1、 文章编号：CAR051 R290 作为家用空调制冷剂的研究作为家用空调制冷剂的研究 张守信张守信 张明杰张明杰 付裕付裕 (青岛海尔空调器有限总公司青岛海尔空调器有限总公司,青岛青岛) 摘 要摘 要 天然制冷剂是家用空调器今后发展的方向，通过对丙烷(R290)与R22热力学性质的对比,分析用R290 替代R22 的可行性；对R290制冷剂在家用空调器的性能进行实验, 通过改进达到安全的灌注量要求与较高的能效水平，并节省空调器材料成本。对于R290的安全性，只要控制合适的灌注量并采取适当的安全措施就可以达到安全使用的要求；生产线进行适当改造可以安全生产。 关键词关键词 自然工质 R290 丙烷
2、 家用空调 环境保护 RESEARCH ON R290 AS NATURAL REFRIGERANT IN RAC RESEARCH ON R290 AS NATURAL REFRIGERANT IN RAC Zhang ShouXin Zhang Mingjie Fu Yu (Qingdao Haier Air Conditioner Gen. Corp., Ltd, Qingdao ) Abstract Natural refrigerant is future development trend for RAC. Via comparisons of thermodynamic prop
3、erty between propane (R290) and R22, we analyzed feasibility of substitution of R22 with R290. Performance test is also made on R290 in RAC and a safe-charging amount, a higher energy performance are maintained through improvement, while reducing material cost on RAC. Security of R290 is easily kept
4、 when proper charging amount and safety measures are adopted. Production line is ready to run with a proper modification. Keywords Natural refrigerant R290 Propane RAC Environment protection 1 现有家用空调制冷剂使用情况与发展趋势现有家用空调制冷剂使用情况与发展趋势 自从上世纪 70 年代证实卤代烃物质在大气层中分解出的氯原子会对大气臭氧层产生强烈的破坏作用，从而导致对地球环境有害紫外线的增加后，为保护大
5、气臭氧层， 蒙特利尔议定书要求禁止使用 CFC 类制冷剂并逐步淘汰 HCFC 类制冷剂，由此开始了世界范围内的制冷剂替代工质的研究与发展。 虽然 HCFCs 的禁用日期规定为 2030 年，基于对环境保护的进一步认识，世界各国均加快了替代 HCFCs 的步伐，我国也将在 2013 年将使用量冻结在 2009 与 2010 年的平均消耗量基线水平上，寻找 R22 替代工质的任务极其紧迫。 对于 HCFCs 的替代，目前主要有两条路线，一是以美国和日本为主的 HFC 替代路线，其中两 作者简介：张守信，1972，男， 元近共沸混合制冷工质 R410a 已广泛应用。R410a的排气压力比 R22 高
6、 50 一 60 ，需提高压缩机运动部件的耐磨性和系统管路的强度；且 HFC类制冷工质虽然臭氧衰减指数 ODP 为 0， 但温室指数 GWP 仍较高，属于需减排的温室气体，因此欧洲特别是德国主张走碳氢化合物替代路线。碳氢化合物是天然存在的物质，与自然的亲和性已经延续了数百万年，其 ODP、GWP 值均为零，不会对环境造成危害。R22 等许多人工合成的物质，尽管从一开始看对人类是有益的，但随着该物质的大量和长期的使用，就逐步显现出对生态环境的巨大破坏作用，使用人工合成类制冷工质始终对地球的生态环境存在着潜在的危险。随着世界制冷空调技术的应用和发展，对制冷工质的需求量逐年上升，每年达到数十万吨的消
7、耗量。因此，从对环境的长期影响来看，避免使用那些最终会排放到生物圈中的非自然工质，重新起用自然工质是一种安全的选择。 作为替代工质，除解决环保问题外，制冷剂最 重要的性质是在给定的用途与冷量下它们的安全性，功耗，机器的尺寸和系统价格。在欧洲，丙烷和异丁烷混合物已较成功地用于家用冰箱中，当今在德国，冷藏箱和冷冻箱大都采用碳氢化合物作为制冷剂。文中对自然工质丙烷(R290)在小型家用分体空调器上的使用进行实验与安全探讨。 2 R290 替代替代 R22 的可行性分析的可行性分析 2.1 基本物理性质 基本物理性质 表表 1 R290 与与 R22 基本物理性质对照表基本物理性质对照表 制冷剂代号
8、R22 R290 分子式 CHClF2 C3H8 分子量 86.5 44.1 标准沸点 () -40.8 -42.1 凝固点() -160 -187.7 临界压力(MPa) 4.99 4.24 临界温度 () 96 96.8 临界比容( m3/kg) 0.001904 0.004545 0汽化潜热(kJ/kg) 204.87 376.334 如表1所示R29O的基本物理性质是较好的，如 标准沸点、 凝固点、 临界点等参数和 R22 非常接近。 2.2 饱和蒸汽压饱和蒸汽压 对比R290与R22的饱和蒸汽压力线接近，在20以下的低温区段,也就是家用空调制冷剂蒸发时两种制冷剂的压力线基本重合;而在
9、家用空调常用的冷凝段，也就是在30度以上R290的压力与R22的压力开始拉开距离，R22较R22压力略低， 这样的特点可以保证R290在不影响压缩机进气量工作的前提下有效地降低压缩比,提高压缩机的工作效率。 并且家用空调器选用R290作为制冷剂， 部件耐压方面不需要进行改进。 2.3 饱和液体密度和饱和气体比体积饱和液体密度和饱和气体比体积 在饱和液态时,R290比R22 的密度小很多,在气体时，R290 的蒸汽比体积比R22 的大，这意味着在相同的内容积下，R290系统的关注量要比R22小得多，很多实验表明，在相同系统下, R290 的最佳灌注量注量仅为R22的40-45%左右。 2.4 汽
10、化潜热汽化潜热 在家用空调器可能达到的制冷剂温度-20到70间，在相同温度下,R290 的汽化潜热是R22 的的1.8倍以上。汽化潜热r、蒸发器的制冷量Q0、蒸发器入口干度Xi之间有此关系:Q0=M*r*(1-Xi)， M为制冷剂质量流量。 由于R290的蒸汽比体积较小而导致质量流量M低的缺点,可以通过他们的汽化潜热r来来弥补。 2.5 饱和液态比热容和饱和气态比热容饱和液态比热容和饱和气态比热容 在相同温度下,R290 的饱和液态比热容和饱和蒸汽比热容均比R22 的大。在相同的蒸发器负荷下,R290 的吸气温度比R22 的吸气温度较低,排气温度也低,可以减少压缩机压缩过程气体与汽缸之间的热交
11、换,从而减少不可逆损失,降低能耗。 2.6 饱和液态粘滞系数和饱和气态粘滞系数饱和液态粘滞系数和饱和气态粘滞系数 R290 的气态动力粘滞系数和饱和液态动力粘滞系数都比R22 的小。 粘滞系数小一方面可以减少流体与管壁以及流体内部的摩擦损失,另一方面也可以减少传热时的附面层厚度,从而增大传热系数。 2.7 饱和液态导热系数和饱和气态导热系数饱和液态导热系数和饱和气态导热系数: R290 的饱和液态的导热系数和饱和气态的导热系数都比R22 的大。 导热系数越大,制冷剂在冷凝器和蒸发器中的传热系数越大,有益于提高系统性能。 3 实验数据分析实验数据分析 3.1 R290 与与 R22 实验数据对比
12、实验数据对比 通对 R290 进行实验，由原灌注 R22 制冷剂的26 机分体空调器系统，更换同排量压缩机后(压机油更改)灌注R290在GB/T 7725-2004的额定制冷工况下进行测试，经调试最佳节流后，样机在不同灌注量下其能效曲如图 1： 2.502.702.903.103.303.50240260280300320340360380灌注量(g)EER(W/W)R290能效比与灌注量关系 图图 1 R290 样机能效比与制冷剂灌注量的关系样机能效比与制冷剂灌注量的关系 在图 1 中可看出 R290 在此系统能效灌注量最佳点在360g， 在此灌注量下R290系统参数与原R22系统对比如表
13、2 所示。对比表 2 中数据可看出，在 R22 系统更换 R290 后，灌注量仅为 R22 的 42.4%，制冷能力减小了 13.9%，功率减小了 14.2，能效略有提高。R290 压缩机排气温度比 R22 低 15，压力比减小 5.8%， 压缩机效率更高， 整机测试能效提高较小主要由以下两方面造成： 一是R22 更换R290后制冷量与功率均减小 14%左右，但样机电器控制及室内外风机功率共 88W 是保持不变的，其在整机功率中占的比重增大，不考虑此功率影响则样机能效比从 3.65 提高到 3.74，提高 2.5%；二是 R290压缩机比 R22 压缩机选用了黏度更高的润滑油， 压缩机摩擦力变
14、大，在一定程度上影响了能效的提升。 表表 2 R22 与与 R290 样机数据对比样机数据对比 制冷剂 参数 R22 R290 增减率 能力(W) 2664 2295 -13.9% 功率(W) 817 701 -14.2% 能效(W/W) 3.26 3.27 0.4% 风量(m3/h) 449 442 排气温度() 80.4 65.0 吸气温度() 16.6 17.9 冷凝器中部() 44.7 43.9 冷凝器出口() 39.7 39.0 排气压力(MPa) 1.78 1.55 -12.9% 吸气压力(MPa) 0.66 0.61 -7.6% 压力比 2.70 2.54 -5.8% 最佳注气量
15、(g) 850 360 -57.6% 综合比较，R22 系统直接灌注 R290， 灌注量仅需原来的 42.4%，能力下降约 13.9%，能效略有提高，R290 替代 R22 在性能上是完全可行的。 3.2 R290 家用空调器性能改进家用空调器性能改进 由于碳氢制冷剂 R290 的可燃性，但只有在一定浓度范围内才会燃烧，所以减少制冷剂灌注量是保证 R290 在家用空调器上安全使用的有效手段。在 IEC 60335-2-40 和 EN 378-1：2008 中均对空调器使用碳氢制冷剂的最大安全灌注量做了限制，其中 R290 空调器在 10 平米房间内按 2.2m 的安装高度时，其灌注量不允许超过
16、 290g。由于现阶段使用R290 制冷剂的空调器主要市场是欧洲， 如何减少空调器中 R290 的灌注量，达到安全标准成为 R290能否替代 R22 与 R410A 制冷剂的重要条件。 系统中的制冷剂主要集中在蒸发器和冷凝器里，忽略压缩机与管路中的少量制冷剂，最佳制冷剂灌注量应是满足蒸发器和冷凝器中最佳传热条件下两者中的制冷剂质量之和，即： M=Me+Mc=eVe+cVc 式中 e蒸发器中制冷剂的平均密度 c冷凝器中制冷剂的平均密度 Ve 蒸发器的内容积 Vc 冷凝器的内容积 由于家用空调器的使用环境与状态，在确定空调器制冷量与能效要求后空调换热器中的液相区、两相区、气相区所需参数均变化不大，
17、换热器内制冷剂的平均密度相近，所以要减小空调器的制冷剂灌注量，减小换热器内容积是最有效的办法。 按照经验，空调器冷凝器中的制冷剂约占整个循环系统的 40-50%左右， 即实验样机中制冷剂约有160g 制冷剂在室外机，要将 R290 的灌注量减少至290g 以下，即需减少约 70g，这就需要室外换热器减小约 40%的内体积。为保证冷凝器的换热效果，室外冷凝器更换了5 管径换热器替代原7 管径换热器，并减小了尺寸，换热器内体积仅为原来的57%，由于铜管换热面积略有减小,加密了换热器翅片片距以保换热效果，改进后样机在不同灌注量下其能效曲如图 2。 在图 2 中可看出 R290 在此系统能效灌注量最佳
18、点在 275g，经过换热器更换小管径改进，样机可以 达 到 高 能 效 要 求 ， 并 且 灌 注 量 满 足 IEC 60335-2-40 和 EN 378-1 的规定。 2.102.302.502.702.903.103.303.50200220240260280300灌注量(g)EER(W/W)5管冷凝器R290能效比与灌注量关系 图图 2 使用使用 5 管换热器后管换热器后 R290 样机能效比与灌注量的关系样机能效比与灌注量的关系 表 3 是5 管径换热器替代原7 管径换热器后在最佳灌注点的样机性能数据，由于更换冷凝器后，冷凝效果较原冷凝器有所改进，样机排气压力与冷凝温度均有所降低，
19、能效提升。 表表 3 R290 样机数据对比样机数据对比 冷凝器 参数 7 5 能力(W) 2295 2354 功率(W) 701 691 能效(W/W) 3.27 3.41 风量(m3/h) 442 433 排气() 65.0 62.4 吸气() 17.9 15.7 冷凝器中部() 43.9 43.5 冷凝器出口() 39.0 39.8 排气压力(MPa) 1.55 1.53 吸气压力(MPa) 0.61 0.61 压力比 2.54 2.51 最佳注气量(g) 360 275 通过系统改进后，R290 作为家用空调制冷剂，在减少灌注量的同时，样机能效还有大幅提升，并且改进后系统成本远低于改进
20、前。 3.3 R290 家用空调器制热性能改进家用空调器制热性能改进 在将制冷剂减少灌注量后，制热能力下降明显， 仅为 2095W， 不能满足要求， 为满足制热需要，改换大排量压缩机进行实验，经过实验，需在大排量压缩机，且灌注量达到 400g 时，制热能力才能满足要求。 根据以上数据可知，R290 替代 R22 在性能上是可行的，但其能力有 14%左右的下降，需更换更大排量压缩机保证原有性能。减小换热器内体积可有效减少 R290 的灌注量，并且达到较高能效，但制热性能会受到较大影响，制热量需要足够多的压机排气量与制冷剂灌注量才能达到要求。 表表 4 增大压缩机后的制热数据对比增大压缩机后的制热
21、数据对比 压缩机 参数 16.2 17.3 能力(W) 2095 2680 功率(W) 657 825 能效(W/W) 3.19 3.25 排气() 61.8 62.8 吸气() 6.3 3.2 排气压力(MPa) 1.33 1.62 吸气压力(MPa) 0.34 0.41 压力比 3.91 3.95 注气量(g) 275 400 3.4 平行流微通道换热器的应用平行流微通道换热器的应用 根据实验数据， R290 在制热使用时， 其灌注量需增加。在制冷方面时可通过进一步采用平行流微通道冷凝器可进一步减少制冷剂灌注量，并提高能效。 平行流式微通道换热器是一种由多孔铝扁管和铝制波浪形翅片组成的高效
22、紧凑式全铝换热器，散热片上开有百叶窗条缝，扁管是每根截断的，两端有集流管。实验中采用了多元平行流式冷凝器，其集流管中有隔片打断,每段管子数不同,刚进入冷凝器时,制冷剂呈气态,比容最大,管子数也最多,随着制冷剂逐渐冷凝成液体,其比容减小,管子数也相应减小，如图 3、4 所示。 图图 3 平行流换热器示意简图平行流换热器示意简图 图图4 实验使用平行流换热器与其翅片结构实验使用平行流换热器与其翅片结构 由于平行流微通道换热器结霜排水问题还有待解决，因此实验中只进行了制冷实验，样机灌注量与能效的数据曲线如图 5 所示： 2.102.302.502.702.903.103.303.503.702002
23、20240260280300灌注量(g)EER(W/W)R290能效比与灌注量关系 图图 2 使用平行流换热器后使用平行流换热器后 R290 样机能效比与灌注量的关系样机能效比与灌注量的关系 表表 5 平行流换热器平行流换热器 R290 样机数据样机数据 冷凝器 参数 平行流 平行流 能力(W) 2393 2477 功率(W) 680 686 能效(W/W) 3.52 3.61 风量(m3/h) 431 431 排气() 62.3 61.9 吸气() 16.0 14.8 冷凝器中部() 43.7 44.0 冷凝器出口() 38.7 38.0 注气量(g) 264 276 在更换多元式平行流微通
24、道换热器后，样机在低灌注量下能效仍有很大提高，并且通过曲线发现随着灌注量的增加，能效还在增长，样机仍然有较大的可改进空间。 4 R290 做为家用空调制冷剂的安全问题做为家用空调制冷剂的安全问题 碳氢化合物最为制冷剂最大的局限是它的可燃性，发生泄漏后可能引起火灾与爆炸等危险事故，所以 R290 制冷剂安全性主要从防止制冷剂泄漏以及泄漏后采取的安全措施来控制。 现阶段家用空调器生产厂家的空调器密封性检测标准要求都很高，正常的空调器年泄漏量都可以控制在 5g 以下，不会产生任何危险。现在空调使用中制冷剂泄漏主要是因为在安装时的连接紧密型不足或因意外造成的系统破裂导致的。由于R290 在室内泄漏危险
25、性较高， 对于安装造成的室内泄漏，可以通过将室内机增加快速连接头，或在出厂时将连机管与室内机作为一体，减少室售后在室内进行的机械连接来避免，确保制冷剂不向室内泄漏。 系统意外破裂泄漏由于制冷剂会短时间内充满整个区域，其危险性是最大的，但这种情况发生的概率非常低，欧洲采用 R290、R600a 为工质的冰箱、小型空调和汽车空调已超过 1000 万例,尚未发现因此造成的工质泄漏引起的爆炸伤人事故。为彻底杜绝此类情况的发生，可尽量选择少的冷媒灌注量，保证即使制冷剂短时间内完全泄漏也不会发生事故。按照 IEC 60335-2-40 和 EN 378-1：2008中的最大灌注量公式限制来灌注制冷剂。碳氢
26、制冷剂最大灌注量公式： Mmax = 2.5(LFL) 5/4h0 (A)1/2 式中：LFL 冷媒最低可燃浓度，R290=0.038kg/m3； Mmax 空调系统的最大灌注量， kg； h0 室内机的安装高度，m； A 房间面积，m3； 按此公式计算，在允许灌注量量下及时制冷剂全部泄漏在室内，室内的R290浓度仅有0.013kg/m m3，低于R290最低可燃浓度，是可以保证安全的。 R290是可燃的， 但必须同时满足浓度在可燃浓度范围且温度高于着火点两个条件才能燃烧， R290的可燃浓度为体积浓度在2.1-9.5%之间，着火点470。根据实验，其实际爆炸条件更高4，即使在最佳起爆浓度5.
27、 5 % 下要810 才发生爆炸。最低起爆浓度为2. 6 % ,此时起爆温度为918 。随着R290 浓度的增大,起爆温度下降,到5. 5 %时起爆温度达到极小值的810 ，浓度再增大起爆温度将增大,当浓度为8. 5 % 时起爆温度达到880 ,浓度超过8.9%和低于2.5%的R290空气混合气体就不具备可燃可爆性了,此时燃着的烟头也不足以使其爆炸。 由于制冷剂泄漏是按一定速度进行的，其浓度在室内是不均匀分布的，在发生泄漏时，空调器附近制冷机浓度较大，可能达到可燃浓度范围。实验表明，采用HC自然制冷剂，当灌注量小于600g时，完全泄漏后，只在泄漏点附近的局部区域内，可燃制冷剂的浓度达到或超过爆
28、炸点下限并遇到点火源时会引起局部燃爆或火灾，当泄漏量为300g时，伤害半径只有0.65到0.9m8，伤害度有限，不会对人员造成伤害。 由于所有室内都是通风，会一定程度上稀释泄漏制冷剂浓度，所以R290只要控制较低的灌注量，其使用是安全的，为确保将事故概率降低到最小，可在空调器室内机换热器上增加制冷剂浓度检测装置，当制冷剂在发生泄漏达到轻微浓度时即给空调器断电，切断可能的火源，并发出警报提醒使用者通风撤离。由于R290密度大于空气，检测装置应安装在室内换热器的下方位置。 在生产方面，空调企业通过控制生产精度，减少不必要的制冷剂泄漏量；保证通风，有效稀释环境中的制冷剂浓度；将焊接等有火工位隔离；改
29、造生产线减少电火花，并增加浓度检测装置，是完全可以做到安全生产的。 在与其他材料相容性方面，实验表明黄铜、紫铜、碳钢、锰钢、铸铁、漆包线等均与 R290 相容， 由于 R290 的压力略低于 R22，R22 制冷剂使用的部件均可直接使用在 R290 冷媒空调器上。 5 结论结论 R290 制冷剂是一种环保高效制冷剂， 可以在家用空调器上使用并达到较高能效。通过减小换热器管径、采用微通道换热器等措施，可在达到高能效的前提下，即节省材料成本又减少制冷剂灌注量。虽然 R290 是可燃的，但经过减少灌注量并采取适当安全措施后是可以实现安全生产使用的。但减少灌注量后， 由于制冷剂质量流量的不足， R29
30、0 的空调器制热面临很大的问题，还需探索提高。 参考文献 参考文献 1王倩、吴挺、张于峰、王健栓.R22替代物R290的理论与试验研究.流体机械,2004,32(7) 2张战等.R22与R290热物性对比分析及实验研究.天津城市建设学院学报,2002.12,8(4) 3 王倩.R290替代R22的可行性分析.茂名学院学报, 2005.6,15(3) 4 童明伟,吴治娟,董茂林.R290 的可燃爆炸性试验及在制冷机组中的试用.重庆大学学报, 2002.1,25(1) 5 熊爱凌,韩厚德,曹红奋.R290及其冷冻油混合物互溶特性研究.上海海事大学学报, 2004.9,25(3) 6 陈永强,刘金平
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