分析了R290替代R22存在的優(yōu)勢，采用某企業(yè)生產(chǎn)的R22家用空調(diào)外機(jī)與套管換熱器作為原型機(jī)，分別灌注R22和R290，灌注R290的同時更換大排量壓縮機(jī)，調(diào)整節(jié)流裝置最佳，優(yōu)化灌注量，試驗參照GB/T18430.2—2008名義工況進(jìn)行。結(jié)果表明:R290系統(tǒng)灌注量僅為R22的44.7%，制冷及制熱名義工況下R290能力及能效比均不低于R22，但R290系統(tǒng)排氣溫度及壓縮比明顯低于R22。R290可以替代R22用于風(fēng)冷冷熱水機(jī)組，相應(yīng)的壓縮機(jī)排量應(yīng)增加19%左右。

1、前言

　　在R22的替代制冷劑中，R410A和R407C應(yīng)用最為廣泛，其臭氧消耗潛能值(ODP)為零，但比R22具有同等或更高的全球變暖潛能值(GWP)，如不加以限制使用，無疑會使溫室效應(yīng)進(jìn)一步惡化，根據(jù)《京都議定書》要求，R410A和R407C最終也要被淘汰。R22的另一替代制冷劑R32的ODP為零，GWP較低，相同制冷量下其充注量僅為R22的60%左右，可以稱作一種兼顧節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)秀制冷劑，但其排氣壓力和排氣溫度較高，還具有弱可燃性，這為R32替代R22工作增加了很大困難。

　　R290又稱丙烷，是一種天然物質(zhì)，價格低廉，與普通潤滑油和機(jī)械結(jié)構(gòu)材料具有兼容性，ODP為零，GWP很小，基本熱物性與R22十分接近，被廣泛認(rèn)為是R22理想的替代制冷劑。近年來，真空技術(shù)網(wǎng)(www.lalazzu.cn)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外學(xué)者對R290替代R22的工作做了大量研究，均展示了R290的優(yōu)越性。但R290具有可燃性，使用范圍及充注量均受到限制，若將R290應(yīng)用于冷熱水機(jī)組，把套管換熱器集成在外機(jī)頂部，既可減少制冷劑連接管路又可將外機(jī)置于室外，再將產(chǎn)生的冷水或者熱水引入室內(nèi)加以利用，這樣即可提高安全性。本文將R290和R22應(yīng)用于風(fēng)冷冷熱水機(jī)組，研究對R290替代R22的工作具有重要意義。

2、R290的優(yōu)勢

　　R290的主要物理性質(zhì)如標(biāo)準(zhǔn)沸點、凝固點、臨界壓力及臨界溫度等參數(shù)都與R22十分接近，具備替代R22的基本條件。在制冷系統(tǒng)中，R290的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下幾個方面:

　　(1)R290分子量比R22小很多，粘度亦比R22小，使空調(diào)制冷回路阻力損失減少，可降能耗;

　　(2)R290的氣化潛熱是R22的1.84倍，這說明在相同制冷量下，采用R290制冷劑可減少工質(zhì)的循環(huán)量;

　　(3)R290絕熱系數(shù)低于R22，在相同壓縮比時，可減少耗功量，并可使排氣溫度降低，可提高輸氣系數(shù)，減少壓縮過程氣體與氣缸間的熱交換，減少不可逆損耗，排氣溫度降低，并能夠改善冷凝器的工作狀況，減少傳熱不可逆損失，降低能耗;

　　(4)R290導(dǎo)熱系數(shù)高于R22，可改善壓縮機(jī)的散熱條件，同時提高冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，可以使空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗降低;

　　(5)R290是飽和碳?xì)浠�合物，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，難溶于水。而R22化學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定，對有機(jī)物的膨潤作用較強，密封材料需采用氯乙醇橡膠，封閉式壓縮機(jī)的電動機(jī)繞組線圈需采用QF改性縮醛漆色線(E級)或QZY聚脂亞胺漆色線。

　　(6)R290廣泛存在于石油和天然氣中，提煉方便，一般作為副產(chǎn)品出現(xiàn)，因而成本低，價格便宜。R290的價格僅為R22的10%，為R134a的4.7%。R290為非極性化合物，可以與目前廣泛使用的礦物油互溶，不需要研制新的潤滑油，而且對干燥劑、密封材料也無更高的要求。丙烷還與金屬材料、軟管材料相容，也就是說，R290可以與R22常用的礦物潤滑油溶解，替代R22時無需像R407C或R410A那樣必須更換潤滑油。

3、試驗設(shè)計

　　3.1、R22和R290壓縮機(jī)排量設(shè)計

　　在相同條件下，R290制冷劑單位容積制冷量小于R22，為保證R290系統(tǒng)的制冷量不小于R22系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速相同條件下需增加壓縮機(jī)排量，根據(jù)高晶丹等人的研究，R22系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為R290系統(tǒng)時，壓縮機(jī)排量應(yīng)增大19%左右。對于潤滑油的選用，R22系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為R290時，不需要更換潤滑油，潤滑油仍為礦物油。

　　本文在綜合考慮R290制冷劑優(yōu)勢、單位容積制冷量及現(xiàn)有排量壓縮機(jī)后，選擇R22壓縮機(jī)排量為30.63cm3，R290壓縮機(jī)排量為36cm3，排量增加了約17.53%，轉(zhuǎn)速均為2865r/min。

　　3.2、系統(tǒng)原理

　　風(fēng)冷冷熱水機(jī)組系統(tǒng)原理如圖1所示，制冷時，翅片管換熱器用作冷凝器，套管換熱器用作蒸發(fā)器產(chǎn)生冷水，循環(huán)方向如實線箭頭所示;制熱時，翅片管換熱器用作蒸發(fā)器，套管換熱器用作冷凝器產(chǎn)生熱水，循環(huán)方向如虛線箭頭所示。

圖1 冷熱水機(jī)組系統(tǒng)原理示意

　　3.3、試驗方案

　　本試驗參照GB/T18430.2—2008《蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組第2部分:戶用及類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組》制冷及制熱名義工況進(jìn)行，如表1所示[13，14]。

表1 冷熱水機(jī)組的試驗工況(℃)

　　試驗樣機(jī)先灌注R22制冷劑，分別進(jìn)行名義制冷和名義制熱試驗，然后更換較大排量壓縮機(jī)，抽真空后重新灌注R290，再進(jìn)行名義制冷和名義制熱試驗，分別調(diào)整制冷劑灌注量、膨脹閥開度和冷水或熱水流量，以確定對應(yīng)的制冷劑最佳灌注量及冷水或熱水流量。

4、試驗結(jié)果及分析

　　4.1、性能比較

　　制冷及制熱名義工況下試驗結(jié)果及性能參數(shù)分別如表2，3所示，R290系統(tǒng)灌注量僅為R22的44.7%，采用R290系統(tǒng)可從源頭上減少R22的使用，利于環(huán)保。制冷名義工況下R290系統(tǒng)能力稍高于R22，能效比相當(dāng);制熱名義工況下R290系統(tǒng)能力及性能系數(shù)均不低于R22。雖然對R290系統(tǒng)壓縮機(jī)排量的選擇未增加到理論值19%，僅增加了17.53%，而能力及能效比卻等同甚至高于R22，這是由于計算壓縮機(jī)理論排量時忽略了R290制冷劑比R22具有的低粘度及高導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)勢。因此，在選擇R290壓縮機(jī)替代R22時，實際排量的增量可適當(dāng)?shù)陀诶碚撝怠?/p>

表2 制冷及制熱名義工況下的試驗結(jié)果

表3 制冷及制熱名義工況下的性能參數(shù)對比

　　4.2、性能參數(shù)比較

　　制冷及制熱名義工況下的性能參數(shù)對比如表3所示，在2種工況下R290系統(tǒng)排氣溫度都比R22的低，高低壓比也相對較低，從而提高輸氣系數(shù)，減少壓縮過程中氣體與氣缸間熱交換及不可逆損失，提高壓縮機(jī)效率，延長壓縮機(jī)壽命。

5、結(jié)論

　　(1)R290系統(tǒng)灌注量僅為R22的44.7%，采用R290制冷劑可大幅減小灌注量，從源頭上減少R22的使用，利于環(huán)保;

　　(2)出于安全考慮，冷熱水機(jī)組避免了直接將R290引入室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)制冷和冷凝制熱帶來的安全隱患，雖然增加了系統(tǒng)復(fù)雜性及成本，但對系統(tǒng)安全性能的提高具有重要意義;

　　(3)由于R290單位容積制冷量低于R22，采用R290替代R22時，為達(dá)相同水平的能力輸出，需將壓縮機(jī)排量增加19%左右。但考慮到R290的優(yōu)勢，壓縮機(jī)排量實際增量可適當(dāng)?shù)陀诶碚撝?

　　(4)R290系統(tǒng)將套管換熱器集成在外機(jī)頂部，減少了制冷劑連接管路，降低系統(tǒng)灌注量，此外，可進(jìn)一步優(yōu)化兩器，采用小管徑翅片管換熱器以及采用微通道扁管板式換熱器代替套管換熱器，以減少系統(tǒng)灌注量。