制冷剂R32在空调应用上的理论分析

1、第10卷 第 3 期制 冷 与 空 调2 0 1 0 年 6 月R EFR I GERA T ION A ND A IR - COND I T ION IN G76278制冷剂 R32 在空调应用上的理论分析张龙 刘煜(珠海格力电器股份有限公司)摘 要 从理论上对制冷剂 R32 的环保性 、循环性能和安全性进行分析 ,得出 R32 在循环性能上与常用制 冷剂相当 ,满足普通家用空调器使用安全要求 ,环保性优于常用制冷剂 ,因此对于常用制冷剂来说是一种可 行性很高的替代品 。关键词 R32 ; L CC P ;制冷剂 ;空调 ;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 ,帕金斯提出蒸汽压缩制冷循环 。随着这种制冷设备的投入使用 , 一些实际的制冷剂 也陆续被开发出来 。当时“易获得性”是制冷剂选 择的重要原则 , 因此早期的制冷剂几乎多数是可 燃的或有毒的 , 或者两者兼而有之 。随着制冷设 备应用的日益广泛 , 须要开发出安全 、稳定 、热工性能良好 、无毒且不燃的制冷剂 。因此在 20 世纪 一系列 C FCs 和 H C FCs 陆续得到了广泛的应用 , 逐渐 替 代 了 已 使 用 10 0 年

5、之 久 的 早 期 制 冷 剂 。19 85 年英国南极考察队发现的“臭氧空洞”引起了 世界性的震惊 。研究发现 ,含有氯 、溴或另一种相 似的原子参与臭氧变氧的化学反应 , 从而造成了臭氧空洞 ,并且给出臭氧耗损潜能 O D P 用以评价 化学品分解臭氧的能力 。蒙特利尔议定书规定 了禁止使用破坏臭氧层物质的时间表 。发达国家 在 20 10 年全面禁止使用 H CFCs (如 R2 2) ,发展中 国家 20 30 年禁止使用 。随后科学家发现 CFCs 和H C FCs 产生的温室效应对全球气候有非常大的影响 ,并给出全球变暖潜能 GW P 和寿命期气候性能 L CC P 来评价制冷剂

6、。目前虽然没有得出此类物 质的淘汰时间表 , 但是新型环保制冷剂的开发已 经势在必行 。笔者从理论上对 R32 制冷剂在空调 中使用的可行性进行分析 。1 制冷剂 R32 物性分析表 1 列出了常用的制冷剂和部分公认的环保 制冷剂的基本热物性 、环保性及安全性相关参数 。 对于可燃性制冷剂还给出了燃烧下限 、自动点燃 温度 、最小点燃能量 、燃烧速度和燃烧热等相关参数 (对于常用的不可燃制冷剂和 CO2 则没有列出 此类参数) 。1 . 1 环保性1 ) GW P从表 1 可以看出 , R32 的 GW P 值为 675 ,高于R290 。但是其 OD P 值为 0 ,而且 GW P 值相对于

7、制冷收稿日期 :2010203222通信作者 :张龙 , Email :zl gree . co m. cn第 3 期张龙 等 :制冷剂 R32 在空调应用上的理论分析· 77 ·表 1 部分制冷剂基本物性 、环保性和安全性参数 制冷剂 R22 R41 0 A R2 9 0 R3 2 R7 4 4 摩尔质量/ ( g/ mol)86 . 4772 . 5844 . 152 . 0244 . 01常温工况密度/ ( kg/ m3 )3 . 531 . 802 . 131 . 80基本标准沸点 N B P/ - 40 . 80- 51 . 40- 42 . 10- 51 . 7

8、0- 78 . 40热物临界温度 tc / 96 . 1070 . 596 . 7078 . 1031 . 00性 临界压力 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环保性 大气寿命 1 2 0 . 0 41 4 . 9 0 > 5 0 燃烧下限 (质量) L FL/ ( kg/ m3 ) 0 . 038 0 . 306燃烧下限 ( 体积分数) L FL / % 2 . 1 14 . 4燃烧极限差 ( U FL - L FL ) / % 7 . 8

9、 14 . 9自动点燃温度 A I T/ 470648可燃性 最小点燃能量 M I E/ mJ 0 . 2530100燃烧速度 B V / (cm/ s) 46 6 . 7燃烧热 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 安全等级A1 A1 A3 A2 A1剂 R22 和 R410A 分别降低了约 62. 7 %和 67 . 8 %。2 ) 大气寿命虽然 R32 的大气寿命高于 R29 0 ,但是相对于R22 来说 ,大气寿命缩短了 5 9 . 2 % ( 大气寿命越短

10、表示对气候影响的时间越短) 。3 ) L CC PGW P 值只反应制冷剂直接泄漏到大气中产 生的温室效应 ,而 L CC P 还考虑了以下 2 个因素 :生产该化合物及其原料的消耗 ( 如电能和各种燃料) 所伴随的影响 ; 生产过程中排放的作为温 室气体的任何副产品 。因此 L CC P 是对温室效应的综合评价 。根据日本冷冻空调工业协会 (J RA2IA) 公 布 的 R12 34 yf , R290 , R32 , R4 10 A 和 R74 4五种制冷剂在 4 k W 和 1 2 . 5 k W 空调中的 L CC P值和制冷运行能量消耗对比中可知 , R32 的 L CC P 值最低

11、 ,主要原因在于能源消耗较低 ,制冷运行时 能源消耗比 R41 0 A 低约 3 %6 % 。因此 ,综合上述因素来看 ,虽然 R3 2 并非各种环保参数都是最优值 , 但是相对于目前常用的制 冷剂来说在环保方面有着非常突出的优势 。1 . 2 安全性1 ) T L V2T W A该值是用来评价受过训练的操作人员在该物 质长期暴露下的慢性毒性 , 数值越大表示毒性越 小 。R3 2 的毒性和现有常用制冷剂相当 。2 ) 燃烧性目前常用制冷剂均为不可燃 , 但是目前知道 的低 GW P 制冷剂均带有一定燃烧性 。从表 1 可以看出 ,在燃烧下限 、自动点燃温度 、最小点燃能量 、燃烧速度和燃烧热

12、方面 R3 2 均要优于 R290 ,相对燃烧性更低 。综上所述 , R32 的安全性为 A 2 (无毒可燃) ,比 常用制冷剂的安全性 A1 ( 无毒不燃) 差 ,但是优于 R290 的安全性 A 3 (无毒易燃易爆) 。2 R32 的循环性能分析由于 R41 0 A 的组分中有 50 %是 R32 ,因此从 基本的物性参数上看 , R3 2 同 R41 0 A 相差不大 ,完 全可以满足空调的使用要求 。但是除此之外 , 新 的环保制冷剂还须要具有良好的循环性能 , 例如 性能系数 、容积制冷量 、排气温度等各参数与常用 制冷量相当或优于常用制冷剂 。表 2 所示为制冷 工况 (蒸发温度

13、7 . 2 ,吸气温度 3 5 ,冷凝温度54 . 4 ,过冷温度 46 . 1 ) 下 ,几种制冷剂的理论 循环性能参数 ;表 3 是在制热工况 (蒸发温度 2 , 吸气温度 7 ,冷凝温度 4 0 , 过冷温度 3 4 ) 下 ,几种制冷剂的理论循环性能参数 。表 2 制冷工况下理论循环性能制冷剂R22R410 AR290R32蒸发压力/ M Pa0 . 6250 . 9580 . 5841 . 018冷凝压力/ M Pa2 . 1453 . 3511 . 8823 . 473压力比3 . 433 . 53 . 223 . 412等熵压缩功/ ( kJ / kg)35 . 5639 . 1

14、263 . 153 . 68单位制冷量/ ( kJ / kg)170 . 7169 . 3310 . 5257 . 4E E R4 . 84 . 334 . 924 . 79容积制冷量/ ( kJ / m3 )3 940 . 95 446 . 93 438 . 96 176 . 9排气温度/ 1 01 . 9 10 2 . 8 8 4 . 2 2 11 7 · 78·制 冷 与 空 调第 10 卷 表 3 制热工况下理论循环性能 制冷剂 R2 2 R41 0 A R2 9 0 R3 2 蒸发压力/ M Pa 0 . 531 0 . 850 1 0 . 500 5 0 . 8

15、66 5 冷凝压力/ M Pa 1 . 533 5 2 . 398 11 . 365 9 2 . 478 3 压力比 2 . 892 . 82 2 . 729 2 . 86 等熵压缩功/ ( kJ / kg) 27 . 103 29 . 529 48 . 032 41 . 053 单位制热量/ ( kJ / kg) 195 . 042 201 . 396344 . 400 298 . 421CO P 7 . 20 6 . 82 7 . 17 7 . 27 容积制热量/ ( kJ / m3 ) 4 290 . 4 6 212 . 1 3 677 . 5 6 804 . 0 排气温度/ 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 的高低压力与 R410A 相当 ,而且由于 R32 本身就是 R410 A 的组分 之一 ,因此系统元器件的使用上与 R410A 系统的通 用性 比 较 好 。 R32 的 单 位 制 冷 量 比 R22 的 和 R410A 的分别高出 50 . 8 %和 52 % ,单位制热量则 分别高出 53 %和 48 . 2 % ;但是单位制冷量和单位制 热量比 R290 的 分 别 低 17 %和 13 . 4 %。 R32 的 CO P 值与 R22 的相当 ,比 R410 A 的高 ; R

17、32 的容 积制冷量和容积制热量最高 ,比 R410A 的分别要高 出 13 . 4 %和 9 . 5 % ,因此对于同样制冷量的空调来 说 ,R32 的充注量要小于 R410 A 的 ,而且在压缩机 的优化设计上可以采用更小排量的压缩机 。 R32 的排气温度较高 ,冷凝压力较高 ,因此与 R410 A 相 似 ,并不适合在高温工况 ( T3 工况) 下使用 ,而在低 温工况可以有较好应用 。总的来说 , R32 在循环性 能上可以满足空调的使用要求 。3 R32 的安全性分析根据欧盟标准 EN 60 33522240家用和类似用途电器安全 :电力驱动蒸气压缩式热泵 、空调和除湿机特殊要求中

18、的规定 ,可燃制冷剂的充注量和 房间通风情况及机组形式有关 。对于室内无通风而且不是整体式单元机的机 型 ( 如分体机) 等 ,当制冷剂充注量 M 满足下面条 件时 :4 L FL < M 26 L FL室内 机 制 冷 剂 最 大 充 注 量 可 以 按 照 下 式 计算 :M max = 2 . 5 L FL 5/ 4 h0 A 1/ 2因此对于充注量为 M 的制冷设备最小的使用 面积为A min = M/ ( 2 . 5 L FL 5/ 4 h0 ) 2式中 : L FL 为可燃制冷剂的燃烧下限 ( 见表 1 ) ; h0 为空调安装高度 ( 落地式为 0 . 6 m , 挂壁式为

19、 1 . 8 m ,窗机为 1 . 0 m ,天井机为 2 . 2 m) 。对某公司 R410 A 产品的统计分析得出单位制 冷量的 制 冷 剂 充 注 量 为 0 . 28 5 0 . 45 6 k g/ k W 。 根据前面对于 R32 循环性能的分析可以得出其充 注量在 0 . 2 47 0 . 3 95 k g/ k W 范围内 。如果按照20 0 W/ m2 的冷量需求来算 ,房间单位面积 R3 2 的充注量 为 0 . 04 9 4 0 . 07 9 k g/ m2 。表 3 给 出 了 EN 6 033 522240 标准对于 R29 0 和 R3 2 的充注量要 求 。表 4

20、给出了按照 2 00 W/ m2 的冷量需求计算 时室内机可能的制冷剂充注量 。制冷剂 L FL / ( kg/ m3 )h0 / m表 3 R290 和 R32 最大充注量 房间面积/ 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 可能充注量房间面积/ 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 对比表 3 和表 4 的数据可以看出 : 5 匹 ( 甚 至可以更大) 以下冷量的窗机 、壁挂机和天井机使用 R32 制冷剂在安全充注范围之内 ; 如果对系统进行优化减少制冷剂的充注量 , 则可以满足所有 5 匹以内的地面安装的机组 ; 对于多

23、联系统来 说 ,当室内机制冷剂泄漏时 ,所有制冷剂有可能进入一个房间 ,因此在使用时必须考虑采用通风装置 ;(下转第 84 页)· 84·制 冷 与 空 调第 10 卷 略多 ,但低于 R410 A 的 , 高于 R407 C 的 。从回气 比容角度看 , R32 比 R2 2 和 R40 7 C 更加适合用于热泵热水器 ,但略差于 R4 10 A 。图 16 回气比容对比3 结论1 ) 对比 R32 , R22 , R40 7 C 和 R41 0 A 四种制冷 剂的基本特性 ,从传热和流动角度看 , R3 2 具有较 低的黏度 、较 高 的 导 热 系 数 , 以 及 较

24、 高 的 汽 化 潜热 、冷凝压力和蒸发压力 。由于 R3 2 系统的冷凝 压力较高 ,对系统的承压性能提出了更高的要求 ,在系统设 计 时 须 要 采 取 适 当 的 方 法 控 制 最 高 压 力 ,以保证系统的安全性 。考虑到系统的可靠性 ,R32 系统的最高出水温度建议为 5 5 。2 ) 通过理论循环计算分析 , R32 系统具有较 低的压缩 比 , 较 高 的 CO P 以 及 很 好 的 容 积 制 热量 ,适合用于空气源热泵热水器 ; 但是 , R32 系统 的排气温度较高 , 须要通过制冷剂喷液等方法降低排气温度 ,以保证压缩机的可靠性 。3) R32 制冷剂经过合理的系统匹

25、配后可以用 于空气源热泵热水器 , 并得到较高的 CO P 。在当前节能减排的大环境下 ,可以考虑推广使用 R32 。同时 ,考虑到空气源热泵热水器能效限定值国家 标准在制定中 ,随着该标准的实施 ,可能会推动这种有利于提高系统 CO P 的 R3 2 制冷剂在空气源热泵热水器上的应用 。4 ) 具有较低 GW P 值的 R32 制冷剂 , 在我国 空气源热泵热水器行业的推广应用 , 将有助于实 现低碳经济的发展战略 。国内对空气源热泵热水器用制冷剂提出了很 多替代 方案 , 比 如 R4 17 A , R40 4 A , R4 07 C , R1 34 a和 CO2 等 。各种不同制冷剂在实际应用中取得的 效果除了与制冷剂本身的特性有关外 , 还与热泵热水器的类别以及使用条件有很大关系 。所以 , 一种性能优良的制冷剂只有与一个系统设计优良 的热泵热水器产品相结合 , 才能够最大地发挥其节能环 保 性 能 , 为 用 户 和 厂 家 提 供 最 大 的 经 济 效益 。参 考 文 献 1 张朝晖 , 吴利平 , 陈敬良. 紧扣时代脉搏 ,在机遇和 挑战中促发展. 制冷与空调 ,2010 , 10 (1) : 123 . 2 吴华根 , 束鹏程 , 刑子文. 采用替代工