R22的新型綠色替代制冷劑

1、R22的新型綠色替代制冷劑目前研究得較成熟的 R22 的替代工質(zhì)，如 R407C、R410A，它們對(duì)環(huán)境仍然有一定的危害， 本文介紹了一些環(huán)保性能更好的制冷劑， 并對(duì)它們的物理、 化學(xué)性質(zhì)以及循環(huán)性能進(jìn)行了一些討論。1 前言 為了保護(hù)大氣臭氧層，根據(jù)蒙特利爾議定書(shū)的規(guī)定，對(duì)于目前在空調(diào)器中廣泛使用的 R22 制冷劑， 發(fā)達(dá)國(guó)家在 2020 年以前要全部淘汰， 廣大發(fā)展中國(guó)家到 2030 年要全部禁用。 而歐 盟國(guó)家則聲稱，將在 2015 年 1 月 1 日全面禁止使用 R22。作為發(fā)展中國(guó)家的中國(guó)，雖然距 離“蒙特利爾議定書(shū)”的最后期限還有很長(zhǎng)的時(shí)間，但隨著中國(guó)加入wTO，中國(guó)的家電產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)

2、始大量的進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，為了避免將來(lái)面臨綠色壁壘，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力， 加大對(duì) R22的替代制冷劑的研究和使用，是十分必要的。目前最熱門(mén)的、研究得很成 熟的 R22 替代物，主要是 R407C、 R410A，已經(jīng)進(jìn)入了應(yīng)用階段，但是它們的GWP值很高，對(duì)環(huán)境仍然有一定的影響， 不是真正的“綠色”制冷劑。 隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)， 這些制冷劑在將來(lái)即 使不被淘汰， 它們的使用也會(huì)受到很多的限制。 因此有必要尋找那些環(huán)保性能更好的制冷劑， 并對(duì)它們進(jìn)行進(jìn)一步的研究， 本文介紹了幾種對(duì)臭氧層沒(méi)有破壞， 而且 GWP值很小的綠色替 代制冷劑。附注： ODP、 GW、P EER在制冷工業(yè)中表示什么 ?1

3、、ODP(ozone depression potential)消耗臭氧潛能值。 ODP值越小，制冷劑的環(huán)境特性越好。根據(jù)目前的水平，認(rèn)為 ODP值小于或等于 0.05 的制冷劑是可 以接受的。2、GWP(Global Warming Potential) 全球變暖潛能值GWP是一種物質(zhì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)的一個(gè)指數(shù)。 GWP是在 100 年的時(shí)間框架內(nèi)， 各種溫室氣體的溫室效應(yīng)對(duì)應(yīng)于相同效應(yīng)的二氧化碳的質(zhì)量。 二氧化碳被作為參 照氣體，是因?yàn)槠鋵?duì)全球變暖的影響最大。3、EER是空調(diào)器的制冷性能系數(shù)，也稱能效比，表示空調(diào)器的單位功率制冷量。英文為 Energy Efficiency Ratio 。數(shù)學(xué)

4、計(jì)算表達(dá)式為： EER=制冷量/ 制冷消耗功率。單位： W/W或 kW/h?W2 R22 的綠色替代制冷劑比 R407C、R410A等工質(zhì)對(duì)環(huán)境的破壞更小的 R22 的替代制冷劑，包括清華大學(xué)的THR03、丙烷、液化石油氣 (LPG)、丙烷仃烷混合物等等，以下簡(jiǎn)要介紹它們的物理、化學(xué)性質(zhì)以及 循環(huán)性能。21 THR03這種制冷劑是清華大學(xué)篩選出來(lái)的一種三元混合物制冷劑， 是在熱工性能優(yōu)秀的可燃物質(zhì)中 加入阻燃劑 ( 抑制燃燒物質(zhì) ) ，利用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)原理開(kāi)發(fā)的用于替代HCFC一 22的三元混合物。211 THR03的基本物性THR03與 R22的基本物性比較如表 1 所示。從表 1 可看出， T

5、HR03與 HCFC一 22 的基本物性是很接近的，它作為 R22 的替代制冷劑時(shí)， 可以不改變?cè)照{(diào)主要部件的基本條件而直接充灌。212 THR03的環(huán)境指標(biāo)表 2 所示為 THR03 與其他幾種制冷劑的環(huán)境指標(biāo)，從表中可以看出， THR03不僅對(duì)臭氧層沒(méi)有破壞，而且對(duì)溫室效應(yīng)的影響也很小。它的GWP值比 R22 和它的兩種替代制冷劑 R407C和 R410A要小很多， THR03的環(huán)保性能是這幾種制冷 劑中最好的，基本上是一種綠色的制冷劑。213 THR03的循環(huán)性能根據(jù)文獻(xiàn) 1 ，THR03的循環(huán)性能系數(shù)比兩種替代制冷劑R407C、R410A要高；而容積制冷量與 R22 十分接近， 具有

6、不更換原系統(tǒng)壓縮機(jī)的基本條件； 排氣溫度比 R22低；蒸發(fā)壓力很接 近 R22；冷凝壓力比 R407C、 R410A低，很接近 R22。THR03的綜合循環(huán)性能要好于 R407C和 R410A。214 THR03的其他優(yōu)點(diǎn)(a)THR03 制冷劑氣化潛熱大；氣相比熱大，排氣溫度低；液相比熱大，節(jié)流損失?。粌上?區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)大，有利于換熱器的換熱； 兩相區(qū)的粘度小，流動(dòng)阻力小。這些性質(zhì)決定了在 實(shí)際循環(huán)中， THR03可以減小不可逆損失，具有節(jié)能潛力。(b)THR03 制冷劑與現(xiàn)有壓縮機(jī)材料相容性好，除需將礦物油(MO)更換為酯類油 (POE)外，現(xiàn)在 R22系統(tǒng)的壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)絕緣料基

7、本無(wú)需改動(dòng)。THR03POE與原 R22 MO空調(diào)系統(tǒng)的其他材料，如銅管、鋁管、邦迪管、電機(jī)線圈綁線、漆包線、聚酯薄膜、熱縮套管等 的相容性也很好。(C)THR03制冷劑不可燃，相對(duì)于碳?xì)浠衔镏评鋭﹣?lái)說(shuō)，安全性能好。22 丙烷 (R290)22 1 丙烷的基本物性如表 3 所示，丙烷的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)、臨界溫度、臨界壓力等物性參數(shù)都與R22 極其相近。而且，丙烷的飽和蒸氣壓一溫度曲線與 R22 十分接近。另外丙烷的熱物理性質(zhì)在許多方面都接近或 優(yōu)于 R22：在相同的壓力下， 7 時(shí)丙烷的潛熱比 R2 2大 844；在相同的溫度下丙烷的 飽和蒸汽比熱比 R22的大得多， 使得丙烷的排氣溫度要比 R22

8、 低；另外丙烷在相同的溫度下 動(dòng)力粘度小于 R22，導(dǎo)熱系數(shù)大于 R22，有利于降低傳熱損失和流動(dòng)損失。丙烷制冷劑的另 一個(gè)優(yōu)良物性是， 它與礦物油的相溶性很好， 用它作為 R22 的替代制冷劑時(shí)， 不需考慮潤(rùn)滑 油的問(wèn)題。22 2 丙烷的環(huán)境指標(biāo)如表 3 所示。丙烷的 ODP值為 0，對(duì)臭氧層沒(méi) 有破壞；而且 GWP值極小，幾乎沒(méi)有溫室效應(yīng)的 影響。丙烷是一種真正的綠色制冷劑。22 3 丙烷制冷劑的循環(huán)性能R290 作為 R22的替代制冷劑，其循環(huán)性能如 下一節(jié)所述，參見(jiàn)圖 1圖 4。22 4 安全性能丙烷是一種可燃物質(zhì)， 作為制冷劑使用時(shí)要特別注意它的安全。 由于在制冷系統(tǒng)中丙烷的充 灌量

9、很小，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，在系統(tǒng)外，它的濃度在燃燒范圍以外，不會(huì)有燃燒爆炸的危險(xiǎn)； 但在系統(tǒng)內(nèi)部， 局部濃度可以在燃燒范圍內(nèi)， 有可能發(fā)生危險(xiǎn)。為了避免發(fā)生危險(xiǎn)，可采取 如下措施： 在丙烷中加入少許阻燃劑； 空調(diào)器的電路中全部采用無(wú)火花的開(kāi)關(guān)和觸頭。 2 3 液化石油氣 (LPG) 231 LPG的循環(huán)性能R290是一種 R22 較理想的替代制冷劑， 但是高純度的 R290的生產(chǎn)需要一個(gè)很嚴(yán)格的工藝流 程。因此，在工業(yè)上有這樣一種觀點(diǎn)，即可以用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)且大量銷售的液化石油氣(LPG)來(lái)作為 R22的替代制冷劑。 文獻(xiàn) 4 中對(duì) R22、R290、LPG進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)中所用天然氣 的組成為 9

10、8 95 的丙烷 (R290) 、1，007的乙烷 (R170)、00397的異丁烷 (R600a) 以 及極少量的其他成分。 結(jié)果表明， 采用 R290、LPG作為制冷劑的系統(tǒng)性能達(dá)到或者超過(guò)了原 有的 R22 系統(tǒng)的性能。圖 1 所示為熱泵循環(huán)中采用不同制冷劑的系 統(tǒng)的性能系數(shù)的比較圖。由圖中可以看出，在實(shí)際循環(huán)中，R290和 LPG的性能系數(shù)要好于R22，這主要是因?yàn)樗鼈冇泻芎玫臒崃π阅?，在系統(tǒng)中它們的流動(dòng)損失很小，而且換熱性能 好，傳熱損失小。圖 2 為容積制冷量比較圖。從圖中可以看出，LPG、R290的容積制冷量比 R22 小，在工作范圍內(nèi)， LPG的容積制冷量比 R290大。實(shí)驗(yàn)還

11、表明， 隨著冷凝溫度的降低， LPG的容積制冷量 與 R22 的差別減小，但與 R290 的差別增大。圖 3 為三種制冷劑的制熱能力比較圖。從圖中可以看出，在工作范圍內(nèi)，R22 制熱能力要高于 R290 和 LPG，而 LPG的制熱能力高于 R290。與容積制冷量類似，隨著冷凝溫度的降低， LPG的制熱能力與 R22之間的差別減小，但與 R290 之間的差別增大。圖 4 為使用三種不同制冷劑系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度。由圖中可以看出，R290 和 LPG的排氣溫度比 R22低很多，而 LPG的排氣溫度比 R290 更低。另外，采用 LPG作為替代制冷劑時(shí)， 它的輸人功率比 R22小，跟 R290的輸

12、人功率相當(dāng)；制冷劑充灌量比R22 小很多，與 R290的充灌量幾乎相同。232 LPG的環(huán)境指標(biāo) LPG的主要成分為碳?xì)浠衔?，而且是一種天然物質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何危害，是名副其實(shí)的 綠色制冷劑。23 3 需解決的問(wèn)題 LPG作為替代制冷劑的缺點(diǎn)是，世界各地的液化石油氣的成分并不完全相同，而且其中可能 還含有含硫的腐蝕性成分，這些因素對(duì)制冷系統(tǒng)的影響還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。可以看出，和 R29 一樣，在熱泵循環(huán)或制冷循環(huán)中，采用LPG作為 R22的替代制冷劑， 可以達(dá)到甚至超過(guò)原來(lái)以 R22 作為制冷劑的系統(tǒng)性能， 但是它們的制冷、 制熱 能力有所下降。而 LPG 作為制冷劑，其性能要好于 純 R

13、290，LPG是 R22 的一種很好的替 代制冷劑。2.4 其它綠色替代制冷劑其它的一些制冷劑，比如丙烯、丙烷 / 丙烯混合物，丙烷 / 丁烷混合物、丙烷 / 異丁烷混合物等，都是可能代替 R22 而且?guī)缀鯖](méi)有破壞的替代工質(zhì)。丙烯( R1270)丙烯的飽和壓力線和 R22很接近， 實(shí)驗(yàn)表明， 丙烯的制冷 / 制熱能力以及性能系 數(shù)都略高于 R22，和丙烷一樣，丙烯是一種很有潛力的純質(zhì)制冷劑。丙烯/ 丙烷混合物( R1270/R290)丙烯和丙烷的混合物體積成分為20%/80%，這種混合物的泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線幾乎重合，與R22的飽和壓力線十分接近， 尤其是溫度低于 40時(shí)， 三者幾乎是一條曲線， 單

14、從壓力性能來(lái)看，這種混合物是 R22 的一種十分理想的混合替代制冷劑；另外，它的容積制冷量與R22相當(dāng)；排氣溫度遠(yuǎn)小于 R22，溫度滑移很??；理論循環(huán)性能系數(shù)小于R22，但與 R290 類似，良好的熱力學(xué)性能和流動(dòng)性能可能使得在實(shí)際循環(huán)中其性能系數(shù)可能達(dá)到或超過(guò)R22。丙烷 / 丁烷( R290/R600) 、丙烷 / 異丁烷( R290/R600a) 混合物。在丙烷中加入部分丁烷、異丁烷，可以改善系統(tǒng)的循環(huán)性能，提高COP值。在 ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工況下做的實(shí)驗(yàn)表明，丙烷/丁烷，丙烷 / 異丁烷的混合制冷劑，制冷 / 制熱能力比 R22 小，但是，在合適的組分下，他們的性能系數(shù)高于 R22。結(jié)束語(yǔ)本文介紹了幾種環(huán)保