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        制冷劑R290的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

        2018-12-06 05:47:46趙文祥孟皓陳
        資源節(jié)約與環(huán)保 2018年11期
        關(guān)鍵詞:空調(diào)器光化學(xué)制冷系統(tǒng)

        趙文祥孟 皓陳 霏

        (1紅蘇省環(huán)境經(jīng)濟技術(shù)國際合作中心 江蘇南京 210036 2揚州市環(huán)境監(jiān)測中心站 江蘇揚州 225009)

        引言

        制冷劑由來已久,據(jù)J.M.Calm[1,2]描述,其發(fā)展可分為4個階段:第一階段[3,4](1830-1930)的制冷劑原則上是能用即可,主要有醚類、CO2、NH3等溶劑和揮發(fā)性介質(zhì),大多可燃,有毒或二者兼有,且有些具有強腐蝕性和不穩(wěn)定性,常發(fā)生事故。第二階段[1,4](1931-1990)人們追求安全耐久的制冷劑,主要包括氟氯烴(CFCs)、含氫氯氟烴(HCFCs)等,如 CFC-12、HCFC-22(R22)等。雖具有熱力性能優(yōu)良、無毒、不燃、能適應(yīng)不同溫度區(qū)域等特點,但CFCs類制冷劑消耗臭氧潛能值(ODP)和全球變暖潛能值(GWP)較高,會導(dǎo)致臭氧層破壞,增加溫室效應(yīng);作為CFCs替代品的HCFCs雖有所改進,但仍屬于消耗臭氧層物質(zhì),會給地球環(huán)境和人類健康造成嚴重影響。為此,國際社會于1987年簽署《蒙特利爾議定書》,先后制定了CFCs與HCFCs淘汰條款。第三階段[1-2](1991-2010)出現(xiàn)了以氫氟碳化物(HFCs)等為主的替代制冷劑,雖然對臭氧層無害,但仍具有較強的溫室效應(yīng),已于2016年10月被納入《蒙特利爾議定書》基加利修正案,進行相應(yīng)的削減限控。第四階段[1,2](2010年之后)主要研發(fā)應(yīng)用零ODP、低GWP的第四代天然制冷劑,碳氫類物質(zhì),如丙烷(R290)等為當(dāng)前主要候選物質(zhì)。R290作為我國空調(diào)行業(yè)制冷劑HCFC-22的主要替代品之一,許多國內(nèi)外學(xué)者對其在空調(diào)中的替代應(yīng)用,包括系統(tǒng)改良以及防火防爆等方面開展了大量研究。本文將對這些研究分析總結(jié),旨在說明R290在制冷領(lǐng)域的研究進展與替代可行性,并為后續(xù)研究及推廣應(yīng)用提供參考。

        1 物性研究

        1.1 基本熱力學(xué)性質(zhì)

        此前空調(diào)行業(yè)主要采用R22為制冷劑,其熱力性能優(yōu)良,但ODP為0.055,GWP為1700,不僅對臭氧層有很強的破壞作用,且屬于超級溫室氣體,對環(huán)境的破壞作用極大。因此,根據(jù)《蒙特利爾議定書》的要求,到2030年,我國房間空調(diào)器行業(yè)將全面淘汰R22,僅保留少量用于維修。由表1可知,R290的基本熱力學(xué)性質(zhì)與R22很接近,且ODP為0,GWP只有3,是比較理想的R22替代物質(zhì),唯一缺點是燃爆性。

        表1 R290與R22基本熱力性質(zhì)

        1.2 燃爆性研究

        童明偉等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)R290發(fā)生爆炸危險需滿足兩個條件:與空氣的混合濃度在2.5%-8.9%;溫度在810℃以上。然而在實際過程中,這兩種情況同時發(fā)生的幾率極小。因此只要在設(shè)計和運行中做好相應(yīng)的防備工作,在制冷機組中使用R290冷媒是安全可行的。張網(wǎng)等[7]通過20L球爆炸實驗裝置發(fā)現(xiàn),R290在空氣中體積分數(shù)為4%-6%時爆炸壓力較大。

        郭春輝等[8]通過模擬R290空調(diào)器的泄露發(fā)現(xiàn),對于安裝高度為2.8m、充注量為300g的壁掛式空調(diào)器,泄漏孔徑在0.7mm以下時,使用空間的R290濃度是安全的;對于地面擺放的整體式空調(diào)器,泄漏孔徑為0.2 mm及以上時,在高度0.75 m以下的局部空間會出現(xiàn)R290濃度超標(biāo)。因此,限制R290充注量、減少制冷劑泄漏時濃度超限、隔絕火源以及提高泄漏后安全防控能力等措施,可保證R290在房間空調(diào)器的安全使用。

        1.3 與制冷系統(tǒng)的兼容性

        R290的基本熱力性質(zhì)決定其可以作為冷媒,而與目前制冷系統(tǒng)的兼容性則影響其快速推廣應(yīng)用。劉玉東等[10]參照相關(guān)標(biāo)準,在試驗溫度(130±1)℃、壓力(1.0-1.1)MPa的條件下對 R290與制冷系統(tǒng)材料相容性進行了試驗研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)各試件顏色、形狀、質(zhì)量等各方面均無明顯變化,表明R290與銅、鐵、鋼、漆包線、潤滑油等材料有良好的相容性。

        1.4 光化學(xué)煙霧反應(yīng)

        使用R290的另一個問題是存在光化學(xué)煙霧污染的環(huán)境風(fēng)險。何國庚等[9]通過對光化學(xué)煙霧反應(yīng)的機理研究發(fā)現(xiàn),氮氧化物的存在及其分解產(chǎn)生原子氧是光化學(xué)煙霧化學(xué)反應(yīng)的先決條件,碳氫化合物則是形成光化學(xué)煙霧污染的中間環(huán)節(jié)。R290在制冷系統(tǒng)中灌裝量很小,且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,參與光化學(xué)煙霧形成的能力較弱,因此使用R290冷媒不會對光化學(xué)煙霧形成產(chǎn)生明顯影響。

        2 應(yīng)用研究

        2.1 制冷性能研究

        張振亞等[11]分別對R22兩種主要替代工質(zhì)R32和R290在空調(diào)系統(tǒng)進行了綜合性能測試,發(fā)現(xiàn)R32系統(tǒng)較R290系統(tǒng)具有較高的排氣溫度,壓比高7%左右,整體能效比低約3.7%。R290絕熱指數(shù)小,導(dǎo)熱系數(shù)大,可降低能耗,提高輸氣系數(shù),且R290系統(tǒng)換熱器壓降小于R32系統(tǒng),有助于提高系統(tǒng)的效率。

        肖友元等[12]對R290在家用空調(diào)器中的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn),R290分子量較小,粘度低,可大大減少系統(tǒng)回路的沿程阻力,且汽化潛熱值約為R22的1.84倍,可使用緊湊式換熱器,減少充注量,達到相關(guān)標(biāo)準要求;R290絕熱指數(shù)小,導(dǎo)熱系數(shù)大,可降低能耗,相同配置的空調(diào)器能耗比,R290比R22高10%左右。

        在大多數(shù)窗式空調(diào)中R290可以作為R22替代工質(zhì),Teng T P 等[13]在不同室外溫度(26,29,32℃)及不同灌裝量(25%-70%)條件下在一臺制冷量為2.0KW的R22窗式空調(diào)中進行R290的替代試驗研究。結(jié)果表明,R290冷媒的最佳灌裝量在原R22空調(diào)系統(tǒng)的50%╞55%之間,且能效比提高約20%。用R290替代R22的窗式空調(diào)可有效提升能效比并減少碳排放。

        2.2 灌注量研究

        為保證R290空調(diào)系統(tǒng)的安全性,并達到相關(guān)標(biāo)準要求,可減少R290的灌注量,保證即使發(fā)生制冷劑短時間全部泄露也不會發(fā)生事故。Corberán JM等[14]對R290充注量的優(yōu)化研究表明,制冷劑主要存在于蒸發(fā)器和冷凝器中,部分存在壓縮機部件里,極少部分在管路中。冷凝器與蒸發(fā)器的傳熱效果對空調(diào)系統(tǒng)性能影響很大。因此可減小換熱器管徑、優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)與流程組織,降低充注量,保證安全,提升能效。

        賈慶賢等[15]分別對分體機充注R410A與R290進行性能實驗,結(jié)果表明:采用4mm管換熱器制冷量優(yōu)于原5mm管換熱器,且充注量減少約20%,具有明顯的經(jīng)濟效益和安全效益。Cavallini A等[16]將采用微通道管殼式換熱器的100KWR290熱泵與傳統(tǒng)的板式換熱器進行能效和灌注量進行對比。研究表明,在不使用儲液器情況下,采用微通道管殼式換熱器可將R290的灌注量從3kg減少到2.2kg,而性能幾乎不變。

        平行流換熱器是一種高效緊湊式微通道熱交換器,外形緊湊、換熱效率高。有研究表明,采用平行流換熱器的系統(tǒng)比管帶式換熱器的系統(tǒng),更能有效降低灌注量,并提高能效比[16-18]。

        2.3 防火防爆

        研究發(fā)現(xiàn),在保證制冷性能的前提下,R290的灌注量較少,且其燃點較高(468℃),燃燒極限為2.1%-9.5%,同時滿足爆炸條件的概率較低。為保證R290的制冷系統(tǒng)安全運行,可采用封閉的制冷系統(tǒng);連接管路均采用焊接并改善管材及焊接工藝;減少灌注量;采用防爆電器;增加檢測儀等方式來防范R290的爆炸事故[9]。

        冼志健[20]在R290家用空調(diào)器可靠性設(shè)計研究中指出,空調(diào)器在非工作狀態(tài)時,應(yīng)通過結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計使制冷劑盡量貯存在室外機內(nèi),且只要在設(shè)計和生產(chǎn)時嚴格遵守相關(guān)安全標(biāo)準,并在說明書等方面提示使用者注意按規(guī)范操作,R290作為家用空調(diào)器的制冷工質(zhì)是安全的。

        2.4 生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀

        我國是空調(diào)生產(chǎn)大國,隨著環(huán)保制冷劑的推廣,近幾年R290的應(yīng)用逐漸增多,具體見表2。

        在國際上,歐盟國家中,德國、瑞典等國家支持把R290作為房間空調(diào)器行業(yè)制冷劑替代方案,特別是歐洲F-gas法案的實施,使得歐洲在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)中大量采用R290;在亞洲,鄰國印度也已經(jīng)實現(xiàn)了R290空調(diào)的市場化,印度本土空調(diào)制造商Godrej公司已經(jīng)累計銷售了超過25萬臺R290空調(diào)。

        表2 國內(nèi)R290發(fā)展情況

        結(jié)語

        R290作為天然工質(zhì),基本熱力學(xué)性質(zhì)與R22十分接近,同時具有ODP為0,GWP很低的環(huán)保特性以及獲取容易,成本低廉的市場優(yōu)勢。因此,可作為R22的替代工質(zhì)。但由于其具有可燃性和爆炸性,發(fā)展受到限制。但通過大量研究發(fā)現(xiàn):采用小管徑換熱器,優(yōu)化制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和流程回路,有效減少R290的灌注量;或采用封閉的制冷系統(tǒng),改善運行水平,開發(fā)匹配R290系統(tǒng)的專用電子元件及傳感器,在安裝、使用、維護過程中提升R290的檢測水平,均能有效防止R290泄露燃燒爆炸。

        隨著人們環(huán)保意識不斷提高,使用天然節(jié)能環(huán)保的制冷劑是必然趨勢。未來應(yīng)著眼于R290的相關(guān)標(biāo)準和法規(guī)的制訂以及包括運輸和儲存在內(nèi)的安全性能研究。隨著R290應(yīng)用技術(shù)研究的不斷深入,使用經(jīng)驗的不斷積累以及相關(guān)標(biāo)準和法規(guī)的完善,環(huán)保型制冷劑R290的前景十分廣闊。

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