王洪利，黃杰，劉慧琴

(河北聯(lián)合大學冶金與能源學院，河北唐山063009)

0 引言

目前，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為制約人類社會高速發(fā)展的主要問題。從19世紀制冷技術出現(xiàn)到現(xiàn)在，制冷技術在空調(diào)和冰箱的應用使他漸漸地成為人們的生產(chǎn)生活中至關重要的角色。伴隨著環(huán)境問題的顯現(xiàn)和日益突出，制冷劑也經(jīng)歷了一個出現(xiàn)和不斷完善的發(fā)展歷程。自1987年《蒙特利爾議定書》簽訂以來，各國紛紛展開了對CFCs和HCFCs物質(zhì)的替代物的研究，注重臭氧保護和減小溫室效應，要求制冷劑不但要OPD 值較小，GWP 值也要較?。?］。

制冷劑的替代發(fā)展以可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境觀為首要標準，其ODP值為0，同時還要求GWP值小于150［2］。其次，制冷劑要有利于提高系統(tǒng)的能效比、安全性較好、可燃性和毒性較小、與潤滑油有良好的相溶性等特點。圖1給出了制冷劑的ODP和GWP值，圖2為制冷劑替代方向?？傊?，制冷劑的替代必須滿足全球環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展要求，制冷劑的發(fā)展與世界的可持續(xù)發(fā)展密切相關。本文對當前常用的幾種制冷劑進行了性能研究，并對未來制冷劑的發(fā)展方向做了分析。

1 制冷劑 R600a、R410a、R134a、R22、R744 和 R1234yf物性分析

目前，空調(diào)和制冷行業(yè)中使用較多的制冷劑為R410a、R134a、R22、R600a等，制冷劑的比熱、粘度、密度、導熱系數(shù)以及和潤滑油的互溶性等物性參數(shù)［3］對循環(huán)性能的影響很大，不同工況下物性參數(shù)也有很大變化，制冷劑物性對循環(huán)性能影響很大。因此，選取制冷劑時既要考慮其物理性質(zhì)對制冷性能的影響，同時還要考慮制冷劑對環(huán)境的影響。幾種常用制冷劑及新型制冷劑R1234yf等物性見表1［4］。

表1 幾種制冷劑物性

由表1可知，在蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中，制冷劑要求有較高的臨界溫度，以便在常溫及低溫下能夠液化。其次，要有較大的單位容積制冷量和熱導率。在同一工況下，當制冷量一定時，制冷劑的單位容積制冷量大，就可以減少系統(tǒng)的制冷劑容積，也可以相應的縮小壓縮機的尺寸。較高的熱導率也可以減少換熱設備的傳熱面積，節(jié)省金屬材料的消耗量。再次，制冷劑要求粘度和密度小，這樣可使制冷劑循環(huán)的流動阻力小，降低循環(huán)功耗以增強其經(jīng)濟性。

2 制冷劑 R600a、R410a、R134a、R22、R744 和 R1234yf循環(huán)性能對比

不同的制冷劑因其具有不同的熱力性能對循環(huán)性能的要求也不盡相同，所以針對不同的制冷劑設計合理的循環(huán)性能對提高壓縮機的效率也具有重要意義。本文對常用制冷劑R600a、R410a、R134a、R22、R744和R1234yf單級循環(huán)性能進行對比。圖3和圖4給出了CO2跨臨界單級循環(huán)原理和T-s圖［5］。

2.1 蒸發(fā)溫度對COP的影響

從圖5中可以看出，在合理蒸發(fā)溫度區(qū)間內(nèi)，隨著蒸發(fā)溫度的升高，幾種制冷劑的COP呈一條上升的曲線，其中以R410a的COP值最大且上升趨勢較明顯，R134a與R1234yf較為接近。所以在合理的范圍內(nèi)提高蒸發(fā)溫度有助于提高制冷機的制冷性能。

2.2 冷凝溫度對COP的影響

在圖6中，隨著冷凝器(氣體冷卻器)出口溫度［6，7］的升高，幾種制冷劑的COP值均呈下降的趨勢，其中R744的下降趨勢比較明顯，相同冷凝溫度下具有較大的COP值，所以R744制冷劑具有很大的開發(fā)潛力。在實際運行中，可適當降低冷凝器(氣體冷卻器)的出口溫度提高壓縮機的效率。

圖5 COP隨蒸發(fā)溫度的變化

2.3 排氣壓力對COP的影響

由圖7可以看出，R22，R134a，以及R600a制冷系統(tǒng)都是在較低的運行壓力下工作的，在臨界壓力之后系統(tǒng)COP急劇下降。R744制冷系統(tǒng)運行壓力較高且在某一范圍內(nèi)隨壓力升高COP值也急劇增大到極值。但是較高的壓力對現(xiàn)有替代設備提出了更高的要求，壓力過大必然會導致氣體泄漏的隱患增大，這又為R744制冷劑的開發(fā)帶來難度。隨著排氣壓力的變化，R134a和R1234yf的COP具有相同的變化趨勢，這為兩種制冷劑的替代提供了可能。

總之，制冷劑制冷性能的好壞要看他在制冷機要求的工作條件(即高溫熱源溫度TH、低溫熱源溫度TL)下，是否有滿意的理論循環(huán)特性，這主要取決于制冷劑的熱力性質(zhì)。要求:冷凝壓力不高;蒸發(fā)壓力在常壓以上或接近大氣壓力;壓比適中;排氣溫度不高;單位制冷量大;循環(huán)性能好、流動性能好。幾種常用制冷劑及新型制冷劑R1234yf的性能見表2。

表2 幾種制冷劑的性能

3 未來制冷劑的發(fā)展及要求

隨著時代的進步，制冷劑的發(fā)展也經(jīng)歷了一個逐步完善的過程，替代制冷劑從無到有在不斷更新和完善。每一種替代制冷劑的出現(xiàn)都是朝著制冷性能不斷提高的方向發(fā)展的。在當今環(huán)境問題日益突出的大背景下，零ODP和低GWP制冷劑被積極開發(fā)。

目前制冷劑的替代主要有兩種方向［8］:一種是以歐盟國家為代表的自然工質(zhì)替代物，如R744、R717等;另一種是以美國和日本為代表的HCFC替代物，如R1234yf。自然工質(zhì)對大氣環(huán)境無害，重新利用自然工質(zhì)是可取的;研發(fā)環(huán)境友好型的合成制冷劑也是未來發(fā)展的一個重要方向。自然工質(zhì)R744和新型合成制冷劑R1234yf都具有零ODP和小GWP值，而且R1234yf具有與當前使用最多的R134a類似的性能，完全有可能在不更新設備的情況下完成替代。

［1］ D.W.Fahey.Ozone Depletion and GlobalWarming:Advancing the Science.In:Pr℃eedings of the Tenth International Refrigeration and Air Conditioning Conference，Purdue University，2004.

［2］ K.Senthil Kumar，K.Rajagopal.Computational and experimental investigation of low ODPand low GWPHCFC-123 and HC-290 refrigerantmixture alternate to CFC-12 ［J］.Energy Conversion and Management，2007，48(12):3053-3062.

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［8］ 王如竹.制冷學科進展研究與發(fā)展報告［M］.北京:科學出版社，2007.