馬玉奇,徐中華,劉慶赟,郭軍港,侯延慧,孟兆菊
( 青島海爾空調(diào)器有限總公司,青島 266101 )
R32冷媒在柜機(jī)空調(diào)上的應(yīng)用研究
馬玉奇,徐中華,劉慶赟,郭軍港,侯延慧,孟兆菊
( 青島海爾空調(diào)器有限總公司,青島 266101 )
本文分析對比了R22、R410A、R32的熱物性和環(huán)保性、安全性,開發(fā)了R32冷媒的圓形定頻和變頻柜機(jī),介紹了其性能和安全可靠性設(shè)計(jì)開發(fā)思路和做法,對采用R32冷媒前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,指出其中的差異原因,并提出下一步研究的方向。
R32環(huán)保制冷劑替代;柜機(jī);試驗(yàn)研究
以R22為代表的傳統(tǒng)制冷劑HCFCS不僅會破壞臭氧層,還具有較高的溫室效應(yīng)。2007年《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議,通過了加速淘汰HCFCS的方案。要求首先淘汰那些臭氧損耗潛值ODP值較高的HCFCS,其次要選用GWP值最小的工質(zhì)做替代品。而關(guān)于R22的替代物的研究出現(xiàn)了兩種不同的方向,一種是以德國和部分北歐國家為代表的主張采用天然工質(zhì)為替代物,如R717、R290、CO2等。但天然工質(zhì)替代品具有易燃性或超高制冷循環(huán)壓力的缺點(diǎn)。另一種是以美日為代表的主張開發(fā)HCFCS混合工質(zhì)替代物,如R134a、R407C、R410A等。目前市場上替代R22的制冷劑主要是R410A,但其GWP值仍較高,一旦泄漏會造成明顯的溫室效應(yīng)。因此仍須研究具有較低GWP值的環(huán)保制冷劑。R32(二氟甲烷)ODP值為0,GWP值僅為R410A的1/3,高能效、高制冷(熱)量和熱導(dǎo)率,可減少冷媒充注量,減少兩器和壓縮機(jī)排量,低壓差,低毒性,較之R410A屬于單一工質(zhì)易操作和回收。其具有與R410A相近的熱力參數(shù),泄漏時與R22相比相對CO2排放量減排比例可達(dá)77.6%。此外,R32國內(nèi)已有大量生產(chǎn),價格便宜,無專利侵權(quán)問題,只需在現(xiàn)有R22生產(chǎn)線上稍作整改即可生產(chǎn)R32。被認(rèn)為最具有潛力的替代R410A和R22的環(huán)保制冷劑。R32的安全性為A2(無毒可燃),可以通過對其降低泄漏風(fēng)險及泄漏后采取安全措施的設(shè)計(jì)降低R32的可燃性。因此,從環(huán)保安全、經(jīng)濟(jì)適用、成本優(yōu)化的角度出發(fā),R32替代R22和R410A是很有研究意義的,而R32在柜機(jī)空調(diào)上的應(yīng)用研究卻鮮見有關(guān)報(bào)道,本文以開發(fā)的R32冷媒圓形定頻和變頻柜機(jī)空調(diào)為例,分析討論R32冷媒與R22、R410A冷媒的性能對比和安全可靠性設(shè)計(jì)差異。以期為R32冷媒的更大范圍的應(yīng)用推廣及研究提供相關(guān)參考和依據(jù)[1-8]。
在美國ARI standard 520標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的空調(diào)工況下(蒸發(fā)溫度為7.2℃,冷凝溫度為54.4℃,過熱度為11.1℃,過冷度為8.3℃),壓縮機(jī)等焓效率為0.75時,通過熱力學(xué)計(jì)算,得到R22、R410A、R32的熱工性能對比如表1所示。
表1 R22/R410A/R32冷媒的熱工性能對比
制冷劑R22R410AR32分子式CHF2CLR32/R125(50/50)CH2F2分子量(g/mol)86.4772.5852.02GWP18102100675ODP0.05500泄漏相對CO2排放量18101764405沸點(diǎn)(℃)-40.8-51.4-51.7相對充注量10.840.6臨界溫度(℃)96.171.3678.1臨界壓力(MPa)4.984.95.78蒸發(fā)壓力(MPa)0.631.041.03冷凝壓力(MPa)2.183.493.52排氣溫度(℃)100.497.6122.2性能系數(shù)COP3.432.993.15單位質(zhì)量制冷量(kJ/kg)151.8142.4231.5單位體積制冷量(kJ/m3)3779.65212.65876.1
由表1可知R32是R410A的組分之一(R32與R125各50%),R32相對于R22僅需0.6倍的充注量、相對于R410A也只需0.71倍的充注量??梢允褂酶∨帕康膲嚎s機(jī)和氣液分離器。此外,R32還有著較高的傳熱系數(shù)、汽化潛熱、較大的比熱和較低的粘度,因此它的流動阻力低、傳熱性能好。可以通過減少散熱面積或管徑優(yōu)化節(jié)省換熱器材料,減小設(shè)備尺寸,提高循環(huán)效率。R32比R410A飽和蒸汽壓力略高,但非常接近,所以更換R32制冷劑,原R410A空調(diào)器的壓力部件不需要更改。但是,由于R32的排氣溫度最高,應(yīng)用時需注意解決耐壓問題。本次開發(fā)以之前已經(jīng)量產(chǎn)的定頻R22、變頻R410A圓形2匹、3匹柜機(jī)為母本,在標(biāo)準(zhǔn)焓差空調(diào)器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》規(guī)定的額定制冷和額定制熱工況進(jìn)行,保留原有機(jī)型性能參數(shù)和能效不變,僅更換R32冷媒,同時保持殼體尺寸、內(nèi)外機(jī)送風(fēng)系統(tǒng)不變,調(diào)整壓縮機(jī)排量、兩器大小、冷媒充注量、儲液器、節(jié)流元件、聯(lián)機(jī)管管徑等。制作樣機(jī)對比測試分析研究前后性能差異。
按照上述思路制作樣機(jī)對比測試數(shù)據(jù)如表2至表5。
表2 72定頻柜機(jī)測試數(shù)據(jù)及配置對比
72機(jī)R32冷媒定頻熱泵72機(jī)R22冷媒定頻熱泵測試類型額定制冷額定制熱額定制冷額定制熱室內(nèi)側(cè)制冷(熱)量(W)7396791273367996運(yùn)行功率(W)2286233523722373能效比(W/W)3.243.393.093.37排氣溫度(℃)88.1687.5680.7477.4吸氣溫度(℃)8.610.646.060.83過冷管組規(guī)格(mm)620×1.6+530×1.4600×2.0+700×1.8壓縮機(jī)排量(ml/rev)26.442.5冷媒量(g)18002650內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器2排4路分流44根Φ7發(fā)卡管2排6路分流50根Φ7發(fā)卡管外機(jī)冷凝器2排3路分流26根Φ9.522排3路分流26根Φ9.52儲液器無有聯(lián)機(jī)管管徑(mm)6.35/12.76.35/15.88
表3 50定頻柜機(jī)測試數(shù)據(jù)及配置對比
50機(jī)R32冷媒定頻熱泵50機(jī)R22冷媒定頻熱泵測試類型額定制冷額定制熱額定制冷額定制熱室內(nèi)側(cè)制冷(熱)量(W)5517576953585748運(yùn)行功率(W)1655167416531684能效比(W/W)3.333.453.243.41排氣溫度(℃)68.0683.1479.382.7吸氣溫度(℃)11.471.180.4過冷管組規(guī)格(mm)620×1.6+950×1.4520×1.8+680×1.6壓縮機(jī)排量(ml/rev)19.730.7冷媒量(g)15002000內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器4路分流37根Φ7發(fā)卡管4路分流37根Φ7發(fā)卡管外機(jī)冷凝器2排4路分流26根Φ7發(fā)卡管2排3路分流22根Φ9.52發(fā)卡管儲液器無無聯(lián)機(jī)管管徑(mm)6.35/12.76.35/12.7
表4 72變頻柜機(jī)測試數(shù)據(jù)及配置對比
72R32變頻熱泵72R410A熱泵變頻測試類型額定制冷中間制冷1/4制冷額定制熱中間制熱1/4制熱額定制冷中間制冷1/4制冷額定制熱中間制熱1/4制熱室內(nèi)側(cè)制冷(熱)量(W)709235942076908844942295721136091869892845592670運(yùn)行功率(W)229991149731581095548254293247231721098604能效比(W/W)3.083.954.182.884.104.192.843.873.962.814.154.42排氣溫度(℃)90.4171.2360.9967.1964.894078.7761.5748.7659.958.0443.39吸氣溫度(℃)11.7919.0124.76-1.370.9746.7916.5619.6-2.170.52.71頻率(HZ)58.5171276341763.52512763518壓縮機(jī)排量(ml/rev)2222冷媒量(g)13201650內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器4路分流兩排33根Φ7發(fā)卡管4路分流兩排37根Φ7發(fā)卡管外機(jī)冷凝器6路分流30根雙排Φ7發(fā)卡管6路分流30根Φ7發(fā)卡管儲液器無無聯(lián)機(jī)管管徑(mm)6.35/12.76.35/12.7
表5 50變頻柜機(jī)測試數(shù)據(jù)及配置對比
50R32變頻熱泵50R410A熱泵變頻測試類型額定制冷中間制冷額定制熱中間制熱額定制冷中間制冷額定制熱中間制熱室內(nèi)側(cè)制冷(熱)量(W)53922782710536685287257171993556運(yùn)行功率(W)1589609.524038131682.85589.062110.28758.45能效比(W/W)3.394.562.964.513.144.363.414.69排氣溫度(℃)82.467.1592.8662.767956.179.754.60吸氣溫度v9.419.170.823.813.118.4-0.62.5頻率(HZ)7030964569278840壓縮機(jī)排量(ml/rev)1414冷媒量(g)11501420內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器4路分流單排25根Φ7發(fā)卡管4路分流2排33根Φ7發(fā)卡管外機(jī)冷凝器4路分流2排26根Φ7發(fā)卡管4路分流2排26根Φ7發(fā)卡管儲液器無無聯(lián)機(jī)管管徑(mm)6.35/9.526.35/12.7
由以上測試數(shù)據(jù)可知:
(1)更換為R32冷媒后,72定頻機(jī)和50變頻機(jī)粗管聯(lián)機(jī)管管徑可采用由之前的15.88和12.7縮減為12.7和9.52,另外72定頻機(jī)之前的儲液器去除,這是因?yàn)镽32冷媒的沸騰換熱系數(shù)更高,蒸發(fā)壓力更高,對壓降損失較為不敏感,R32冷媒的密度低,灌注量少,黏度低,壓損低,加之R32冷媒的制冷模式時最佳充注量與制熱模式時最佳充注量之差小于采用R22和R410A的2種模式下最佳充注量之差,從而可能去掉儲液器。
(2)內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器72熱泵由之前的2排6路分流50根Φ7發(fā)卡管縮減為2排4路分流44根Φ7發(fā)卡管,72變頻機(jī)由4路分流兩排37根Φ7發(fā)卡管縮減為4路分流兩排33根Φ7發(fā)卡管,50變頻機(jī)由4路分流2排33根Φ7發(fā)卡管縮減為4路分流單排蒸發(fā)器25根Φ7發(fā)卡管。外機(jī)冷凝器50定頻機(jī)由2排22根Φ9.52發(fā)卡管縮減為2排26根Φ7發(fā)卡管,都是因?yàn)镽32冷媒有著較高的傳熱系數(shù)、汽化潛熱、較大的比熱和較低的粘度,因此它的流動阻力低、傳熱性能好,可以通過減少散熱面積或管徑來優(yōu)化系統(tǒng),節(jié)省換熱器材料,提高循環(huán)效率。同時R32冷媒具有流速慢的特點(diǎn),需要減少流路,提高流速強(qiáng)化換熱。故72定頻機(jī)內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器由6路變?yōu)?路。
(3)R32冷媒定頻機(jī)的過冷管組節(jié)流量增加很多,主、副毛細(xì)管內(nèi)徑減小,長度加長,而變頻機(jī)的電子膨脹閥開度也變小。這是因?yàn)镽32冷媒的排氣溫度較高時才能發(fā)揮出高的能力和能效,對應(yīng)的節(jié)流元件流量需減小。
(4)定頻機(jī)除72定頻熱泵制熱量較之前R22冷媒有所降低外,其余能力能效都有大幅提升。變頻機(jī)除72機(jī)中間制熱和1/4制熱,50機(jī)額定制熱和中間制熱外,其余能效比都有所提高,出現(xiàn)這種差異是因?yàn)橹暗膬善鞒杀究s減造成壓縮機(jī)功耗上升。
(5)72定頻機(jī)壓機(jī)排量由42.5ml/rev減少到26.4ml/rev,50定頻機(jī)壓機(jī)排量由30.7ml/rev減少到19.7ml/rev,與之前理論分析一致。變頻機(jī)排量則沒有變化。這是因?yàn)镽32和R410A的飽和蒸汽壓力比較接近,相同條件下R32的容積制冷量也僅比R410A高出約2.5%,因此,在R32變頻壓縮機(jī)的開發(fā)中可以有效借用R410A的泵體結(jié)構(gòu)。僅更換潤滑油即可。
(6)排氣溫度除個別試驗(yàn)項(xiàng)目外,其余排氣、回氣都有所上升,但溫度均為可控范圍。說明完全可以通過優(yōu)化冷媒量和系統(tǒng)配置的方法控制排氣溫度不致過高。
(7)72定頻機(jī)冷媒充注量由2650g變?yōu)?800g,50定頻機(jī)冷媒量由2000g變?yōu)?500g。72變頻機(jī)冷媒充注量由1650g變?yōu)?320g,50變頻機(jī)冷媒量由1420g變?yōu)?150g。與之前理論相對充注量相比偏高,是為保證相同性能參數(shù)以及控制排氣溫度不致過高而增加的充注量。
R32具有微可燃性,R32發(fā)生泄漏后一般不會發(fā)生爆炸事故,僅有可能在泄漏點(diǎn)附近遇明火發(fā)生火災(zāi)。R32的泄漏引發(fā)的爆炸事故為空調(diào)柜機(jī)附近的局部區(qū)域。要通過降低泄漏風(fēng)險及泄漏后采取安全措施的設(shè)計(jì)降低R32的可燃性。電器及控制系統(tǒng)需采用防爆或隔爆等防護(hù)措施,空調(diào)所用材料要求強(qiáng)度高、密封、耐油、壽命長[19]。針對上述思路主要做了以下安全和可靠性設(shè)計(jì)提升:
(1)因R32冷媒運(yùn)行壓力較高,造成管路振動較大,因此壓縮機(jī)尤其是72機(jī)優(yōu)選雙轉(zhuǎn)子壓機(jī)。
(2)內(nèi)機(jī)電腦板采用防爆件,其中保險絲采用陶瓷型,電容器采用P2防爆電容。外機(jī)交流接觸器采用具有防爆認(rèn)證的部件,并增加防爆盒防護(hù)。
(3)內(nèi)外機(jī)在醒目位置增加若干警示標(biāo)貼,提醒用戶使用和售后安裝時注意。說明書中應(yīng)要求采用整根連機(jī)線。說明書中應(yīng)推薦將連機(jī)管接頭盡可能放到室外側(cè),如不能放到室外側(cè),不可拆卸一段必須安裝在室內(nèi)側(cè)。
(4)電器設(shè)計(jì)應(yīng)滿足防火需求,充分考慮元器件的規(guī)格與容量,選用符合點(diǎn)燃測試要求的元件。
(5)電機(jī)優(yōu)先考慮直流無刷電機(jī)代替可能產(chǎn)生火花的交流有刷電機(jī);優(yōu)先考慮塑封電機(jī)代替鐵殼電機(jī)。
(6)空調(diào)器所有部件最高溫度必須低于制冷劑燃點(diǎn)100℃以上(R32不允許超過540℃),尤其注意電加熱在最惡劣情況下應(yīng)保證表面溫度滿足要求。降低電加熱功率由之前的2100/2500W變?yōu)?500W/1800W。
(7)換熱器必須兩端均有管板固定,防止換熱器運(yùn)輸過程中發(fā)生位移和形變導(dǎo)致泄露。
(8)換熱器的發(fā)卡管必須在空調(diào)器外殼內(nèi),不允許直接暴露在外部,防止意外損傷破壞發(fā)卡管,導(dǎo)致制冷劑泄露。尤其注意室外冷凝器非焊接一段的銅管。
(9)截止閥外部應(yīng)增加截止閥罩,以保護(hù)截止閥和連機(jī)管免收機(jī)械損傷。連接管室內(nèi)端應(yīng)采用防拆卸接頭。喇叭口不允許重復(fù)使用,如重復(fù)使用連機(jī)管應(yīng)重新加工喇叭口。
(10)管路(包括毛細(xì)管)與側(cè)板、后護(hù)板、罩殼等結(jié)構(gòu)部件的間隙應(yīng)不小于10mm。蒸發(fā)器上的分液頭、彎管等管路不能碰觸到電氣箱體。
(11)空調(diào)器外殼應(yīng)該能夠有效防止靜電產(chǎn)生,塑料外殼應(yīng)設(shè)計(jì)成為在正常使用維護(hù)和進(jìn)行清潔的情況下能避免產(chǎn)生引燃危險的防靜電結(jié)構(gòu)。
除滿足現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外,還應(yīng)注意:
R32制冷劑排氣溫度高,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)特別注意監(jiān)控排氣溫度,尤其是惡劣工況的排氣溫度。制熱過負(fù)載試驗(yàn)、制冷過負(fù)載試驗(yàn)、電壓波動試驗(yàn)、風(fēng)量切換試驗(yàn),在壓機(jī)的保護(hù)控制能正常動作下,排氣溫度被控制在110℃以下??煽啃詫?shí)驗(yàn)測試時應(yīng)監(jiān)控空調(diào)實(shí)際運(yùn)行時間(壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)),檢測排氣溫度,如初次使用的壓縮機(jī)(新牌號潤滑油)、新的閥部件,實(shí)驗(yàn)完成后壓縮機(jī)與四通閥、電子膨脹閥、截止閥需要解剖確認(rèn)。
通過對定頻和變頻圓形柜機(jī)空調(diào)上應(yīng)用R32冷媒的性能試驗(yàn)和安全性可靠性的研究,得出如下結(jié)論:
(1)利用R32冷媒的沸騰換熱系數(shù)高、粘度低、充注量少、能效高的特點(diǎn),對換熱器換熱面積和管徑進(jìn)行優(yōu)化,甚至可以縮減聯(lián)機(jī)管管徑以及去掉儲液器。
(2)節(jié)流元件的流量較之R22和R410A冷媒要減少,才能發(fā)揮出R32高能力高能效的特點(diǎn)。
(3)R32冷媒充注量較之R22和R410A減少,但幅度不及理論值。
(4)R32冷媒排氣溫度較之R22和R410A有所上升,但通過冷媒充注量和系統(tǒng)配置調(diào)整均可控制在壓機(jī)運(yùn)行要求范圍內(nèi)。
(5)變頻機(jī)可采用同R410A同排量壓縮機(jī),僅更換潤滑油,定頻機(jī)排量則僅相當(dāng)于之前的62%~64%。
(6)作為安全性和可靠性設(shè)計(jì),要從降低泄漏風(fēng)險及泄漏后采取安全措施的設(shè)計(jì)的思路來開展。
通過以上的研究得知,從環(huán)保安全、經(jīng)濟(jì)適用、成本優(yōu)化的角度出發(fā),R32替代R22和R410A是很有市場前景和現(xiàn)實(shí)意義的。只要加大政府給與足夠的政策支持,加大宣傳力度,消除民眾對于其“可燃”的恐慌心理,相關(guān)科研院所和企業(yè)深入研究,加強(qiáng)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,一定會實(shí)現(xiàn)R32的推廣應(yīng)用。
[1] 陳偉,祁影霞,張華.HCFCS制冷劑替代物研究進(jìn)展及性能分析[J].低溫與超導(dǎo),2011,39(12):41-44
[2] 朱明善,史琳.在家用/商用空調(diào)中用R32替代R22的探索[J].制冷與空調(diào),2011,30(3):1-5[3] 王朝鑫,朱興旺,龔毅.R32灌注式替代R410A家用空調(diào)的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2011,39(7):65-67[4] 梅奎,李明,梁路軍.R32和R410A循環(huán)特性對比研究[J].制冷與空調(diào),2011,11(2):56-59
[5] 林小茁,趙薰,江輝民.R32替代R22的可行性探討[J].制冷與空調(diào),2011,11(2):73-77
[6] 賈磊,史敏,張秀平,等.合成類HCFCS替代制冷劑的研究進(jìn)展[J].制冷與空調(diào),2011,11(1):116-120
[7] 林創(chuàng)輝.制冷劑R32的性能及其在空調(diào)機(jī)上的應(yīng)用研究[J].制冷,2009,9(6):60-64
[8] 張龍,劉煜.制冷劑R32在空調(diào)應(yīng)用上的理論分析[J].制冷與空調(diào),2010,10(3):76-78
[9] 汪訓(xùn)昌.R32的15項(xiàng)基本專利的解讀與評析[J].制冷與空調(diào),2012,12(4):71-84
[10] 汪訓(xùn)昌.R32的15項(xiàng)基本專利的解讀與評析(續(xù))[J].制冷與空調(diào),2012,12(5):59-68
[11] 李炅,張秀平,賈磊,等.R32管內(nèi)流動傳熱特性的分析與討論[J].流體機(jī)械,2012,40(12):74-79
[12] 莊嶸,涂小蘋,梁祥飛.R32在家用空調(diào)器中的應(yīng)用研究[J].制冷與空調(diào),2013,13(5):35-39
[13] 楊申音,王勤,唐黎明,等.常規(guī)空調(diào)熱泵系統(tǒng)的R32替代研究述評[J].制冷學(xué)報(bào),2013,34(6):59-68
[14] 孟照峰,王芳,李堂,等.冬季工況下R32熱泵性能的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2015,43(2):66-69
[15] 霍智峰,陳政文,姜允濤.環(huán)保工質(zhì)R32替代R22理論分析和測試[J].低溫建筑技術(shù),2011,(5):113-114
[16] 馬小魁,王利.基于R32制冷劑的翅片管換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].制冷與空調(diào),2015,15(7):26-30
[17] 矢島龍三郎,吉見敦史,樸春成.降低R32壓縮機(jī)排氣溫度的方法[J].制冷與空調(diào),2011,11(2):60-64
[18] 韓曉紅,徐英杰,仇宇,等.制冷劑R32的循環(huán)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào),2010,10(2):68-70
[19] 謝翔,許鵬.R32在家用空調(diào)器中的應(yīng)用研究[J].制冷與空調(diào),2012,12(6):58-60
Research on the Application of R32 in the Cabinet Air Conditioner
MA Yuqi,XU Zhonghua,LIU Qingyun,GUO Jungang,HOU Yanhui,MENG Zhaoju
( Qingdao Haier Air Conditioner Gen.Corp.,Qingdao 266101 )
The thermophysical properties、friendly environmental performance、safety of R22,R410A,R32 refrigerant is comparatively analyzed.A series of R32 refrigerant fixed and convertible frequency circular cabinet air conditioner is developed,The thought of development and measures of improving the performance、safety and reliability is introduced.The experimental data differences between using R32 and other refrigerant is comparatively analyzed, the reason of the difference is pointed out.The future study directions are explored.
R32 Alternative of environmental refrigerants;Cabinet air conditioner;Test and study
2016-7-23
馬玉奇(1981-),男,碩士研究生,工程師,主要從事柜式空調(diào)開發(fā)工作。Email:myq296@163.com
ISSN1005-9180(2017)02-010-06
TU831.7 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:A
10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.003