鐘志鋒 唐唯爾 周曉芳 何國(guó)庚 蔡德華 朱奕豪

(1環(huán)境保護(hù)部對(duì)外合作中心項(xiàng)目三處 北京 100035)

(2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430074)

1 引言

由于對(duì)臭氧層的破壞作用和全球氣候變暖趨勢(shì)的日益嚴(yán)重，國(guó)際社會(huì)相繼簽訂的《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》開始了對(duì)作為常用制冷劑的CFCs和HCFCs物質(zhì)的禁用進(jìn)程，以及對(duì)高GWP的HFCs的限制減排進(jìn)程尤其是2007年召開的第19屆蒙特利爾締約國(guó)會(huì)議達(dá)成了加速淘汰HCFCs物質(zhì)的決議，作為房間空調(diào)器制冷劑的HCFC22的應(yīng)用因而受到極大沖擊，HCFC22的替代已經(jīng)成為制冷空調(diào)界的迫切任務(wù)。

碳?xì)浠衔镒鳛橹评鋭┰?jīng)在制冷空調(diào)行業(yè)發(fā)展初期得到應(yīng)用，由于其強(qiáng)可燃性的特點(diǎn)，在安全性更為優(yōu)越的CFCs和HCFCs出現(xiàn)后拒絕逐漸被取代。但由于碳?xì)浠衔锸翘烊淮嬖诘奈镔|(zhì)，與自然的親和性已經(jīng)延續(xù)了數(shù)百萬(wàn)年，其ODP和GWP值均為0，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何危害［1］。從對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期安全來(lái)看，重新起用自然工質(zhì)是一種非常理智的選擇。

R290作為一種新型的制冷劑，具有無(wú)可替代的巨大優(yōu)勢(shì):首先，它具有優(yōu)良的熱力性能和低廉的價(jià)格，而且與普通潤(rùn)滑油和機(jī)械結(jié)構(gòu)材料具有兼容，ODP為0，GWP很小，并不需要合成，不改變自然界碳?xì)浠衔锏暮?，?duì)溫室效應(yīng)沒有直接影響。其次，R290的主要物理性質(zhì)與R22極其相近，可采用R22系統(tǒng)，不對(duì)原機(jī)和生產(chǎn)線進(jìn)行改造，可直接灌裝丙烷，屬于直接替代物，被用作直接替代R22作為四級(jí)復(fù)疊循環(huán)的高溫級(jí)制冷劑［2］，或者作為混合制冷劑的主要成分應(yīng)用于熱泵［3］。由于R290導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱效率高，粘度小，流動(dòng)阻力下降，減少了壓縮機(jī)的壓縮功，綜合結(jié)果使得R22系統(tǒng)充灌R290之后在制冷量大致相當(dāng)?shù)那闆r下，其能效比要高于R22系統(tǒng)10%—15%左右，明顯要優(yōu)于R22［4-5］。由中國(guó)環(huán)境保護(hù)部對(duì)外合作中心確定的中國(guó)房間空調(diào)器行業(yè)HCFC淘汰管理計(jì)劃(HPMP)明確推薦R290為房間空調(diào)器R22首選替代物，并獲得聯(lián)合國(guó)多邊基金資助將18條R22房間空調(diào)器生產(chǎn)線改造為R290房間空調(diào)器生產(chǎn)線。

然而，R290具有可燃性和爆炸性，這是R290房間空調(diào)器面臨的一個(gè)主要的問題。R290的燃點(diǎn)為468℃，在空氣中的燃燒極限為2.1%—9.5%(體積分?jǐn)?shù))，這就導(dǎo)致R290房間空調(diào)器出現(xiàn)制冷劑泄漏后存在安全性隱患［6］。對(duì)于R290在分體式空調(diào)器發(fā)生泄漏后R290在空調(diào)房間內(nèi)的濃度分布，一些研究者已經(jīng)進(jìn)行了一些相關(guān)的研究，指出在允許的R290充灌量條件下，一旦發(fā)生嚴(yán)重泄漏，即分體式空調(diào)器中充灌的R290在一定時(shí)間內(nèi)全部泄漏出來(lái)，會(huì)在空調(diào)房間的局部位置會(huì)出現(xiàn)超過(guò)R290燃燒下限的情況，從而帶來(lái)安全隱患［7-8］。然而實(shí)際上，分體式空調(diào)器的冷凝器和蒸發(fā)器分別置于空調(diào)房間外和空調(diào)房間內(nèi)，中間通過(guò)連接管連接，一次深入研究R290制冷劑在分體式空調(diào)器內(nèi)各部分的分布情況，可以為R290分體式空調(diào)器的安全性設(shè)計(jì)提供有力的支持。本文將以目前使用量最大的1P和1.5P分體式空調(diào)器為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞N分體式空調(diào)器在運(yùn)行過(guò)程中和停機(jī)后R290在分體式空調(diào)器內(nèi)的分布情況，提出R290分體式空調(diào)器的安全性設(shè)計(jì)建議。

2 R290 的安全性問題及其解決辦法

R290應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)的研究是近十余年制冷劑替代研究的一個(gè)重要方面，對(duì)于R290在房間空調(diào)器中的應(yīng)用，考慮到安全性問題，一些國(guó)際組織和國(guó)家已經(jīng)制定了一些相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)R290在制冷空調(diào)系統(tǒng)中的充灌量進(jìn)行限制，文獻(xiàn)［9］對(duì)此進(jìn)行了綜述和展望。對(duì)于R290在房間空調(diào)器中的充灌量限制，國(guó)際電工協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)IEC60335-2-40:2007和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN378:2008均給出了一致的限制條件，這個(gè)限制條件綜合考慮了采用可燃制冷劑的房間空調(diào)器的使用面積、燃燒下限和最大充灌量之間的關(guān)系，如式(1)所示:

式中:Mmax為空調(diào)系統(tǒng)的最大制冷劑充灌量，kg;LFL為制冷劑的燃燒下限，kg/m3;h0為空調(diào)器安裝高度，m;A為使用空調(diào)器的房間面積，m2。

式(1)考慮了制冷劑泄漏后可能產(chǎn)生的燃燒和爆炸危險(xiǎn)而計(jì)算得到的最大充灌量，在采用R290制冷劑充灌系統(tǒng)時(shí)，必須考慮這個(gè)最大充灌量，使R290的充灌量必須低于這個(gè)最大充灌量。對(duì)于R290房間空調(diào)器，其最大充灌量與房間面積與安裝高度的關(guān)系如表1所示。

表1 IEC60335-2-40規(guī)定的R290在房間空調(diào)器中最大允許充灌量Table 1 Maximum permissible charge in R290 room air conditioner of IEC60335-2-40 provisions

為滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高房間空調(diào)器安全性，其 主要措施就是盡可能地減少充灌量。目前主要通過(guò)優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)減少充灌量，采取的方法有:

(1)優(yōu)化冷凝器與蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和流程組織，減少內(nèi)容積，強(qiáng)化傳熱;

(2)優(yōu)化壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，縮小壓縮機(jī)內(nèi)空腔容積;

(3)優(yōu)化R290氣液分離器，盡量縮小氣液分離器的大小。

通過(guò)上述措施控制制冷系統(tǒng)的總內(nèi)容積，使得R290的充灌量盡量減少，以滿足R290房間空調(diào)器中的充灌量控制在容許的充灌量范圍內(nèi)的。在盡量減少灌注量的同時(shí)，還應(yīng)考慮采取一定的安全措施，盡可能減少制冷劑泄漏及泄漏后的制冷劑與點(diǎn)火源的接觸。本文則是試圖通過(guò)對(duì)R290分體式空調(diào)器系統(tǒng)的制冷劑分布特性研究，從分布規(guī)律中尋找出一種解決R290安全性問題的新方法。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

當(dāng)R290家用空調(diào)運(yùn)行時(shí)，其制冷劑在系統(tǒng)各個(gè)部分的分布是不同的，在室內(nèi)機(jī)部分的分布對(duì)發(fā)生泄漏時(shí)的泄漏量會(huì)有很大的影響。因此，分析制冷劑在系統(tǒng)特別是在室內(nèi)機(jī)部分的分布情況可以更好的研究R290空調(diào)使用的安全性問題。

目前測(cè)量制冷劑分布的方法主要有液氮法(LNM)和在線稱重法(OMM)兩種方法。LNM是一種需要在測(cè)量部件兩側(cè)安裝電磁閥，當(dāng)系統(tǒng)在測(cè)量工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉電磁閥，將制冷劑隔離在測(cè)量部件中，利用液氮的低溫將容器中的氣體液化，從而產(chǎn)生低壓環(huán)境將測(cè)量部件中的制冷劑抽到容器中稱重，通過(guò)測(cè)量容器重量的增加得到制冷劑重量的一種方法;OMM則是直接將測(cè)量部件放置在天平上進(jìn)行制冷劑質(zhì)量實(shí)時(shí)測(cè)量的一種方法［8］。由于OMM方法中測(cè)量部件與制冷劑質(zhì)量的差別不能太大，否則精度會(huì)降低，因此本實(shí)驗(yàn)主要采用類似LNM的方法。

實(shí)驗(yàn)機(jī)采用R290專用壓縮機(jī)的1P和1.5P冷暖機(jī)，其中室外機(jī)部分采用Φ5 mm的冷凝管，蒸發(fā)器采用Φ7 mm的蒸發(fā)管。實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬用戶的正常使用環(huán)境，在制冷模式下進(jìn)行測(cè)量，原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic of experimental system

在系統(tǒng)內(nèi)部增加電磁閥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和手閥A、B、C、D將整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)分成蒸發(fā)器、氣體連接管、液體連接管、冷凝器、壓縮機(jī)低壓側(cè)和壓縮機(jī)高壓側(cè)6部分，其中壓縮機(jī)低壓側(cè)指電磁閥Ⅱ到壓縮機(jī)之間的部分，包含儲(chǔ)液器，壓縮機(jī)高壓側(cè)則是壓縮機(jī)到電磁閥Ⅰ之間的部分。由于空調(diào)結(jié)構(gòu)尺寸原因，毛細(xì)管及部分電磁閥與手閥需安裝在連接管道上。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁閥和手閥開關(guān)，測(cè)量泄漏出來(lái)的制冷劑質(zhì)量即可得知各部分制冷劑的分布量。

由于目前電磁閥的單向關(guān)閉特性，因此實(shí)驗(yàn)需要遵循一定的步驟進(jìn)行以防止電磁閥的功能失效。實(shí)驗(yàn)步驟如下:所有閥門關(guān)閉后，只開啟手閥D，即可測(cè)量蒸發(fā)器中制冷劑的分布量;然后再開啟電磁閥Ⅳ，即可測(cè)量氣體連接管中制冷劑的分布量;再開啟電磁閥Ⅴ后即可測(cè)量液體連接管中制冷劑的分布量;同理，開啟手閥A，B，C后分別可以測(cè)量冷凝器、壓縮機(jī)高壓側(cè)和壓縮機(jī)低壓側(cè)的制冷劑分布量。

為了更好地模擬出家庭用戶環(huán)境，整套系統(tǒng)放置在普通房間里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并未設(shè)置冷凝和蒸發(fā)溫度，因?yàn)檫@樣在室溫下模擬能夠更好地探究家庭用戶使用時(shí)的安全性問題。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1 開機(jī)狀態(tài)下的制冷劑分布

將系統(tǒng)安裝在普通的房間中進(jìn)行試驗(yàn)，開啟制冷模式待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后按照上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行測(cè)量，便可得到開機(jī)狀態(tài)下制冷劑分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 開機(jī)狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results in running state

由于系統(tǒng)內(nèi)部有一定的空間，因此可以根據(jù)換熱器的尺寸以及各個(gè)零部件的尺寸計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)體積，最后計(jì)算得到1P機(jī)的內(nèi)體積約為1.43×10-3m3，1.5P 機(jī)的內(nèi)體積約為 1.69 ×10-3m3。按照R290在常溫常壓下的密度計(jì)算其在系統(tǒng)內(nèi)體積里面的殘留量，發(fā)現(xiàn)1P機(jī)和1.5P機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部殘留量分別為2.58 g和3.05 g，跟實(shí)驗(yàn)稱重的結(jié)果相加與充灌量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)最大誤差為2.38%，誤差標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)生產(chǎn)上屬于可以接受的范圍內(nèi)，因此認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是有效的。對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到1P和1.5P機(jī)器的制冷劑分布折線圖如圖2和圖3所示。

圖2 1P機(jī)開機(jī)狀態(tài)下各組件的R290質(zhì)量分布折線圖Fig.2 R290 mass distribution in components in running state of 1P split air-conditioner

圖3 1.5P機(jī)開機(jī)狀態(tài)下各組件的R290質(zhì)量分布折線圖Fig.3 R290 mass distribution in components in running state of 1.5P split air-conditioner

由圖2和圖3中可以看出，開機(jī)狀態(tài)下，冷凝器和蒸發(fā)器里面的R290制冷劑分布量與充灌量基本呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，其它部件的制冷劑分布量基本上沒有太大變化，這是由于這些部件由于空間尺寸的限制，內(nèi)部制冷劑的壓力已經(jīng)達(dá)到飽和，因此隨著充灌量的增加變化不大;而由于壓縮機(jī)低壓側(cè)部分包含了儲(chǔ)液器，所以分布量比較大。

若以毛細(xì)管為界，把系統(tǒng)分為兩個(gè)部分:系統(tǒng)高壓側(cè)和系統(tǒng)低壓側(cè)。系統(tǒng)高壓側(cè)由冷凝器和壓縮機(jī)高壓側(cè)組成;低壓側(cè)則包括蒸發(fā)器、氣體連接管、液體連接管以及壓縮機(jī)低壓側(cè)。則系統(tǒng)的高低壓側(cè)分布由圖4和圖5所示。由圖4和圖5可以看出，在1P的情況下，系統(tǒng)低壓側(cè)和高壓側(cè)的制冷劑分布量基本呈線性增長(zhǎng)，而1.5P的情況下系統(tǒng)低壓側(cè)在400 g充灌量的情況下并不是線性增長(zhǎng)的，這是因?yàn)槌涔嗔枯^大的情況下系統(tǒng)的低壓側(cè)已被充滿，里面的氣體壓力已接近飽和，因此高壓側(cè)急劇增長(zhǎng)到與低壓側(cè)質(zhì)量相近的地步。這也是圖3中蒸發(fā)器中制冷劑的質(zhì)量沒有隨著充灌量線性增長(zhǎng)的原因。

圖4 1P機(jī)開機(jī)狀態(tài)下高低壓側(cè)R290質(zhì)量分布柱狀圖Fig.4 R290 mass distribution in high and low pressure side in running state of 1P split air-conditioner

圖5 1.5P機(jī)開機(jī)狀態(tài)下高低壓側(cè)R290質(zhì)量分布柱狀圖Fig.5 R290 mass distribution in high and low pressure side in running state of 1.5P split air-conditioner

4.2 關(guān)機(jī)狀態(tài)下的制冷劑分布

將系統(tǒng)安裝在普通的房間中進(jìn)行試驗(yàn)，開啟制冷模式待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后停機(jī)，并在停機(jī)1.5小時(shí)后再關(guān)掉所有閥門，按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行測(cè)量，得到的關(guān)機(jī)狀態(tài)下制冷劑分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，關(guān)機(jī)狀態(tài)下的結(jié)果跟開機(jī)狀態(tài)下有很大的不同，關(guān)機(jī)狀態(tài)下蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑分布量較大，占整個(gè)充灌量的60%—70%。

表3 關(guān)機(jī)狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results in shutting down state

關(guān)機(jī)狀態(tài)下1P和1.5P機(jī)器的制冷劑分布折線圖如圖6和圖7所示。圖6和圖7表明，隨著充灌量的增加，主要是蒸發(fā)器內(nèi)部的制冷劑量在增加，其它部件的制冷劑分布基本上保持不變。由此可見，在停機(jī)狀態(tài)下，制冷劑會(huì)在室內(nèi)機(jī)部分出現(xiàn)聚集的現(xiàn)象，這對(duì)R290空調(diào)的安全性是非常不利的。

同樣，把整個(gè)系統(tǒng)分為系統(tǒng)高壓側(cè)和低壓側(cè)兩個(gè)部分，則關(guān)機(jī)狀態(tài)下這兩個(gè)部分的制冷劑分布柱狀圖如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可以看出，系統(tǒng)的低壓側(cè)部分制冷劑分布量要遠(yuǎn)大于系統(tǒng)高壓側(cè)部分，隨著充灌量的增加，系統(tǒng)低壓側(cè)部分的制冷劑量基本上沒有增加。與開機(jī)狀況下的分布對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)的制冷劑分布量少了很多，而低壓側(cè)的分布量相應(yīng)地增加了很多，達(dá)到了占整個(gè)充灌量的85%—92%，這是由于關(guān)機(jī)后室外機(jī)部分的制冷劑在室外機(jī)(高壓側(cè))和室內(nèi)機(jī)(低壓側(cè))壓力差的作用下繼續(xù)向室內(nèi)機(jī)部分遷移導(dǎo)致的結(jié)果，這對(duì)于室內(nèi)機(jī)發(fā)生泄漏時(shí)房間的安全性是一個(gè)很大的考驗(yàn)。

圖6 1P機(jī)關(guān)機(jī)狀態(tài)下各組件的R290質(zhì)量分布折線圖Fig.6 R290 mass distribution in components in shutting down state of 1P split air-conditioner

圖7 1.5P機(jī)關(guān)機(jī)狀態(tài)下各組件的R290質(zhì)量分布折線圖Fig.7 R290 mass distribution in components in shutting down state of 1.5P split air-conditioner

圖8 1P機(jī)關(guān)機(jī)狀態(tài)下高低壓側(cè)R290質(zhì)量分布柱狀圖Fig.8 R290 mass distribution in high and low pressure side in shutting down state of 1P split air-conditioner

圖9 1.5P機(jī)關(guān)機(jī)狀態(tài)下高低壓側(cè)R290質(zhì)量分布柱狀圖Fig.9 R290 mass distribution in high and low pressure side in shutting down state of 1.5P split air-conditioner

從上述不同機(jī)組、不同充灌量和不同狀態(tài)下R290在分體式空調(diào)器中的分布規(guī)律中，可以考慮在毛細(xì)管附近安裝一個(gè)電磁閥門，這樣在空調(diào)系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)可截?cái)喙苈?，防止關(guān)機(jī)后室外機(jī)的制冷劑遷移到室內(nèi)機(jī)，即使室內(nèi)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重泄漏，泄漏到室內(nèi)的R290的量也只有整個(gè)分體式空調(diào)器R290充灌量的50%—60%，大大減少了泄漏到室內(nèi)空間的R290的量，從而可以提高R290分體式空調(diào)器的安全性。

5 結(jié)論

R290是R22的主要替代工質(zhì)之一，它具有低成本，高能效，更環(huán)保的顯著優(yōu)點(diǎn)，但具有可燃性的缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)R290分體式空調(diào)器的制冷劑分布規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，從而對(duì)R290分體式空調(diào)器的安全性設(shè)計(jì)提出建議，得到結(jié)果如下:

(1)開機(jī)狀態(tài)下冷凝器中的制冷劑分布量最多，且隨著充灌量的增加其制冷劑分布量會(huì)線性增加;

(2)開機(jī)狀態(tài)下整個(gè)低壓側(cè)的制冷劑分布量最多，約占系統(tǒng)充灌量的50%—60%;

(3)關(guān)機(jī)狀態(tài)下蒸發(fā)器中的制冷劑分布量遠(yuǎn)大于其它各個(gè)部分，且隨著充灌量的增加，蒸發(fā)器中的制冷劑分布量是增加的，而其它部分的制冷劑分布量基本上保持不變;

(4)關(guān)機(jī)狀態(tài)下整個(gè)低壓側(cè)的制冷劑分布量占系統(tǒng)充灌量的85%—92%，這是由于關(guān)機(jī)時(shí)原本在冷凝器中的制冷劑在壓力的作用下繼續(xù)向低壓側(cè)流動(dòng)導(dǎo)致的;

(5)制熱模式下，關(guān)機(jī)后制冷劑主要聚集在室外側(cè)的蒸發(fā)器部分，這種情況對(duì)R290房間空調(diào)器的安全性很有好處，因?yàn)橐坏┌l(fā)生泄漏，室內(nèi)機(jī)部分的制冷劑量很少。

(6)制冷模式下，可以在毛細(xì)管處加一個(gè)自動(dòng)控制的閥門，在系統(tǒng)停機(jī)后自動(dòng)關(guān)閉，切斷冷凝器與蒸發(fā)器之間的連接，這樣可以防止停機(jī)后冷凝器中的制冷劑遷移到蒸發(fā)器中來(lái)，從而減少室內(nèi)側(cè)制冷劑的聚集，提高制冷劑泄漏情況下的安全性。但是這種方法所帶來(lái)的實(shí)際效果需要進(jìn)一步深入研究。

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