常用制冷劑及其替代物性能

王洪利，黃杰，劉慧琴

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

目前，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為制約人類社會(huì)高速發(fā)展的主要問題。從19世紀(jì)制冷技術(shù)出現(xiàn)到現(xiàn)在，制冷技術(shù)在空調(diào)和冰箱的應(yīng)用使他漸漸地成為人們的生產(chǎn)生活中至關(guān)重要的角色。伴隨著環(huán)境問題的顯現(xiàn)和日益突出，制冷劑也經(jīng)歷了一個(gè)出現(xiàn)和不斷完善的發(fā)展歷程。自1987年《蒙特利爾議定書》簽訂以來，各國紛紛展開了對(duì)CFCs和HCFCs物質(zhì)的替代物的研究，注重臭氧保護(hù)和減小溫室效應(yīng)，要求制冷劑不但要OPD 值較小，GWP 值也要較小［1］。

制冷劑的替代發(fā)展以可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境觀為首要標(biāo)準(zhǔn)，其ODP值為0，同時(shí)還要求GWP值小于150［2］。其次，制冷劑要有利于提高系統(tǒng)的能效比、安全性較好、可燃性和毒性較小、與潤滑油有良好的相溶性等特點(diǎn)。圖1給出了制冷劑的ODP和GWP值，圖2為制冷劑替代方向?？傊?，制冷劑的替代必須滿足全球環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展要求，制冷劑的發(fā)展與世界的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。本文對(duì)當(dāng)前常用的幾種制冷劑進(jìn)行了性能研究，并對(duì)未來制冷劑的發(fā)展方向做了分析。

1 制冷劑 R600a、R410a、R134a、R22、R744 和 R1234yf物性分析

目前，空調(diào)和制冷行業(yè)中使用較多的制冷劑為R410a、R134a、R22、R600a等，制冷劑的比熱、粘度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及和潤滑油的互溶性等物性參數(shù)［3］對(duì)循環(huán)性能的影響很大，不同工況下物性參數(shù)也有很大變化，制冷劑物性對(duì)循環(huán)性能影響很大。因此，選取制冷劑時(shí)既要考慮其物理性質(zhì)對(duì)制冷性能的影響，同時(shí)還要考慮制冷劑對(duì)環(huán)境的影響。幾種常用制冷劑及新型制冷劑R1234yf等物性見表1［4］。

表1 幾種制冷劑物性

由表1可知，在蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中，制冷劑要求有較高的臨界溫度，以便在常溫及低溫下能夠液化。其次，要有較大的單位容積制冷量和熱導(dǎo)率。在同一工況下，當(dāng)制冷量一定時(shí)，制冷劑的單位容積制冷量大，就可以減少系統(tǒng)的制冷劑容積，也可以相應(yīng)的縮小壓縮機(jī)的尺寸。較高的熱導(dǎo)率也可以減少換熱設(shè)備的傳熱面積，節(jié)省金屬材料的消耗量。再次，制冷劑要求粘度和密度小，這樣可使制冷劑循環(huán)的流動(dòng)阻力小，降低循環(huán)功耗以增強(qiáng)其經(jīng)濟(jì)性。

2 制冷劑 R600a、R410a、R134a、R22、R744 和 R1234yf循環(huán)性能對(duì)比

不同的制冷劑因其具有不同的熱力性能對(duì)循環(huán)性能的要求也不盡相同，所以針對(duì)不同的制冷劑設(shè)計(jì)合理的循環(huán)性能對(duì)提高壓縮機(jī)的效率也具有重要意義。本文對(duì)常用制冷劑R600a、R410a、R134a、R22、R744和R1234yf單級(jí)循環(huán)性能進(jìn)行對(duì)比。圖3和圖4給出了CO2跨臨界單級(jí)循環(huán)原理和T-s圖［5］。

2.1 蒸發(fā)溫度對(duì)COP的影響

從圖5中可以看出，在合理蒸發(fā)溫度區(qū)間內(nèi)，隨著蒸發(fā)溫度的升高，幾種制冷劑的COP呈一條上升的曲線，其中以R410a的COP值最大且上升趨勢較明顯，R134a與R1234yf較為接近。所以在合理的范圍內(nèi)提高蒸發(fā)溫度有助于提高制冷機(jī)的制冷性能。

2.2 冷凝溫度對(duì)COP的影響

在圖6中，隨著冷凝器(氣體冷卻器)出口溫度［6，7］的升高，幾種制冷劑的COP值均呈下降的趨勢，其中R744的下降趨勢比較明顯，相同冷凝溫度下具有較大的COP值，所以R744制冷劑具有很大的開發(fā)潛力。在實(shí)際運(yùn)行中，可適當(dāng)降低冷凝器(氣體冷卻器)的出口溫度提高壓縮機(jī)的效率。

圖5 COP隨蒸發(fā)溫度的變化

2.3 排氣壓力對(duì)COP的影響

由圖7可以看出，R22，R134a，以及R600a制冷系統(tǒng)都是在較低的運(yùn)行壓力下工作的，在臨界壓力之后系統(tǒng)COP急劇下降。R744制冷系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高且在某一范圍內(nèi)隨壓力升高COP值也急劇增大到極值。但是較高的壓力對(duì)現(xiàn)有替代設(shè)備提出了更高的要求，壓力過大必然會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏的隱患增大，這又為R744制冷劑的開發(fā)帶來難度。隨著排氣壓力的變化，R134a和R1234yf的COP具有相同的變化趨勢，這為兩種制冷劑的替代提供了可能。

總之，制冷劑制冷性能的好壞要看他在制冷機(jī)要求的工作條件(即高溫?zé)嵩礈囟萒H、低溫?zé)嵩礈囟萒L)下，是否有滿意的理論循環(huán)特性，這主要取決于制冷劑的熱力性質(zhì)。要求:冷凝壓力不高;蒸發(fā)壓力在常壓以上或接近大氣壓力;壓比適中;排氣溫度不高;單位制冷量大;循環(huán)性能好、流動(dòng)性能好。幾種常用制冷劑及新型制冷劑R1234yf的性能見表2。

表2 幾種制冷劑的性能

3 未來制冷劑的發(fā)展及要求

隨著時(shí)代的進(jìn)步，制冷劑的發(fā)展也經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的過程，替代制冷劑從無到有在不斷更新和完善。每一種替代制冷劑的出現(xiàn)都是朝著制冷性能不斷提高的方向發(fā)展的。在當(dāng)今環(huán)境問題日益突出的大背景下，零ODP和低GWP制冷劑被積極開發(fā)。

目前制冷劑的替代主要有兩種方向［8］:一種是以歐盟國家為代表的自然工質(zhì)替代物，如R744、R717等;另一種是以美國和日本為代表的HCFC替代物，如R1234yf。自然工質(zhì)對(duì)大氣環(huán)境無害，重新利用自然工質(zhì)是可取的;研發(fā)環(huán)境友好型的合成制冷劑也是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。自然工質(zhì)R744和新型合成制冷劑R1234yf都具有零ODP和小GWP值，而且R1234yf具有與當(dāng)前使用最多的R134a類似的性能，完全有可能在不更新設(shè)備的情況下完成替代。

［1］ D.W.Fahey.Ozone Depletion and GlobalWarming:Advancing the Science.In:Pr℃eedings of the Tenth International Refrigeration and Air Conditioning Conference，Purdue University，2004.

［2］ K.Senthil Kumar，K.Rajagopal.Computational and experimental investigation of low ODPand low GWPHCFC-123 and HC-290 refrigerantmixture alternate to CFC-12 ［J］.Energy Conversion and Management，2007，48(12):3053-3062.

［3］ M.R.Conde.Estimation of thermophysical properties of lubricating oils and their solutionswith refrigerants:An appraisal of existingmethods［J］.Applied Thermal Engineering，1996，16(1):51-61.

［4］ K.Senthil Kumar，K.Rajagopal.Heat transfer and pressure drop during condensation of the low GWP refrigerant R1234yf［J］.International Journal of Refrigeration，2010，33(7):1307-1318.

［5］ 王洪利，侯秀娟，馬一太.三種單級(jí)CO2跨臨界循環(huán)性能分析［J］.河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(1):1-6.

［6］ 王洪利，馬一太，姜云濤.CO2跨臨界單級(jí)壓縮帶回?zé)崞髋c不帶回?zé)崞餮h(huán)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，42(2):137-143.

［7］ HongliWang，YitaiMa，Jingrui Tian，Minxia Li.Theoretical analysis and experimental research on transcritical CO2two stage compression cycle with two gas coolers(TSCC+TG)and the cycle with intercooler(TSCC+IC)［J］.Energy Conversion and Management，2011，52(8-9):2819-2828.

［8］ 王如竹.制冷學(xué)科進(jìn)展研究與發(fā)展報(bào)告［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.