R410A風(fēng)冷式單元機(jī)特性研究

李逸進(jìn)

【摘要】本文介紹了R134a、R407C和R410A三種R22替代冷媒的相關(guān)特性及應(yīng)用情況，并在R22原型機(jī)基礎(chǔ)上，制作了R410A實(shí)驗樣機(jī)，對兩種冷媒的風(fēng)冷式單元機(jī)特性作針對性實(shí)驗研究。結(jié)果表明，R410A具有比R22更大的單位容積制冷量、低流動阻力的優(yōu)良特性，其兩器設(shè)計流路應(yīng)比R22多；但其運(yùn)行壓力較高，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮安全性問題。

【關(guān)鍵詞】R410A；單位容積制冷量；低流動阻力；流路；分路數(shù)

在目前的空調(diào)產(chǎn)品中，R22作為傳統(tǒng)的空調(diào)器用冷媒，仍被廣泛使用。但R22由于存在對臭氧層的破壞作用，將根據(jù)蒙特利爾條約逐漸被替換。而且，由于R22被限制生產(chǎn)，其價格將越來越高，從而導(dǎo)致空調(diào)產(chǎn)品的成本也水漲船高。因此，開發(fā)高效的新型冷媒空調(diào)器，越顯重要。

目前，R22的替代冷媒主要有R134a、R407C、R410A，此外，諸如R32、R290之類的冷媒也在部分廠家的研究范圍內(nèi)。但由于R32有一定可燃性，R290的可爆炸性，不僅對空調(diào)產(chǎn)品本身提出更高的要求，就連企業(yè)研發(fā)使用的實(shí)驗室也要求十分苛刻，從而一定程度上遏制了上述兩種冷媒的被推廣速度和范圍。

R134a（異四氟乙烷，C2H2F4）是最早被人們選定的作為R22的替代品，其ODP（消耗臭氧潛能值）為0，GWP（全球升溫潛能值）較低，曾被認(rèn)為是R22的理想替代品。但是，R134a由于單位容積制冷量較?。s為R22的0.6倍），導(dǎo)致R134a系統(tǒng)的壓縮機(jī)較大；由于R134a的傳熱系數(shù)與R22相比也偏低（大概下降10%），導(dǎo)致R134a系統(tǒng)的換熱器面積需增大；以上問題的存在導(dǎo)致R134a系統(tǒng)的成本大大增加。此外，R134a由于分子更小，容易出現(xiàn)系統(tǒng)泄漏，而且其吸水性極強(qiáng)（約是R22的20倍），系統(tǒng)中出現(xiàn)“鍍銅現(xiàn)象”也更加明顯。因此，R134a最終得不到大范圍推廣。由于其運(yùn)行壓力低，故目前多數(shù)是在高溫制冷工況及要求壓力較低的汽車空調(diào)領(lǐng)域得到一定應(yīng)用。

R407C（HFC32、HFC125、HFC134）的熱力性質(zhì)與R22非常接近，而且其ODP（消耗臭氧潛能值）為0，GWP（全球升溫潛能值）與R22相當(dāng)。在許多情況下，只需對R22系統(tǒng)稍作改進(jìn)，就可以使用R407C，故R407C一度被認(rèn)為是R22的理想替代冷媒。然而，由于R407C作為一種非共沸三元混合冷媒，在相變換熱過程中存在高達(dá)6.3℃的溫度滑移，為空調(diào)系統(tǒng)，特別是滿液式空調(diào)系統(tǒng)的性能匹配、壓力控制以及冷媒充注均帶來困難，最終使得R407C的應(yīng)用范圍難以有所突破，近年來的青睞程度明顯下降。

R410A（HFC32、HFC125）是一種二元混合冷媒，但由于其溫度滑移在0.2℃之內(nèi)，被認(rèn)為是近共沸冷媒。其ODP（消耗臭氧潛能值）為0，GWP（全球升溫潛能值）為1725。由于對臭氧層不存在破壞作用，而且其具有單位容積制冷量大、傳熱系數(shù)大、流動阻力小的優(yōu)良特性，目前被認(rèn)為是最理想的新型環(huán)保冷媒。

表1 R410A、R22基本特性對照表

下文以一臺10PH風(fēng)冷式單元機(jī)為實(shí)驗樣機(jī)，研究R410A的系統(tǒng)特性。

1、實(shí)驗樣機(jī)

采用一臺10PH的R22風(fēng)冷式單元機(jī)原型機(jī)，更換相同匹數(shù)的壓縮機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)配件，形成實(shí)驗樣機(jī)。其系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 實(shí)驗樣機(jī)系統(tǒng)原理圖

2、首次測試結(jié)果及分析

對機(jī)組進(jìn)行首次測試，發(fā)現(xiàn)制冷量及功率均比原型機(jī)偏低。制冷量從26.5kw下降到23.3kw，降幅12%；功率從10.3kw降低到9.6kw，降幅6.7%；能效比從2.57下降到2.43，降幅5.4%。相關(guān)測試數(shù)據(jù)見如表2。

3、系統(tǒng)優(yōu)化及測試結(jié)果分析

從首次測試數(shù)據(jù)看，整機(jī)性能較差，測試效果不理想?；赗410A熱力特性與R22存在較大差異，對系統(tǒng)的兩器進(jìn)行流路調(diào)整（如圖2所示）。其中，蒸發(fā)器從9進(jìn)9出改成5進(jìn)5出，冷凝器從16進(jìn)16出改成8進(jìn)8出。同時，在測試過程中進(jìn)一步調(diào)節(jié)冷媒的充注量至系統(tǒng)達(dá)到最佳匹配狀態(tài)。

圖2 兩器流路布置圖

（a-R22蒸發(fā)器，b-R410A蒸發(fā)器；c-R22冷凝器，d-R410A冷凝器）

優(yōu)化后的系統(tǒng)，各項測試指標(biāo)均發(fā)生明顯改善。與原型機(jī)相比，制冷量從26.5kw提高到28.7kw，升幅8%；功率從10.3kw降低到9.7kw，降幅5.8%；能效比從2.57提升到2.96，升幅15%；冷媒量從9kg減少到7.8kg，減少13%。相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)

4、結(jié)論

根據(jù)以上研究性測試，我們得到如下結(jié)論：

1、R410A冷媒的熱力特性與R22存在較大差異，將R22系統(tǒng)改進(jìn)成R410A系統(tǒng)不僅僅涉及壓縮機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)配件的更換，還需要對機(jī)組的兩器流路及冷媒充注量進(jìn)行優(yōu)化性調(diào)整，方能最大限度發(fā)揮R410A冷媒的制冷優(yōu)勢。

2、R410A的流動阻力較小，兩器的流路分路數(shù)應(yīng)該比R22多（一般可設(shè)計成R22的1.7～2倍）；同時，分路數(shù)減少有利于流速的提高，兩器換熱效果更佳。

3、R410A具有比R22更大的單位容積制冷量，同樣匹數(shù)的系統(tǒng)，R410A的冷媒充注量應(yīng)該比R22少。

4、R410A的壓力比R22高（大約是R22的1.5～1.6倍），為確保安全性，系統(tǒng)及兩器的耐壓能力應(yīng)特別考慮。但由于R410A系統(tǒng)的冷媒充注量比R22系統(tǒng)偏小，同時R410A具有低流動阻力的優(yōu)勢，因此，同樣匹數(shù)的系統(tǒng)，R410A系統(tǒng)的管徑可以設(shè)計得更小一些，同時也具有使用小管徑換熱器的優(yōu)勢。同樣壁厚的管子，管徑小的耐壓能力更高，這在一定程度上彌補(bǔ)了R410A壓力高的缺陷。

5、由于R410A冷媒運(yùn)行壓力較高，使得其應(yīng)用范圍目前仍以小型機(jī)組較為多見，如何利用好R410A冷媒大單位容積制冷量、低流動阻力的優(yōu)良特性，將其應(yīng)用推廣到大型制冷系統(tǒng)上，是未來值得研究的工作。

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