制冷劑R32的性能及其在空調機上的應用研究

林創輝

(廣東申菱空調設備有限公司,佛山528313)

1 前 言

臭氧層破壞和全球氣候變暖,是當前世界所面臨的主要環境問題之一。由于制冷行業目前廣泛采用的CFCs與HCFCs類物質對臭氧層有破壞作用以及產生溫室效應,從而使全球的制冷行業面臨著嚴峻挑戰,對CFCs與HCFCs的替代已成定局。聯合國環境保護署于1987年在加拿大的蒙特利爾通過了 《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》(簡稱 《蒙特利爾議定書》),規定了停止使用CFCs類物質的時間表。2007年9月21日,參加 《蒙特利爾議定書》締結20周年紀念活動和議定書第19次締約方大會的代表在加拿大蒙特利爾達成了關于調整蒙特利爾議定書的協議,決定在全球范圍內加速HCFCs的淘汰進程:對于議定書第5條第1款下的國家 (發展中國家),選擇2009年或2010年消費和生產的各自平均值作為基線;并且到2013年凍結消費和生產在該基線水平上;最終淘汰期限提前至2030年。這促使空調整機廠家必須在2013年完成對R22的替代。

因此,尋找環保型制冷劑,就成為當前制冷行業迫切而又熱門的話題之一。環保型制冷劑現有的CFCs類物質品種繁多[1],性能優良,應用范圍較廣,因此尋找合適替代CFCs的工作一直在進行。

近年來R410A逐漸成為環保制冷劑的主流之一,但因為R410A制冷劑的專利掌握在杜邦、霍尼韋爾、大金等外國公司手中,其高昂的專利附加價格對中國參與國際空調市場的競爭非常不利,因此,國家環保部希望中國能走一條自己的環保制冷劑路線,而非被歐美和日本牽著鼻子繼續走R410A路線。

本項目是根據國家環保部的部署的精神,進行R32水冷單元機樣機的測試,研究R32水冷樣機的測試數據與R410A樣機的測試對比情況。R32制冷劑樣機測試研究工作,可能影響中國未來的環保制冷劑走向,如果得到正面結論,我國有可能在家用和輕型商用空調領域推廣R32制冷劑,因此本項目也是對我國未來環保制冷劑替代的一次有益嘗試。

2 R32制冷劑介紹

R32是R410A的一個組分,性能與 R410A相近,使用上較為放心,單工質,無專利限制,市場可獲得性好,價格便宜,國內有大量生產。GWP只有675(R410A為2100),COP與R410A相當;但排氣溫度較高,約比R410A系統高18℃。

表1 R22、R32與R410A基本物性參數表[2]

從表1的對比分析可知:

(1)環保性能方面,R32的GWP為675,僅為R22的37.3%,僅為 R410A的32.1%,其全球變暖系數更低,環保性能更好,同時,其ODP值為0,對臭氧層無破壞,是一種較理想的環保制冷劑。

(2)大氣壽命方面,R32的大氣壽命僅為R22的40.8%,大大的縮短了在大氣中存在的時間,因此較R22縮短了對氣候影響時間。

(3)燃燒性,從表2各種可燃制冷劑的可燃性極限可以看出,R32的可燃性最弱,處于“不可燃”的邊緣,燃燒下限LFL,僅為0.306kg/m3,是2類可燃制冷劑中可燃性最低的一種 (僅次于NH3)。

表2 幾種可燃制冷劑的可燃性極限參數

3 R32與R22和R410A理論循環性能分析

按照標準空調ARI工況 (蒸發溫度7.2℃,吸氣溫度35℃,冷凝溫度54.4℃,過冷度8.3℃)和各種工質的物理性能,根據理論循環計算得出三種制冷劑的各項參數如表3。

從表3的數據分析可知:

(1)在壓力方面,R32和R410A基本相當,是R22的1.6倍左右,壓比三者近似。

(2)單位制冷量和容積制冷量R32＞R410A＞R22。

(3)COP上看R22最高,R410A較低。

(4)由于R32和R410A屬HFCs工質,這兩種工質不能使用礦物油和烷基苯油,而應使用POE油和其它可溶性潤滑油(其中R32排氣溫度最高119℃,要注意油的高溫特性),當選擇彈性或塑性材料作為系統部件以及在選擇干燥劑時,需要綜合考慮工質與其配套的潤滑油性質。

表3 R22、R32與R410A理論循環計算參數表[3]

(5)綜合系統壓力和潤滑油的差異,使用R32代替R22作為系統制冷劑時,系統需要重新設計壓縮機及相關部件,但R32在R410A系統上直接替代應用是完全可能的。

4 實驗裝置與測試方法

為了檢測三種制冷劑在實際應用中的效果,測試機組工況環境通過焓差法實驗臺 (配有工況機、電加熱器和加濕器)來模擬,根據GB/T 17758-2010標準中的測試方法進行測試。在所設計的試驗裝置中,制冷量是通過測定空調機進、出口的空氣干、濕球溫度和空氣流量確定,然后將三者的測量值進行計算得到的 (進出風焓差乘空氣流量)。

圖1 空氣式焓差測試裝置

如圖1所示,系統中空氣側進出口都設置有干濕球溫度傳感器,配置空氣流量測量裝置,在水冷冷凝器的進出水口設置進出水溫度傳感器,和進水管路上設置了渦輪流量計,這些測點的布置為分析系統的熱力性能提供具體的實測值。通過冷卻水系統中冷卻塔和電加熱器調節帶走測試機組負荷。

本實驗采用一臺制冷量30kW的水冷單元式空調機,分別采用三種制冷劑R22、R32和R410A,在實驗室同樣的工況下 (水冷單元空調機國標名義制冷工況下)進行對比測試,對比各制冷系統的測試數據。

由于三種制冷劑不同,管路及制冷系統換熱器容積有所不同,在測試過程需調節機組在不同形式制冷系統下的制冷劑充注量,將機組制冷系統調試至最佳,測試機組的在各工況下,不同制冷劑配置下的性能,分析水冷單元機制冷系統[4]中三種不同制冷劑的性能及測試情況,得出測試結論。

5 試驗結果及分析

在水冷單元式空調機的名義制冷工況下,對三種不同制冷劑的制冷系統做對比測試,可得到表4中的數據。

表4 名義工況下R22、R32與R410A實際測試結果參數表

根據表4參數,如果按R410A的參數設計為100%,則其它兩種制冷劑的相對參數見表5。

表5 名義工況下R22、R32與R410A實際測試結果對比表

根據表4和表5中測試及分析數據的分析如下。

5.1 制冷量

與R410A相比,采用R32后,機組的制冷量由30.86kW提高至33.18kW,提高幅度為7.5%。與R22相比,采用 R32后,機組的制冷量由29.99kW提高至33.18kW,提高幅度為10.3%。這是因為R32的單位容積制冷量較大,使得在相同的壓縮機排氣量下,R32的制冷量自然要比R410A和R22要大些。

5.2 EER

與R410A相比,采用R32后,機組的COP由3.52提高至3.68,提高幅度為4.5%,同時比R22提高6.8%。這說明R32制冷劑系統的效率確實是比R410A和R22系統稍高,這和理論循環計算結果相符。

5.3 運行壓力

與R410A相比,采用R32后,機組的運行壓力稍微高一些,約為1%～3%,比R22高約52%,這也與理論循環計算結果相符。

5.4 排氣溫度

與R410A相比,采用R32后,機組的排氣稍微高些,名義制冷工況下R32排氣溫度為79.1℃,比R410A系統61.6℃的排氣溫度約高29.2%,比R22高21.2%,而在最大負荷和內控標準工況下則基本相同,與理論循環計算中15～20℃的相符。

5.5 制冷劑充注量

與R410A或R22相比,采用R32后,機組的制冷劑充注量可以稍有減少,這是因為R32的單位質量制冷量較大,因此在制冷量變化不大情況下,可減少充注量。

綜合各項性能參數,R32冷媒在R410A或R22水冷型機組上直接替換應用時,制冷量和COP均有一定的改善,系統運行壓力變化不大,排氣溫度有一定的提高,但仍處于安全范圍內,從直接替代后R32系統運行的制冷量和能效比等技術性能上看,具有直接替代應用的可行性。

6 R32應用前景分析

6.1 R32在風冷機組上的應用問題

R32制冷系統的其中一個重要缺陷是排氣溫度較高,壓縮機容易過熱,該現象雖然在水冷機上表現并不明顯,但對于風冷機組來說,其高排溫還是具有一定風險。可通過增設噴液冷卻裝置,實現對排氣溫度的限制,因此,R32制冷劑在風冷機組上的應用,理論上是可以實現的,但實際應用上還需要考慮增加噴液冷卻等附加裝置,增加了制冷系統的復雜程度和運行可靠性等因素。

6.2 R32的安全性問題

R32另一個重要缺陷是有一定的可燃性 (Mild flammability),安全級別很可能為A2L;允許最大充注量在舒適空調/熱泵機組中,比R290約大10倍(R290為 0.008kg/m3房間體積),約為0.08kg/m3房間體積,根據目前的空調設計和選型,R32制冷劑可應用的最大容量約為30kW的機組。可知,正如R290目前只在冰箱上的應用一樣,R32在空調領域的推廣應用必然受到一定的限制,只適用于30kW以下的家用和輕商空調領域。

6.3 R32制冷劑的當前應用情況

據了解,目前各大壓縮機及配件生產商還沒有相關壓縮機產品。網上也沒找到有關 R32專用壓縮機的信息。這說明目前R32制冷劑系統并未進入實用化階段。但目前國內已經有較多的壓縮機和配件廠商相繼投入R32的研究,隨著研究的深入,R32制冷劑的推廣應用只是時間問題而已。

7 結論

(1)R32是R410A的一個組分,性能與R410A相近,R32的GWP為675,僅為R22的37.3%,僅為R410A的32.1%,其全球變暖系數更低,環保性能更好,同時,其ODP值為0,對臭氧層無破壞,是一種較理想的環保制冷劑。使用上較為放心,單工質,無專利限制,市場可獲得性好,價格相對便宜,國內有大量生產。

(2)綜合理論循環分析參數和樣機測試的各項性能參數,R32冷媒在R410A水冷型機組上直接替換應用時,制冷量和COP均有一定的改善,系統運行壓力變化不大,排氣溫度有一定的提高,但仍處于安全范圍內,具有替代應用的可行性。

(3)考慮產品安全性,R32制冷劑在30kW制冷容量以內的機組上,無論是風冷還是水冷機組,均具有一定的應用前景,其性價比高于R410A機組。

因此,綜合以上分析,R32具有替代R410A的潛力。

[1]任金祿.制冷劑發展歷程[J].制冷與空調,2009,9(3):41-44

[2]曹德勝,史琳.制冷劑使用手冊[M].北京:冶金工業出版社,2003

[3]丁國良,張春路,趙力.制冷空調新工質——熱特理性質的計算方法與實用圖表[M].上海:上海交通大學出版社,2003

[4]吳業正.制冷原理及設備[M].西安:西安交通大學出版社,1993