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在家用空調(diào)和熱泵中用R432A替代R22的性能試驗(yàn)
在家用空調(diào)和熱泵中用R432A替代R22的性能試驗(yàn)
Ki-Jung Park, Yun-Bo Shim, Dongsoo Jung
Department of Mechanical Engineering, Inha University, Incheon 402-751, Republic of Korea
摘要
在本文中，分別對(duì)家用空調(diào)和熱泵兩種不同的工況條件進(jìn)行了研究，用一個(gè)板式熱泵測(cè)試儀測(cè)量了R432A和HCFC22各自的熱力學(xué)性能。R432A不會(huì)對(duì)臭氧層造成破壞，并且它的溫室效應(yīng)潛在值非常低，小于5。同時(shí)為了能完全替代HCFC22， R432A有著和HCFC22幾乎一樣的蒸氣壓力值。試驗(yàn)結(jié)果表明，在家用空調(diào)和熱泵兩種不同的條件下，R432A的制冷效率分別比HCFC22高出8.5%和8.7%，功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%，壓縮機(jī)排氣溫度分別比HCFC22低14.1℃和17.3℃，并且由于R432A的密度比較低，它的制冷劑質(zhì)量甚至比HCFC22低50%?？偟膩碚f，由于R432A具有良好的熱力學(xué)性能，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，這使它可以在家用空調(diào)和熱泵中能長(zhǎng)期的并且很好的替代HCFC22制冷劑，同時(shí)也能更好的改善環(huán)境。
關(guān)鍵詞：自然型制冷劑 丙烯 二甲醚 R432A 空調(diào) 熱泵
ABSTRACT
In this study, thermodynamic performance of R432A and HCFC22 is measured in a heat pump bench tester under both air-conditioning and heat pumping conditions. R432A has no ozone depletion potentialand very low greenhouse warming potential of less than 5. R432A also offers a similar vapor pressure to HCFC22 for‘drop-in’ replacement. Test results showed that the coefficient of performance and capacity of R432A are 8.5–8.7% and 1.9–6.4% higher than those of HCFC22 for both conditions. The compressor discharge temperature of R432A is 14.1–17.3 C lower than that of HCFC22 while the amount of charge for R432A is 50% lower than that of HCFC22 due to its low density. Overall, R432A is a good long term ‘dropin’environmentally friendly alternative to replace HCFC22 in residential air-conditioners and heat pumps due to its excellent thermodynamic and environmental properties.
Keywords: Natural refrigerants Propylene Dimethylether R432A Air conditioners Heat pumps
1 序言
在過去的幾十年中，HCFC22制冷劑一直主要用于家用空調(diào)和熱泵系統(tǒng)中。但是由于HCFC22在分解過程中能產(chǎn)生并釋放出破壞臭氧層的氯代烴氣體，因此，根據(jù)《蒙特利爾議定書》的規(guī)定，HCFC22制冷劑要被逐漸淘汰。條例中規(guī)定，在發(fā)達(dá)國(guó)家中，從1996年起，要對(duì)使用HCFC制冷劑的產(chǎn)品進(jìn)行管制和調(diào)節(jié)。目前在歐洲，新型的設(shè)備和儀器中已經(jīng)不在使用HCFC22制冷劑，同時(shí)美國(guó)也將從2010年后停止使用HCFC22制冷劑。
在過去幾年間，人們?yōu)榱俗袷亍睹商乩麪栕h定書》的規(guī)定，已經(jīng)提出并測(cè)試了許多各種各樣的制冷劑。同時(shí)，一些國(guó)家開始嘗試使用氯代烴的混合型制冷劑，比如R410A和R407C，來取代HCFC22制冷劑。與此同時(shí)，許多公司也花費(fèi)很多努力來尋找它們自己的HCFC22制冷劑的替代品。在這些研究中，尤其是混合型制冷劑已經(jīng)得到了一些行業(yè)的特別關(guān)注，這些行業(yè)期望在它們產(chǎn)品系統(tǒng)不需要重大改變的情況下，混合型制冷劑能提高它們的能源效率?；旌闲椭评鋭┦怯袔追N對(duì)環(huán)境無污染的純工質(zhì)按一定的比例混合而成的。
盡管R410A制冷劑的工作壓力比R407C高1.6倍，但它不會(huì)像R407C的溫度下降造成的，和其他共沸性質(zhì)非常相似，因此更容易控制。此外，由于R410A的比容（立方米/公斤）相對(duì)較?。▎挝惑w積高密度），容量大，其中有一個(gè)狹窄的管道直徑和壓力艙尺寸的優(yōu)勢(shì)。因此，與R407C，R410A更換更徹底，而且所取得的進(jìn)展能效比更多的幫助，這些也都是由R410A的提示的重要原因。
現(xiàn)如今，全球氣候變暖已經(jīng)成為了一個(gè)全球性的重要問題。為了應(yīng)對(duì)由溫室性氣體——氯代烴的排放所引起的氣候變暖問題，人們?yōu)榇撕炗喠恕毒┒甲h定書》來應(yīng)對(duì)和解決這個(gè)問題。從全球逐漸變暖的這一趨勢(shì)來看， 根據(jù)歐盟F-Gases條例和MAC條令的規(guī)定，從2011年起新型的汽車空調(diào)車輛中將禁止使用HFC134a作為制冷劑。歐盟的這一條例和條令主要針對(duì)的是全球變暖潛能值（GWP）超出150的制冷劑的使用。參考文獻(xiàn)中提供的HFC134a的全球變暖潛能值是1300。同時(shí)，歐盟的許多國(guó)家也在認(rèn)真考慮禁止在家用空調(diào)和熱泵中使用氯代烴制冷劑的這一條例。盡管R410A和R407C還在一些國(guó)家的制冷系統(tǒng)中有所使用，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，她們以后能否被使用還是個(gè)未知數(shù)，因?yàn)镽410A和R407C的全球變暖潛能值分別是1700和2000，這一數(shù)值甚至比R134a還高出許多。
為了避免氯代烴的高GWP值所引起的溫室效應(yīng)問題，其中一個(gè)可能的解決辦法是使用自然型制冷劑，如碳?xì)浠衔?。在過去的幾十年中，出于安全方面的考慮，在正常的家用空調(diào)和熱泵中禁止使用烴類制冷劑，由于它們的易燃性。然而，現(xiàn)如今由于環(huán)境和能源問題的日益嚴(yán)重，這一禁令有所緩和。因此，在某些領(lǐng)域中，一些易燃制冷劑的應(yīng)用可以得到批準(zhǔn)。比如，在歐洲熱泵可以使用丙烷（R290）和丙烯（R1270）作為制冷劑。眾所周知，碳?xì)浠衔锏娜蜃兣瘽撃苤捣浅Ｐ?，小?，成本又低，實(shí)用性很強(qiáng)，還可以和傳統(tǒng)潤(rùn)滑油相互容，并且它對(duì)環(huán)境幾乎不會(huì)造成任何破壞。除此之外，二甲醚（RE170）也是一種對(duì)環(huán)境無污染，并且還有良好的熱力學(xué)性能的制冷劑。
R134a制冷劑是一種新型無公害制冷劑，屬于氫氟化碳化合物（四氟乙烷）。它具有與R12相似的熱物理性質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.1℃。但臭氧消耗潛能為零，溫室效應(yīng)潛能在0.24~0.29之間。常溫常壓下R134a無色，有輕微醚類氣體味，不易燃，沒有可測(cè)量的閃點(diǎn)，對(duì)皮膚眼睛無刺激，不會(huì)引起皮膚過敏，但暴露是會(huì)產(chǎn)生輕微毒氣，工作場(chǎng)所應(yīng)通風(fēng)良好，R134a是不溶于礦物油的制冷劑，他采用脂類油、合成油（往復(fù)式壓縮機(jī)用）或烷基苯油（旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)用）來滿足壓縮機(jī)的潤(rùn)滑要求。相對(duì)于R12制冷劑，R134a制冷劑無毒、不可燃，R134a制冷劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱力性非常接近R12，但材料兼容性差，與礦物油不相容、易吸水。
最近上市的R432A也是一種能在家用空調(diào)和熱泵中替代R22的制冷劑。R432A是有80%的丙烯（R1270）和20%的二甲醚（RE170）混合而成的一種近共沸混合物。它不會(huì)對(duì)臭氧層造成任何破壞，同時(shí)它的GWP值很低，小于5。并且在發(fā)生相變時(shí)，它的滑移溫度僅變化1℃，它正常情況下沸點(diǎn)是-46.6℃。盡管R432A是一種混合物，但它的傳熱退化預(yù)計(jì)不會(huì)很快，因?yàn)樗幕茰夭罘浅Ｐ?。在本文的研究中，正是要測(cè)量R432A的熱力學(xué)性能是否有可能完全替代HCFC22制冷劑在家用空調(diào)和熱泵熱水器中的應(yīng)用。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
在本文的實(shí)驗(yàn)中，我用了一個(gè)像在Ref參考文獻(xiàn)中所描述的類似裝置，來測(cè)量替代品——R432A的熱力學(xué)性能。儀器裝置如下圖1所示。該儀器使用水冷冷凝器，并帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容量是3.5千瓦的水加熱式蒸發(fā)器。儀器中使用的是蝸旋式壓縮機(jī)，它的作用就是壓縮制冷劑，讓其達(dá)到適合的壓力。此壓縮機(jī)原本主要是為HCFC22制冷劑設(shè)計(jì)的。除此之外，儀器中還有一個(gè)手動(dòng)式的膨脹閥，它的主要作用是控制流量和流速。在Ref參考文獻(xiàn)中包含了該實(shí)驗(yàn)所有的細(xì)節(jié)，有實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)步驟，數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)整理等等，有興趣的讀者可以參閱一下。在本文的實(shí)驗(yàn)中，我將著重描述實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)條件。
2.2 實(shí)驗(yàn)步驟
實(shí)驗(yàn)步驟如下所述：
（1） 在系統(tǒng)開始運(yùn)行前，提前2-3個(gè)小時(shí)排凈空氣。
（2）先大概設(shè)定一下冷凍機(jī)組和蒸發(fā)機(jī)組的溫度，同時(shí)還要在冷凝器和蒸發(fā)器中充注一定量的換熱流體（HTF），并且要明白一點(diǎn)，針對(duì)不同的制冷劑，對(duì)系統(tǒng)有著不同的要求。對(duì)于R22制冷劑來說，要求制冷劑在壓縮機(jī)的入口處保持蒸氣狀態(tài)。對(duì)R432A制冷劑來說，要求系統(tǒng)應(yīng)有較低的蒸氣壓力。對(duì)于RE170制冷劑來說，要求在壓縮機(jī)的進(jìn)氣口處，應(yīng)有較高的蒸氣壓力，對(duì)于R1270制冷劑的要求也是如此。并且在充注制冷劑時(shí)，要求達(dá)到0.1克的精確度。
（3）對(duì)膨脹閥進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，并同時(shí)對(duì)制冷劑的流速和流量進(jìn)行調(diào)整，以此來保持制冷劑恒定的過熱和過冷，通常在蒸發(fā)器和冷凝器的出入口處，過熱或過冷5℃左右即可。
（4）當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到并超過穩(wěn)定狀態(tài)1小時(shí)后，每隔30秒記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄30多分鐘。
2.3 實(shí)驗(yàn)條件
為了能夠正確的比較兩種制冷劑的熱力學(xué)性能，應(yīng)保證試驗(yàn)條件的公平合理性。為達(dá)到此目的，要求在實(shí)驗(yàn)中兩種制冷劑的HTF溫度均保持固定的數(shù)值。對(duì)于在空調(diào)工況下的模擬實(shí)驗(yàn)來說，蒸發(fā)器進(jìn)，出口處的HTF溫度（蒸發(fā)器中的水/乙二醇混合物和冷凝器中的冷卻水）分別設(shè)置為大約26.0℃和11.0℃，而在冷凝器進(jìn)，出處的HTF溫度分別設(shè)定為大約30.0℃和42.0℃。盡管一樣的外部條件，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：HCFC22和R432A在蒸發(fā)器和冷凝器中的飽和溫度值不一樣（分別大約是7℃和45℃），這是由于這兩種制冷劑流體有著不同的傳熱性能。
對(duì)于在熱泵工況下的模擬實(shí)驗(yàn)而言，蒸發(fā)器進(jìn)，出口處的HTF溫度分別被設(shè)定為大約10.0℃和1.0℃，而在冷凝器進(jìn)，出處的HTF溫度分別被設(shè)定為大約30.0℃和39.0℃ 。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在熱泵工況的在這一條件下，HCFC22和 R432A在蒸發(fā)器和冷凝器中的飽和溫度分別大概是-7℃和41℃。事實(shí)上，在蒸發(fā)器和冷凝器出口處的HTF溫度，總是會(huì)存在一點(diǎn)點(diǎn)的差異，這是由于這兩種制冷劑有著不同的熱力學(xué)性能，并且在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)儀器之間也存在有一些誤差或達(dá)不到精度要求。因此在本實(shí)驗(yàn)中要求：壓力校準(zhǔn)傳感器的精度達(dá)到0.1%，科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)的精度達(dá)到0.2%，數(shù)字電用能表的精度達(dá)到0.1%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中溫度測(cè)量的不確定度小于0.1℃。
國(guó)際上己逐步完成了對(duì)CFCs的替代，我國(guó)也成功地履行了CFCs逐步禁用的國(guó)際義務(wù)。對(duì)制冷空調(diào)界來說，在保護(hù)臭氧層問題上，當(dāng)前面臨的主要任務(wù)是如何落實(shí)R22等HCFCs替代的步驟，這又是一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)的事。眾所周知，R22是綜合性能很優(yōu)秀的制冷劑，人們?cè)赗22制冷劑的設(shè)計(jì)、制造、行、維修等方面成功地積累了數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，它對(duì)臭氧層的破壞也很?。∣DP值僅0.05），有一定的GWP值（1700）。
在實(shí)驗(yàn)的測(cè)試過程中，蒸發(fā)器出口處的過熱和在冷凝器出口處的過冷均要保持在5℃，同時(shí)還要對(duì)制冷劑的流速和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便在相同的外部條件下，讓這兩種制冷劑都能保持同樣的過冷和過熱。最后對(duì)于在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的潤(rùn)滑油來說，R432A和HCFC22制冷劑都可以使用傳統(tǒng)的礦物油。
3 結(jié)果和討論
在表1和表2中（如下圖所示），列出了兩種制冷劑在實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量的各種性能參數(shù)，有制冷效率（COP），功率，壓縮功，壓力比，排氣溫度和制冷劑質(zhì)量。以上數(shù)據(jù)分為兩種情況，分別是R432A和HCFC22在家用空調(diào)和熱泵兩種不同的工況條件下。同時(shí)還要求，對(duì)于每一種制冷劑，應(yīng)至少進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差應(yīng)在1%之內(nèi)，才可記錄。
表1 在空調(diào)工況條件下，R432A和R22的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
制冷劑
COP
COP對(duì)比
Qe(w)
Qe對(duì)比
W(w)
W對(duì)比
PR
Tdis
充注量(g)
R22
3.41
3734
1096
2.99
84.7
1300
R432A
3.70
8.5%
3806
1.9%
1028
-6.2%
2.70
70.6
650
表2 在熱泵工況條件下，R432A和R22的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
制冷劑
COP
COP對(duì)比
Qe(w)
Qe對(duì)比
W(w)
W對(duì)比
PR
Tdis
充注量(g)
R22
3.68
3472
943
4.27
94.1
1350
R432A
4.00
8.7%
3693
6.4%
923
-2.1%
3.86
76.8
650
3.1 制冷效率
在冰箱和空調(diào)的中，對(duì)于任意個(gè)設(shè)備，在制冷劑給定已知的情況下，制冷效率（COP）是衡量其能源利用率的一個(gè)重要參數(shù)。制冷效率實(shí)際就是熱泵系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的制冷量（制熱量）和輸入功率的比值，在相同的工況下，其比值越大說明這個(gè)熱泵系統(tǒng)的效率越高越節(jié)能；因此在作制冷系統(tǒng)COP值比較之前，首先要確定各個(gè)熱泵系統(tǒng)是否在相同的工況之下，然后再進(jìn)行計(jì)算比較。 因此，在實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確的測(cè)量并記錄COP值是非常重要的。首先，我們可以肯定的說：R432A和HCFC22的制冷效率是不一樣的，這一點(diǎn)，我們從表中就可以看出。表1和表2的數(shù)據(jù)顯示：在相同的外部條件下，在空調(diào)和熱泵工況中，R432A的制冷效率分別比HCFC22多出8.5%和8.7%，R432A的制冷效率之所以能夠提高的一個(gè)主要原因就是，它在壓縮機(jī)中的壓縮比（PR）比HCFC22小很多。正如表1和表2中所示的一樣，R432A的壓力比（PR）比HCFC22低9.7%，同時(shí)壓力比的降低反過來又導(dǎo)致了壓縮功的減小，這一點(diǎn)我們也可以從表1和表2的數(shù)據(jù)中看出?？傊?，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從能源效率這一方面來說，R432A確實(shí)是HCFC22制冷劑的一種很好的替代品。
3.2 功率
在制冷系統(tǒng)中，功率是和制冷效率（COP）一樣重要的性能參數(shù)。表1 和2列出的是兩種各種制冷劑在蒸發(fā)器中的制冷量，對(duì)于家用空調(diào)和冷凝加熱器來說，它的功率是指Qe,,對(duì)于熱泵來說，它的功率是指Qc。當(dāng)具體到某種給定的壓縮機(jī)機(jī)型時(shí)，和HCFC22相比，R432A的功率都有所改變（Qe和Qc均不相同）。從表1和表2我們可以看出，在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%。尤其是在熱泵的工況條件下，R432A和HCFC22的功率值相差很大，不過考慮到熱泵在設(shè)計(jì)過程中一直存在的一個(gè)問題：熱功率隨著外部溫度的降低而減小，R432A的功率比HCFC22大，這一結(jié)果應(yīng)該是一個(gè)很好的現(xiàn)象！除此之外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，R432A制冷劑確實(shí)是一種很好的，安全的替代品，并且它還不用對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行重大變化。事實(shí)上，調(diào)換或重新設(shè)計(jì)壓縮機(jī)是一件成本非常昂貴的事情，因此，單從節(jié)約生產(chǎn)成本這一角度來看，R432A替代HCFC22制冷劑確實(shí)是很有利的。
3.3 壓縮機(jī)排氣溫度
在制冷劑的替換時(shí)，制冷系統(tǒng)的使用壽命，穩(wěn)定性以及制冷劑和潤(rùn)滑油之間的穩(wěn)定性等等這些因素到要考慮到。不過，這些特性都可以通過間接測(cè)量壓縮機(jī)的排氣溫度來衡量。從表1和表2中的數(shù)據(jù)，我們可以知道，在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的排氣溫度（Tdis） 分別比HCFC22低14.1℃和17.3℃。從壓縮機(jī)排氣溫度這一點(diǎn)，我們可以得出如下結(jié)論：從制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性上看，R432A制冷劑是一種合適的替代品。
3.4 制冷劑的質(zhì)量
由于大多數(shù)碳?xì)浠衔锩芏容^比氯代烴小，因此碳?xì)浠衔锏闹评鋭┵|(zhì)量明顯降低了許多。正如表1和表2的數(shù)據(jù)所示，在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的制冷劑質(zhì)量分別比HCFC22低50.0%和51.9%。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這將有利于降低由制冷劑的直接排放所造成的溫室效應(yīng)問題。
4 結(jié)論
在本文中，對(duì)R432A和HCFC22制冷劑在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下的性能進(jìn)行了研究，在實(shí)驗(yàn)中，用了一個(gè)類似于“切片面包”式的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)這兩種制冷劑的熱力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)不同的性能特點(diǎn)進(jìn)行了記錄和分析，我們可以得出如下結(jié)論：
（1）在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的制冷效率分別比HCFC22
多出8.5%和8.7%。
（2）在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%。
（3）在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的排氣溫度（Tdis） 分別比HCFC22低14.1℃和17.3℃。
（4）由于R432a的密度低，因此，它的制冷劑質(zhì)量比HCFC22降低約50%。
（5） 在家用空調(diào)和熱泵中，R432A確實(shí)是一種能很好的，并且能長(zhǎng)期替代HCFC22的制冷劑。
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[15] D. Jung, M. McLinden, R. Radermacher, D.A. Didion, A study of flow boiling heat transfer with refrigerant mixtures, Int. J. Heat Mass Transfer 32 (1989) 1751–1764.