使用环保制冷剂R290替代R22的性能研究

周长智，欧阳大妹

（广东美的暖通设备有限公司，广东佛山，523811）

使用环保制冷剂R290替代R22的性能研究

周长智，欧阳大妹

（广东美的暖通设备有限公司，广东佛山，523811）

使用天然环保制冷剂R290可以在臭氧损耗和全球变暖等环境问题上发挥至关重要的作用，而R22由于其对臭氧层的巨大危害而迫切需要被淘汰。本文从环境性能、热物性、安全性、制冷剂性能等方面对比分析了R290作为R22的替代制冷剂的潜在可能性。在制冷剂性能的对比分析中，通过分析计算，从制冷剂体积容量（VRC）、性能系数（COP）等方面出发。总的来说，在真实的应用中，R290由于其出色的环境和热物理性能可以更好的替代R22。

R290；R22；COP；制冷系统

0 引言

在过去的几十年里，由于安全性方面的考虑，可燃碳氢化合物制冷剂被禁止应用在常规的制冷和空调上。实际上，碳氢化合物R290在1920年就被认为是一种无色无味、热物性极好的安全制冷剂，但是在1928年， 由于CFCs和HCFCs的迅猛发展，R290因其可燃性被逐渐被忽略了。而在1974年发现CFCs和HCFCs与大气臭氧层的减少有关，随着技术发展，人们又发现虽然HFCs和一些其他的替代物有着比较低的臭氧消耗潜能值（ODP），却有着较高的全球变暖潜能值（GWP）。因此，找到一种环境友好的环保节能的制冷剂显得日益重要，从而R290作为一种潜在的可替代R22的环保制冷剂在工业上受到越来越多的关注。[1,2]

1 R290和R22的制冷剂性能比较

制冷剂的选择，是一个涉及到环境、热物性和安全性能分析的复杂的过程。

1.1 环境性能

当制冷剂被释放到大气中，其对环境影响的重要评价因素就是臭氧层消耗潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）。R290的ODP值为0， GWP值非常低。而用来评估制冷剂对于环境影响的变暖影响总当量（TEWI）是直接因素和间接因素的总和，其中直接因素是由于制冷剂泄漏导致的，间接因素是由于系统运行的能量消耗所导致的。在全球变暖方面，R290的直接影响非常低甚至是没有；而由于R290良好的热物性，其有着更低的间接影响。

1.2 R290和R22的热物性对比

R290和R22的热物性对比如下表1所示。

表1 指定操作条件下制冷R290和R22的热物性对比[3]

在标准沸点，R290蒸气的潜热比R22要高80%，蒸气潜热越高，则需要的制冷剂质量越少。两种制冷剂的标准沸点的高度相同表明两者的压力曲线和应用领域都非常相近。制冷剂的热物性决定了制冷剂系统的能量特性。液态R290密度更低则需要制冷剂质量越少，从而导致阻力更小，在蒸发和冷凝时的换热系数更高。制冷剂黏度是不可逆因素的主要来源，和蒸发和冷凝时的换热系数的影响因素，R290有着更低的黏度和更高的热导率，从而很好的提高了蒸发和冷凝性能。同时，R290更高的比热提供了更低的排气温度。

1.3 安全性

R290是A3类制冷剂，也就是说，它是一种无毒、高度可燃的制冷剂。爆炸下限（LFL）是在指定测试条件下制冷剂在空气中燃烧的最低浓度。据ASHRAE标准，R290的泄漏浓度不应超过爆炸下限的20%。燃烧热（HOC）则是制冷剂泄漏燃烧的能量指标。

可燃性是使用R290制冷剂最需要考虑的问题，但是R290接触空气并不会自发地进行燃烧。任何燃烧事故的必要先决条件是泄漏的制冷剂与空气混合达到正确的比例（1%-20%），并且要有能量大于2.5×10-4kJ的点火源，或者其表面温度大于了440℃。要安全使用R290制冷剂，采取相应的预防措施非常必要。应用可燃制冷剂一般会采用的措施是密封严密的系统、最小量排气、以及合适的通风设备。根据刘知新[4]等人的研究，在极端情况（空调器的室内机及连接管内全部为空气）下，或是系统处于内部工况恶劣的情况下长期运转，空调系统内部R290的质量浓度远大于其爆炸上限，因此有点火情况发生也不会燃烧或爆炸。而当空调器制冷剂发生泄露且局部聚集并遇点火的情况，制冷剂R290发生爆炸，但爆炸对样机无基本性损伤，空调器在实验后仍可正常使用。

2 制冷剂性能的对比分析

从R22和R290制冷剂的单级蒸气压缩式制冷循环入手分析其理论性能。假定：压降和环境热损失忽略不计；压缩过程为等熵压缩，膨胀过程为等焓过程；蒸发器中有10℃的过热，冷凝器中有5℃的过冷。在预定运行条件下应用制冷循环不同方程，结果如表2所示。

表2 冷凝温度为45℃、蒸发温度为10℃的特定运行条件的性能参数对比

由于随着压缩比的升高影响了制冷剂的质量流率和系统的COP，所以人们期望达到更低的压缩比以增加体积和等熵效率。在恒定的冷凝温度下，随着蒸发温度的升高，压缩比也升高了。而相比于R22，R290的压缩比要稍微低一些。压缩机排气温度是作为制冷剂选择的一个非常重要的指标。更低的排气温度提高了压缩机的寿命，也使制冷剂和润滑油更加稳定，R290的排气温度比R22要低得多。

R290的密度比R22小，因此排气量大量减少，R290制冷剂的质量流率比R22要低约43%。需要制冷剂的量更低，就减少了制冷剂的直接排放，从而使其温室效应更低。

性能系数（COP）是制冷系统能效的衡量指标。R290的COP值与R22的几乎相等或略低。如果为R290制冷系统进行特别设计，其COP值可以相应提高，甚至比使用R22的系统要高。

3 结论

从环境性能、热物性、安全性、等方面分析了R290替代R22的潜在可能性。再通过在标准蒸气压缩循环中实现恒定冷凝温度并改变蒸发温度的条件下分析对比R290和R22的性能，发现R290有着更低的排气温度，这是提高压缩机寿命的关键因素；所需R290制冷剂的质量流率比R22低50%；R290和R22的性能系数非常相近，但是鉴于R290的特性，在一些特殊设计的系统中，仍希望能提高其COP。尽管如此，R290由于其良好的环保性、热物性和高能效，在实际应用中，可以成为R22的良好的替代制冷剂。

[1] C S Choudhari, S N Sapali, Performance investigation of natural refrigerant R290 as a substitute to R22 in refrigeration systems, Energy Procedia, 109(2017)346-352.

[2] Reference fluid thermodynamic and transport properties REFPROP Version 9.0”，NIST Standard Reference Database 23，NOV 2010.

[3]刘知新，郭春辉等.R290家用空调器安全性实验研究[J].制冷技术，1（2011）22-26.

Performance study of using environmental friendly refrigerant R290 instead of R22

Zhou Changzhi,Ouyang Damei
(Guangdong Midea heating and Ventilating Equipment Co., Ltd., Foshan Guangdong, 523811)

The use of natural refrigerants R290 can play a crucial role in ozone depletion and environmental problems such as global warming, and R22 due to its huge harm to the ozone layer and the urgent need to be eliminated from the environmental performance, thermal properties, safety, and other aspects of a comparative analysis of the refrigerant to R290 as R22 the alternative refrigerant potential. In the comparative analysis of refrigerant performance, through analysis and calculation, the refrigerant volume (VRC), the coefficient of performance (COP) and other aspects. In general, in a real application, R290 due to its excellent physical and thermal environment Can a better alternative to R22.

R290;R22;COP;refrigeration system