风冷冷热水机组R290替代R22的试验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海理工大学 作者:肖庭庭

  分析了R290替代R22存在的优势,采用某企业生产的R22家用空调外机与套管换热器作为原型机,分别灌注R22和R290,灌注R290的同时更换大排量压缩机,调整节流装置最佳,优化灌注量,试验参照GB/T18430.2—2008名义工况进行。结果表明:R290系统灌注量仅为R22的44.7%,制冷及制热名义工况下R290能力及能效比均不低于R22,但R290系统排气温度及压缩比明显低于R22。R290可以替代R22用于风冷冷热水机组,相应的压缩机排量应增加19%左右。

1、前言

  在R22的替代制冷剂中,R410A和R407C应用最为广泛,其臭氧消耗潜能值(ODP)为零,但比R22具有同等或更高的全球变暖潜能值(GWP),如不加以限制使用,无疑会使温室效应进一步恶化,根据《京都议定书》要求,R410A和R407C最终也要被淘汰。R22的另一替代制冷剂R32的ODP为零,GWP较低,相同制冷量下其充注量仅为R22的60%左右,可以称作一种兼顾节能、环保的优秀制冷剂,但其排气压力和排气温度较高,还具有弱可燃性,这为R32替代R22工作增加了很大困难。

  R290又称丙烷,是一种天然物质,价格低廉,与普通润滑油和机械结构材料具有兼容性,ODP为零,GWP很小,基本热物性与R22十分接近,被广泛认为是R22理想的替代制冷剂。近年来,真空技术网(www.chvacuum.com)调研后发现国内外学者对R290替代R22的工作做了大量研究,均展示了R290的优越性。但R290具有可燃性,使用范围及充注量均受到限制,若将R290应用于冷热水机组,把套管换热器集成在外机顶部,既可减少制冷剂连接管路又可将外机置于室外,再将产生的冷水或者热水引入室内加以利用,这样即可提高安全性。本文将R290和R22应用于风冷冷热水机组,研究对R290替代R22的工作具有重要意义。

2、R290的优势

  R290的主要物理性质如标准沸点、凝固点、临界压力及临界温度等参数都与R22十分接近,具备替代R22的基本条件。在制冷系统中,R290的优势集中体现在以下几个方面:

  (1)R290分子量比R22小很多,粘度亦比R22小,使空调制冷回路阻力损失减少,可降能耗;

  (2)R290的气化潜热是R22的1.84倍,这说明在相同制冷量下,采用R290制冷剂可减少工质的循环量;

  (3)R290绝热系数低于R22,在相同压缩比时,可减少耗功量,并可使排气温度降低,可提高输气系数,减少压缩过程气体与气缸间的热交换,减少不可逆损耗,排气温度降低,并能够改善冷凝器的工作状况,减少传热不可逆损失,降低能耗;

  (4)R290导热系数高于R22,可改善压缩机的散热条件,同时提高冷凝器和蒸发器的传热系数,可以使空调制冷系统能耗降低;

  (5)R290是饱和碳氢化合物,化学性质较稳定,难溶于水。而R22化学性质不够稳定,对有机物的膨润作用较强,密封材料需采用氯乙醇橡胶,封闭式压缩机的电动机绕组线圈需采用QF改性缩醛漆色线(E级)或QZY聚脂亚胺漆色线。

  (6)R290广泛存在于石油和天然气中,提炼方便,一般作为副产品出现,因而成本低,价格便宜。R290的价格仅为R22的10%,为R134a的4.7%。R290为非极性化合物,可以与目前广泛使用的矿物油互溶,不需要研制新的润滑油,而且对干燥剂、密封材料也无更高的要求。丙烷还与金属材料、软管材料相容,也就是说,R290可以与R22常用的矿物润滑油溶解,替代R22时无需像R407C或R410A那样必须更换润滑油。

3、试验设计

  3.1、R22和R290压缩机排量设计

  在相同条件下,R290制冷剂单位容积制冷量小于R22,为保证R290系统的制冷量不小于R22系统,在转速相同条件下需增加压缩机排量,根据高晶丹等人的研究,R22系统转化为R290系统时,压缩机排量应增大19%左右。对于润滑油的选用,R22系统转化为R290时,不需要更换润滑油,润滑油仍为矿物油。

  本文在综合考虑R290制冷剂优势、单位容积制冷量及现有排量压缩机后,选择R22压缩机排量为30.63cm3,R290压缩机排量为36cm3,排量增加了约17.53%,转速均为2865r/min。

  3.2、系统原理

  风冷冷热水机组系统原理如图1所示,制冷时,翅片管换热器用作冷凝器,套管换热器用作蒸发器产生冷水,循环方向如实线箭头所示;制热时,翅片管换热器用作蒸发器,套管换热器用作冷凝器产生热水,循环方向如虚线箭头所示。

冷热水机组系统原理示意

图1 冷热水机组系统原理示意

  3.3、试验方案

  本试验参照GB/T18430.2—2008《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组第2部分:户用及类似用途的冷水(热泵)机组》制冷及制热名义工况进行,如表1所示[13,14]。

表1 冷热水机组的试验工况(℃)

冷热水机组的试验工况

  试验样机先灌注R22制冷剂,分别进行名义制冷和名义制热试验,然后更换较大排量压缩机,抽真空后重新灌注R290,再进行名义制冷和名义制热试验,分别调整制冷剂灌注量、膨胀阀开度和冷水或热水流量,以确定对应的制冷剂最佳灌注量及冷水或热水流量。

4、试验结果及分析

  4.1、性能比较

  制冷及制热名义工况下试验结果及性能参数分别如表2,3所示,R290系统灌注量仅为R22的44.7%,采用R290系统可从源头上减少R22的使用,利于环保。制冷名义工况下R290系统能力稍高于R22,能效比相当;制热名义工况下R290系统能力及性能系数均不低于R22。虽然对R290系统压缩机排量的选择未增加到理论值19%,仅增加了17.53%,而能力及能效比却等同甚至高于R22,这是由于计算压缩机理论排量时忽略了R290制冷剂比R22具有的低粘度及高导热系数等优势。因此,在选择R290压缩机替代R22时,实际排量的增量可适当低于理论值。

表2 制冷及制热名义工况下的试验结果

制冷及制热名义工况下的试验结果

表3 制冷及制热名义工况下的性能参数对比

制冷及制热名义工况下的性能参数对比

  4.2、性能参数比较

  制冷及制热名义工况下的性能参数对比如表3所示,在2种工况下R290系统排气温度都比R22的低,高低压比也相对较低,从而提高输气系数,减少压缩过程中气体与气缸间热交换及不可逆损失,提高压缩机效率,延长压缩机寿命。

5、结论

  (1)R290系统灌注量仅为R22的44.7%,采用R290制冷剂可大幅减小灌注量,从源头上减少R22的使用,利于环保;

  (2)出于安全考虑,冷热水机组避免了直接将R290引入室内机蒸发制冷和冷凝制热带来的安全隐患,虽然增加了系统复杂性及成本,但对系统安全性能的提高具有重要意义;

  (3)由于R290单位容积制冷量低于R22,采用R290替代R22时,为达相同水平的能力输出,需将压缩机排量增加19%左右。但考虑到R290的优势,压缩机排量实际增量可适当低于理论值;

  (4)R290系统将套管换热器集成在外机顶部,减少了制冷剂连接管路,降低系统灌注量,此外,可进一步优化两器,采用小管径翅片管换热器以及采用微通道扁管板式换热器代替套管换热器,以减少系统灌注量。

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