R32冷媒在柜机空调上的应用研究

马玉奇，徐中华，刘庆赟，郭军港，侯延慧，孟兆菊

( 青岛海尔空调器有限总公司，青岛 266101 )

R32冷媒在柜机空调上的应用研究

马玉奇，徐中华，刘庆赟，郭军港，侯延慧，孟兆菊

( 青岛海尔空调器有限总公司，青岛 266101 )

本文分析对比了R22、R410A、R32的热物性和环保性、安全性，开发了R32冷媒的圆形定频和变频柜机，介绍了其性能和安全可靠性设计开发思路和做法，对采用R32冷媒前后的试验数据进行对比分析，指出其中的差异原因，并提出下一步研究的方向。

R32环保制冷剂替代；柜机；试验研究

1 引言

以R22为代表的传统制冷剂HCFCS不仅会破坏臭氧层，还具有较高的温室效应。2007年《蒙特利尔议定书》第19次缔约方会议，通过了加速淘汰HCFCS的方案。要求首先淘汰那些臭氧损耗潜值ODP值较高的HCFCS，其次要选用GWP值最小的工质做替代品。而关于R22的替代物的研究出现了两种不同的方向，一种是以德国和部分北欧国家为代表的主张采用天然工质为替代物，如R717、R290、CO2等。但天然工质替代品具有易燃性或超高制冷循环压力的缺点。另一种是以美日为代表的主张开发HCFCS混合工质替代物，如R134a、R407C、R410A等。目前市场上替代R22的制冷剂主要是R410A，但其GWP值仍较高，一旦泄漏会造成明显的温室效应。因此仍须研究具有较低GWP值的环保制冷剂。R32(二氟甲烷)ODP值为0，GWP值仅为R410A的1/3，高能效、高制冷(热)量和热导率，可减少冷媒充注量，减少两器和压缩机排量，低压差，低毒性，较之R410A属于单一工质易操作和回收。其具有与R410A相近的热力参数，泄漏时与R22相比相对CO2排放量减排比例可达77.6%。此外，R32国内已有大量生产，价格便宜，无专利侵权问题，只需在现有R22生产线上稍作整改即可生产R32。被认为最具有潜力的替代R410A和R22的环保制冷剂。R32的安全性为A2(无毒可燃)，可以通过对其降低泄漏风险及泄漏后采取安全措施的设计降低R32的可燃性。因此，从环保安全、经济适用、成本优化的角度出发，R32替代R22和R410A是很有研究意义的，而R32在柜机空调上的应用研究却鲜见有关报道，本文以开发的R32冷媒圆形定频和变频柜机空调为例，分析讨论R32冷媒与R22、R410A冷媒的性能对比和安全可靠性设计差异。以期为R32冷媒的更大范围的应用推广及研究提供相关参考和依据[1-8]。

2 热物性对比及开发思路[9-18]

在美国ARI standard 520标准规定的空调工况下(蒸发温度为7.2℃，冷凝温度为54.4℃，过热度为11.1℃，过冷度为8.3℃)，压缩机等焓效率为0.75时，通过热力学计算，得到R22、R410A、R32的热工性能对比如表1所示。

表1 R22/R410A/R32冷媒的热工性能对比

制冷剂R22R410AR32分子式CHF2CLR32/R125(50/50)CH2F2分子量(g/mol)86.4772.5852.02GWP18102100675ODP0.05500泄漏相对CO2排放量18101764405沸点(℃)-40.8-51.4-51.7相对充注量10.840.6临界温度(℃)96.171.3678.1临界压力(MPa)4.984.95.78蒸发压力(MPa)0.631.041.03冷凝压力(MPa)2.183.493.52排气温度(℃)100.497.6122.2性能系数COP3.432.993.15单位质量制冷量(kJ/kg)151.8142.4231.5单位体积制冷量(kJ/m3)3779.65212.65876.1

由表1可知R32是R410A的组分之一(R32与R125各50%)，R32相对于R22仅需0.6倍的充注量、相对于R410A也只需0.71倍的充注量。可以使用更小排量的压缩机和气液分离器。此外，R32还有着较高的传热系数、汽化潜热、较大的比热和较低的粘度，因此它的流动阻力低、传热性能好。可以通过减少散热面积或管径优化节省换热器材料，减小设备尺寸，提高循环效率。R32比R410A饱和蒸汽压力略高，但非常接近，所以更换R32制冷剂，原R410A空调器的压力部件不需要更改。但是，由于R32的排气温度最高，应用时需注意解决耐压问题。本次开发以之前已经量产的定频R22、变频R410A圆形2匹、3匹柜机为母本，在标准焓差空调器实验室进行，根据国家标准GB/T7725-2004《房间空气调节器》规定的额定制冷和额定制热工况进行，保留原有机型性能参数和能效不变，仅更换R32冷媒，同时保持壳体尺寸、内外机送风系统不变，调整压缩机排量、两器大小、冷媒充注量、储液器、节流元件、联机管管径等。制作样机对比测试分析研究前后性能差异。

3 测试数据分析与讨论

按照上述思路制作样机对比测试数据如表2至表5。

表2 72定频柜机测试数据及配置对比

72机R32冷媒定频热泵72机R22冷媒定频热泵测试类型额定制冷额定制热额定制冷额定制热室内侧制冷(热)量(W)7396791273367996运行功率(W)2286233523722373能效比(W/W)3.243.393.093.37排气温度(℃)88.1687.5680.7477.4吸气温度(℃)8.610.646.060.83过冷管组规格(mm)620×1.6+530×1.4600×2.0+700×1.8压缩机排量(ml/rev)26.442.5冷媒量(g)18002650内机蒸发器2排4路分流44根Φ7发卡管2排6路分流50根Φ7发卡管外机冷凝器2排3路分流26根Φ9.522排3路分流26根Φ9.52储液器无有联机管管径(mm)6.35/12.76.35/15.88

表3 50定频柜机测试数据及配置对比

50机R32冷媒定频热泵50机R22冷媒定频热泵测试类型额定制冷额定制热额定制冷额定制热室内侧制冷(热)量(W)5517576953585748运行功率(W)1655167416531684能效比(W/W)3.333.453.243.41排气温度(℃)68.0683.1479.382.7吸气温度(℃)11.471.180.4过冷管组规格(mm)620×1.6+950×1.4520×1.8+680×1.6压缩机排量(ml/rev)19.730.7冷媒量(g)15002000内机蒸发器4路分流37根Φ7发卡管4路分流37根Φ7发卡管外机冷凝器2排4路分流26根Φ7发卡管2排3路分流22根Φ9.52发卡管储液器无无联机管管径(mm)6.35/12.76.35/12.7

表4 72变频柜机测试数据及配置对比

72R32变频热泵72R410A热泵变频测试类型额定制冷中间制冷1/4制冷额定制热中间制热1/4制热额定制冷中间制冷1/4制冷额定制热中间制热1/4制热室内侧制冷(热)量(W)709235942076908844942295721136091869892845592670运行功率(W)229991149731581095548254293247231721098604能效比(W/W)3.083.954.182.884.104.192.843.873.962.814.154.42排气温度(℃)90.4171.2360.9967.1964.894078.7761.5748.7659.958.0443.39吸气温度(℃)11.7919.0124.76-1.370.9746.7916.5619.6-2.170.52.71频率(HZ)58.5171276341763.52512763518压缩机排量(ml/rev)2222冷媒量(g)13201650内机蒸发器4路分流两排33根Φ7发卡管4路分流两排37根Φ7发卡管外机冷凝器6路分流30根双排Φ7发卡管6路分流30根Φ7发卡管储液器无无联机管管径(mm)6.35/12.76.35/12.7

表5 50变频柜机测试数据及配置对比

50R32变频热泵50R410A热泵变频测试类型额定制冷中间制冷额定制热中间制热额定制冷中间制冷额定制热中间制热室内侧制冷(热)量(W)53922782710536685287257171993556运行功率(W)1589609.524038131682.85589.062110.28758.45能效比(W/W)3.394.562.964.513.144.363.414.69排气温度(℃)82.467.1592.8662.767956.179.754.60吸气温度v9.419.170.823.813.118.4-0.62.5频率(HZ)7030964569278840压缩机排量(ml/rev)1414冷媒量(g)11501420内机蒸发器4路分流单排25根Φ7发卡管4路分流2排33根Φ7发卡管外机冷凝器4路分流2排26根Φ7发卡管4路分流2排26根Φ7发卡管储液器无无联机管管径(mm)6.35/9.526.35/12.7

由以上测试数据可知：

(1)更换为R32冷媒后，72定频机和50变频机粗管联机管管径可采用由之前的15.88和12.7缩减为12.7和9.52，另外72定频机之前的储液器去除，这是因为R32冷媒的沸腾换热系数更高，蒸发压力更高，对压降损失较为不敏感，R32冷媒的密度低，灌注量少，黏度低,压损低,加之R32冷媒的制冷模式时最佳充注量与制热模式时最佳充注量之差小于采用R22和R410A的2种模式下最佳充注量之差，从而可能去掉储液器。

(2)内机蒸发器72热泵由之前的2排6路分流50根Φ7发卡管缩减为2排4路分流44根Φ7发卡管，72变频机由4路分流两排37根Φ7发卡管缩减为4路分流两排33根Φ7发卡管，50变频机由4路分流2排33根Φ7发卡管缩减为4路分流单排蒸发器25根Φ7发卡管。外机冷凝器50定频机由2排22根Φ9.52发卡管缩减为2排26根Φ7发卡管，都是因为R32冷媒有着较高的传热系数、汽化潜热、较大的比热和较低的粘度，因此它的流动阻力低、传热性能好，可以通过减少散热面积或管径来优化系统，节省换热器材料，提高循环效率。同时R32冷媒具有流速慢的特点,需要减少流路，提高流速强化换热。故72定频机内机蒸发器由6路变为4路。

(3)R32冷媒定频机的过冷管组节流量增加很多，主、副毛细管内径减小，长度加长，而变频机的电子膨胀阀开度也变小。这是因为R32冷媒的排气温度较高时才能发挥出高的能力和能效，对应的节流元件流量需减小。

(4)定频机除72定频热泵制热量较之前R22冷媒有所降低外，其余能力能效都有大幅提升。变频机除72机中间制热和1/4制热，50机额定制热和中间制热外，其余能效比都有所提高，出现这种差异是因为之前的两器成本缩减造成压缩机功耗上升。

(5)72定频机压机排量由42.5ml/rev减少到26.4ml/rev，50定频机压机排量由30.7ml/rev减少到19.7ml/rev，与之前理论分析一致。变频机排量则没有变化。这是因为R32和R410A的饱和蒸汽压力比较接近，相同条件下R32的容积制冷量也仅比R410A高出约2.5%，因此，在R32变频压缩机的开发中可以有效借用R410A的泵体结构。仅更换润滑油即可。

(6)排气温度除个别试验项目外，其余排气、回气都有所上升，但温度均为可控范围。说明完全可以通过优化冷媒量和系统配置的方法控制排气温度不致过高。

(7)72定频机冷媒充注量由2650g变为1800g，50定频机冷媒量由2000g变为1500g。72变频机冷媒充注量由1650g变为1320g，50变频机冷媒量由1420g变为1150g。与之前理论相对充注量相比偏高，是为保证相同性能参数以及控制排气温度不致过高而增加的充注量。

4 安全及可靠性设计

R32具有微可燃性，R32发生泄漏后一般不会发生爆炸事故，仅有可能在泄漏点附近遇明火发生火灾。R32的泄漏引发的爆炸事故为空调柜机附近的局部区域。要通过降低泄漏风险及泄漏后采取安全措施的设计降低R32的可燃性。电器及控制系统需采用防爆或隔爆等防护措施，空调所用材料要求强度高、密封、耐油、寿命长[19]。针对上述思路主要做了以下安全和可靠性设计提升：

(1)因R32冷媒运行压力较高，造成管路振动较大，因此压缩机尤其是72机优选双转子压机。

(2)内机电脑板采用防爆件，其中保险丝采用陶瓷型，电容器采用P2防爆电容。外机交流接触器采用具有防爆认证的部件，并增加防爆盒防护。

(3)内外机在醒目位置增加若干警示标贴，提醒用户使用和售后安装时注意。说明书中应要求采用整根连机线。说明书中应推荐将连机管接头尽可能放到室外侧，如不能放到室外侧，不可拆卸一段必须安装在室内侧。

(4)电器设计应满足防火需求，充分考虑元器件的规格与容量，选用符合点燃测试要求的元件。

(5)电机优先考虑直流无刷电机代替可能产生火花的交流有刷电机；优先考虑塑封电机代替铁壳电机。

(6)空调器所有部件最高温度必须低于制冷剂燃点100℃以上(R32不允许超过540℃)，尤其注意电加热在最恶劣情况下应保证表面温度满足要求。降低电加热功率由之前的2100/2500W变为1500W/1800W。

(7)换热器必须两端均有管板固定，防止换热器运输过程中发生位移和形变导致泄露。

(8)换热器的发卡管必须在空调器外壳内，不允许直接暴露在外部，防止意外损伤破坏发卡管，导致制冷剂泄露。尤其注意室外冷凝器非焊接一段的铜管。

(9)截止阀外部应增加截止阀罩，以保护截止阀和连机管免收机械损伤。连接管室内端应采用防拆卸接头。喇叭口不允许重复使用，如重复使用连机管应重新加工喇叭口。

(10)管路(包括毛细管)与侧板、后护板、罩壳等结构部件的间隙应不小于10mm。蒸发器上的分液头、弯管等管路不能碰触到电气箱体。

(11)空调器外壳应该能够有效防止静电产生，塑料外壳应设计成为在正常使用维护和进行清洁的情况下能避免产生引燃危险的防静电结构。

除满足现有实验内容外，还应注意：

R32制冷剂排气温度高，实验中应特别注意监控排气温度，尤其是恶劣工况的排气温度。制热过负载试验、制冷过负载试验、电压波动试验、风量切换试验，在压机的保护控制能正常动作下，排气温度被控制在110℃以下。可靠性实验测试时应监控空调实际运行时间(压机运转)，检测排气温度，如初次使用的压缩机(新牌号润滑油)、新的阀部件，实验完成后压缩机与四通阀、电子膨胀阀、截止阀需要解剖确认。

5 结论与展望

通过对定频和变频圆形柜机空调上应用R32冷媒的性能试验和安全性可靠性的研究，得出如下结论：

(1)利用R32冷媒的沸腾换热系数高、粘度低、充注量少、能效高的特点，对换热器换热面积和管径进行优化，甚至可以缩减联机管管径以及去掉储液器。

(2)节流元件的流量较之R22和R410A冷媒要减少，才能发挥出R32高能力高能效的特点。

(3)R32冷媒充注量较之R22和R410A减少，但幅度不及理论值。

(4)R32冷媒排气温度较之R22和R410A有所上升，但通过冷媒充注量和系统配置调整均可控制在压机运行要求范围内。

(5)变频机可采用同R410A同排量压缩机，仅更换润滑油，定频机排量则仅相当于之前的62%～64%。

(6)作为安全性和可靠性设计，要从降低泄漏风险及泄漏后采取安全措施的设计的思路来开展。

通过以上的研究得知，从环保安全、经济适用、成本优化的角度出发，R32替代R22和R410A是很有市场前景和现实意义的。只要加大政府给与足够的政策支持，加大宣传力度，消除民众对于其“可燃”的恐慌心理，相关科研院所和企业深入研究，加强相关试验验证，一定会实现R32的推广应用。

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Research on the Application of R32 in the Cabinet Air Conditioner

MA Yuqi，XU Zhonghua，LIU Qingyun，GUO Jungang，HOU Yanhui，MENG Zhaoju

( Qingdao Haier Air Conditioner Gen.Corp.，Qingdao 266101 )

The thermophysical properties、friendly environmental performance、safety of R22,R410A,R32 refrigerant is comparatively analyzed.A series of R32 refrigerant fixed and convertible frequency circular cabinet air conditioner is developed,The thought of development and measures of improving the performance、safety and reliability is introduced.The experimental data differences between using R32 and other refrigerant is comparatively analyzed, the reason of the difference is pointed out.The future study directions are explored.

R32 Alternative of environmental refrigerants；Cabinet air conditioner；Test and study

2016-7-23

马玉奇(1981-)，男，硕士研究生，工程师，主要从事柜式空调开发工作。Email：myq296@163.com

ISSN1005-9180(2017)02-010-06

TU831.7 文献标示码：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.003