問(wèn)題之一。由于制冷行業(yè)目前廣泛采用的CFCs與HCFCs類物質(zhì)對(duì)臭氧層有破壞作用以及產(chǎn)生溫室效應(yīng),從而使全球的制冷行業(yè)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn),對(duì)CFCs與HCFCs的替代已成定局。聯(lián)合國(guó)環(huán)境保護(hù)署于1987年在加拿大的蒙特利爾通過(guò)了 《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》(簡(jiǎn)稱 《蒙特利爾議定書(shū)》),規(guī)定了停止使用CFCs類物質(zhì)的時(shí)間表。2007年9月21日,參加 《蒙特利爾議定書(shū)》締結(jié)20周年紀(jì)念活動(dòng)和議定書(shū)第19次締約方大會(huì)的代表在加拿大蒙特利爾達(dá)成了關(guān)于調(diào)整蒙特利爾議定書(shū)的協(xié)議,決定在全球范圍內(nèi)加速HCFCs的淘汰進(jìn)程:對(duì)于議定書(shū)第5條第1款下的國(guó)家 (發(fā)展中國(guó)家),選擇2009年或2010年消費(fèi)和生產(chǎn)的各自平均值作為基線;并且到2013年凍結(jié)消費(fèi)和生產(chǎn)在該基線水平上;最終淘汰期限提前至2030年。這促使空調(diào)整機(jī)廠家必須在2013年完成對(duì)R22的替代。

因此,尋找環(huán)保型制冷劑,就成為當(dāng)前制冷行業(yè)迫切而又熱門的話題之一。環(huán)保型制冷劑現(xiàn)有的CFCs類物質(zhì)品種繁多[1],性能優(yōu)良,應(yīng)用范圍較廣,因此尋找合適替代CFCs的工作一直在進(jìn)行。

近年來(lái)R410A逐漸成為環(huán)保制冷劑的主流之一,但因?yàn)镽410A制冷劑的專利掌握在杜邦、霍尼韋爾、大金等外國(guó)公司手中,其高昂的專利附加價(jià)格對(duì)中國(guó)參與國(guó)際空調(diào)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)非常不利,因此,國(guó)家環(huán)保部希望中國(guó)能走一條自己的環(huán)保制冷劑路線,而非被歐美和日本牽著鼻子繼續(xù)走R410A路線。

本項(xiàng)目是根據(jù)國(guó)家環(huán)保部的部署的精神,進(jìn)行R32水冷單元機(jī)樣機(jī)的測(cè)試,研究R32水冷樣機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)與R410A樣機(jī)的測(cè)試對(duì)比情況。R32制冷劑樣機(jī)測(cè)試研究工作,可能影響中國(guó)未來(lái)的環(huán)保制冷劑走向,如果得到正面結(jié)論,我國(guó)有可能在家用和輕型商用空調(diào)領(lǐng)域推廣R32制冷劑,因此本項(xiàng)目也是對(duì)我國(guó)未來(lái)環(huán)保制冷劑替代的一次有益嘗試。

2 R32制冷劑介紹

R32是R410A的一個(gè)組分,性能與 R410A相近,使用上較為放心,單工質(zhì),無(wú)專利限制,市場(chǎng)可獲得性好,價(jià)格便宜,國(guó)內(nèi)有大量生產(chǎn)。GWP只有675(R410A為2100),COP與R410A相當(dāng);但排氣溫度較高,約比R410A系統(tǒng)高18℃。

表1 R22、R32與R410A基本物性參數(shù)表[2]

從表1的對(duì)比分析可知:

(1)環(huán)保性能方面,R32的GWP為675,僅為R22的37.3%,僅為 R410A的32.1%,其全球變暖系數(shù)更低,環(huán)保性能更好,同時(shí),其ODP值為0,對(duì)臭氧層無(wú)破壞,是一種較理想的環(huán)保制冷劑。

(2)大氣壽命方面,R32的大氣壽命僅為R22的40.8%,大大的縮短了在大氣中存在的時(shí)間,因此較R22縮短了對(duì)氣候影響時(shí)間。

(3)燃燒性,從表2各種可燃制冷劑的可燃性極限可以看出,R32的可燃性最弱,處于“不可燃”的邊緣,燃燒下限LFL,僅為0.306kg/m3,是2類可燃制冷劑中可燃性最低的一種 (僅次于NH3)。

表2 幾種可燃制冷劑的可燃性極限參數(shù)

3 R32與R22和R410A理論循環(huán)性能分析

按照標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)ARI工況 (蒸發(fā)溫度7.2℃,吸氣溫度35℃,冷凝溫度54.4℃,過(guò)冷度8.3℃)和各種工質(zhì)的物理性能,根據(jù)理論循環(huán)計(jì)算得出三種制冷劑的各項(xiàng)參數(shù)如表3。

從表3的數(shù)據(jù)分析可知:

(1)在壓力方面,R32和R410A基本相當(dāng),是R22的1.6倍左右,壓比三者近似。

(2)單位制冷量和容積制冷量R32＞R410A＞R22。

(3)COP上看R22最高,R410A較低。

(4)由于R32和R410A屬HFCs工質(zhì),這兩種工質(zhì)不能使用礦物油和烷基苯油,而應(yīng)使用POE油和其它可溶性潤(rùn)滑油(其中R32排氣溫度最高119℃,要注意油的高溫特性),當(dāng)選擇彈性或塑性材料作為系統(tǒng)部件以及在選擇干燥劑時(shí),需要綜合考慮工質(zhì)與其配套的潤(rùn)滑油性質(zhì)。

表3 R22、R32與R410A理論循環(huán)計(jì)算參數(shù)表[3]

(5)綜合系統(tǒng)壓力和潤(rùn)滑油的差異,使用R32代替R22作為系統(tǒng)制冷劑時(shí),系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)壓縮機(jī)及相關(guān)部件,但R32在R410A系統(tǒng)上直接替代應(yīng)用是完全可能的。

4 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

為了檢測(cè)三種制冷劑在實(shí)際應(yīng)用中的效果,測(cè)試機(jī)組工況環(huán)境通過(guò)焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái) (配有工況機(jī)、電加熱器和加濕器)來(lái)模擬,根據(jù)GB/T 17758-2010標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。在所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置中,制冷量是通過(guò)測(cè)定空調(diào)機(jī)進(jìn)、出口的空氣干、濕球溫度和空氣流量確定,然后將三者的測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算得到的 (進(jìn)出風(fēng)焓差乘空氣流量)。

圖1 空氣式焓差測(cè)試裝置

如圖1所示,系統(tǒng)中空氣側(cè)進(jìn)出口都設(shè)置有干濕球溫度傳感器,配置空氣流量測(cè)量裝置,在水冷冷凝器的進(jìn)出水口設(shè)置進(jìn)出水溫度傳感器,和進(jìn)水管路上設(shè)置了渦輪流量計(jì),這些測(cè)點(diǎn)的布置為分析系統(tǒng)的熱力性能提供具體的實(shí)測(cè)值。通過(guò)冷卻水系統(tǒng)中冷卻塔和電加熱器調(diào)節(jié)帶走測(cè)試機(jī)組負(fù)荷。

本實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)制冷量30kW的水冷單元式空調(diào)機(jī),分別采用三種制冷劑R22、R32和R410A,在實(shí)驗(yàn)室同樣的工況下 (水冷單元空調(diào)機(jī)國(guó)標(biāo)名義制冷工況下)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,對(duì)比各制冷系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

由于三種制冷劑不同,管路及制冷系統(tǒng)換熱器容積有所不同,在測(cè)試過(guò)程需調(diào)節(jié)機(jī)組在不同形式制冷系統(tǒng)下的制冷劑充注量,將機(jī)組制冷系統(tǒng)調(diào)試至最佳,測(cè)試機(jī)組的在各工況下,不同制冷劑配置下的性能,分析水冷單元機(jī)制冷系統(tǒng)[4]中三種不同制冷劑的性能及測(cè)試情況,得出測(cè)試結(jié)論。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在水冷單元式空調(diào)機(jī)的名義制冷工況下,對(duì)三種不同制冷劑的制冷系統(tǒng)做對(duì)比測(cè)試,可得到表4中的數(shù)據(jù)。

表4 名義工況下R22、R32與R410A實(shí)際測(cè)試結(jié)果參數(shù)表

根據(jù)表4參數(shù),如果按R410A的參數(shù)設(shè)計(jì)為100%,則其它兩種制冷劑的相對(duì)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 名義工況下R22、R32與R410A實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

根據(jù)表4和表5中測(cè)試及分析數(shù)據(jù)的分析如下。

5.1 制冷量

與R410A相比,采用R32后,機(jī)組的制冷量由30.86kW提高至33.18kW,提高幅度為7.5%。與R22相比,采用 R32后,機(jī)組的制冷量由29.99kW提高至33.18kW,提高幅度為10.3%。這是因?yàn)镽32的單位容積制冷量較大,使得在相同的壓縮機(jī)排氣量下,R32的制冷量自然要比R410A和R22要大些。

5.2 EER

與R410A相比,采用R32后,機(jī)組的COP由3.52提高至3.68,提高幅度為4.5%,同時(shí)比R22提高6.8%。這說(shuō)明R32制冷劑系統(tǒng)的效率確實(shí)是比R410A和R22系統(tǒng)稍高,這和理論循環(huán)計(jì)算結(jié)果相符。

5.3 運(yùn)行壓力

與R410A相比,采用R32后,機(jī)組的運(yùn)行壓力稍微高一些,約為1%～3%,比R22高約52%,這也與理論循環(huán)計(jì)算結(jié)果相符。

5.4 排氣溫度

與R410A相比,采用R32后,機(jī)組的排氣稍微高些,名義制冷工況下R32排氣溫度為79.1℃,比R410A系統(tǒng)61.6℃的排氣溫度約高29.2%,比R22高21.2%,而在最大負(fù)荷和內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)工況下則基本相同,與理論循環(huán)計(jì)算中15～20℃的相符。

5.5 制冷劑充注量

與R410A或R22相比,采用R32后,機(jī)組的制冷劑充注量可以稍有減少,這是因?yàn)镽32的單位質(zhì)量制冷量較大,因此在制冷量變化不大情況下,可減少充注量。

綜合各項(xiàng)性能參數(shù),R32冷媒在R410A或R22水冷型機(jī)組上直接替換應(yīng)用時(shí),制冷量和COP均有一定的改善,系統(tǒng)運(yùn)行壓力變化不大,排氣溫度有一定的提高,但仍處于安全范圍內(nèi),從直接替代后R32系統(tǒng)運(yùn)行的制冷量和能效比等技術(shù)性能上看,具有直接替代應(yīng)用的可行性。

6 R32應(yīng)用前景分析

6.1 R32在風(fēng)冷機(jī)組上的應(yīng)用問(wèn)題

R32制冷系統(tǒng)的其中一個(gè)重要缺陷是排氣溫度較高,壓縮機(jī)容易過(guò)熱,該現(xiàn)象雖然在水冷機(jī)上表現(xiàn)并不明顯,但對(duì)于風(fēng)冷機(jī)組來(lái)說(shuō),其高排溫還是具有一定風(fēng)險(xiǎn)?？赏ㄟ^(guò)增設(shè)噴液冷卻裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣溫度的限制,因此,R32制冷劑在風(fēng)冷機(jī)組上的應(yīng)用,理論上是可以實(shí)現(xiàn)的,但實(shí)際應(yīng)用上還需要考慮增加噴液冷卻等附加裝置,增加了制冷系統(tǒng)的復(fù)雜程度和運(yùn)行可靠性等因素。

6.2 R32的安全性問(wèn)題

R32另一個(gè)重要缺陷是有一定的可燃性 (Mild flammability),安全級(jí)別很可能為A2L;允許最大充注量在舒適空調(diào)/熱泵機(jī)組中,比R290約大10倍(R290為 0.008kg/m3房間體積),約為0.08kg/m3房間體積,根據(jù)目前的空調(diào)設(shè)計(jì)和選型,R32制冷劑可應(yīng)用的最大容量約為30kW的機(jī)組。可知,正如R290目前只在冰箱上的應(yīng)用一樣,R32在空調(diào)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用必然受到一定的限制,只適用于30kW以下的家用和輕商空調(diào)領(lǐng)域。

6.3 R32制冷劑的當(dāng)前應(yīng)用情況

據(jù)了解,目前各大壓縮機(jī)及配件生產(chǎn)商還沒(méi)有相關(guān)壓縮機(jī)產(chǎn)品。網(wǎng)上也沒(méi)找到有關(guān) R32專用壓縮機(jī)的信息。這說(shuō)明目前R32制冷劑系統(tǒng)并未進(jìn)入實(shí)用化階段。但目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有較多的壓縮機(jī)和配件廠商相繼投入R32的研究,隨著研究的深入,R32制冷劑的推廣應(yīng)用只是時(shí)間問(wèn)題而已。

7 結(jié)論

(1)R32是R410A的一個(gè)組分,性能與R410A相近,R32的GWP為675,僅為R22的37.3%,僅為R410A的32.1%,其全球變暖系數(shù)更低,環(huán)保性能更好,同時(shí),其ODP值為0,對(duì)臭氧層無(wú)破壞,是一種較理想的環(huán)保制冷劑。使用上較為放心,單工質(zhì),無(wú)專利限制,市場(chǎng)可獲得性好,價(jià)格相對(duì)便宜,國(guó)內(nèi)有大量生產(chǎn)。

(2)綜合理論循環(huán)分析參數(shù)和樣機(jī)測(cè)試的各項(xiàng)性能參數(shù),R32冷媒在R410A水冷型機(jī)組上直接替換應(yīng)用時(shí),制冷量和COP均有一定的改善,系統(tǒng)運(yùn)行壓力變化不大,排氣溫度有一定的提高,但仍處于安全范圍內(nèi),具有替代應(yīng)用的可行性。

(3)考慮產(chǎn)品安全性,R32制冷劑在30kW制冷容量以內(nèi)的機(jī)組上,無(wú)論是風(fēng)冷還是水冷機(jī)組,均具有一定的應(yīng)用前景,其性價(jià)比高于R410A機(jī)組。

因此,綜合以上分析,R32具有替代R410A的潛力。

[1]任金祿.制冷劑發(fā)展歷程[J].制冷與空調(diào),2009,9(3):41-44

[2]曹德勝,史琳.制冷劑使用手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003

[3]丁國(guó)良,張春路,趙力.制冷空調(diào)新工質(zhì)——熱特理性質(zhì)的計(jì)算方法與實(shí)用圖表[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003

[4]吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1993