制冷剂R32的性能及其在空调机上的应用研究

林创辉

(广东申菱空调设备有限公司,佛山528313)

1 前 言

臭氧层破坏和全球气候变暖,是当前世界所面临的主要环境问题之一。由于制冷行业目前广泛采用的CFCs与HCFCs类物质对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应,从而使全球的制冷行业面临着严峻挑战,对CFCs与HCFCs的替代已成定局。联合国环境保护署于1987年在加拿大的蒙特利尔通过了 《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(简称 《蒙特利尔议定书》),规定了停止使用CFCs类物质的时间表。2007年9月21日,参加 《蒙特利尔议定书》缔结20周年纪念活动和议定书第19次缔约方大会的代表在加拿大蒙特利尔达成了关于调整蒙特利尔议定书的协议,决定在全球范围内加速HCFCs的淘汰进程:对于议定书第5条第1款下的国家 (发展中国家),选择2009年或2010年消费和生产的各自平均值作为基线;并且到2013年冻结消费和生产在该基线水平上;最终淘汰期限提前至2030年。这促使空调整机厂家必须在2013年完成对R22的替代。

因此,寻找环保型制冷剂,就成为当前制冷行业迫切而又热门的话题之一。环保型制冷剂现有的CFCs类物质品种繁多[1],性能优良,应用范围较广,因此寻找合适替代CFCs的工作一直在进行。

近年来R410A逐渐成为环保制冷剂的主流之一,但因为R410A制冷剂的专利掌握在杜邦、霍尼韦尔、大金等外国公司手中,其高昂的专利附加价格对中国参与国际空调市场的竞争非常不利,因此,国家环保部希望中国能走一条自己的环保制冷剂路线,而非被欧美和日本牵着鼻子继续走R410A路线。

本项目是根据国家环保部的部署的精神,进行R32水冷单元机样机的测试,研究R32水冷样机的测试数据与R410A样机的测试对比情况。R32制冷剂样机测试研究工作,可能影响中国未来的环保制冷剂走向,如果得到正面结论,我国有可能在家用和轻型商用空调领域推广R32制冷剂,因此本项目也是对我国未来环保制冷剂替代的一次有益尝试。

2 R32制冷剂介绍

R32是R410A的一个组分,性能与 R410A相近,使用上较为放心,单工质,无专利限制,市场可获得性好,价格便宜,国内有大量生产。GWP只有675(R410A为2100),COP与R410A相当;但排气温度较高,约比R410A系统高18℃。

表1 R22、R32与R410A基本物性参数表[2]

从表1的对比分析可知:

(1)环保性能方面,R32的GWP为675,仅为R22的37.3%,仅为 R410A的32.1%,其全球变暖系数更低,环保性能更好,同时,其ODP值为0,对臭氧层无破坏,是一种较理想的环保制冷剂。

(2)大气寿命方面,R32的大气寿命仅为R22的40.8%,大大的缩短了在大气中存在的时间,因此较R22缩短了对气候影响时间。

(3)燃烧性,从表2各种可燃制冷剂的可燃性极限可以看出,R32的可燃性最弱,处于“不可燃”的边缘,燃烧下限LFL,仅为0.306kg/m3,是2类可燃制冷剂中可燃性最低的一种 (仅次于NH3)。

表2 几种可燃制冷剂的可燃性极限参数

3 R32与R22和R410A理论循环性能分析

按照标准空调ARI工况 (蒸发温度7.2℃,吸气温度35℃,冷凝温度54.4℃,过冷度8.3℃)和各种工质的物理性能,根据理论循环计算得出三种制冷剂的各项参数如表3。

从表3的数据分析可知:

(1)在压力方面,R32和R410A基本相当,是R22的1.6倍左右,压比三者近似。

(2)单位制冷量和容积制冷量R32＞R410A＞R22。

(3)COP上看R22最高,R410A较低。

(4)由于R32和R410A属HFCs工质,这两种工质不能使用矿物油和烷基苯油,而应使用POE油和其它可溶性润滑油(其中R32排气温度最高119℃,要注意油的高温特性),当选择弹性或塑性材料作为系统部件以及在选择干燥剂时,需要综合考虑工质与其配套的润滑油性质。

表3 R22、R32与R410A理论循环计算参数表[3]

(5)综合系统压力和润滑油的差异,使用R32代替R22作为系统制冷剂时,系统需要重新设计压缩机及相关部件,但R32在R410A系统上直接替代应用是完全可能的。

4 实验装置与测试方法

为了检测三种制冷剂在实际应用中的效果,测试机组工况环境通过焓差法实验台 (配有工况机、电加热器和加湿器)来模拟,根据GB/T 17758-2010标准中的测试方法进行测试。在所设计的试验装置中,制冷量是通过测定空调机进、出口的空气干、湿球温度和空气流量确定,然后将三者的测量值进行计算得到的 (进出风焓差乘空气流量)。

图1 空气式焓差测试装置

如图1所示,系统中空气侧进出口都设置有干湿球温度传感器,配置空气流量测量装置,在水冷冷凝器的进出水口设置进出水温度传感器,和进水管路上设置了涡轮流量计,这些测点的布置为分析系统的热力性能提供具体的实测值。通过冷却水系统中冷却塔和电加热器调节带走测试机组负荷。

本实验采用一台制冷量30kW的水冷单元式空调机,分别采用三种制冷剂R22、R32和R410A,在实验室同样的工况下 (水冷单元空调机国标名义制冷工况下)进行对比测试,对比各制冷系统的测试数据。

由于三种制冷剂不同,管路及制冷系统换热器容积有所不同,在测试过程需调节机组在不同形式制冷系统下的制冷剂充注量,将机组制冷系统调试至最佳,测试机组的在各工况下,不同制冷剂配置下的性能,分析水冷单元机制冷系统[4]中三种不同制冷剂的性能及测试情况,得出测试结论。

5 试验结果及分析

在水冷单元式空调机的名义制冷工况下,对三种不同制冷剂的制冷系统做对比测试,可得到表4中的数据。

表4 名义工况下R22、R32与R410A实际测试结果参数表

根据表4参数,如果按R410A的参数设计为100%,则其它两种制冷剂的相对参数见表5。

表5 名义工况下R22、R32与R410A实际测试结果对比表

根据表4和表5中测试及分析数据的分析如下。

5.1 制冷量

与R410A相比,采用R32后,机组的制冷量由30.86kW提高至33.18kW,提高幅度为7.5%。与R22相比,采用 R32后,机组的制冷量由29.99kW提高至33.18kW,提高幅度为10.3%。这是因为R32的单位容积制冷量较大,使得在相同的压缩机排气量下,R32的制冷量自然要比R410A和R22要大些。

5.2 EER

与R410A相比,采用R32后,机组的COP由3.52提高至3.68,提高幅度为4.5%,同时比R22提高6.8%。这说明R32制冷剂系统的效率确实是比R410A和R22系统稍高,这和理论循环计算结果相符。

5.3 运行压力

与R410A相比,采用R32后,机组的运行压力稍微高一些,约为1%～3%,比R22高约52%,这也与理论循环计算结果相符。

5.4 排气温度

与R410A相比,采用R32后,机组的排气稍微高些,名义制冷工况下R32排气温度为79.1℃,比R410A系统61.6℃的排气温度约高29.2%,比R22高21.2%,而在最大负荷和内控标准工况下则基本相同,与理论循环计算中15～20℃的相符。

5.5 制冷剂充注量

与R410A或R22相比,采用R32后,机组的制冷剂充注量可以稍有减少,这是因为R32的单位质量制冷量较大,因此在制冷量变化不大情况下,可减少充注量。

综合各项性能参数,R32冷媒在R410A或R22水冷型机组上直接替换应用时,制冷量和COP均有一定的改善,系统运行压力变化不大,排气温度有一定的提高,但仍处于安全范围内,从直接替代后R32系统运行的制冷量和能效比等技术性能上看,具有直接替代应用的可行性。

6 R32应用前景分析

6.1 R32在风冷机组上的应用问题

R32制冷系统的其中一个重要缺陷是排气温度较高,压缩机容易过热,该现象虽然在水冷机上表现并不明显,但对于风冷机组来说,其高排温还是具有一定风险。可通过增设喷液冷却装置,实现对排气温度的限制,因此,R32制冷剂在风冷机组上的应用,理论上是可以实现的,但实际应用上还需要考虑增加喷液冷却等附加装置,增加了制冷系统的复杂程度和运行可靠性等因素。

6.2 R32的安全性问题

R32另一个重要缺陷是有一定的可燃性 (Mild flammability),安全级别很可能为A2L;允许最大充注量在舒适空调/热泵机组中,比R290约大10倍(R290为 0.008kg/m3房间体积),约为0.08kg/m3房间体积,根据目前的空调设计和选型,R32制冷剂可应用的最大容量约为30kW的机组。可知,正如R290目前只在冰箱上的应用一样,R32在空调领域的推广应用必然受到一定的限制,只适用于30kW以下的家用和轻商空调领域。

6.3 R32制冷剂的当前应用情况

据了解,目前各大压缩机及配件生产商还没有相关压缩机产品。网上也没找到有关 R32专用压缩机的信息。这说明目前R32制冷剂系统并未进入实用化阶段。但目前国内已经有较多的压缩机和配件厂商相继投入R32的研究,随着研究的深入,R32制冷剂的推广应用只是时间问题而已。

7 结论

(1)R32是R410A的一个组分,性能与R410A相近,R32的GWP为675,仅为R22的37.3%,仅为R410A的32.1%,其全球变暖系数更低,环保性能更好,同时,其ODP值为0,对臭氧层无破坏,是一种较理想的环保制冷剂。使用上较为放心,单工质,无专利限制,市场可获得性好,价格相对便宜,国内有大量生产。

(2)综合理论循环分析参数和样机测试的各项性能参数,R32冷媒在R410A水冷型机组上直接替换应用时,制冷量和COP均有一定的改善,系统运行压力变化不大,排气温度有一定的提高,但仍处于安全范围内,具有替代应用的可行性。

(3)考虑产品安全性,R32制冷剂在30kW制冷容量以内的机组上,无论是风冷还是水冷机组,均具有一定的应用前景,其性价比高于R410A机组。

因此,综合以上分析,R32具有替代R410A的潜力。

[1]任金禄.制冷剂发展历程[J].制冷与空调,2009,9(3):41-44

[2]曹德胜,史琳.制冷剂使用手册[M].北京:冶金工业出版社,2003

[3]丁国良,张春路,赵力.制冷空调新工质——热特理性质的计算方法与实用图表[M].上海:上海交通大学出版社,2003

[4]吴业正.制冷原理及设备[M].西安:西安交通大学出版社,1993