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        熱泵系統(tǒng)R410A制冷劑的替代物研究

        2022-03-23 07:44:08張慶倫姚卉劉培沖于同山
        化工管理 2022年7期
        關(guān)鍵詞:替代物制冷劑熱泵

        張慶倫,姚卉,劉培沖,于同山

        (大連斯頻德環(huán)境設(shè)備有限公司,遼寧 大連 116033)

        0 引言

        近日,2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布,哈塞爾曼和真鍋淑郎因“對地球氣候的物理建模,來量化變異性和可靠地預(yù)測全球變暖”而獲得表彰。全球變暖問題已日益嚴(yán)峻,受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,目前普遍認(rèn)為這與人類活動(dòng)及溫室氣體排放有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展,2015年12月,第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)通過《巴黎協(xié)定》,確立2020年后以“國家自主貢獻(xiàn)”目標(biāo)為主體的國際應(yīng)對氣候變化機(jī)制安排,各方承諾將全球平均氣溫增幅控制在低于2 ℃的水平,并向1.5 ℃ 溫控目標(biāo)努力。2016年10月,《蒙特利爾議定書》 第28次締約方大會(huì)上正式通過了《基加利修正案》,將18種氫氟烴(HFCs)類物質(zhì)納入管控范疇[1],并規(guī)定了具體的逐步淘汰時(shí)間表。自2024年起,我國受控用途的HFCs生產(chǎn)量和使用量將被凍結(jié)在基線水平,2029年削減10%,2035年削減30%,2040年削減50%,預(yù)計(jì)到2045年不超過基線20%[2]。

        很多HFCs類物質(zhì),因不破壞臭氧層、熱物性優(yōu)良、來源廣泛,安全性和適用度較好,而被大量應(yīng)用于供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)(HVAC)領(lǐng)域[3-4]。以R410A為例,是由HFC-32和HFC-125按等質(zhì)量比組成的二元混合物,目前被廣泛應(yīng)用于多種制冷熱泵系統(tǒng)中。國內(nèi)外各大制冷空調(diào)設(shè)備制造商大多有R410A機(jī)型產(chǎn)品。斯頻德主營產(chǎn)品是冷卻塔與精密空調(diào),以R410A為制冷劑的產(chǎn)品制冷量涵蓋2.8 kW至32 kW。

        然而,學(xué)術(shù)研究表明R410A的溫室效應(yīng)潛能值(GWP)是CO2的2 088倍[5],在“碳達(dá)峰”和“碳中和”背景下,從能源、技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展角度,有必要研究新型環(huán)保R410A替代物。

        1 R410A替代物的基礎(chǔ)熱物性

        本研究基于“直接灌注式”制冷劑替代技術(shù)[6-7],研發(fā)出一種新型環(huán)保三元替代物,并兼顧考慮成本、碳排放以及行業(yè)熟悉度因素,最大程度地兼容使用原R410A熱泵系統(tǒng)的零部件。三元替代物使用了GWP小于1的氫氟烯烴(HFO)組元和火焰壓制能力更優(yōu)的阻燃組元,同時(shí)保留了一定比例的HFC-32。三元替代物的直接GWP值約554,相對分子量約58.9 g·mol-1,臨界溫度、臨界壓力和臨界密度的估算值分別約為79.5 ℃、5.77 MPa以及454.3 kg·mol-1。

        圖1示出了 R410A及其替代物的溫度-壓力對比關(guān)系,二者非常貼近,滿足最基本的技術(shù)要求。局部放大后,可以看到經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,在相同溫度下,R410A的飽和蒸氣壓“恰好”位于替代物的氣液壓力和液相壓力之間。同R410A的歸類一樣,三元替代物也是一種非共沸混合物,其不同壓力下的溫度滑移分析結(jié)果如圖2所示。

        圖1 R410A及替代物的溫度-壓力對比關(guān)系

        在熱泵系統(tǒng)工作壓力范圍內(nèi),三元替代物的溫度滑移隨壓力的升高而逐漸降低,如圖2所示,最大溫度滑移約1.6 ℃,而當(dāng)壓力達(dá)到3 MPa及以上后,溫度滑移低于1 ℃。圖2還示出,三元替代物的定壓比熱容(Cp)在壓力低于2.6 MPa的主要工作區(qū)域內(nèi)是略高于R410A的;而在高壓區(qū)域,三元替代物的定壓比熱容略低于R410A。

        圖2 R410A及替代物的溫度滑移與比熱關(guān)系

        圖3示出了R410A及其三元替代物的兩個(gè)重要輸運(yùn)性質(zhì)參數(shù)—導(dǎo)熱系數(shù)和液相黏度的對比分析結(jié)果。在-50 ℃至60 ℃溫度范圍內(nèi),三元替換物具有更大的導(dǎo)熱系數(shù),這有利于換熱器的緊湊化;而在10 ℃以下,三元替代物的液相黏度更低,因而在低溫?fù)Q熱器管內(nèi)的流動(dòng)性要優(yōu)于R410A。

        圖3 R410A及替代物的熱系數(shù)和黏度的對比關(guān)系

        2 制冷/制熱循環(huán)性能分析

        如前所述,本研究所提出的新型環(huán)保三元替代物滿足了“直接灌注式”制冷劑替代技術(shù)的基本要求,與被替代物R410A相比,表現(xiàn)出較好的環(huán)保性、基礎(chǔ)熱物性與輸運(yùn)性質(zhì)。進(jìn)一步地,以美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)開發(fā)的Cycle_D-HX模型為基礎(chǔ)[8],補(bǔ)充數(shù)據(jù),進(jìn)而在8種制熱/制冷工況下,分別估算了R410A及三元替代物的理論循環(huán)性能。

        關(guān)鍵條件設(shè)置如下:在四種制熱工況下,蒸發(fā)器出口溫度分別設(shè)置為-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃和-10 ℃;在四種制冷工況下,蒸發(fā)器出口溫度分別設(shè)置為-5 ℃、 0 ℃、5 ℃和10 ℃。此外,都調(diào)控了冷凝器出口溫度比蒸發(fā)器高出40 ℃,對冷、熱源溫差做了統(tǒng)一化處理。過冷度和過熱度皆為5 ℃,換熱器△T都設(shè)置為8 ℃,壓縮機(jī)的綜合效率為0.83,機(jī)組制冷量為5 kW。

        如圖4所示,三元替代物的制冷/制熱性能系數(shù)(COP)在所有工況下都高于R410A,特別是在制冷模式下,節(jié)能效果更加優(yōu)秀,平均節(jié)能率超過3個(gè)百分點(diǎn)。在所有工況下,三元替代物的單位容積制冷/制熱量(Qv)都明顯高于R410A,最大可達(dá)108%,這為保持原壓縮機(jī)缸徑或是優(yōu)選更小缸徑奠定可能。

        圖4 R410A及替代物的COP和Qv對比關(guān)系

        如圖5所示,三元替代物的冷凝壓力(Pc)與R410A基本相當(dāng),且呈略低狀態(tài),這得益于充分利用各組元的氣液相特點(diǎn)所進(jìn)行的組分優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此,在原R410A系統(tǒng)中直接替換灌注三元替代物,無需擔(dān)憂整套制冷系統(tǒng)的高壓部件—冷凝器的承壓問題。

        圖5 R410A及替代物的冷凝壓力和循環(huán)量對比關(guān)系

        如圖5所示,對比制冷劑質(zhì)量流率(MFL)可知,當(dāng)制冷量相同時(shí),三元替代物的理論循環(huán)量平均比R410A低25%。而且在純制冷模式下,MFL值的削減量更大。因而,兼顧考慮制冷劑的直接GWP值和同冷量下的制冷劑循環(huán)量,三元替代物的當(dāng)量溫室效應(yīng)潛能值能夠比R410A低80%,減排量非常顯著。

        需要注意的是,使用三元替代物時(shí),壓縮機(jī)的排氣溫度要明顯高于R410A,如圖6所示。雖然相比于制冷模式,在制冷模式下此問題有所緩解,但排氣溫度提高的問題仍舊不容忽視。仍需注意做好壓縮機(jī)散熱、系統(tǒng)高溫自動(dòng)保護(hù)措施[9],還需要考慮到潤滑油、非金屬件的耐熱性問題。

        圖6 R410A及替代物的壓縮機(jī)排氣溫度對比關(guān)系

        此外,另一個(gè)需要注意的問題是,三元替代物的安全性分類可能是A1類(標(biāo)準(zhǔn)測試條件下未見火焰?zhèn)鞑?。但如果阻燃組元在混合物中的摩爾比過低,則會(huì)轉(zhuǎn)變成A2L類(微可燃),此時(shí)相關(guān)操作需要滿足國標(biāo)GB/T 9237—2017 《制冷系統(tǒng)及熱泵安全與環(huán)境要求》的具體規(guī)定,特別是有關(guān)制冷劑的最大允許充注量以及安全防護(hù)等問題。

        3 結(jié)語

        本文基于“直接灌注式”制冷劑替代技術(shù),探討了熱泵系統(tǒng)在制冷和制熱兩種模式下的R410A制冷劑替代問題,得到以下主要結(jié)論:(1)本研究所提出的R410A三元替代物具有良好的熱力學(xué)性能、傳熱與流動(dòng)性能、理論循環(huán)性能、以及節(jié)能與減排性能,具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?2)本研究所提出的R410A三元替代物可以同時(shí)適用于制冷與制冷模式,且制冷模式下,對R410A的替代效果更佳,契合了精密空調(diào)產(chǎn)品的工作條件。(3)本研究所提出的R410A三元替代物具有較低的GWP值,具有發(fā)展?jié)摿?。而在?shí)際推廣使用前,需要開展真機(jī)實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步掌握其制冷性能,并在機(jī)組安全防護(hù)方面做細(xì)致強(qiáng)化。

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