1、第10卷 第 3 期制 冷 與 空 調2 0 1 0 年 6 月R EFR I GERA T ION A ND A IR - COND I T ION IN G76278制冷劑 R32 在空調應用上的理論分析張龍 劉煜(珠海格力電器股份有限公司)摘 要 從理論上對制冷劑 R32 的環保性 、循環性能和安全性進行分析 ,得出 R32 在循環性能上與常用制 冷劑相當 ,滿足普通家用空調器使用安全要求 ,環保性優于常用制冷劑 ,因此對于常用制冷劑來說是一種可 行性很高的替代品 。關鍵詞 R32 ; L CC P ;制冷劑 ;空調 ;制冷Theory analysis a bout a ppl ica

2、t ion of ref rigerantR32 on a ir2condit ion ingZha ng Lo ng L i u Yu( Gree Elect ric App lia nce s , Inc . of Zh u hai)ABSTRACT Di scu sse s t he app licatio n of ref ri gera nt R32 f ro m t h ree a sp ect s : t he fi r st i s no n2poll utio n , R32 ha s lo we r O D P , GW P a nd L CC P ; t he seco

3、nd i s c ha ract e ri stic s of cycle , eve r y p a ra met er i s equivale nt wit h t he no r mal ref ri ge ra nt ; t he la st i s sec urit y , R3 2 ca n f ul2 fill t he B S EN60 33 52224 0 . So ref ri gera nt R32 i s o ne f ea si bilit y ref ri gera nt to sub stit ut eR22 a nd R410 A .KEY WO RDS R3

4、 2 ; L CC P ; ref ri gera nt ;air2co nditio ni ng ; ref ri ge ratio n1 83 4 年 ,帕金斯提出蒸汽壓縮制冷循環 。隨著這種制冷設備的投入使用 , 一些實際的制冷劑 也陸續被開發出來 。當時“易獲得性”是制冷劑選 擇的重要原則 , 因此早期的制冷劑幾乎多數是可 燃的或有毒的 , 或者兩者兼而有之 。隨著制冷設 備應用的日益廣泛 , 須要開發出安全 、穩定 、熱工性能良好 、無毒且不燃的制冷劑 。因此在 20 世紀 一系列 C FCs 和 H C FCs 陸續得到了廣泛的應用 , 逐漸 替 代 了 已 使 用 10 0 年

5、之 久 的 早 期 制 冷 劑 。19 85 年英國南極考察隊發現的“臭氧空洞”引起了 世界性的震驚 。研究發現 ,含有氯 、溴或另一種相 似的原子參與臭氧變氧的化學反應 , 從而造成了臭氧空洞 ,并且給出臭氧耗損潛能 O D P 用以評價 化學品分解臭氧的能力 。蒙特利爾議定書規定 了禁止使用破壞臭氧層物質的時間表 。發達國家 在 20 10 年全面禁止使用 H CFCs (如 R2 2) ,發展中 國家 20 30 年禁止使用 。隨后科學家發現 CFCs 和H C FCs 產生的溫室效應對全球氣候有非常大的影響 ,并給出全球變暖潛能 GW P 和壽命期氣候性能 L CC P 來評價制冷劑

6、。目前雖然沒有得出此類物 質的淘汰時間表 , 但是新型環保制冷劑的開發已 經勢在必行 。筆者從理論上對 R32 制冷劑在空調 中使用的可行性進行分析 。1 制冷劑 R32 物性分析表 1 列出了常用的制冷劑和部分公認的環保 制冷劑的基本熱物性 、環保性及安全性相關參數 。 對于可燃性制冷劑還給出了燃燒下限 、自動點燃 溫度 、最小點燃能量 、燃燒速度和燃燒熱等相關參數 (對于常用的不可燃制冷劑和 CO2 則沒有列出 此類參數) 。1 . 1 環保性1 ) GW P從表 1 可以看出 , R32 的 GW P 值為 675 ,高于R290 。但是其 OD P 值為 0 ,而且 GW P 值相對于

7、制冷收稿日期 :2010203222通信作者 :張龍 , Email :zl gree . co m. cn第 3 期張龍 等 :制冷劑 R32 在空調應用上的理論分析· 77 ·表 1 部分制冷劑基本物性 、環保性和安全性參數 制冷劑 R22 R41 0 A R2 9 0 R3 2 R7 4 4 摩爾質量/ ( g/ mol)86 . 4772 . 5844 . 152 . 0244 . 01常溫工況密度/ ( kg/ m3 )3 . 531 . 802 . 131 . 80基本標準沸點 N B P/ - 40 . 80- 51 . 40- 42 . 10- 51 . 7

8、0- 78 . 40熱物臨界溫度 tc / 96 . 1070 . 596 . 7078 . 1031 . 00性 臨界壓力 pc / M Pa 4 . 9 9 4 . 8 1 4 . 2 5 5 . 7 8 7 . 3 8 O D P0 . 050000GW P( 100)1 8102 100206751環保性 大氣壽命 1 2 0 . 0 41 4 . 9 0 > 5 0 燃燒下限 (質量) L FL/ ( kg/ m3 ) 0 . 038 0 . 306燃燒下限 ( 體積分數) L FL / % 2 . 1 14 . 4燃燒極限差 ( U FL - L FL ) / % 7 . 8

9、 14 . 9自動點燃溫度 A I T/ 470648可燃性 最小點燃能量 M I E/ mJ 0 . 2530100燃燒速度 B V / (cm/ s) 46 6 . 7燃燒熱 H O C/ ( MJ / kg) 50 . 3 9 . 4TL V2 T W A / 10 - 61 000 1 000 2 500 1 000 5 000 毒性 安全等級A1 A1 A3 A2 A1劑 R22 和 R410A 分別降低了約 62. 7 %和 67 . 8 %。2 ) 大氣壽命雖然 R32 的大氣壽命高于 R29 0 ,但是相對于R22 來說 ,大氣壽命縮短了 5 9 . 2 % ( 大氣壽命越短

10、表示對氣候影響的時間越短) 。3 ) L CC PGW P 值只反應制冷劑直接泄漏到大氣中產 生的溫室效應 ,而 L CC P 還考慮了以下 2 個因素 :生產該化合物及其原料的消耗 ( 如電能和各種燃料) 所伴隨的影響 ; 生產過程中排放的作為溫 室氣體的任何副產品 。因此 L CC P 是對溫室效應的綜合評價 。根據日本冷凍空調工業協會 (J RA2IA) 公 布 的 R12 34 yf , R290 , R32 , R4 10 A 和 R74 4五種制冷劑在 4 k W 和 1 2 . 5 k W 空調中的 L CC P值和制冷運行能量消耗對比中可知 , R32 的 L CC P 值最低

11、 ,主要原因在于能源消耗較低 ,制冷運行時 能源消耗比 R41 0 A 低約 3 %6 % 。因此 ,綜合上述因素來看 ,雖然 R3 2 并非各種環保參數都是最優值 , 但是相對于目前常用的制 冷劑來說在環保方面有著非常突出的優勢 。1 . 2 安全性1 ) T L V2T W A該值是用來評價受過訓練的操作人員在該物 質長期暴露下的慢性毒性 , 數值越大表示毒性越 小 。R3 2 的毒性和現有常用制冷劑相當 。2 ) 燃燒性目前常用制冷劑均為不可燃 , 但是目前知道 的低 GW P 制冷劑均帶有一定燃燒性 。從表 1 可以看出 ,在燃燒下限 、自動點燃溫度 、最小點燃能量 、燃燒速度和燃燒熱

12、方面 R3 2 均要優于 R290 ,相對燃燒性更低 。綜上所述 , R32 的安全性為 A 2 (無毒可燃) ,比 常用制冷劑的安全性 A1 ( 無毒不燃) 差 ,但是優于 R290 的安全性 A 3 (無毒易燃易爆) 。2 R32 的循環性能分析由于 R41 0 A 的組分中有 50 %是 R32 ,因此從 基本的物性參數上看 , R3 2 同 R41 0 A 相差不大 ,完 全可以滿足空調的使用要求 。但是除此之外 , 新 的環保制冷劑還須要具有良好的循環性能 , 例如 性能系數 、容積制冷量 、排氣溫度等各參數與常用 制冷量相當或優于常用制冷劑 。表 2 所示為制冷 工況 (蒸發溫度

13、7 . 2 ,吸氣溫度 3 5 ,冷凝溫度54 . 4 ,過冷溫度 46 . 1 ) 下 ,幾種制冷劑的理論 循環性能參數 ;表 3 是在制熱工況 (蒸發溫度 2 , 吸氣溫度 7 ,冷凝溫度 4 0 , 過冷溫度 3 4 ) 下 ,幾種制冷劑的理論循環性能參數 。表 2 制冷工況下理論循環性能制冷劑R22R410 AR290R32蒸發壓力/ M Pa0 . 6250 . 9580 . 5841 . 018冷凝壓力/ M Pa2 . 1453 . 3511 . 8823 . 473壓力比3 . 433 . 53 . 223 . 412等熵壓縮功/ ( kJ / kg)35 . 5639 . 1

14、263 . 153 . 68單位制冷量/ ( kJ / kg)170 . 7169 . 3310 . 5257 . 4E E R4 . 84 . 334 . 924 . 79容積制冷量/ ( kJ / m3 )3 940 . 95 446 . 93 438 . 96 176 . 9排氣溫度/ 1 01 . 9 10 2 . 8 8 4 . 2 2 11 7 · 78·制 冷 與 空 調第 10 卷 表 3 制熱工況下理論循環性能 制冷劑 R2 2 R41 0 A R2 9 0 R3 2 蒸發壓力/ M Pa 0 . 531 0 . 850 1 0 . 500 5 0 . 8

15、66 5 冷凝壓力/ M Pa 1 . 533 5 2 . 398 11 . 365 9 2 . 478 3 壓力比 2 . 892 . 82 2 . 729 2 . 86 等熵壓縮功/ ( kJ / kg) 27 . 103 29 . 529 48 . 032 41 . 053 單位制熱量/ ( kJ / kg) 195 . 042 201 . 396344 . 400 298 . 421CO P 7 . 20 6 . 82 7 . 17 7 . 27 容積制熱量/ ( kJ / m3 ) 4 290 . 4 6 212 . 1 3 677 . 5 6 804 . 0 排氣溫度/ 6 2 .

16、 3 1 62 . 9 8 48 . 9 7 7 7 . 1 4 由表 2 和表 3 可以看出 : R32 的高低壓力與 R410A 相當 ,而且由于 R32 本身就是 R410 A 的組分 之一 ,因此系統元器件的使用上與 R410A 系統的通 用性 比 較 好 。 R32 的 單 位 制 冷 量 比 R22 的 和 R410A 的分別高出 50 . 8 %和 52 % ,單位制熱量則 分別高出 53 %和 48 . 2 % ;但是單位制冷量和單位制 熱量比 R290 的 分 別 低 17 %和 13 . 4 %。 R32 的 CO P 值與 R22 的相當 ,比 R410 A 的高 ; R

17、32 的容 積制冷量和容積制熱量最高 ,比 R410A 的分別要高 出 13 . 4 %和 9 . 5 % ,因此對于同樣制冷量的空調來 說 ,R32 的充注量要小于 R410 A 的 ,而且在壓縮機 的優化設計上可以采用更小排量的壓縮機 。 R32 的排氣溫度較高 ,冷凝壓力較高 ,因此與 R410 A 相 似 ,并不適合在高溫工況 ( T3 工況) 下使用 ,而在低 溫工況可以有較好應用 。總的來說 , R32 在循環性 能上可以滿足空調的使用要求 。3 R32 的安全性分析根據歐盟標準 EN 60 33522240家用和類似用途電器安全 :電力驅動蒸氣壓縮式熱泵 、空調和除濕機特殊要求中

18、的規定 ,可燃制冷劑的充注量和 房間通風情況及機組形式有關 。對于室內無通風而且不是整體式單元機的機 型 ( 如分體機) 等 ,當制冷劑充注量 M 滿足下面條 件時 :4 L FL < M 26 L FL室內 機 制 冷 劑 最 大 充 注 量 可 以 按 照 下 式 計算 :M max = 2 . 5 L FL 5/ 4 h0 A 1/ 2因此對于充注量為 M 的制冷設備最小的使用 面積為A min = M/ ( 2 . 5 L FL 5/ 4 h0 ) 2式中 : L FL 為可燃制冷劑的燃燒下限 ( 見表 1 ) ; h0 為空調安裝高度 ( 落地式為 0 . 6 m , 掛壁式為

19、 1 . 8 m ,窗機為 1 . 0 m ,天井機為 2 . 2 m) 。對某公司 R410 A 產品的統計分析得出單位制 冷量的 制 冷 劑 充 注 量 為 0 . 28 5 0 . 45 6 k g/ k W 。 根據前面對于 R32 循環性能的分析可以得出其充 注量在 0 . 2 47 0 . 3 95 k g/ k W 范圍內 。如果按照20 0 W/ m2 的冷量需求來算 ,房間單位面積 R3 2 的充注量 為 0 . 04 9 4 0 . 07 9 k g/ m2 。表 3 給 出 了 EN 6 033 522240 標準對于 R29 0 和 R3 2 的充注量要 求 。表 4

20、給出了按照 2 00 W/ m2 的冷量需求計算 時室內機可能的制冷劑充注量 。制冷劑 L FL / ( kg/ m3 )h0 / m表 3 R290 和 R32 最大充注量 房間面積/ m2 4 7 1 0 1 5 20 3 0 5 0 0 . 6 0 . 05 0 . 07 0 . 08 0 . 10 0 . 11 0 . 14 0 . 181 . 0 0 . 08 0 . 11 0 . 13 0 . 16 0 . 19 0 . 23 0 . 30R290 0 . 0381 . 8 0 . 15 0 . 20 0 . 24 0 . 29 0 . 34 0 . 41 0 . 53 2 . 2

21、 0 . 1 8 0 . 2 4 0 . 29 0 . 3 4 0 . 4 1 0 . 5 1 0 . 6 5 0 . 6 0 . 68 0 . 90 1 . 08 1 . 32 1 . 53 1 . 87 2 . 411 . 0 1 . 14 1 . 51 1 . 80 2 . 20 2 . 54 3 . 12 4 . 02R32 0 . 3061 . 8 2 . 05 2 . 71 3 . 24 3 . 97 4 . 58 5 . 61 7 . 24 2 . 2 2 . 5 0 3 . 3 1 3 . 96 4 . 8 5 5 . 6 0 6 . 8 6 8 . 8 5 R32 可能充注量

22、表 4 R32 可能充注量房間面積/ m24 7 10 15 20 30 50 按 20 0 W/ m2 需求 0 . 1 9 8 0 . 3 1 6 0 . 3 4 60 . 53 3 0 . 4 9 40 . 7 9 0 . 7 4 1 1 . 18 5 0 . 9 8 8 1 . 58 1 . 4 28 2 . 3 7 2 . 4 73 . 95 對比表 3 和表 4 的數據可以看出 : 5 匹 ( 甚 至可以更大) 以下冷量的窗機 、壁掛機和天井機使用 R32 制冷劑在安全充注范圍之內 ; 如果對系統進行優化減少制冷劑的充注量 , 則可以滿足所有 5 匹以內的地面安裝的機組 ; 對于多

23、聯系統來 說 ,當室內機制冷劑泄漏時 ,所有制冷劑有可能進入一個房間 ,因此在使用時必須考慮采用通風裝置 ;(下轉第 84 頁)· 84·制 冷 與 空 調第 10 卷 略多 ,但低于 R410 A 的 , 高于 R407 C 的 。從回氣 比容角度看 , R32 比 R2 2 和 R40 7 C 更加適合用于熱泵熱水器 ,但略差于 R4 10 A 。圖 16 回氣比容對比3 結論1 ) 對比 R32 , R22 , R40 7 C 和 R41 0 A 四種制冷 劑的基本特性 ,從傳熱和流動角度看 , R3 2 具有較 低的黏度 、較 高 的 導 熱 系 數 , 以 及 較

24、 高 的 汽 化 潛熱 、冷凝壓力和蒸發壓力 。由于 R3 2 系統的冷凝 壓力較高 ,對系統的承壓性能提出了更高的要求 ,在系統設 計 時 須 要 采 取 適 當 的 方 法 控 制 最 高 壓 力 ,以保證系統的安全性 。考慮到系統的可靠性 ,R32 系統的最高出水溫度建議為 5 5 。2 ) 通過理論循環計算分析 , R32 系統具有較 低的壓縮 比 , 較 高 的 CO P 以 及 很 好 的 容 積 制 熱量 ,適合用于空氣源熱泵熱水器 ; 但是 , R32 系統 的排氣溫度較高 , 須要通過制冷劑噴液等方法降低排氣溫度 ,以保證壓縮機的可靠性 。3) R32 制冷劑經過合理的系統匹

25、配后可以用 于空氣源熱泵熱水器 , 并得到較高的 CO P 。在當前節能減排的大環境下 ,可以考慮推廣使用 R32 。同時 ,考慮到空氣源熱泵熱水器能效限定值國家 標準在制定中 ,隨著該標準的實施 ,可能會推動這種有利于提高系統 CO P 的 R3 2 制冷劑在空氣源熱泵熱水器上的應用 。4 ) 具有較低 GW P 值的 R32 制冷劑 , 在我國 空氣源熱泵熱水器行業的推廣應用 , 將有助于實 現低碳經濟的發展戰略 。國內對空氣源熱泵熱水器用制冷劑提出了很 多替代 方案 , 比 如 R4 17 A , R40 4 A , R4 07 C , R1 34 a和 CO2 等 。各種不同制冷劑在實際應用中取得的 效果除了與制冷劑本身的特性有關外 , 還與熱泵熱水器的類別以及使用條件有很大關系 。所以 , 一種性能優良的制冷劑只有與一個系統設計優良 的熱泵熱水器產品相結合 , 才能夠最大地發揮其節能環 保 性 能 , 為 用 戶 和 廠 家 提 供 最 大 的 經 濟 效益 。參 考 文 獻 1 張朝暉 , 吳利平 , 陳敬良. 緊扣時代脈搏 ,在機遇和 挑戰中促發展. 制冷與空調 ,2010 , 10 (1) : 123 . 2 吳華根 , 束鵬程 , 刑子文. 采用替代工