冰城制冷對環保制冷劑性能比的較分析

用于取代對臭氧層有破壞作用的制冷劑R22，國際上普遍認同的兩種環保制冷劑為：410A和R407C。本文將分析R410A和R407C的特性，比較兩者在傳熱性能、性能系數和蒸汽壓力等方面的特征差異，為確定替代制冷劑的選擇提供技術支持。
關鍵詞： 空調；環保制冷劑；傳熱
1 、R407C和R410A的傳熱性能比較
R410A具有很好的傳熱性能，R410A的蒸發傳熱系數和冷凝傳熱系數高于R407C，在很多應用場合R410A的傳熱性能還優R22。蒸發試驗研究發現，R410A在光滑水平管內的傳熱系數比R407C高百分之50 左右；與R22蒸發試驗結果相比，R410A的傳熱系數要比R22高百分之10～百分之50。使用具有微型肋片的水平管，R410A的傳熱系數比光滑管提高了百分之80～百分之150。板式換熱器的蒸發試驗也證實了R410A傳熱性能的優越，在相同條件下R410A的傳熱系數比R22的傳熱系數要高百分之0～百分之15。

冷凝試驗則顯示，在光滑管內R410A的冷凝傳熱系數比R407C冷凝傳熱系數高百分之20。在光滑管外，R410A的冷凝傳熱比R407C的冷凝傳熱高百分之35～百分之50，比R22高約百分之11～百分之17；然而R407C的傳熱系數卻比R22低百分之24～百分之37。在具有微型肋片的管外，R410A的冷凝傳熱系數比R407C高百分之35～百分之55，比R22高百分之3～百分之7，相反，R407C的傳熱系數比R22低百分之33～百分之52。R407C傳熱性能較差的事實還可以用現有設備的制冷劑替換試驗結果來說明，在一臺100kW制冷量螺桿式水制冷機組試驗中發現R407C在管殼式冷凝器中的傳熱系數比R22小百分之25～百分之51。

    R407C的傳熱系數低，其與它的非共沸性有關：一是在等壓蒸發或冷凝時存在著較大的相變溫度梯度，二是汽液兩相之間存在著明顯的濃度差。R407C在蒸發或者冷凝時，不但要克服冷凝液層的熱阻，還要克服相變溫度梯度和汽液濃度差對傳熱帶來的負面影響。相變溫度梯度是指在一定壓力下混合物由飽和蒸汽變成飽和液態的溫度差，R407C在大氣壓下的相變溫度梯度約為7K。相變溫度梯度的存在直接降低了R407C的傳熱性能。等壓冷凝時，隨著冷凝過程的推進，R407C汽液平衡要求的冷凝溫度越來越低，對于恒壁溫冷凝，用于推動蒸汽冷凝的溫壓將越來越小，傳熱效率降低。同理，相變溫度梯度對于蒸發過程也同樣有降低傳熱效率的作用。
    R407C三種組分的汽液濃度差是由組分間的相對揮發性不同造成的，高沸點組分R134a不易揮發，低沸點組分R32和R125比R134a易揮發。汽液兩相共存時，沸點高的R134a在液相中的濃度就高于它的汽相濃度，而沸點低的R125和R32在汽相中的濃度高于液相濃度。

圖1定性顯示了R407C在冷凝時三種組分的濃度變化情況。
在圖1中，設想管壁有薄層冷凝液，在冷凝液與主流蒸汽之間存在著混合蒸汽擴散層。由于R134a沸點較高，比其它兩個組分都更容易被冷凝下來，R134a蒸汽在液汽介面附近的濃度就低于主流蒸汽的濃度，因此，在擴散層蒸汽流中，發生著組分R134a從主流蒸汽指向液汽介面的擴散過程。相反，組分R32和R125的沸點較低，揮發性強，不易被冷凝，在接近介面的蒸汽流中，R32和R125的濃度就高于各自在主流蒸汽中的濃度，因而在擴散層形成了從液汽介面指向主流蒸汽的濃度梯度。擴散層構成了非共沸制冷劑冷凝時的額外熱阻。介面處蒸汽的飽和冷凝溫度隨著當地濃度的增加而進一步降低，也增加了冷凝過程的阻力。
R410A的傳熱系數較高的一個重要原因在于它的準共沸性。，R410A雖然由兩種組分(R32和R125)組成的混合物，但是這兩種組分沒有明顯的揮發性差別，在蒸發或者冷凝過程中，R410A的汽相組分濃度和液相組分濃度很相近，相變溫梯度小于0．2K。反映在R410A的熱力學工程圖上，汽液兩相區的等溫線與等壓線幾乎是平行的，所以，R410A熱力學特性和物理特性非常接近于共沸制冷劑或純制冷劑。作為準共沸混合物，R410A在蒸發和冷凝時的傳熱機理與純制冷劑相似，沒有明顯的組分擴散現象，相變溫度梯度對傳熱效率的影響極小，這就使得R410A的傳熱系數高于非共沸制冷劑R407C。R410A的傳熱系數高于R22的主要原因在于它具有更加有利的傳熱控制物理量，如具有較高的導熱系數和較低的粘性系數。
2、R410A與R407C的性能系數比較
R410A的優良傳熱性能，有利于提高空調制冷系統的性能系數。R410A還具有提高性能系數的另外兩個有利條件：較低的流動力和較高的壓縮效率。
實驗發現，R410A的流動壓降比R407C和R22都要小，而R407C的壓降接近于R2的值。例如，在光滑管內蒸發流動時，R410A的壓降比R22要小百分之30，在板式蒸發器內流動時，R410A的壓力損失比R22低百分之15～百分之35 ，在光滑管內冷凝時，R410A的壓降比R22小百分之35～百分之50。制冷劑流動所需的壓降越小，壓縮機消耗在壓降上的無用功越小，越有利于提高性能系數。

在制冷劑壓縮效率方面，R410A的壓縮效率高于R22和R407C。R410A在往壓縮機測試臺上測得的等熵壓縮效率和輸氣效率均分別比R22的高百分之5左右；在渦旋壓縮機試驗臺上測得的等熵壓縮效率和輸氣效率分別比R22的高百分之2～百分之15和百分之3～百分之10。與R410A相對比，R407C在往壓縮機測試臺上測得的壓縮效率與R22的值相近；但是在一套小型空調系統上測得的壓縮機容積效率和等熵效率分別比R22低百分之3～百分之7和百分之6～百分之14。相比之下，R410A的壓縮效率比R407C高百分之5～百分之20。

研究表明，在R22的兩種替代制冷劑中，使用R410A可以實現比R407C更高的系統性能系數。壓縮機測試臺上的數據顯示，R410A的性能系數超R407C的百分之10以上；在優化設計的空調制冷系統中R410A性能系數高的結論進一步證實，R410A的性能系數分別比R407C和R22的高百分之10和百分之5。

 
R410A的性能系數優勢還在已投入運行的R22空調制冷系統的替代試驗中證實。針對正在運行的3種不同R22系統，采用置換制冷劑和渦旋壓縮機的方法，使用相同的蒸發器和冷凝器，在相同的工況下進行實地運行試驗，結果顯示采用R410A所的性能系數高于R22和R407C的值：在9．2kW制冷量的家用空調替換試驗中，R410A產生的性能系數比R22的值高百分之5 ；對屋頂式27kW空調的對比試驗發現，R410A的性能系數比R22和R407C的分別高百分之3 和百分之11 ；對35kW水制冷機組的替換試驗發現，R410A的性能系數比I122和R407C的分別高百分之5和百分之6。

 
目前，越來越多的節能型R410A空調已經走出實驗室，進入市場銷售，部分空調產品的性能系數超過6。

3、R410A與R407C的蒸汽壓比較
在研發R22替代制冷劑的初始階段對R410A的認可要遠遠低于R407C，其中一個原因就是R410A蒸汽壓力偏高，在工程應用上會受到一些，需要開發適合高壓系統的應用技術。而R407C的蒸汽壓比較適宜，可以適應R22的所有應用領域。

圖2比較了兩種環保制冷劑R410A和R407C的蒸汽壓與R22的蒸汽壓。
 
在選擇的溫度區間內，根據蒸汽壓力的特點，使用R410A時應注意如下方面：
(1)R410A的蒸汽壓比R22的蒸汽壓大百分之60～百分之70，R410A的制冷系統有更好的密封性能，使用合適接口的技術，以防泄漏；所有制冷元件，包括壓縮機、蒸發器冷凝器、管道等，滿足R410A的特別工作壓力要求。針對高壓蒸汽采取必要的保護措施。

(2)如果R410A制冷系統的設計壓力為2500kPa，那就把冷凝溫度控制在40℃左右，水冷的應用場合能夠滿足壓力上限的要求。如果采用空冷設計R410A系統的冷凝壓力就會超過現行空調系統的壓力上限，例如，考慮夏季空氣設計溫度為40℃ ，R410A的冷凝溫度就會達到55~C左右，相對應的冷凝壓力就會達到和超過3400 kPa，現行的R22制冷系統承受不了如此大的壓力，進行專門設計。
(3)R410A的I臨界溫度較低，只有72．5℃，在空冷情況下，如果環境空氣溫度達到55℃ 以上，R410A就可能發生I臨界溫度區的冷凝，制冷負荷會降低到35~C環境溫度時的百分之65左右，性能系數也會大幅度下降。     
從圖2可以看出，R407C的壓力曲線與R22的非常接近，特別是在10℃ 以下，R407C的飽和壓力曲線與R22的幾乎重合；只是30℃ 以上時，R407C的飽和壓力略高于R22的值。所以，R407C具有與R22非常接近的蒸發壓力，冷凝壓力可能比I122的高100～270 kPa，但排氣溫度比R22低0～ 10℃
 
4、R410A和R407C的不同特點與應用前景
 
R410A的特點還可以從熱力學工程圖來進行分析，在蒸發溫度一40～10℃ 的范圍內，R410A的蒸氣密度比R22高百分之43，氣化潛熱比R百分之2211，R410A的體積制比R22高百分之60左右。

 
考慮到壓縮機效率方面的損失，同一封閉式壓縮機采用R410A的制冷量將比R22約高百分之50。如果采用優化設計的R410A系統來替代R22系統，考慮到壓縮機排氣量的減小，以及工質循環流量減小導致的換熱器減小、管道減小、控制元件尺寸減小等方面因素，對于小功率空調說，R410A設備的造價有可能比R22設備更便宜。但是對于大功率空調來說，高壓蒸汽運行所帶來的設備投資和設備重量的增加就可能變成值得考慮的問題了。因為，隨著制冷系統負荷的增加，R410A運行所需的設備投資和重量將會急劇地增長。

 
    在環保制冷劑R410A和R407C的技術開發和使用上，應根據其不同應用和不同負荷采用不同的環保制冷劑技術：
     (1)對于冷凝溫度較低的場合，例如水冷，采用R410A技術可以縮小設備體積，提高性能系數；
     (2)對于負荷較小的空冷型空調系統，例如額定負荷為4kW 以下時，采用R410A技術，既可獲得較高的性能系數，又能控制設備投資；
     (3)對于負荷較大的空冷型空調，有兩個發展趨勢，從開發的難易程度和節省投資等角度出發，R407C優于R410A，因為R407C系統的技術要求與R22系統非常相近；從提高性能系數和縮小設備尺寸的角度出發，開發R410A技術變得更有吸引力。隨著人們的環境意識不斷加強和國際社會對節能砝碼的不斷增加，R410A在大型空調系統中的份額會越來越大；
     (4)對于現行R22設備的改造項目，使用R407C比采用R410A更加可靠，不僅成本較低，且簡單、易行。
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