船用冷暖一體空調(diào)新型環(huán)保制冷劑的選擇研究

楊宗橋,林正煒,袁安泰,崔海鳴

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司,山東 青島 266101)

船舶空調(diào)系統(tǒng)不僅為船員的工作和生活創(chuàng)造出了舒適的環(huán)境,還為船舶設(shè)備的正常運行和貨物的運輸提供了必備的環(huán)境保障。目前,船舶空調(diào)的制冷工況一般采用制冷壓縮機(jī)產(chǎn)生7～12 ℃的冷媒水,通過循環(huán)泵輸送到空調(diào)器的換熱器中,再由風(fēng)機(jī)將這部分冷量送至各個艙室,達(dá)到制冷的目的。船舶空調(diào)的制熱工況一般采用廢氣鍋爐或燃油鍋爐產(chǎn)生150 ℃以上的飽和蒸汽,通過蒸汽管路輸送到空調(diào)器的換熱器中,再由風(fēng)機(jī)將這部分熱量送至各個艙室,從而達(dá)到制熱的目的。然而,目前航運市場低迷,船舶降速航行已是常態(tài)化。這使得廢氣鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽無法滿足全船的需求,不得不采用燃油鍋爐輔助。隨著國際石油價格上漲,船舶營運成本不斷加大,為實現(xiàn)運營成本的降低,船東通常采用降低船舶艙室空氣品質(zhì)的方式來降低船舶能耗。這不僅會極大地影響船員和乘客的身心健康和工作效率,而且會對船舶設(shè)備安全運行帶來極大隱患。船舶空調(diào)裝置是保證船員正常工作和生活的重要設(shè)備,是現(xiàn)代船舶主要的能耗裝置。但現(xiàn)有船舶空調(diào)系統(tǒng)相對落后,具有較大的節(jié)能潛力[1]。船舶冷暖一體空調(diào)系統(tǒng)通過使用熱泵技術(shù)利用海水、空氣或者發(fā)電機(jī)冷卻水的熱量進(jìn)行制冷、制熱,在船舶上的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景。因此,急需開展基于熱泵的船舶冷暖一體空調(diào)技術(shù)研究。

制冷劑是船舶冷暖一體空調(diào)的工作介質(zhì),在船舶空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)流動,通過其熱力狀態(tài)的變化與外界進(jìn)行能量交換,從而實現(xiàn)制冷或制熱的目的。船舶空調(diào)系統(tǒng)運行性能的好壞在一定程度上取決于工質(zhì)的特性,選擇合適的工質(zhì)對于船舶空調(diào)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。因此,本文開展了船舶冷暖一體空調(diào)系統(tǒng)新型環(huán)保工質(zhì)的選擇研究。

1 制冷劑的相關(guān)法規(guī)進(jìn)展與要求

氟利昂制冷劑的大規(guī)模使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題,并且逐漸受到人們關(guān)注。1976年,聯(lián)合國環(huán)境署理事會第一次討論了臭氧層破壞問題,并于1987年在加拿大簽署了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》。該議定書正式規(guī)定了消減CFC類制冷劑的生產(chǎn)和消費日程表[2]。我國也已于1993年通過并批準(zhǔn)了《中國消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國家方案》。經(jīng)過國際社會的積極合作和努力,到2010年1月1日,已經(jīng)實現(xiàn)了在全球范圍內(nèi)的CFC類制冷劑的全面淘汰。

聯(lián)合國氣候變化框架公約第三次締約國會議于1997年12月在日本京都制定了《京都議定書》,比較具體規(guī)定了2008年至2012年期間,主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家的溫室氣體排放量要在1990年的基礎(chǔ)上平均減少5.2%?！毒┒甲h定書》規(guī)定了需要限制的六種溫室氣體,分別為二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFC)、全氟化碳(PEC)及六氟化硫(SF6)[3]。

《蒙特利爾議定書基加利修正案》在2017年11月已經(jīng)達(dá)到生效條件,并在2019年1月1日正式生效,這就意味著HFC類制冷劑將在基加利框架下進(jìn)行逐步削減。《基加利修正案》中列出的需要削減的HFC制冷劑種類包括R134a、R143、R32、R152等。一些常用HFC混合制冷劑,如R404A和R410A等也在管控之中[4]。

如圖1所示,中國預(yù)計從2024年開始凍結(jié)HFC類制冷劑,2029年削減10%,2045年實現(xiàn)削減80%。在航運界,隨著各個國家對環(huán)保的逐步重視,各主要船級社分別提出了環(huán)保入級符號,并對船舶制冷劑的使用提出了具體的要求,各船級社環(huán)保船級符號及對工質(zhì)的要求見表1[5]。

表1 各船級社環(huán)保船級符號及對制冷工質(zhì)的限制

圖1 基加利修正案規(guī)定的中國HFC類物質(zhì)限控時間

2 船用制冷劑的選擇及替代原則

當(dāng)前制冷劑的最終替代方案出現(xiàn)了兩個主要分支:一種是以歐洲為代表,主張采用天然工質(zhì)作為制冷劑的替代物,如R290(丙烷)、R161(氟乙烷)、R600(丁烷)、CO2、NH3等;另一種以美國和日本為代表,主張采用化學(xué)合成的零ODP、低GWP工質(zhì)[6]。天然工質(zhì)中CO2運行壓力過高,NH3與其他碳?xì)浠衔锒季哂幸欢ǖ目扇夹?如將其大范圍用于船舶空調(diào)熱泵系統(tǒng),會由于船舶震動、工質(zhì)用量較大及系統(tǒng)泄漏等而產(chǎn)生不安全因素。上述工質(zhì)在陸地工況下使用時,可通過加入阻燃劑、加強(qiáng)通風(fēng)、加強(qiáng)安全監(jiān)管等來正常使用,但考慮船舶工況環(huán)境的特殊性,不建議將天然工質(zhì)作為船舶冷暖一體空調(diào)制冷劑。另一方面,當(dāng)前處于制冷劑產(chǎn)品的過渡期,HFC類制冷劑依然在用量上占主導(dǎo)地位。因此,船舶新型環(huán)保制冷劑工質(zhì)的選擇可在HFO類物質(zhì)、低GWP的HFC類物質(zhì)及其混合物中作選擇。

制冷劑工質(zhì)的選擇應(yīng)遵守以下原則:1)環(huán)保性:ODP=0,GWP盡可能小;2)安全性:制冷劑應(yīng)具有低毒性低可燃性的特點,有較高的安全性,系統(tǒng)的耐久性好;3)經(jīng)濟(jì)性:制冷劑的制造成本要低,生產(chǎn)工藝要簡單,便于推廣;4)熱力學(xué)特性:優(yōu)良的熱力性能,包括熱力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性和材料與潤滑油的相溶性等。由于船用制冷設(shè)備的體積和重量受到限制,船用制冷劑運行壓力要低,且不易泄露[7]。

3 待選制冷劑

目前安全等級為A1(無毒不可燃),且常用于替代R22的制冷劑工質(zhì)包括R134a、R410A、R404A等。不同制冷劑工質(zhì)應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,其中R134a常用于小容量冰箱、大型冷水機(jī)組和高溫?zé)岜?R404A常應(yīng)用于冷凍冷藏設(shè)備;R410A常用于空調(diào)設(shè)備(制冷和制熱)。表2為R22及其替代工質(zhì)的物性對比。

表2 R22及其替代工質(zhì)物性對比

由表2可知R404A的GWP值達(dá)到3 800,不符合目前船級社環(huán)保船級符號對制冷工質(zhì)的限制,R134a的臨界壓力較R410A低,對壓縮機(jī)的要求較低。通過比澤爾壓縮機(jī)選型軟件對上述待選工質(zhì)進(jìn)行匹配分析,可得出各待選工質(zhì)蒸發(fā)溫度與冷凝溫度的極限框圖。圖2為三種工質(zhì)的工作極限框圖。由圖2可知R134a的冷凝溫度最高,能達(dá)到80 ℃以上,且工作范圍大,既可制冷又可制熱,不易達(dá)到工作極限。根據(jù)船上的實際工況,船舶冷暖一體空調(diào)的熱媒水溫度越高,所需的換熱器面積越小,越可減少整個機(jī)組的體積。并且R134a的GWP值低于R410A,符合目前相關(guān)法規(guī)對制冷工質(zhì)的限制要求。因此,冷凝溫度上限更高的R134a更適合作為過渡工質(zhì)應(yīng)用于船舶冷暖一體空調(diào)。

圖2 三種工質(zhì)的工作極限框圖

隨著《基加利修正案》于2019年1月1日正式生效,各個國家開始逐步減少HFC類物質(zhì)的生產(chǎn)和消耗,R134a也在被管控范圍之內(nèi)。因此必須尋找R134a的替代工質(zhì)來降低GWP值,以滿足日益嚴(yán)苛的法律法規(guī)。R1234yf與R1234ze于2008年由美國杜邦公司與霍尼韋爾公司聯(lián)合研發(fā)而成,被認(rèn)為是替代R134a的新一代環(huán)保工質(zhì)。R1234yf的ODP值為0,GWP值為4,大氣壽命僅11 d;R1234ze的ODP值為0,GWP值為6,大氣壽命僅18 d,無論是GWP值(1 430)還是大氣壽命(44年)均較R134a有著大幅的進(jìn)步。表3為R134a與R1234yf、R1234ze的物性對比。R1234yf和R1234ze的排氣溫度低,工作壓力小,單位制冷量較小,系統(tǒng)COP略低于R134a,可直接應(yīng)用于R134a系統(tǒng)[8]。但價格昂貴,氣化潛熱偏低,且安全等級為A2,有一定的可燃性,因此不適合船舶冷暖一體空調(diào)的應(yīng)用。

表3 R134a與R1234yf、R1234ze的物性對比

由于純工質(zhì)在性能上存在的局限性,采用混合物為制冷劑的選擇提供了更大的廣度。根據(jù)組成物質(zhì)的沸點是否相近,混合制冷劑可分為近共沸制冷劑和非共沸制冷劑。近共沸制冷劑與純工質(zhì)特征相似,非共沸制冷劑可減小冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱不可逆損失,但系統(tǒng)泄漏會引起混合物組分的變化。混合制冷劑的目的就是將各組分的缺點削弱,優(yōu)點互補,在達(dá)到使用要求的同時保證對環(huán)境的友好性。

混合物的組元與被替代物相比,必須有以下特點[9]:

1)在物性上具有優(yōu)勢互補;

2)無論是制冷工況還是制熱工況,組元的COP值盡可能與被替代物的COP值接近;

3)通過合理配比混合制冷劑組元,使混合制冷劑的容積制冷量與被替代物的容積制冷量匹配;

4)混合制冷劑的組元蒸氣壓曲線應(yīng)位于被替代工質(zhì)的蒸氣壓曲線的兩側(cè),或與被替代工質(zhì)的蒸氣壓曲線接近。

圖3為R134a、R1234yf、R1234ze的飽和蒸氣壓曲線。

圖3 R134a、R1234yf、R1234ze的飽和蒸氣壓曲線

由圖3可知,R1234yf與R1234ze的飽和蒸氣壓曲線與R134a十分接近。R134a的COP值過大而R1234yf與R1234ze的COP值很低,R134a不可燃而R1234yf與R1234ze有一定的可燃性,因此兩者混合符合優(yōu)勢互補。且三種工質(zhì)的臨界溫度相似,其混合物屬于近共沸混合物,與純工質(zhì)的特征相似。為了在原有R134a系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下降低制冷劑的GWP值,改用R134a/R1234yf(R1234ze)近共沸混合制冷劑是一種可行的方法。

為了找到更為理想的低GWP替代工質(zhì),國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對R1234yf(R1234ze)/R134a近共沸制冷劑進(jìn)行了大量研究。張佳妮[10]等測定了不同配比的R1234yf與R134a的混合制冷劑的PVT(壓力-體積-溫度)性質(zhì),并擬合了氣態(tài)維里方程;孫維棟[11]等建立了R1234yf/R134a的熱物性模型,分析了混合制冷劑的氣液相平衡曲線;陳琪[12]等對二元混合制冷劑R1234yf/R134a的不同配比分別進(jìn)行了可燃性實驗。當(dāng)阻燃制冷劑R134a和可燃制冷劑R1234yf的體積比約為2時,R1234yf/R134a的爆炸上限等于其爆炸下限,當(dāng)二者體積比增大時,任意濃度的混合制冷劑均不具有燃燒性,表明在R1234yf中加入定量的R134a可使制冷劑更加安全;Kamiaka[13]測量了R1234yf/R134a的氣液相平衡數(shù)據(jù);Lee[14]搭建了小型空氣源冷暖一體空調(diào)實驗臺并研究了R1234yf與R134a以不同比例混合,替代R134a的性能表現(xiàn)。得出了R1234yf及其與R134a的混合物的性能與R134a類似,可以替換R134a的結(jié)論,且冬季制熱工況下混合物的物性與R134a更為接近。

美國科慕公司研制的R513A與R450A可以用于熱泵、氣冷水冷機(jī)組、自動飲料售貨機(jī)等中低溫設(shè)備,是R134a替代物中性能較好的兩種,完全符合歐盟環(huán)保法規(guī)的要求,且已經(jīng)獲得美國SNAP(新制冷劑替代計劃)項目批準(zhǔn)。其中R513A為R134a與R1234yf以質(zhì)量比為44∶56的混合物;R450A為R134a與R1234ze以質(zhì)量比為42∶58的混合物。表4為R134a與兩種新型工質(zhì)的物性對比[15-17],兩種混合工質(zhì)的基本物性與R134a相似,但GWP值不足R134a的40%,環(huán)保性能大大提高。

表4 R134a、R513A及R450A的物性對比

4 待選制冷劑的理論計算

制冷劑在蒸汽壓縮式熱泵中經(jīng)歷的逆循環(huán),包含蒸發(fā)與過熱、壓縮、冷凝與過冷、節(jié)流膨脹等基本過程,如圖4所示。

圖4 工質(zhì)理論循環(huán)壓-焓圖

為了研究方便,計算中對四個基本過程做如下假設(shè):

1)制冷劑的冷凝、蒸發(fā)過程為定壓過程;

2)節(jié)流過程前后,制冷劑的焓不變;

3)制冷劑在流動時沒有阻力損失;制冷劑在管道中與外界沒有熱交換;

4)壓縮過程為絕熱非等熵過程,等熵效率為0.7。

單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)的主要熱力計算內(nèi)容如下[21]:

單位質(zhì)量制熱量:q=h2-h3

質(zhì)量壓縮功:w=h2-h1

壓縮機(jī)壓縮比:Pr=P2/P1

其中:Pr為壓縮比;k為工質(zhì)的絕熱指數(shù),k=CP/CV,CP為工質(zhì)的定壓比熱(kJ/(kg·K)),CV為工質(zhì)的定容比熱(kJ/(kg·K));h1為壓縮機(jī)進(jìn)口焓(kJ/kg);h2為壓縮機(jī)出口焓(kJ/kg);h3為冷凝器出口焓(kJ/kg);h4為蒸發(fā)器進(jìn)口焓(kJ/kg);q為單位質(zhì)量制熱量,kJ/kg;w為單位質(zhì)量壓縮功,kJ/kg。

根據(jù)理論循環(huán)計算步驟并調(diào)用美國NIST研發(fā)的Refprop9.0計算純工質(zhì)及混合工質(zhì)的基本物性,設(shè)定在夏季工況下蒸發(fā)溫度為5 ℃,冷凝溫度為45 ℃,過冷、過熱度均為5 ℃;冬季工況下蒸發(fā)溫度為10 ℃,冷凝溫度為65 ℃,過冷度為5 ℃、過熱度為10 ℃。R134a及其替代工質(zhì)循環(huán)各參數(shù)的計算結(jié)果如表5和表6所示。

表5 夏季工況工質(zhì)的理論分析計算結(jié)果

表6 冬季工況工質(zhì)的理論分析計算結(jié)果

由表5和表6可以看出,混合工質(zhì)R513A與R450A的冷凝壓力與蒸發(fā)壓力都位于其組分R134a與HFO類工質(zhì)(R1234yf、R1234ze)之間,并且改善了HFO類工質(zhì)(R1234yf、R1234ze)的單位制冷/制熱量不足的弊端。R513A與R450A的壓縮比與排氣溫度較R134a有所下降,降低了對壓縮機(jī)的要求,更有利于壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運行。在夏季制冷工況,R513A與R450A的COP值略低于R134a,而冬季制熱工況R513A與R450A的COP值高于R134a,證明R513A與R450A比R134a更適用于冬季制熱工況,適用于船舶冷暖一體空調(diào)系統(tǒng)。圖5為比澤爾壓縮機(jī)選型軟件提供的R134a、R513A與R450A的工作極限框圖?？梢钥闯鋈N工質(zhì)的工作極限接近,冷凝溫度均可達(dá)到80 ℃以上,因此R513A與R450A在工作性能上可以替代R134a。

圖5 R134a、R513A與R450A的工作極限框圖

5 結(jié)論

在前人關(guān)于制冷劑替代研究的基礎(chǔ)上,針對船舶冷暖一體空調(diào)系統(tǒng)新型環(huán)保工質(zhì)進(jìn)行了對比研究。通過研究發(fā)現(xiàn):1)R134a,R513A及R450A的工作范圍更大,冷凝溫度最高可達(dá)80 ℃以上,并且安全等級為A1,無毒不可燃,可適應(yīng)船舶惡劣的工作環(huán)境;2)R513A和R450A由于組分中含有R1234yf及R1234ze,其蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、壓縮比、排氣溫度均低于R134a,有利于壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運行;3)R513A與R450A的GWP值不足R134a的40%,分別為573和547,環(huán)保性能大大提高,滿足所有法律法規(guī)對船舶制冷劑工質(zhì)的要求。因此,建議采用R513A與R450A作為船舶冷暖一體空調(diào)系統(tǒng)的長期替代工質(zhì)來使用。