冰城制冷對環(huán)保制冷劑性能比的較分析

用于取代對臭氧層有破壞作用的制冷劑R22，國際上普遍認同的兩種環(huán)保制冷劑為：410A和R407C。本文將分析R410A和R407C的特性，比較兩者在傳熱性能、性能系數(shù)和蒸汽壓力等方面的特征差異，為確定替代制冷劑的選擇提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞： 空調(diào)；環(huán)保制冷劑；傳熱
1 、R407C和R410A的傳熱性能比較
R410A具有很好的傳熱性能，R410A的蒸發(fā)傳熱系數(shù)和冷凝傳熱系數(shù)高于R407C，在很多應(yīng)用場合R410A的傳熱性能還優(yōu)R22。蒸發(fā)試驗研究發(fā)現(xiàn)，R410A在光滑水平管內(nèi)的傳熱系數(shù)比R407C高百分之50 左右；與R22蒸發(fā)試驗結(jié)果相比，R410A的傳熱系數(shù)要比R22高百分之10～百分之50。使用具有微型肋片的水平管，R410A的傳熱系數(shù)比光滑管提高了百分之80～百分之150。板式換熱器的蒸發(fā)試驗也證實了R410A傳熱性能的優(yōu)越，在相同條件下R410A的傳熱系數(shù)比R22的傳熱系數(shù)要高百分之0～百分之15。

冷凝試驗則顯示，在光滑管內(nèi)R410A的冷凝傳熱系數(shù)比R407C冷凝傳熱系數(shù)高百分之20。在光滑管外，R410A的冷凝傳熱比R407C的冷凝傳熱高百分之35～百分之50，比R22高約百分之11～百分之17；然而R407C的傳熱系數(shù)卻比R22低百分之24～百分之37。在具有微型肋片的管外，R410A的冷凝傳熱系數(shù)比R407C高百分之35～百分之55，比R22高百分之3～百分之7，相反，R407C的傳熱系數(shù)比R22低百分之33～百分之52。R407C傳熱性能較差的事實還可以用現(xiàn)有設(shè)備的制冷劑替換試驗結(jié)果來說明，在一臺100kW制冷量螺桿式水制冷機組試驗中發(fā)現(xiàn)R407C在管殼式冷凝器中的傳熱系數(shù)比R22小百分之25～百分之51。

    R407C的傳熱系數(shù)低，其與它的非共沸性有關(guān)：一是在等壓蒸發(fā)或冷凝時存在著較大的相變溫度梯度，二是汽液兩相之間存在著明顯的濃度差。R407C在蒸發(fā)或者冷凝時，不但要克服冷凝液層的熱阻，還要克服相變溫度梯度和汽液濃度差對傳熱帶來的負面影響。相變溫度梯度是指在一定壓力下混合物由飽和蒸汽變成飽和液態(tài)的溫度差，R407C在大氣壓下的相變溫度梯度約為7K。相變溫度梯度的存在直接降低了R407C的傳熱性能。等壓冷凝時，隨著冷凝過程的推進，R407C汽液平衡要求的冷凝溫度越來越低，對于恒壁溫冷凝，用于推動蒸汽冷凝的溫壓將越來越小，傳熱效率降低。同理，相變溫度梯度對于蒸發(fā)過程也同樣有降低傳熱效率的作用。
    R407C三種組分的汽液濃度差是由組分間的相對揮發(fā)性不同造成的，高沸點組分R134a不易揮發(fā)，低沸點組分R32和R125比R134a易揮發(fā)。汽液兩相共存時，沸點高的R134a在液相中的濃度就高于它的汽相濃度，而沸點低的R125和R32在汽相中的濃度高于液相濃度。

圖1定性顯示了R407C在冷凝時三種組分的濃度變化情況。
在圖1中，設(shè)想管壁有薄層冷凝液，在冷凝液與主流蒸汽之間存在著混合蒸汽擴散層。由于R134a沸點較高，比其它兩個組分都更容易被冷凝下來，R134a蒸汽在液汽介面附近的濃度就低于主流蒸汽的濃度，因此，在擴散層蒸汽流中，發(fā)生著組分R134a從主流蒸汽指向液汽介面的擴散過程。相反，組分R32和R125的沸點較低，揮發(fā)性強，不易被冷凝，在接近介面的蒸汽流中，R32和R125的濃度就高于各自在主流蒸汽中的濃度，因而在擴散層形成了從液汽介面指向主流蒸汽的濃度梯度。擴散層構(gòu)成了非共沸制冷劑冷凝時的額外熱阻。介面處蒸汽的飽和冷凝溫度隨著當?shù)貪舛鹊脑黾佣M一步降低，也增加了冷凝過程的阻力。
R410A的傳熱系數(shù)較高的一個重要原因在于它的準共沸性。，R410A雖然由兩種組分(R32和R125)組成的混合物，但是這兩種組分沒有明顯的揮發(fā)性差別，在蒸發(fā)或者冷凝過程中，R410A的汽相組分濃度和液相組分濃度很相近，相變溫梯度小于0．2K。反映在R410A的熱力學工程圖上，汽液兩相區(qū)的等溫線與等壓線幾乎是平行的，所以，R410A熱力學特性和物理特性非常接近于共沸制冷劑或純制冷劑。作為準共沸混合物，R410A在蒸發(fā)和冷凝時的傳熱機理與純制冷劑相似，沒有明顯的組分擴散現(xiàn)象，相變溫度梯度對傳熱效率的影響極小，這就使得R410A的傳熱系數(shù)高于非共沸制冷劑R407C。R410A的傳熱系數(shù)高于R22的主要原因在于它具有更加有利的傳熱控制物理量，如具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的粘性系數(shù)。
2、R410A與R407C的性能系數(shù)比較
R410A的優(yōu)良傳熱性能，有利于提高空調(diào)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)。R410A還具有提高性能系數(shù)的另外兩個有利條件：較低的流動力和較高的壓縮效率。
實驗發(fā)現(xiàn)，R410A的流動壓降比R407C和R22都要小，而R407C的壓降接近于R2的值。例如，在光滑管內(nèi)蒸發(fā)流動時，R410A的壓降比R22要小百分之30，在板式蒸發(fā)器內(nèi)流動時，R410A的壓力損失比R22低百分之15～百分之35 ，在光滑管內(nèi)冷凝時，R410A的壓降比R22小百分之35～百分之50。制冷劑流動所需的壓降越小，壓縮機消耗在壓降上的無用功越小，越有利于提高性能系數(shù)。

在制冷劑壓縮效率方面，R410A的壓縮效率高于R22和R407C。R410A在往壓縮機測試臺上測得的等熵壓縮效率和輸氣效率均分別比R22的高百分之5左右；在渦旋壓縮機試驗臺上測得的等熵壓縮效率和輸氣效率分別比R22的高百分之2～百分之15和百分之3～百分之10。與R410A相對比，R407C在往壓縮機測試臺上測得的壓縮效率與R22的值相近；但是在一套小型空調(diào)系統(tǒng)上測得的壓縮機容積效率和等熵效率分別比R22低百分之3～百分之7和百分之6～百分之14。相比之下，R410A的壓縮效率比R407C高百分之5～百分之20。

研究表明，在R22的兩種替代制冷劑中，使用R410A可以實現(xiàn)比R407C更高的系統(tǒng)性能系數(shù)。壓縮機測試臺上的數(shù)據(jù)顯示，R410A的性能系數(shù)超R407C的百分之10以上；在優(yōu)化設(shè)計的空調(diào)制冷系統(tǒng)中R410A性能系數(shù)高的結(jié)論進一步證實，R410A的性能系數(shù)分別比R407C和R22的高百分之10和百分之5。

 
R410A的性能系數(shù)優(yōu)勢還在已投入運行的R22空調(diào)制冷系統(tǒng)的替代試驗中證實。針對正在運行的3種不同R22系統(tǒng)，采用置換制冷劑和渦旋壓縮機的方法，使用相同的蒸發(fā)器和冷凝器，在相同的工況下進行實地運行試驗，結(jié)果顯示采用R410A所的性能系數(shù)高于R22和R407C的值：在9．2kW制冷量的家用空調(diào)替換試驗中，R410A產(chǎn)生的性能系數(shù)比R22的值高百分之5 ；對屋頂式27kW空調(diào)的對比試驗發(fā)現(xiàn)，R410A的性能系數(shù)比R22和R407C的分別高百分之3 和百分之11 ；對35kW水制冷機組的替換試驗發(fā)現(xiàn)，R410A的性能系數(shù)比I122和R407C的分別高百分之5和百分之6。

 
目前，越來越多的節(jié)能型R410A空調(diào)已經(jīng)走出實驗室，進入市場銷售，部分空調(diào)產(chǎn)品的性能系數(shù)超過6。

3、R410A與R407C的蒸汽壓比較
在研發(fā)R22替代制冷劑的初始階段對R410A的認可要遠遠低于R407C，其中一個原因就是R410A蒸汽壓力偏高，在工程應(yīng)用上會受到一些，需要開發(fā)適合高壓系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)。而R407C的蒸汽壓比較適宜，可以適應(yīng)R22的所有應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2比較了兩種環(huán)保制冷劑R410A和R407C的蒸汽壓與R22的蒸汽壓。
 
在選擇的溫度區(qū)間內(nèi)，根據(jù)蒸汽壓力的特點，使用R410A時應(yīng)注意如下方面：
(1)R410A的蒸汽壓比R22的蒸汽壓大百分之60～百分之70，R410A的制冷系統(tǒng)有更好的密封性能，使用合適接口的技術(shù)，以防泄漏；所有制冷元件，包括壓縮機、蒸發(fā)器冷凝器、管道等，滿足R410A的特別工作壓力要求。針對高壓蒸汽采取必要的保護措施。

(2)如果R410A制冷系統(tǒng)的設(shè)計壓力為2500kPa，那就把冷凝溫度控制在40℃左右，水冷的應(yīng)用場合能夠滿足壓力上限的要求。如果采用空冷設(shè)計R410A系統(tǒng)的冷凝壓力就會超過現(xiàn)行空調(diào)系統(tǒng)的壓力上限，例如，考慮夏季空氣設(shè)計溫度為40℃ ，R410A的冷凝溫度就會達到55~C左右，相對應(yīng)的冷凝壓力就會達到和超過3400 kPa，現(xiàn)行的R22制冷系統(tǒng)承受不了如此大的壓力，進行專門設(shè)計。
(3)R410A的I臨界溫度較低，只有72．5℃，在空冷情況下，如果環(huán)境空氣溫度達到55℃ 以上，R410A就可能發(fā)生I臨界溫度區(qū)的冷凝，制冷負荷會降低到35~C環(huán)境溫度時的百分之65左右，性能系數(shù)也會大幅度下降。     
從圖2可以看出，R407C的壓力曲線與R22的非常接近，特別是在10℃ 以下，R407C的飽和壓力曲線與R22的幾乎重合；只是30℃ 以上時，R407C的飽和壓力略高于R22的值。所以，R407C具有與R22非常接近的蒸發(fā)壓力，冷凝壓力可能比I122的高100～270 kPa，但排氣溫度比R22低0～ 10℃
 
4、R410A和R407C的不同特點與應(yīng)用前景
 
R410A的特點還可以從熱力學工程圖來進行分析，在蒸發(fā)溫度一40～10℃ 的范圍內(nèi)，R410A的蒸氣密度比R22高百分之43，氣化潛熱比R百分之2211，R410A的體積制比R22高百分之60左右。

 
考慮到壓縮機效率方面的損失，同一封閉式壓縮機采用R410A的制冷量將比R22約高百分之50。如果采用優(yōu)化設(shè)計的R410A系統(tǒng)來替代R22系統(tǒng)，考慮到壓縮機排氣量的減小，以及工質(zhì)循環(huán)流量減小導(dǎo)致的換熱器減小、管道減小、控制元件尺寸減小等方面因素，對于小功率空調(diào)說，R410A設(shè)備的造價有可能比R22設(shè)備更便宜。但是對于大功率空調(diào)來說，高壓蒸汽運行所帶來的設(shè)備投資和設(shè)備重量的增加就可能變成值得考慮的問題了。因為，隨著制冷系統(tǒng)負荷的增加，R410A運行所需的設(shè)備投資和重量將會急劇地增長。

 
    在環(huán)保制冷劑R410A和R407C的技術(shù)開發(fā)和使用上，應(yīng)根據(jù)其不同應(yīng)用和不同負荷采用不同的環(huán)保制冷劑技術(shù)：
     (1)對于冷凝溫度較低的場合，例如水冷，采用R410A技術(shù)可以縮小設(shè)備體積，提高性能系數(shù)；
     (2)對于負荷較小的空冷型空調(diào)系統(tǒng)，例如額定負荷為4kW 以下時，采用R410A技術(shù)，既可獲得較高的性能系數(shù)，又能控制設(shè)備投資；
     (3)對于負荷較大的空冷型空調(diào)，有兩個發(fā)展趨勢，從開發(fā)的難易程度和節(jié)省投資等角度出發(fā)，R407C優(yōu)于R410A，因為R407C系統(tǒng)的技術(shù)要求與R22系統(tǒng)非常相近；從提高性能系數(shù)和縮小設(shè)備尺寸的角度出發(fā)，開發(fā)R410A技術(shù)變得更有吸引力。隨著人們的環(huán)境意識不斷加強和國際社會對節(jié)能砝碼的不斷增加，R410A在大型空調(diào)系統(tǒng)中的份額會越來越大；
     (4)對于現(xiàn)行R22設(shè)備的改造項目，使用R407C比采用R410A更加可靠，不僅成本較低，且簡單、易行。
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