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直面制冷剂的替代工作的对策分析
发布时间:2015-06-25        浏览次数:2642        返回列表

在制冷企业中广泛使用的制冷剂R22遭淘汰已进入倒计时,国内空调企业如何布局制冷剂替代之战,成为目前热议的话题。
《家用和类似用途电器的安全热泵、空调器和除湿机的特殊要求》新版标准将于2013年5月1日正式实施,明确要求非环保制冷剂机型不予批准。
R22的理想替代品标准:
 制冷剂的替换是世界性难题,其主要困难在于替代制冷剂的选择。理想的替代物应无毒、不可燃,在工作和贮存条件下热稳定、与系统材料兼容,与R22热力性能相近或更优,具有高能效、零ODP和低GWP。迄今,还没有找到完全满足要求的理想替代物。
 用于取代对臭氧层有破坏作用的制冷剂R22,国际上普遍认同的两种环保制冷剂为:R410A和R407C,将收集到的两者在传热性能,性能系数和蒸汽压力等方面的特征差异做一介绍,以期对各位同仁有所帮助。
传热性能方面: R407C传热性能较差
 R410A具有很好的传热性能,R410A的蒸发传热系数和冷凝传热系数高于R407C。蒸发试验研究发现,与R22蒸发试验结果相比,R410A的传热系数要比R22高10%~50%。板式换热器的蒸发试验也证实了R410A传热性能的优越,在相同条件下R410A的传热系数比R22的要高0~15%。
冷凝试验则显示,在具有微型肋片的管外,R410A的冷凝传热系数比R407C高35%~55%,比R22高3%~7%,相反,R407C的传热系数比R22低33%~52%。
R407C的传热系数低,分析其与它的非共沸性有关:一是在等压蒸发或冷凝时存在着较大的相变温度梯度,二是汽液两相之间存在着明显的浓度差。R407C在蒸发或者冷凝时,不但要克服冷凝液层的热阻,还要克服相变温度梯度和汽液浓度差对传热带来的负面影响。相变温度梯度是指在一定压力下混合物由饱和蒸汽变成饱和液态的温度差,R407C在大气压下的相变温度梯度约为7K。相变温度梯度的存在直接降低了R407C的传热性能。等压冷凝时,随着冷凝过程的推进,R407C汽液平衡要求的冷凝温度越来越低,对于恒壁温冷凝,用于推动蒸汽冷凝的有效温压将越来越小,传热效率降低。同理,相变温度梯度对于蒸发过程也同样有降低传热效率的作用。
R407C三种组分的汽液浓度差是由组分间的相对挥发性不同造成的,高沸点组分R134a不易挥发,低沸点组分R32和R125比R134a易挥发。汽液两相共存时,沸点高的R134a在液相中的浓度就高于它的汽相浓度,而沸点低的R125和R32在汽相中的浓度高于液相浓度。
  R410A的传热系数较高的一个重要原因在于它的准共沸性。R410A虽然由两种组分(R32和R125)组成的混合物,但是这两种组分没有明显的挥发性差别,在蒸发或者冷凝过程中,R410A的汽相组分浓度和液相组分浓度很相近,相变温梯度小于0.2K。反映在R410A的热力学工程图上,汽液两相区的等温线与等压线几乎是平行的,所以,R410A热力学特性和物理特性非常接近于共沸制冷剂或纯制冷剂。作为准共沸混合物,R410A在蒸发和冷凝时的传热机理与纯制冷剂相似,没有明显的组分扩散现象,相变温度梯度对传热效率的影响极小,这就使得R410A的传热系数高于非共沸制冷剂R407C。R410A的传热系数高于R22的主要原因在于它具有更加有利的传热控制物理量,如具有较高的导热系数和较低的粘性系数。
性能系数方面: R410A的传热性能更优
R410A的优良传热性能,有利于提高空调制冷系统的性能系数。R410A还具有提高性能系数的另外两个有利条件:较低的流动力和较高的压缩效率。
实验发现,R410A的流动压降比R407C和R22都要小,而R407C的压降接近于R22的值。例如,在光滑管内蒸发流动时,R410A的压降比R22要小30%,在板式蒸发器内流动时,R410A的压力损失比R22低15%~35%,在光滑管内冷凝时,R410A的压降比R22小35%~50%。制冷剂流动所需的压降越小,压缩机消耗在压降上的无用功越小,越有利于提高性能系数。
在制冷剂压缩效率方面,R410A的压缩效率高于R22和R407C。R410A在往复式压缩机测试台上测得的等熵压缩效率和输气效率均分别比R22的高5%左右;在涡旋压缩机试验台上测得的等熵压缩效率和输气效率分别比R22的高2%~15%和3%~10%。与R410A相对比,R407C在往复式压缩机测试台上测得的压缩效率与R22的值相近,R410A的压缩效率比R407C高5%~20%。
研究表明,在R22的两种替代制冷剂中,使用R410A可以实现比R407C更高的系统性能系数。压缩机测试台上得到的数据显示,R410A的性能系数超R407C的10%以上;在优化设计的空调制冷系统中R410A性能系数高的结论进一步得到证实,R410A的性能系数分别比R407C和R22的高10%和5%。
R410A的性能系数优势还在已投入运行的R22空调制冷系统的替代试验中得到证实。针对正在运行的3种不同R22系统,采用置换制冷剂和涡旋压缩机的方法,使用相同的蒸发器和冷凝器,在相同的工况下进行实地运行试验,结果显示采用R410A所得到的性能系数高于R22和R407C的值。
蒸汽压力方面:R407C蒸汽压力低于R410A.
R410A蒸汽压力偏高,在工程应用上会受到一些限制,需要开发适合高压系统的应用技术,而R407C的蒸汽压比较适宜,可以适应R22的所有应用领域。
R410A的蒸汽压比R22的蒸汽压大60-70%,因此,其制冷系统必须有更好的密封性能,使用合适的接口技术,以防泄露。所有制冷元件,包括压缩机,换热器,管道等,必须满足R410A的特别工作压力要求。
如果R410A制冷系统的设计压力为2500kPa,那就必须将冷凝温度控制在40℃左右,水冷的应用场合能够满足压力上限的要求。如果采用空冷设计,R410A系统的冷凝压力就会超过现行空调系统的压力上限,在冷凝温度50℃国标工况,系统冷凝压力就要达到3000 kPa,现行的R22制冷系统承受不了如此大的压力,必须进行专门设计。
综合分析:对环保制冷剂的替代工作,恒星产品销售应根据其不同应用场合采用不同的替代制冷剂。
对于冷凝温度较低的场合,例如水冷,蒸发冷,采用R410A技术可以缩小设备体积,提高性能系数。
对于负荷较大的空冷型空调,从节省投资的角度出发,R407C优于R410A,因为R407C系统的技术要求与R22系统非常接近。而且恒星研发部已对R407C使用完成了替代输出工作。
对于现行R22设备的改造项目,使用R407C比R410A更加可靠,不仅成本较低,而且简单,易行。