風(fēng)冷冷熱水機(jī)組R290替代R22的試驗(yàn)研究

2014-04-06 肖庭庭上海理工大學(xué)

　　分析了R290替代R22存在的優(yōu)勢，采用某企業(yè)生產(chǎn)的R22家用空調(diào)外機(jī)與套管換熱器作為原型機(jī)，分別灌注R22和R290，灌注R290的同時更換大排量壓縮機(jī)，調(diào)整節(jié)流裝置最佳，優(yōu)化灌注量，試驗(yàn)參照GB/T18430.2—2008名義工況進(jìn)行。結(jié)果表明:R290系統(tǒng)灌注量僅為R22的44.7%，制冷及制熱名義工況下R290能力及能效比均不低于R22，但R290系統(tǒng)排氣溫度及壓縮比明顯低于R22。R290可以替代R22用于風(fēng)冷冷熱水機(jī)組，相應(yīng)的壓縮機(jī)排量應(yīng)增加19%左右。

1、前言

　　在R22的替代制冷劑中，R410A和R407C應(yīng)用最為廣泛，其臭氧消耗潛能值(ODP)為零，但比R22具有同等或更高的全球變暖潛能值(GWP)，如不加以限制使用，無疑會使溫室效應(yīng)進(jìn)一步惡化，根據(jù)《京都議定書》要求，R410A和R407C最終也要被淘汰。R22的另一替代制冷劑R32的ODP為零，GWP較低，相同制冷量下其充注量僅為R22的60%左右，可以稱作一種兼顧節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)秀制冷劑，但其排氣壓力和排氣溫度較高，還具有弱可燃性，這為R32替代R22工作增加了很大困難。

　　R290又稱丙烷，是一種天然物質(zhì)，價格低廉，與普通潤滑油和機(jī)械結(jié)構(gòu)材料具有兼容性，ODP為零，GWP很小，基本熱物性與R22十分接近，被廣泛認(rèn)為是R22理想的替代制冷劑。近年來，真空技術(shù)網(wǎng)(genius-power.com)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外學(xué)者對R290替代R22的工作做了大量研究，均展示了R290的優(yōu)越性。但R290具有可燃性，使用范圍及充注量均受到限制，若將R290應(yīng)用于冷熱水機(jī)組，把套管換熱器集成在外機(jī)頂部，既可減少制冷劑連接管路又可將外機(jī)置于室外，再將產(chǎn)生的冷水或者熱水引入室內(nèi)加以利用，這樣即可提高安全性。本文將R290和R22應(yīng)用于風(fēng)冷冷熱水機(jī)組，研究對R290替代R22的工作具有重要意義。

2、R290的優(yōu)勢

　　R290的主要物理性質(zhì)如標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)、臨界壓力及臨界溫度等參數(shù)都與R22十分接近，具備替代R22的基本條件。在制冷系統(tǒng)中，R290的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下幾個方面:

　　(1)R290分子量比R22小很多，粘度亦比R22小，使空調(diào)制冷回路阻力損失減少，可降能耗;

　　(2)R290的氣化潛熱是R22的1.84倍，這說明在相同制冷量下，采用R290制冷劑可減少工質(zhì)的循環(huán)量;

　　(3)R290絕熱系數(shù)低于R22，在相同壓縮比時，可減少耗功量，并可使排氣溫度降低，可提高輸氣系數(shù)，減少壓縮過程氣體與氣缸間的熱交換，減少不可逆損耗，排氣溫度降低，并能夠改善冷凝器的工作狀況，減少傳熱不可逆損失，降低能耗;

　　(4)R290導(dǎo)熱系數(shù)高于R22，可改善壓縮機(jī)的散熱條件，同時提高冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，可以使空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗降低;

　　(5)R290是飽和碳?xì)浠衔铮瘜W(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，難溶于水。而R22化學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定，對有機(jī)物的膨潤作用較強(qiáng)，密封材料需采用氯乙醇橡膠，封閉式壓縮機(jī)的電動機(jī)繞組線圈需采用QF改性縮醛漆色線(E級)或QZY聚脂亞胺漆色線。

　　(6)R290廣泛存在于石油和天然氣中，提煉方便，一般作為副產(chǎn)品出現(xiàn)，因而成本低，價格便宜。R290的價格僅為R22的10%，為R134a的4.7%。R290為非極性化合物，可以與目前廣泛使用的礦物油互溶，不需要研制新的潤滑油，而且對干燥劑、密封材料也無更高的要求。丙烷還與金屬材料、軟管材料相容，也就是說，R290可以與R22常用的礦物潤滑油溶解，替代R22時無需像R407C或R410A那樣必須更換潤滑油。

3、試驗(yàn)設(shè)計

　　3.1、R22和R290壓縮機(jī)排量設(shè)計

　　在相同條件下，R290制冷劑單位容積制冷量小于R22，為保證R290系統(tǒng)的制冷量不小于R22系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速相同條件下需增加壓縮機(jī)排量，根據(jù)高晶丹等人的研究，R22系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為R290系統(tǒng)時，壓縮機(jī)排量應(yīng)增大19%左右。對于潤滑油的選用，R22系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為R290時，不需要更換潤滑油，潤滑油仍為礦物油。

　　本文在綜合考慮R290制冷劑優(yōu)勢、單位容積制冷量及現(xiàn)有排量壓縮機(jī)后，選擇R22壓縮機(jī)排量為30.63cm3，R290壓縮機(jī)排量為36cm3，排量增加了約17.53%，轉(zhuǎn)速均為2865r/min。

　　3.2、系統(tǒng)原理

　　風(fēng)冷冷熱水機(jī)組系統(tǒng)原理如圖1所示，制冷時，翅片管換熱器用作冷凝器，套管換熱器用作蒸發(fā)器產(chǎn)生冷水，循環(huán)方向如實(shí)線箭頭所示;制熱時，翅片管換熱器用作蒸發(fā)器，套管換熱器用作冷凝器產(chǎn)生熱水，循環(huán)方向如虛線箭頭所示。

冷熱水機(jī)組系統(tǒng)原理示意

圖1 冷熱水機(jī)組系統(tǒng)原理示意

　　3.3、試驗(yàn)方案

　　本試驗(yàn)參照GB/T18430.2—2008《蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組第2部分:戶用及類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組》制冷及制熱名義工況進(jìn)行，如表1所示[13，14]。

表1 冷熱水機(jī)組的試驗(yàn)工況(℃)

冷熱水機(jī)組的試驗(yàn)工況

　　試驗(yàn)樣機(jī)先灌注R22制冷劑，分別進(jìn)行名義制冷和名義制熱試驗(yàn)，然后更換較大排量壓縮機(jī)，抽真空后重新灌注R290，再進(jìn)行名義制冷和名義制熱試驗(yàn)，分別調(diào)整制冷劑灌注量、膨脹閥開度和冷水或熱水流量，以確定對應(yīng)的制冷劑最佳灌注量及冷水或熱水流量。

4、試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　4.1、性能比較

　　制冷及制熱名義工況下試驗(yàn)結(jié)果及性能參數(shù)分別如表2，3所示，R290系統(tǒng)灌注量僅為R22的44.7%，采用R290系統(tǒng)可從源頭上減少R22的使用，利于環(huán)保。制冷名義工況下R290系統(tǒng)能力稍高于R22，能效比相當(dāng);制熱名義工況下R290系統(tǒng)能力及性能系數(shù)均不低于R22。雖然對R290系統(tǒng)壓縮機(jī)排量的選擇未增加到理論值19%，僅增加了17.53%，而能力及能效比卻等同甚至高于R22，這是由于計算壓縮機(jī)理論排量時忽略了R290制冷劑比R22具有的低粘度及高導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)勢。因此，在選擇R290壓縮機(jī)替代R22時，實(shí)際排量的增量可適當(dāng)?shù)陀诶碚撝怠?/p>

表2 制冷及制熱名義工況下的試驗(yàn)結(jié)果

制冷及制熱名義工況下的試驗(yàn)結(jié)果