使用環(huán)保制冷劑R290替代R22的性能研究

周長(zhǎng)智，歐陽大妹

（廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東佛山，523811）

使用環(huán)保制冷劑R290替代R22的性能研究

周長(zhǎng)智，歐陽大妹

（廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東佛山，523811）

使用天然環(huán)保制冷劑R290可以在臭氧損耗和全球變暖等環(huán)境問題上發(fā)揮至關(guān)重要的作用，而R22由于其對(duì)臭氧層的巨大危害而迫切需要被淘汰。本文從環(huán)境性能、熱物性、安全性、制冷劑性能等方面對(duì)比分析了R290作為R22的替代制冷劑的潛在可能性。在制冷劑性能的對(duì)比分析中，通過分析計(jì)算，從制冷劑體積容量（VRC）、性能系數(shù)（COP）等方面出發(fā)?？偟膩碚f，在真實(shí)的應(yīng)用中，R290由于其出色的環(huán)境和熱物理性能可以更好的替代R22。

R290；R22；COP；制冷系統(tǒng)

0 引言

在過去的幾十年里，由于安全性方面的考慮，可燃碳?xì)浠衔镏评鋭┍唤箲?yīng)用在常規(guī)的制冷和空調(diào)上。實(shí)際上，碳?xì)浠衔颮290在1920年就被認(rèn)為是一種無色無味、熱物性極好的安全制冷劑，但是在1928年， 由于CFCs和HCFCs的迅猛發(fā)展，R290因其可燃性被逐漸被忽略了。而在1974年發(fā)現(xiàn)CFCs和HCFCs與大氣臭氧層的減少有關(guān)，隨著技術(shù)發(fā)展，人們又發(fā)現(xiàn)雖然HFCs和一些其他的替代物有著比較低的臭氧消耗潛能值（ODP），卻有著較高的全球變暖潛能值（GWP）。因此，找到一種環(huán)境友好的環(huán)保節(jié)能的制冷劑顯得日益重要，從而R290作為一種潛在的可替代R22的環(huán)保制冷劑在工業(yè)上受到越來越多的關(guān)注。[1,2]

1 R290和R22的制冷劑性能比較

制冷劑的選擇，是一個(gè)涉及到環(huán)境、熱物性和安全性能分析的復(fù)雜的過程。

1.1 環(huán)境性能

當(dāng)制冷劑被釋放到大氣中，其對(duì)環(huán)境影響的重要評(píng)價(jià)因素就是臭氧層消耗潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）。R290的ODP值為0， GWP值非常低。而用來評(píng)估制冷劑對(duì)于環(huán)境影響的變暖影響總當(dāng)量（TEWI）是直接因素和間接因素的總和，其中直接因素是由于制冷劑泄漏導(dǎo)致的，間接因素是由于系統(tǒng)運(yùn)行的能量消耗所導(dǎo)致的。在全球變暖方面，R290的直接影響非常低甚至是沒有；而由于R290良好的熱物性，其有著更低的間接影響。

1.2 R290和R22的熱物性對(duì)比

R290和R22的熱物性對(duì)比如下表1所示。

表1 指定操作條件下制冷R290和R22的熱物性對(duì)比[3]

在標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)，R290蒸氣的潛熱比R22要高80%，蒸氣潛熱越高，則需要的制冷劑質(zhì)量越少。兩種制冷劑的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的高度相同表明兩者的壓力曲線和應(yīng)用領(lǐng)域都非常相近。制冷劑的熱物性決定了制冷劑系統(tǒng)的能量特性。液態(tài)R290密度更低則需要制冷劑質(zhì)量越少，從而導(dǎo)致阻力更小，在蒸發(fā)和冷凝時(shí)的換熱系數(shù)更高。制冷劑黏度是不可逆因素的主要來源，和蒸發(fā)和冷凝時(shí)的換熱系數(shù)的影響因素，R290有著更低的黏度和更高的熱導(dǎo)率，從而很好的提高了蒸發(fā)和冷凝性能。同時(shí)，R290更高的比熱提供了更低的排氣溫度。

1.3 安全性

R290是A3類制冷劑，也就是說，它是一種無毒、高度可燃的制冷劑。爆炸下限（LFL）是在指定測(cè)試條件下制冷劑在空氣中燃燒的最低濃度。據(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)，R290的泄漏濃度不應(yīng)超過爆炸下限的20%。燃燒熱（HOC）則是制冷劑泄漏燃燒的能量指標(biāo)。

可燃性是使用R290制冷劑最需要考慮的問題，但是R290接觸空氣并不會(huì)自發(fā)地進(jìn)行燃燒。任何燃燒事故的必要先決條件是泄漏的制冷劑與空氣混合達(dá)到正確的比例（1%-20%），并且要有能量大于2.5×10-4kJ的點(diǎn)火源，或者其表面溫度大于了440℃。要安全使用R290制冷劑，采取相應(yīng)的預(yù)防措施非常必要。應(yīng)用可燃制冷劑一般會(huì)采用的措施是密封嚴(yán)密的系統(tǒng)、最小量排氣、以及合適的通風(fēng)設(shè)備。根據(jù)劉知新[4]等人的研究，在極端情況（空調(diào)器的室內(nèi)機(jī)及連接管內(nèi)全部為空氣）下，或是系統(tǒng)處于內(nèi)部工況惡劣的情況下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部R290的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于其爆炸上限，因此有點(diǎn)火情況發(fā)生也不會(huì)燃燒或爆炸。而當(dāng)空調(diào)器制冷劑發(fā)生泄露且局部聚集并遇點(diǎn)火的情況，制冷劑R290發(fā)生爆炸，但爆炸對(duì)樣機(jī)無基本性損傷，空調(diào)器在實(shí)驗(yàn)后仍可正常使用。

2 制冷劑性能的對(duì)比分析

從R22和R290制冷劑的單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)入手分析其理論性能。假定：壓降和環(huán)境熱損失忽略不計(jì)；壓縮過程為等熵壓縮，膨脹過程為等焓過程；蒸發(fā)器中有10℃的過熱，冷凝器中有5℃的過冷。在預(yù)定運(yùn)行條件下應(yīng)用制冷循環(huán)不同方程，結(jié)果如表2所示。

表2 冷凝溫度為45℃、蒸發(fā)溫度為10℃的特定運(yùn)行條件的性能參數(shù)對(duì)比

由于隨著壓縮比的升高影響了制冷劑的質(zhì)量流率和系統(tǒng)的COP，所以人們期望達(dá)到更低的壓縮比以增加體積和等熵效率。在恒定的冷凝溫度下，隨著蒸發(fā)溫度的升高，壓縮比也升高了。而相比于R22，R290的壓縮比要稍微低一些。壓縮機(jī)排氣溫度是作為制冷劑選擇的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。更低的排氣溫度提高了壓縮機(jī)的壽命，也使制冷劑和潤(rùn)滑油更加穩(wěn)定，R290的排氣溫度比R22要低得多。

R290的密度比R22小，因此排氣量大量減少，R290制冷劑的質(zhì)量流率比R22要低約43%。需要制冷劑的量更低，就減少了制冷劑的直接排放，從而使其溫室效應(yīng)更低。

性能系數(shù)（COP）是制冷系統(tǒng)能效的衡量指標(biāo)。R290的COP值與R22的幾乎相等或略低。如果為R290制冷系統(tǒng)進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，其COP值可以相應(yīng)提高，甚至比使用R22的系統(tǒng)要高。

3 結(jié)論

從環(huán)境性能、熱物性、安全性、等方面分析了R290替代R22的潛在可能性。再通過在標(biāo)準(zhǔn)蒸氣壓縮循環(huán)中實(shí)現(xiàn)恒定冷凝溫度并改變蒸發(fā)溫度的條件下分析對(duì)比R290和R22的性能，發(fā)現(xiàn)R290有著更低的排氣溫度，這是提高壓縮機(jī)壽命的關(guān)鍵因素；所需R290制冷劑的質(zhì)量流率比R22低50%；R290和R22的性能系數(shù)非常相近，但是鑒于R290的特性，在一些特殊設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，仍希望能提高其COP。盡管如此，R290由于其良好的環(huán)保性、熱物性和高能效，在實(shí)際應(yīng)用中，可以成為R22的良好的替代制冷劑。

[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]劉知新，郭春輝等.R290家用空調(diào)器安全性實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷技術(shù)，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