R410A风冷式单元机特性研究

李逸进

【摘要】本文介绍了R134a、R407C和R410A三种R22替代冷媒的相关特性及应用情况，并在R22原型机基础上，制作了R410A实验样机，对两种冷媒的风冷式单元机特性作针对性实验研究。结果表明，R410A具有比R22更大的单位容积制冷量、低流动阻力的优良特性，其两器设计流路应比R22多；但其运行压力较高，系统设计时应充分考虑安全性问题。

【关键词】R410A；单位容积制冷量；低流动阻力；流路；分路数

在目前的空调产品中，R22作为传统的空调器用冷媒，仍被广泛使用。但R22由于存在对臭氧层的破坏作用，将根据蒙特利尔条约逐渐被替换。而且，由于R22被限制生产，其价格将越来越高，从而导致空调产品的成本也水涨船高。因此，开发高效的新型冷媒空调器，越显重要。

目前，R22的替代冷媒主要有R134a、R407C、R410A，此外，诸如R32、R290之类的冷媒也在部分厂家的研究范围内。但由于R32有一定可燃性，R290的可爆炸性，不仅对空调产品本身提出更高的要求，就连企业研发使用的实验室也要求十分苛刻，从而一定程度上遏制了上述两种冷媒的被推广速度和范围。

R134a（异四氟乙烷，C2H2F4）是最早被人们选定的作为R22的替代品，其ODP（消耗臭氧潜能值）为0，GWP（全球升温潜能值）较低，曾被认为是R22的理想替代品。但是，R134a由于单位容积制冷量较小（约为R22的0.6倍），导致R134a系统的压缩机较大；由于R134a的传热系数与R22相比也偏低（大概下降10%），导致R134a系统的换热器面积需增大；以上问题的存在导致R134a系统的成本大大增加。此外，R134a由于分子更小，容易出现系统泄漏，而且其吸水性极强（约是R22的20倍），系统中出现“镀铜现象”也更加明显。因此，R134a最终得不到大范围推广。由于其运行压力低，故目前多数是在高温制冷工况及要求压力较低的汽车空调领域得到一定应用。

R407C（HFC32、HFC125、HFC134）的热力性质与R22非常接近，而且其ODP（消耗臭氧潜能值）为0，GWP（全球升温潜能值）与R22相当。在许多情况下，只需对R22系统稍作改进，就可以使用R407C，故R407C一度被认为是R22的理想替代冷媒。然而，由于R407C作为一种非共沸三元混合冷媒，在相变换热过程中存在高达6.3℃的温度滑移，为空调系统，特别是满液式空调系统的性能匹配、压力控制以及冷媒充注均带来困难，最终使得R407C的应用范围难以有所突破，近年来的青睐程度明显下降。

R410A（HFC32、HFC125）是一种二元混合冷媒，但由于其温度滑移在0.2℃之内，被认为是近共沸冷媒。其ODP（消耗臭氧潜能值）为0，GWP（全球升温潜能值）为1725。由于对臭氧层不存在破坏作用，而且其具有单位容积制冷量大、传热系数大、流动阻力小的优良特性，目前被认为是最理想的新型环保冷媒。

表1 R410A、R22基本特性对照表

下文以一台10PH风冷式单元机为实验样机，研究R410A的系统特性。

1、实验样机

采用一台10PH的R22风冷式单元机原型机，更换相同匹数的压缩机及相关系统配件，形成实验样机。其系统原理如图1。

图1 实验样机系统原理图

2、首次测试结果及分析

对机组进行首次测试，发现制冷量及功率均比原型机偏低。制冷量从26.5kw下降到23.3kw，降幅12%；功率从10.3kw降低到9.6kw，降幅6.7%；能效比从2.57下降到2.43，降幅5.4%。相关测试数据见如表2。

3、系统优化及测试结果分析

从首次测试数据看，整机性能较差，测试效果不理想。基于R410A热力特性与R22存在较大差异，对系统的两器进行流路调整（如图2所示）。其中，蒸发器从9进9出改成5进5出，冷凝器从16进16出改成8进8出。同时，在测试过程中进一步调节冷媒的充注量至系统达到最佳匹配状态。

图2 两器流路布置图

（a-R22蒸发器，b-R410A蒸发器；c-R22冷凝器，d-R410A冷凝器）

优化后的系统，各项测试指标均发生明显改善。与原型机相比，制冷量从26.5kw提高到28.7kw，升幅8%；功率从10.3kw降低到9.7kw，降幅5.8%；能效比从2.57提升到2.96，升幅15%；冷媒量从9kg减少到7.8kg，减少13%。相关测试数据如表2所示。

表2 测试数据

4、结论

根据以上研究性测试，我们得到如下结论：

1、R410A冷媒的热力特性与R22存在较大差异，将R22系统改进成R410A系统不仅仅涉及压缩机及相关系统配件的更换，还需要对机组的两器流路及冷媒充注量进行优化性调整，方能最大限度发挥R410A冷媒的制冷优势。

2、R410A的流动阻力较小，两器的流路分路数应该比R22多（一般可设计成R22的1.7～2倍）；同时，分路数减少有利于流速的提高，两器换热效果更佳。

3、R410A具有比R22更大的单位容积制冷量，同样匹数的系统，R410A的冷媒充注量应该比R22少。

4、R410A的压力比R22高（大约是R22的1.5～1.6倍），为确保安全性，系统及两器的耐压能力应特别考虑。但由于R410A系统的冷媒充注量比R22系统偏小，同时R410A具有低流动阻力的优势，因此，同样匹数的系统，R410A系统的管径可以设计得更小一些，同时也具有使用小管径换热器的优势。同样壁厚的管子，管径小的耐压能力更高，这在一定程度上弥补了R410A压力高的缺陷。

5、由于R410A冷媒运行压力较高，使得其应用范围目前仍以小型机组较为多见，如何利用好R410A冷媒大单位容积制冷量、低流动阻力的优良特性，将其应用推广到大型制冷系统上，是未来值得研究的工作。

参考文献：

[1]GB/T 17758-2010，单元式空气调节机[S]

[2]杨世铭，陶文铨.傳热学[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[3]彦启森，石文星，田长青. 空气调节用制冷技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.