何鎧鋒，陳志勤（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510641）

R161/R13I1/R32混合物替代R22的理論分析

何鎧鋒，陳志勤
（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510641）

選用R161/R134a//R32和R161/R13I1/R32三元混合工質作為R22的替代制冷劑，分析其在不同工況下的制冷循環(huán)熱力性能和可燃性，并與R22、R407C和R410A進行比較。結果表明所選的R161/ R134a/R32混合物和R161/R13I1/R32混合物均具有作為R22替代物的潛力，并且R161/R13I1/R32混合物的GWP值遠低于R32、且不可燃，優(yōu)勢更加明顯。

R161；R134a；R13I1；R32；低GWP制冷劑

氟氯烴類制冷劑淘汰限期日漸臨近，目前為止尚無一種在熱力性能、臭氧破壞、溫室效應以及可燃性上具有全面優(yōu)勢，而且將來也很可能不會出現(xiàn)［1］。而通過混合制冷劑的成分和組分優(yōu)化獲得新的替代物以滿足替代制冷劑在熱力性能、臭氧破壞、溫室效應以及可燃性上的要求，成為應對氟氯烴類制冷劑限期淘汰的重要技術路線之一。

針對R22工質的替代，研究人員已經(jīng)做過了許多研究［2-5］，包括R32、R161、R125、R227ea單工質或混合物的熱力學性能、環(huán)境性能的研究，取得了很多成果。

本文分別用R161/R134a//R32和R161/ R13I1/R32三元混合工質作為R22的替代制冷劑，分析其在不同工況下的制冷循環(huán)熱力性能，并進行其可燃燒性分析。

1　工質的選擇

從保護環(huán)境的角度出發(fā)，首先選擇GWP非常低的R161。但因為R161具有一定可燃性，所以考慮到安全性能的影響，在R161的基礎上再增加一種有阻燃性能的成分。選擇了兩種阻燃劑來分別與R161組成混合物:R134a和R13I1。并且分別在兩種混合物中再加入R32以提升制冷性能。

通過比較不同工況下的熱工性能，再考慮到可燃性的因素，選擇組分摩爾比為R161∶R134a∶R32=0.3∶0.3∶0.4，質量比為0.219∶0.465∶0.316的混合工質進行分析對比，以MIXA表示。選擇組分摩爾比為R161∶R13I1∶R32=0.3∶0.2 ∶0.5，質量比為0.181∶0.492∶0.367的混合工質進行分析對比，以MIXB表示。

采用美國國家標準與技術研究院（NIST）制冷劑物性數(shù)據(jù)庫的REFPROP9.0程序［6］進行熱力學性能計算，得到了表1中各混合物組分的相關性質，以及表2中MIXA、MIXB及其組分與R22及其主要替代物R407C與R410A的基本物理性質、環(huán)境性能等。各工質的飽和蒸汽壓如圖1所示。

圖1　MIXA、MIXB與R22、R407C、R410A的飽和壓力線

表1　混合物各組分相關性質

表2　M IXA、M IXB及R22、R407C和R410A的各種性質

由表2和圖1可知:

（1）對于臨界溫度，MIXA略小于R22，MIXB幾乎與R22相同。MIXA、MIXB臨界壓力都大于R22；

（2）ODP均為0，GWP遠小于R22及R407C 和R410A，特別是MIXB，環(huán)境性能很好；

（3）雖然存在溫度滑移但仍小于R407C；

（4）飽和蒸汽壓MIXB略高于MIXA，且均高于R22，小于R410A，變化趨勢相同。

2　MIXA與MIXB在不同工況下的性能

制冷循環(huán)的性能會隨著外界環(huán)境溫度的變化即冷凝溫度的變化而變化，因此本文計算了新工質與R22及其主要替代物R407C和R410A制冷循環(huán)的性能隨冷凝溫度變化的趨勢。計算中均采取了蒸發(fā)溫度7.2℃，吸氣過熱度11.1℃，液體過冷度8.3℃，壓縮機等熵效率取80%。

圖2至圖8為R22及其主要替代物R407C、R410A與本文所選制冷劑MIXA和MIXB的壓比、排氣溫度、性能系數(shù)COP、單位質量制冷量、單位容積制冷量和單位質量耗功量隨冷凝溫度變化的比較。

從圖中可以看出:

（1）MIXA壓比在R22與R407C之間，而MIXB幾乎與R22相同；

（2）排氣溫度MIXA與R22比較接近，MIXB略高；

（3）MIXA和MIXB的性能系數(shù)COP均略小于R22，但與主要替代物R407C和R410A非常接近；

（4）雖然單位質量制冷量MIXA遠大于其他比較工質，但就單位容積制冷量而言，MIXB雖比不上R410A，相較于R22及R407C也非常有優(yōu)勢。不過由圖9可見，在同是需要制冷8kW冷量的情況下，MIXA與R407C、R410A的耗功量都是非常接近的，均略大于R22，而MIXB更大一點。

由此看來，兩種三元混合物MIXA和MIXB在熱工性能和環(huán)境性能上均滿足了R22替代物的要求。

圖2　壓比隨冷凝溫度的變化

圖3　排氣溫度隨冷凝溫度的變化

圖4　COP隨冷凝溫度的變化

圖5　單位質量制冷量隨冷凝溫度的變化

圖6　單位容積制冷量隨冷凝溫度的變化

圖7　單位質量耗功量隨冷凝溫度的變化

圖8　單位容積耗功量隨冷凝溫度的變化

圖9　制冷量為8kW時各工質的耗功量（容積）

3　可燃性分析

要在家用空調器中使用的制冷劑，其安全性能備受關注。R22、R407C、R410A、R125等工質都是不可燃的，而R161單質雖環(huán)境性能優(yōu)異，但正是由于較強的可燃性導致其無法廣泛應用。因此，需要分析含有R161的三元混合物的可燃性能。

根據(jù)有關文獻［8］，對于兩種可燃工質與一種不可燃工質組成的混合工質的臨界抑爆濃度可用以下方法計算。

用A、B分別代表兩種可燃工質，C為不可燃工質。確定可燃工質的體積比VA/VB后，由下列方程組計算可燃組元的體積成分VA、VB及不可燃組元的臨界體積分數(shù)VCR。

由式（1）～（5）可導出方程組

式中，RAR、VCBR分別為C/A和C/B二元混合工質達到臨界抑爆體積比時C的體積分數(shù)（%）；RAC、RBC分別為A/C和B/C二元混合工質的臨界抑爆濃度比，可由相關文獻［9-13］查得。

在本文中，令A為R161工質，B為R32工質，C分別為R134a和R13I1工質。代入以上算法中，最終可得到兩種混合物的臨界抑爆濃度及可燃范圍。

表3為R161/R32/R13I1（A/B/C）臨界抑爆濃度的計算結果，表4為R161/R32/R134a（A/B/ C）臨界抑爆濃度的計算結果。

表3　R161/R32/R13I1（A/B/C）臨界抑爆濃度計算結果

表4　R161/R32/R134a（A/B/C）臨界抑爆濃度計算結果

R161/R32/R134a的可燃范圍如圖10所示，R161/R32/R13I1的可燃范圍如圖11所示?？梢姡琑161/R32/R134a混合物MIXA是可燃的，R161/ R32/R13I1混合物MIXB是不可燃的。

4　結論

（1）混合工質MIXA和MIXB的熱工特性和變工況性能表明其具有作為R22替代物的潛力；

（2）MIXA和MIXB的環(huán)境性能良好，其ODP為0，GWP值遠小于R22及其主要替代物，而且MIXB的GWP值遠小于R32，環(huán)境性能更好。

（3）MIXA仍具有一定可燃性，MIXB不可燃。且MIXB的單位容積制冷量更大些。

綜上所述，本文所選的R161/R134a/R32混合物MIXA和R161/R13I1/R32混合物MIXB均具有作為R22替代物的潛力，并且R161/R13I1/R32混合物MIXB的優(yōu)勢更加明顯。

圖10　R161/R134a/R32混合物的可燃范圍圖

圖11　R161/R13I1/R32混合物可燃范圍圖

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The Theoretical Analysis of the R22′s Substitution with R161/R13I1/R32M ixtues

HE Kaifeng，CHEN Zhiqin
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641）

The thermodynamic performance and flammability of R161/R134a//R32 and R161/R13I1/R32 three mixed refrigerantswere analyzed under different conditions，and compared with R22，R407C and R410A.The results showed that the selected mixtures of R161/R134a/R32 and R161/R13I1/R32 may be as a substitute for R22.The GWP value of R161/R13I1/R32m ixture ismuch lower than that of R32，in addition it is non-combustible.So the advantage of R161/R13I1/R32mixture ismore obvious.

R161；R134a；R13I1；R32；Alternative refrigerantswith low GWP

TB61+2文獻標示碼:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.006

ISSN1005-9180（2016）02-027-06

2016-3-28

何鎧鋒（1993-），男，本科生，研究方向:過程裝備與控制工程。

陳志勤。Email:zhqchen@scut.edu.cn