R32冷媒在柜機空調上的應用研究

馬玉奇，徐中華，劉慶赟，郭軍港，侯延慧，孟兆菊

( 青島海爾空調器有限總公司，青島 266101 )

R32冷媒在柜機空調上的應用研究

馬玉奇，徐中華，劉慶赟，郭軍港，侯延慧，孟兆菊

( 青島海爾空調器有限總公司，青島 266101 )

本文分析對比了R22、R410A、R32的熱物性和環(huán)保性、安全性，開發(fā)了R32冷媒的圓形定頻和變頻柜機，介紹了其性能和安全可靠性設計開發(fā)思路和做法，對采用R32冷媒前后的試驗數據進行對比分析，指出其中的差異原因，并提出下一步研究的方向。

R32環(huán)保制冷劑替代；柜機；試驗研究

1 引言

以R22為代表的傳統制冷劑HCFCS不僅會破壞臭氧層，還具有較高的溫室效應。2007年《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議，通過了加速淘汰HCFCS的方案。要求首先淘汰那些臭氧損耗潛值ODP值較高的HCFCS，其次要選用GWP值最小的工質做替代品。而關于R22的替代物的研究出現了兩種不同的方向，一種是以德國和部分北歐國家為代表的主張采用天然工質為替代物，如R717、R290、CO2等。但天然工質替代品具有易燃性或超高制冷循環(huán)壓力的缺點。另一種是以美日為代表的主張開發(fā)HCFCS混合工質替代物，如R134a、R407C、R410A等。目前市場上替代R22的制冷劑主要是R410A，但其GWP值仍較高，一旦泄漏會造成明顯的溫室效應。因此仍須研究具有較低GWP值的環(huán)保制冷劑。R32(二氟甲烷)ODP值為0，GWP值僅為R410A的1/3，高能效、高制冷(熱)量和熱導率，可減少冷媒充注量，減少兩器和壓縮機排量，低壓差，低毒性，較之R410A屬于單一工質易操作和回收。其具有與R410A相近的熱力參數，泄漏時與R22相比相對CO2排放量減排比例可達77.6%。此外，R32國內已有大量生產，價格便宜，無專利侵權問題，只需在現有R22生產線上稍作整改即可生產R32。被認為最具有潛力的替代R410A和R22的環(huán)保制冷劑。R32的安全性為A2(無毒可燃)，可以通過對其降低泄漏風險及泄漏后采取安全措施的設計降低R32的可燃性。因此，從環(huán)保安全、經濟適用、成本優(yōu)化的角度出發(fā)，R32替代R22和R410A是很有研究意義的，而R32在柜機空調上的應用研究卻鮮見有關報道，本文以開發(fā)的R32冷媒圓形定頻和變頻柜機空調為例，分析討論R32冷媒與R22、R410A冷媒的性能對比和安全可靠性設計差異。以期為R32冷媒的更大范圍的應用推廣及研究提供相關參考和依據[1-8]。

2 熱物性對比及開發(fā)思路[9-18]

在美國ARI standard 520標準規(guī)定的空調工況下(蒸發(fā)溫度為7.2℃，冷凝溫度為54.4℃，過熱度為11.1℃，過冷度為8.3℃)，壓縮機等焓效率為0.75時，通過熱力學計算，得到R22、R410A、R32的熱工性能對比如表1所示。

表1 R22/R410A/R32冷媒的熱工性能對比

制冷劑R22R410AR32分子式CHF2CLR32/R125(50/50)CH2F2分子量(g/mol)86.4772.5852.02GWP18102100675ODP0.05500泄漏相對CO2排放量18101764405沸點(℃)-40.8-51.4-51.7相對充注量10.840.6臨界溫度(℃)96.171.3678.1臨界壓力(MPa)4.984.95.78蒸發(fā)壓力(MPa)0.631.041.03冷凝壓力(MPa)2.183.493.52排氣溫度(℃)100.497.6122.2性能系數COP3.432.993.15單位質量制冷量(kJ/kg)151.8142.4231.5單位體積制冷量(kJ/m3)3779.65212.65876.1

由表1可知R32是R410A的組分之一(R32與R125各50%)，R32相對于R22僅需0.6倍的充注量、相對于R410A也只需0.71倍的充注量?？梢允褂酶∨帕康膲嚎s機和氣液分離器。此外，R32還有著較高的傳熱系數、汽化潛熱、較大的比熱和較低的粘度，因此它的流動阻力低、傳熱性能好?？梢酝ㄟ^減少散熱面積或管徑優(yōu)化節(jié)省換熱器材料，減小設備尺寸，提高循環(huán)效率。R32比R410A飽和蒸汽壓力略高，但非常接近，所以更換R32制冷劑，原R410A空調器的壓力部件不需要更改。但是，由于R32的排氣溫度最高，應用時需注意解決耐壓問題。本次開發(fā)以之前已經量產的定頻R22、變頻R410A圓形2匹、3匹柜機為母本，在標準焓差空調器實驗室進行，根據國家標準GB/T7725-2004《房間空氣調節(jié)器》規(guī)定的額定制冷和額定制熱工況進行，保留原有機型性能參數和能效不變，僅更換R32冷媒，同時保持殼體尺寸、內外機送風系統不變，調整壓縮機排量、兩器大小、冷媒充注量、儲液器、節(jié)流元件、聯機管管徑等。制作樣機對比測試分析研究前后性能差異。

3 測試數據分析與討論

按照上述思路制作樣機對比測試數據如表2至表5。

表2 72定頻柜機測試數據及配置對比

72機R32冷媒定頻熱泵72機R22冷媒定頻熱泵測試類型額定制冷額定制熱額定制冷額定制熱室內側制冷(熱)量(W)7396791273367996運行功率(W)2286233523722373能效比(W/W)3.243.393.093.37排氣溫度(℃)88.1687.5680.7477.4吸氣溫度(℃)8.610.646.060.83過冷管組規(guī)格(mm)620×1.6+530×1.4600×2.0+700×1.8壓縮機排量(ml/rev)26.442.5冷媒量(g)18002650內機蒸發(fā)器2排4路分流44根Φ7發(fā)卡管2排6路分流50根Φ7發(fā)卡管外機冷凝器2排3路分流26根Φ9.522排3路分流26根Φ9.52儲液器無有聯機管管徑(mm)6.35/12.76.35/15.88

表3 50定頻柜機測試數據及配置對比

50機R32冷媒定頻熱泵50機R22冷媒定頻熱泵測試類型額定制冷額定制熱額定制冷額定制熱室內側制冷(熱)量(W)5517576953585748運行功率(W)1655167416531684能效比(W/W)3.333.453.243.41排氣溫度(℃)68.0683.1479.382.7吸氣溫度(℃)11.471.180.4過冷管組規(guī)格(mm)620×1.6+950×1.4520×1.8+680×1.6壓縮機排量(ml/rev)19.730.7冷媒量(g)15002000內機蒸發(fā)器4路分流37根Φ7發(fā)卡管4路分流37根Φ7發(fā)卡管外機冷凝器2排4路分流26根Φ7發(fā)卡管2排3路分流22根Φ9.52發(fā)卡管儲液器無無聯機管管徑(mm)6.35/12.76.35/12.7

表4 72變頻柜機測試數據及配置對比

72R32變頻熱泵72R410A熱泵變頻測試類型額定制冷中間制冷1/4制冷額定制熱中間制熱1/4制熱額定制冷中間制冷1/4制冷額定制熱中間制熱1/4制熱室內側制冷(熱)量(W)709235942076908844942295721136091869892845592670運行功率(W)229991149731581095548254293247231721098604能效比(W/W)3.083.954.182.884.104.192.843.873.962.814.154.42排氣溫度(℃)90.4171.2360.9967.1964.894078.7761.5748.7659.958.0443.39吸氣溫度(℃)11.7919.0124.76-1.370.9746.7916.5619.6-2.170.52.71頻率(HZ)58.5171276341763.52512763518壓縮機排量(ml/rev)2222冷媒量(g)13201650內機蒸發(fā)器4路分流兩排33根Φ7發(fā)卡管4路分流兩排37根Φ7發(fā)卡管外機冷凝器6路分流30根雙排Φ7發(fā)卡管6路分流30根Φ7發(fā)卡管儲液器無無聯機管管徑(mm)6.35/12.76.35/12.7

表5 50變頻柜機測試數據及配置對比

50R32變頻熱泵50R410A熱泵變頻測試類型額定制冷中間制冷額定制熱中間制熱額定制冷中間制冷額定制熱中間制熱室內側制冷(熱)量(W)53922782710536685287257171993556運行功率(W)1589609.524038131682.85589.062110.28758.45能效比(W/W)3.394.562.964.513.144.363.414.69排氣溫度(℃)82.467.1592.8662.767956.179.754.60吸氣溫度v9.419.170.823.813.118.4-0.62.5頻率(HZ)7030964569278840壓縮機排量(ml/rev)1414冷媒量(g)11501420內機蒸發(fā)器4路分流單排25根Φ7發(fā)卡管4路分流2排33根Φ7發(fā)卡管外機冷凝器4路分流2排26根Φ7發(fā)卡管4路分流2排26根Φ7發(fā)卡管儲液器無無聯機管管徑(mm)6.35/9.526.35/12.7

由以上測試數據可知：

(1)更換為R32冷媒后，72定頻機和50變頻機粗管聯機管管徑可采用由之前的15.88和12.7縮減為12.7和9.52，另外72定頻機之前的儲液器去除，這是因為R32冷媒的沸騰換熱系數更高，蒸發(fā)壓力更高，對壓降損失較為不敏感，R32冷媒的密度低，灌注量少，黏度低,壓損低,加之R32冷媒的制冷模式時最佳充注量與制熱模式時最佳充注量之差小于采用R22和R410A的2種模式下最佳充注量之差，從而可能去掉儲液器。

(2)內機蒸發(fā)器72熱泵由之前的2排6路分流50根Φ7發(fā)卡管縮減為2排4路分流44根Φ7發(fā)卡管，72變頻機由4路分流兩排37根Φ7發(fā)卡管縮減為4路分流兩排33根Φ7發(fā)卡管，50變頻機由4路分流2排33根Φ7發(fā)卡管縮減為4路分流單排蒸發(fā)器25根Φ7發(fā)卡管。外機冷凝器50定頻機由2排22根Φ9.52發(fā)卡管縮減為2排26根Φ7發(fā)卡管，都是因為R32冷媒有著較高的傳熱系數、汽化潛熱、較大的比熱和較低的粘度，因此它的流動阻力低、傳熱性能好，可以通過減少散熱面積或管徑來優(yōu)化系統，節(jié)省換熱器材料，提高循環(huán)效率。同時R32冷媒具有流速慢的特點,需要減少流路，提高流速強化換熱。故72定頻機內機蒸發(fā)器由6路變?yōu)?路。

(3)R32冷媒定頻機的過冷管組節(jié)流量增加很多，主、副毛細管內徑減小，長度加長，而變頻機的電子膨脹閥開度也變小。這是因為R32冷媒的排氣溫度較高時才能發(fā)揮出高的能力和能效，對應的節(jié)流元件流量需減小。

(4)定頻機除72定頻熱泵制熱量較之前R22冷媒有所降低外，其余能力能效都有大幅提升。變頻機除72機中間制熱和1/4制熱，50機額定制熱和中間制熱外，其余能效比都有所提高，出現這種差異是因為之前的兩器成本縮減造成壓縮機功耗上升。

(5)72定頻機壓機排量由42.5ml/rev減少到26.4ml/rev，50定頻機壓機排量由30.7ml/rev減少到19.7ml/rev，與之前理論分析一致。變頻機排量則沒有變化。這是因為R32和R410A的飽和蒸汽壓力比較接近，相同條件下R32的容積制冷量也僅比R410A高出約2.5%，因此，在R32變頻壓縮機的開發(fā)中可以有效借用R410A的泵體結構。僅更換潤滑油即可。

(6)排氣溫度除個別試驗項目外，其余排氣、回氣都有所上升，但溫度均為可控范圍。說明完全可以通過優(yōu)化冷媒量和系統配置的方法控制排氣溫度不致過高。

(7)72定頻機冷媒充注量由2650g變?yōu)?800g，50定頻機冷媒量由2000g變?yōu)?500g。72變頻機冷媒充注量由1650g變?yōu)?320g，50變頻機冷媒量由1420g變?yōu)?150g。與之前理論相對充注量相比偏高，是為保證相同性能參數以及控制排氣溫度不致過高而增加的充注量。

4 安全及可靠性設計

R32具有微可燃性，R32發(fā)生泄漏后一般不會發(fā)生爆炸事故，僅有可能在泄漏點附近遇明火發(fā)生火災。R32的泄漏引發(fā)的爆炸事故為空調柜機附近的局部區(qū)域。要通過降低泄漏風險及泄漏后采取安全措施的設計降低R32的可燃性。電器及控制系統需采用防爆或隔爆等防護措施，空調所用材料要求強度高、密封、耐油、壽命長[19]。針對上述思路主要做了以下安全和可靠性設計提升：

(1)因R32冷媒運行壓力較高，造成管路振動較大，因此壓縮機尤其是72機優(yōu)選雙轉子壓機。

(2)內機電腦板采用防爆件，其中保險絲采用陶瓷型，電容器采用P2防爆電容。外機交流接觸器采用具有防爆認證的部件，并增加防爆盒防護。

(3)內外機在醒目位置增加若干警示標貼，提醒用戶使用和售后安裝時注意。說明書中應要求采用整根連機線。說明書中應推薦將連機管接頭盡可能放到室外側，如不能放到室外側，不可拆卸一段必須安裝在室內側。

(4)電器設計應滿足防火需求，充分考慮元器件的規(guī)格與容量，選用符合點燃測試要求的元件。

(5)電機優(yōu)先考慮直流無刷電機代替可能產生火花的交流有刷電機；優(yōu)先考慮塑封電機代替鐵殼電機。

(6)空調器所有部件最高溫度必須低于制冷劑燃點100℃以上(R32不允許超過540℃)，尤其注意電加熱在最惡劣情況下應保證表面溫度滿足要求。降低電加熱功率由之前的2100/2500W變?yōu)?500W/1800W。

(7)換熱器必須兩端均有管板固定，防止換熱器運輸過程中發(fā)生位移和形變導致泄露。

(8)換熱器的發(fā)卡管必須在空調器外殼內，不允許直接暴露在外部，防止意外損傷破壞發(fā)卡管，導致制冷劑泄露。尤其注意室外冷凝器非焊接一段的銅管。

(9)截止閥外部應增加截止閥罩，以保護截止閥和連機管免收機械損傷。連接管室內端應采用防拆卸接頭。喇叭口不允許重復使用，如重復使用連機管應重新加工喇叭口。

(10)管路(包括毛細管)與側板、后護板、罩殼等結構部件的間隙應不小于10mm。蒸發(fā)器上的分液頭、彎管等管路不能碰觸到電氣箱體。

(11)空調器外殼應該能夠有效防止靜電產生，塑料外殼應設計成為在正常使用維護和進行清潔的情況下能避免產生引燃危險的防靜電結構。

除滿足現有實驗內容外，還應注意：

R32制冷劑排氣溫度高，實驗中應特別注意監(jiān)控排氣溫度，尤其是惡劣工況的排氣溫度。制熱過負載試驗、制冷過負載試驗、電壓波動試驗、風量切換試驗，在壓機的保護控制能正常動作下，排氣溫度被控制在110℃以下?？煽啃詫嶒灉y試時應監(jiān)控空調實際運行時間(壓機運轉)，檢測排氣溫度，如初次使用的壓縮機(新牌號潤滑油)、新的閥部件，實驗完成后壓縮機與四通閥、電子膨脹閥、截止閥需要解剖確認。

5 結論與展望

通過對定頻和變頻圓形柜機空調上應用R32冷媒的性能試驗和安全性可靠性的研究，得出如下結論：

(1)利用R32冷媒的沸騰換熱系數高、粘度低、充注量少、能效高的特點，對換熱器換熱面積和管徑進行優(yōu)化，甚至可以縮減聯機管管徑以及去掉儲液器。

(2)節(jié)流元件的流量較之R22和R410A冷媒要減少，才能發(fā)揮出R32高能力高能效的特點。

(3)R32冷媒充注量較之R22和R410A減少，但幅度不及理論值。

(4)R32冷媒排氣溫度較之R22和R410A有所上升，但通過冷媒充注量和系統配置調整均可控制在壓機運行要求范圍內。

(5)變頻機可采用同R410A同排量壓縮機，僅更換潤滑油，定頻機排量則僅相當于之前的62%～64%。

(6)作為安全性和可靠性設計，要從降低泄漏風險及泄漏后采取安全措施的設計的思路來開展。

通過以上的研究得知，從環(huán)保安全、經濟適用、成本優(yōu)化的角度出發(fā)，R32替代R22和R410A是很有市場前景和現實意義的。只要加大政府給與足夠的政策支持，加大宣傳力度，消除民眾對于其“可燃”的恐慌心理，相關科研院所和企業(yè)深入研究，加強相關試驗驗證，一定會實現R32的推廣應用。

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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

馬玉奇(1981-)，男，碩士研究生，工程師，主要從事柜式空調開發(fā)工作。Email：myq296@163.com

ISSN1005-9180(2017)02-010-06

TU831.7 文獻標示碼：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.003