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制冷剂R32在家用空调中的应用研究

发布时间:2015-03-19  〖字号:
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Research on the Application of R32 in the Household Air Conditioner
尤顺义   张 静   邓安哲
(广东志高空调有限公司    佛山   528244)

摘要:根据制冷剂R32的相关物性,从实验出发,研究R32应用在空调系统中如何匹配设计,针对R32应用存在的排气压力高、温度高的问题,提出优化性能的措施。
关键词:制冷剂替代;R32;排气压力高;温度高
Abstract:Based on the thermal properties of refrigerant R32, and according to the relative experiments, this paper researches that how the application of R32 designs matching the air conditioner system. Finally, focusing on the problems of high discharge pressure and high temperature of the application of R32, the measures to optimize its performance is proposed.
Key words:refrigerant substitute; R32; high discharge pressure; high temperature


  臭氧层破坏和全球气候变暖是当今全球面临的重要环境问题。由于制冷空调行业广泛应用的HCFCs 对大气臭氧层有极强的破坏作用,在2007 年9 月《蒙特利尔议定书》第19 次缔约方会议达成了加速淘汰HCFCs的生产和消费的协议。根据协议,中国于2013 年冻结HCFCs 的生产和消费,最终在2030 年彻底淘汰HCFCs[1]。随着环保意识的增强,人们不但要求制冷剂的臭氧耗损潜值ODP为0,还希望全球变暖潜值GWP比较低。2009 年哥本哈根气候大会上各国对于减缓温室气体排放也有了明确的目标,中国政府明确表示到2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比比2005 年下降40%-45%。
  近年来在世界上房间空调R22制冷剂替代的通行做法是采用R410A制冷剂,R410A的GWP值较高,属于“京都议定书”中受控排放的HFCs类温室效应气体,不是完全理想的制冷剂,因此具有ODP 值为零,GWP 值较低等特性的新型环保制冷剂,是长期替代的理想物质,该类制冷剂主要有R32、R290 等。但这类制冷剂存在一定的可燃性,一定浓度下遇到明火或电火花有发生燃烧或爆炸的风险[2]。
  由于目前还没有找到一种能够适用于任何场合并具有优良性能的理想的替代制冷剂,因此,制冷空调行业制冷剂替代工作在没有足够的科学依据与工程实践的情况下,尚需理性选择与慎重考虑。

  1 R32应用的可行性分析
  1.1 R32的热物性分析
  R32(CH2F2,二氟甲烷)环境性能良好,其ODP值为零,GWP值为675。由于R410A 的组分中有50%是R32,因此可以借用R410A系统进行R32替代。与R410A比较, R32的能效比(COP) 约高5. 3%,单位容积制冷量约大12. 7%,R32的排气温度要比R410A高,一般相对R410A系统要高15℃[3]。并且R32 国内大量生产,价格便宜,易于购买,因此被广泛关注。
  表1列出了R32、R22和R410A的基本物性参数,从中可以看出,R32的沸点温度和R410A的很接近,但是其临界温度和临界压力都比R410A的偏高。R32的摩尔质量仅是R22 的0.6倍,是R410A的0.71倍,由于充注量大体上与摩尔质量成正比,因此R32充注量仅为R22的0.6倍,为R410A的0.71倍。同时有资料表明,R32泄露时的相对CO2排放当量为405( R410A为1764) ,因而与R22相比,CO2减排比例达到77%,与美国环保局SNAP(August 2009)在家用、商用空调部分要求减排 50% -90%CO2的措施很为吻合,而R410仅为2.5%[2]。
  表2给出了几种制冷剂的安全性参数,这些制冷剂的ODP都为0,同时都有较低的GWP 值,在环保方面有着非常突出的优势。但是,这些制冷剂都带有一定的燃烧性。从表中可以看出,R32的燃烧下限(LFL)最高为0.306kg /m3,最不易燃烧,同时燃烧热(HOC)也最小。在美国ASNI安全等级标准中R32为A2(无毒可燃),要优于R290和R161的安全性A3(无毒易燃易爆)。所以,在这些替代物中,R32是相对最为安全的[4]。
  1.2 R32应用存在的问题
  在空调系统中R32的蒸发压力与冷凝压力分别是R22的1.626倍与1.616倍,而R410A的蒸发压力与冷凝压力分别是R22的1.595倍与1.579倍。因为目前的R410A的产品已经解决了高压压缩机的问题,所以高排气压力与高冷凝压力问题已经不是开发R32空调产品的主要障碍。
  R32的分子结构与R22的相近,都属于甲烷系列,与具有3个碳原子的丙烷相比,其原子数和相对分子质量都较小。同时与R22相比其相对分子质量和标准沸点都低,但是单位体积的制冷量却是R22的1.6倍。按照一般规律,相对分子质量小的制冷剂的比热容较小,在同一压力下的理论排气温度要高一些。R32也符合这个规律, 其排气温度比R22以及R410A的要高将近20℃。压缩机的排气温度高, 则压缩机的可靠性是一个很大的问题,将会出现加快润滑油的劣化、加快压缩机中各种树酯材料的劣化以及降低润滑油的黏度使轴承的磨损加大等问题。所以如何从制冷循环设计方案上抑制与应对R32的高排气温度问题,是R32应用中面临的主要问题。
  另外由于R32属于HFC类制冷剂,不含氯元素,没有自身润滑性,与金属接触可以形成200℃的高温,使润滑油恶化,会产生高黏度的渣浆,易堵塞制冷系统,也是R32应用中需要解决的问题。

  2 R32 制冷剂的实验研究
  2.1 试验装置与试验步骤
  为了验证用R32替代R410A后的机组实际运行效果,研究抽取了一台R410A热泵型家用变频空调器作为对象。
  试验按照GB /T 7725规定的测试条件在国家认可的焓差实验室(图1)进行,分别采用空气焓差法对样机进行循环性能测试,同时进行了电子膨胀阀对排气温度的影响的试验。从实验室可以获得包括机组的制冷能力、制热能力、功率、电压、电流、能效比,以及空调器室内、外侧的进、出口温度和风量等数据,同时在空调器的蒸发器进出口及中部、冷凝器的进出口及中部、压缩机进出口共布置8个热电偶进行温度测量。所有测量数据利用实验室配置的自动采集软件在线实时采集并记录。
  2.2 实验结果与对比
  实验数据如表3、表4所示。其中表4为额定制冷工况,使用电子膨胀阀控制压缩机吸气干度以降低压缩机的排气温度的实验数据。
  通过表3和表4分析发现:
  1)同等工况下,R32空调系统制冷量高于R410A空调系统;
  2)不同测试模式下R32系统排气压力、温度均高于R410A系统;
  3)R32的汽化潜热大于R410A,系统充注量要少于R410A系统;
  4)R32系统排气温度高于R410A系统,使用电子膨胀阀控制压缩机吸气干度对压缩机有冷却效果,可以降低压缩机的排气温度。从表4可以看出,随着电子膨胀阀开度的增加,系统回气排气温度均有所下降,同时能力能效有一定的损失。
  5)采用电子膨胀阀、选用的润滑油以确保制冷剂和润滑油的互容性等方法可有效控制R32系统渣浆问题。

  3 结论
  如何抑制与应对R32的高排气温度、易产生渣浆等问题是R32应用的主要问题,不过从目前制冷技术来看,解决这一问题完全是可行的,如可以采用干度控制、喷液冷却技术、小管径换热器等。利用R32优良热物性与传输特性,简化系统、缩小体积、提高效率、降低成本将是R32商用化下一步的主要内容。
  综合几种环保冷媒使用范围、性能和安全考虑,R32作为制冷剂具有较好的热力特性,其环保性能要远好于目前使用的R22及其替代物R410A,尤其是对大气环境温室效应的影响方面。尽管它具有较高的排气温度和排气压力,在当前地球温室效应越来越严重的情况下,R32无论是从热力性质、环保特性、相对安全性等方面都可以作为R22 的良好替代工质。


参考文献
[1] Decisions adopted by the nineteenth meeting of the parties to the Montreal Protocol on substances that deplete  the Ozone Layer [EB/OL], http: / /www.Ozone.unep. org /.
[2] 史琳,朱明善. 家用/ 商用空调用R32 替代R22 的再分析[J] . 制冷学报, 2010, 31(1) : 1-5.
[3] 张龙,刘煜. 制冷剂R32 在空调应用上的理论分析[J] . 制冷与空调, 2010, 10( 3) : 76-78.
[4] 汪训昌,不饱和氯化烯烃及其混合制冷剂应用研究的最新进展与成果[J].暖通空调, 2012, 42(4):1-14.
 

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