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文獻翻譯
題 目 在家用空調和熱泵中用
R432A替代R22的性能試驗
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6
在家用空調和熱泵中用R432A替代R22的性能試驗
在家用空調和熱泵中用R432A替代R22的性能試驗
Ki-Jung Park, Yun-Bo Shim, Dongsoo Jung
Department of Mechanical Engineering, Inha University, Incheon 402-751, Republic of Korea
摘要
在本文中，分別對家用空調和熱泵兩種不同的工況條件進行了研究，用一個板式熱泵測試儀測量了R432A和HCFC22各自的熱力學性能。R432A不會對臭氧層造成破壞，并且它的溫室效應潛在值非常低，小于5。同時為了能完全替代HCFC22， R432A有著和HCFC22幾乎一樣的蒸氣壓力值。試驗結果表明，在家用空調和熱泵兩種不同的條件下，R432A的制冷效率分別比HCFC22高出8.5%和8.7%，功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%，壓縮機排氣溫度分別比HCFC22低14.1℃和17.3℃，并且由于R432A的密度比較低，它的制冷劑質量甚至比HCFC22低50%?？偟膩碚f，由于R432A具有良好的熱力學性能，又不會對環(huán)境造成破壞，這使它可以在家用空調和熱泵中能長期的并且很好的替代HCFC22制冷劑，同時也能更好的改善環(huán)境。
關鍵詞：自然型制冷劑 丙烯 二甲醚 R432A 空調 熱泵
ABSTRACT
In this study, thermodynamic performance of R432A and HCFC22 is measured in a heat pump bench tester under both air-conditioning and heat pumping conditions. R432A has no ozone depletion potentialand very low greenhouse warming potential of less than 5. R432A also offers a similar vapor pressure to HCFC22 for‘drop-in’ replacement. Test results showed that the coefficient of performance and capacity of R432A are 8.5–8.7% and 1.9–6.4% higher than those of HCFC22 for both conditions. The compressor discharge temperature of R432A is 14.1–17.3 C lower than that of HCFC22 while the amount of charge for R432A is 50% lower than that of HCFC22 due to its low density. Overall, R432A is a good long term ‘dropin’environmentally friendly alternative to replace HCFC22 in residential air-conditioners and heat pumps due to its excellent thermodynamic and environmental properties.
Keywords: Natural refrigerants Propylene Dimethylether R432A Air conditioners Heat pumps
1 序言
在過去的幾十年中，HCFC22制冷劑一直主要用于家用空調和熱泵系統(tǒng)中。但是由于HCFC22在分解過程中能產生并釋放出破壞臭氧層的氯代烴氣體，因此，根據《蒙特利爾議定書》的規(guī)定，HCFC22制冷劑要被逐漸淘汰。條例中規(guī)定，在發(fā)達國家中，從1996年起，要對使用HCFC制冷劑的產品進行管制和調節(jié)。目前在歐洲，新型的設備和儀器中已經不在使用HCFC22制冷劑，同時美國也將從2010年后停止使用HCFC22制冷劑。
在過去幾年間，人們?yōu)榱俗袷亍睹商乩麪栕h定書》的規(guī)定，已經提出并測試了許多各種各樣的制冷劑。同時，一些國家開始嘗試使用氯代烴的混合型制冷劑，比如R410A和R407C，來取代HCFC22制冷劑。與此同時，許多公司也花費很多努力來尋找它們自己的HCFC22制冷劑的替代品。在這些研究中，尤其是混合型制冷劑已經得到了一些行業(yè)的特別關注，這些行業(yè)期望在它們產品系統(tǒng)不需要重大改變的情況下，混合型制冷劑能提高它們的能源效率?；旌闲椭评鋭┦怯袔追N對環(huán)境無污染的純工質按一定的比例混合而成的。
盡管R410A制冷劑的工作壓力比R407C高1.6倍，但它不會像R407C的溫度下降造成的，和其他共沸性質非常相似，因此更容易控制。此外，由于R410A的比容（立方米/公斤）相對較?。▎挝惑w積高密度），容量大，其中有一個狹窄的管道直徑和壓力艙尺寸的優(yōu)勢。因此，與R407C，R410A更換更徹底，而且所取得的進展能效比更多的幫助，這些也都是由R410A的提示的重要原因。
現(xiàn)如今，全球氣候變暖已經成為了一個全球性的重要問題。為了應對由溫室性氣體——氯代烴的排放所引起的氣候變暖問題，人們?yōu)榇撕炗喠恕毒┒甲h定書》來應對和解決這個問題。從全球逐漸變暖的這一趨勢來看， 根據歐盟F-Gases條例和MAC條令的規(guī)定，從2011年起新型的汽車空調車輛中將禁止使用HFC134a作為制冷劑。歐盟的這一條例和條令主要針對的是全球變暖潛能值（GWP）超出150的制冷劑的使用。參考文獻中提供的HFC134a的全球變暖潛能值是1300。同時，歐盟的許多國家也在認真考慮禁止在家用空調和熱泵中使用氯代烴制冷劑的這一條例。盡管R410A和R407C還在一些國家的制冷系統(tǒng)中有所使用，但從長遠來看，她們以后能否被使用還是個未知數(shù)，因為R410A和R407C的全球變暖潛能值分別是1700和2000，這一數(shù)值甚至比R134a還高出許多。
為了避免氯代烴的高GWP值所引起的溫室效應問題，其中一個可能的解決辦法是使用自然型制冷劑，如碳氫化合物。在過去的幾十年中，出于安全方面的考慮，在正常的家用空調和熱泵中禁止使用烴類制冷劑，由于它們的易燃性。然而，現(xiàn)如今由于環(huán)境和能源問題的日益嚴重，這一禁令有所緩和。因此，在某些領域中，一些易燃制冷劑的應用可以得到批準。比如，在歐洲熱泵可以使用丙烷（R290）和丙烯（R1270）作為制冷劑。眾所周知，碳氫化合物的全球變暖潛能值非常小，小于5，成本又低，實用性很強，還可以和傳統(tǒng)潤滑油相互容，并且它對環(huán)境幾乎不會造成任何破壞。除此之外，二甲醚（RE170）也是一種對環(huán)境無污染，并且還有良好的熱力學性能的制冷劑。
R134a制冷劑是一種新型無公害制冷劑，屬于氫氟化碳化合物（四氟乙烷）。它具有與R12相似的熱物理性質，標準沸點為-26.1℃。但臭氧消耗潛能為零，溫室效應潛能在0.24~0.29之間。常溫常壓下R134a無色，有輕微醚類氣體味，不易燃，沒有可測量的閃點，對皮膚眼睛無刺激，不會引起皮膚過敏，但暴露是會產生輕微毒氣，工作場所應通風良好，R134a是不溶于礦物油的制冷劑，他采用脂類油、合成油（往復式壓縮機用）或烷基苯油（旋轉式壓縮機用）來滿足壓縮機的潤滑要求。相對于R12制冷劑，R134a制冷劑無毒、不可燃，R134a制冷劑化學性質穩(wěn)定、熱力性非常接近R12，但材料兼容性差，與礦物油不相容、易吸水。
最近上市的R432A也是一種能在家用空調和熱泵中替代R22的制冷劑。R432A是有80%的丙烯（R1270）和20%的二甲醚（RE170）混合而成的一種近共沸混合物。它不會對臭氧層造成任何破壞，同時它的GWP值很低，小于5。并且在發(fā)生相變時，它的滑移溫度僅變化1℃，它正常情況下沸點是-46.6℃。盡管R432A是一種混合物，但它的傳熱退化預計不會很快，因為它的滑移溫差非常小。在本文的研究中，正是要測量R432A的熱力學性能是否有可能完全替代HCFC22制冷劑在家用空調和熱泵熱水器中的應用。
2 實驗
2.1 實驗裝置
在本文的實驗中，我用了一個像在Ref參考文獻中所描述的類似裝置，來測量替代品——R432A的熱力學性能。儀器裝置如下圖1所示。該儀器使用水冷冷凝器，并帶有一個標準容量是3.5千瓦的水加熱式蒸發(fā)器。儀器中使用的是蝸旋式壓縮機，它的作用就是壓縮制冷劑，讓其達到適合的壓力。此壓縮機原本主要是為HCFC22制冷劑設計的。除此之外，儀器中還有一個手動式的膨脹閥，它的主要作用是控制流量和流速。在Ref參考文獻中包含了該實驗所有的細節(jié)，有實驗儀器，實驗步驟，數(shù)據記錄和數(shù)據整理等等，有興趣的讀者可以參閱一下。在本文的實驗中，我將著重描述實驗步驟和實驗條件。
2.2 實驗步驟
實驗步驟如下所述：
（1） 在系統(tǒng)開始運行前，提前2-3個小時排凈空氣。
（2）先大概設定一下冷凍機組和蒸發(fā)機組的溫度，同時還要在冷凝器和蒸發(fā)器中充注一定量的換熱流體（HTF），并且要明白一點，針對不同的制冷劑，對系統(tǒng)有著不同的要求。對于R22制冷劑來說，要求制冷劑在壓縮機的入口處保持蒸氣狀態(tài)。對R432A制冷劑來說，要求系統(tǒng)應有較低的蒸氣壓力。對于RE170制冷劑來說，要求在壓縮機的進氣口處，應有較高的蒸氣壓力，對于R1270制冷劑的要求也是如此。并且在充注制冷劑時，要求達到0.1克的精確度。
（3）對膨脹閥進行控制調節(jié)，并同時對制冷劑的流速和流量進行調整，以此來保持制冷劑恒定的過熱和過冷，通常在蒸發(fā)器和冷凝器的出入口處，過熱或過冷5℃左右即可。
（4）當系統(tǒng)達到并超過穩(wěn)定狀態(tài)1小時后，每隔30秒記錄一次數(shù)據，連續(xù)記錄30多分鐘。
2.3 實驗條件
為了能夠正確的比較兩種制冷劑的熱力學性能，應保證試驗條件的公平合理性。為達到此目的，要求在實驗中兩種制冷劑的HTF溫度均保持固定的數(shù)值。對于在空調工況下的模擬實驗來說，蒸發(fā)器進，出口處的HTF溫度（蒸發(fā)器中的水/乙二醇混合物和冷凝器中的冷卻水）分別設置為大約26.0℃和11.0℃，而在冷凝器進，出處的HTF溫度分別設定為大約30.0℃和42.0℃。盡管一樣的外部條件，但實驗結果顯示：HCFC22和R432A在蒸發(fā)器和冷凝器中的飽和溫度值不一樣（分別大約是7℃和45℃），這是由于這兩種制冷劑流體有著不同的傳熱性能。
對于在熱泵工況下的模擬實驗而言，蒸發(fā)器進，出口處的HTF溫度分別被設定為大約10.0℃和1.0℃，而在冷凝器進，出處的HTF溫度分別被設定為大約30.0℃和39.0℃ 。同時實驗結果表明，在熱泵工況的在這一條件下，HCFC22和 R432A在蒸發(fā)器和冷凝器中的飽和溫度分別大概是-7℃和41℃。事實上，在蒸發(fā)器和冷凝器出口處的HTF溫度，總是會存在一點點的差異，這是由于這兩種制冷劑有著不同的熱力學性能，并且在實驗中，實驗儀器之間也存在有一些誤差或達不到精度要求。因此在本實驗中要求：壓力校準傳感器的精度達到0.1%，科里奧利式質量流量計的精度達到0.2%，數(shù)字電用能表的精度達到0.1%，實驗結果中溫度測量的不確定度小于0.1℃。
國際上己逐步完成了對CFCs的替代，我國也成功地履行了CFCs逐步禁用的國際義務。對制冷空調界來說，在保護臭氧層問題上，當前面臨的主要任務是如何落實R22等HCFCs替代的步驟，這又是一個相對長遠的事。眾所周知，R22是綜合性能很優(yōu)秀的制冷劑，人們在R22制冷劑的設計、制造、行、維修等方面成功地積累了數(shù)十年的經驗，它對臭氧層的破壞也很?。∣DP值僅0.05），有一定的GWP值（1700）。
在實驗的測試過程中，蒸發(fā)器出口處的過熱和在冷凝器出口處的過冷均要保持在5℃，同時還要對制冷劑的流速和流量進行調節(jié)，以便在相同的外部條件下，讓這兩種制冷劑都能保持同樣的過冷和過熱。最后對于在實驗系統(tǒng)中使用的潤滑油來說，R432A和HCFC22制冷劑都可以使用傳統(tǒng)的礦物油。
3 結果和討論
在表1和表2中（如下圖所示），列出了兩種制冷劑在實驗中所測量的各種性能參數(shù)，有制冷效率（COP），功率，壓縮功，壓力比，排氣溫度和制冷劑質量。以上數(shù)據分為兩種情況，分別是R432A和HCFC22在家用空調和熱泵兩種不同的工況條件下。同時還要求，對于每一種制冷劑，應至少進行3次實驗，并且實驗結果的誤差應在1%之內，才可記錄。
表1 在空調工況條件下，R432A和R22的實驗結果
制冷劑
COP
COP對比
Qe(w)
Qe對比
W(w)
W對比
PR
Tdis
充注量(g)
R22
3.41
3734
1096
2.99
84.7
1300
R432A
3.70
8.5%
3806
1.9%
1028
-6.2%
2.70
70.6
650
表2 在熱泵工況條件下，R432A和R22的實驗結果
制冷劑
COP
COP對比
Qe(w)
Qe對比
W(w)
W對比
PR
Tdis
充注量(g)
R22
3.68
3472
943
4.27
94.1
1350
R432A
4.00
8.7%
3693
6.4%
923
-2.1%
3.86
76.8
650
3.1 制冷效率
在冰箱和空調的中，對于任意個設備，在制冷劑給定已知的情況下，制冷效率（COP）是衡量其能源利用率的一個重要參數(shù)。制冷效率實際就是熱泵系統(tǒng)所能實現(xiàn)的制冷量（制熱量）和輸入功率的比值，在相同的工況下，其比值越大說明這個熱泵系統(tǒng)的效率越高越節(jié)能；因此在作制冷系統(tǒng)COP值比較之前，首先要確定各個熱泵系統(tǒng)是否在相同的工況之下，然后再進行計算比較。 因此，在實驗中，準確的測量并記錄COP值是非常重要的。首先，我們可以肯定的說：R432A和HCFC22的制冷效率是不一樣的，這一點，我們從表中就可以看出。表1和表2的數(shù)據顯示：在相同的外部條件下，在空調和熱泵工況中，R432A的制冷效率分別比HCFC22多出8.5%和8.7%，R432A的制冷效率之所以能夠提高的一個主要原因就是，它在壓縮機中的壓縮比（PR）比HCFC22小很多。正如表1和表2中所示的一樣，R432A的壓力比（PR）比HCFC22低9.7%，同時壓力比的降低反過來又導致了壓縮功的減小，這一點我們也可以從表1和表2的數(shù)據中看出。總之，實驗結果表明，從能源效率這一方面來說，R432A確實是HCFC22制冷劑的一種很好的替代品。
3.2 功率
在制冷系統(tǒng)中，功率是和制冷效率（COP）一樣重要的性能參數(shù)。表1 和2列出的是兩種各種制冷劑在蒸發(fā)器中的制冷量，對于家用空調和冷凝加熱器來說，它的功率是指Qe,,對于熱泵來說，它的功率是指Qc。當具體到某種給定的壓縮機機型時，和HCFC22相比，R432A的功率都有所改變（Qe和Qc均不相同）。從表1和表2我們可以看出，在家用空調和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%。尤其是在熱泵的工況條件下，R432A和HCFC22的功率值相差很大，不過考慮到熱泵在設計過程中一直存在的一個問題：熱功率隨著外部溫度的降低而減小，R432A的功率比HCFC22大，這一結果應該是一個很好的現(xiàn)象！除此之外，實驗結果還表明，R432A制冷劑確實是一種很好的，安全的替代品，并且它還不用對壓縮機進行重大變化。事實上，調換或重新設計壓縮機是一件成本非常昂貴的事情，因此，單從節(jié)約生產成本這一角度來看，R432A替代HCFC22制冷劑確實是很有利的。
3.3 壓縮機排氣溫度
在制冷劑的替換時，制冷系統(tǒng)的使用壽命，穩(wěn)定性以及制冷劑和潤滑油之間的穩(wěn)定性等等這些因素到要考慮到。不過，這些特性都可以通過間接測量壓縮機的排氣溫度來衡量。從表1和表2中的數(shù)據，我們可以知道，在家用空調和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的排氣溫度（Tdis） 分別比HCFC22低14.1℃和17.3℃。從壓縮機排氣溫度這一點，我們可以得出如下結論：從制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性上看，R432A制冷劑是一種合適的替代品。
3.4 制冷劑的質量
由于大多數(shù)碳氫化合物密度較比氯代烴小，因此碳氫化合物的制冷劑質量明顯降低了許多。正如表1和表2的數(shù)據所示，在家用空調和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的制冷劑質量分別比HCFC22低50.0%和51.9%。因此，從長遠來看，這將有利于降低由制冷劑的直接排放所造成的溫室效應問題。
4 結論
在本文中，對R432A和HCFC22制冷劑在家用空調和熱泵兩種不同工況條件下的性能進行了研究，在實驗中，用了一個類似于“切片面包”式的實驗裝置，對這兩種制冷劑的熱力學性能進行了測試，并對不同的性能特點進行了記錄和分析，我們可以得出如下結論：
（1）在家用空調和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的制冷效率分別比HCFC22
多出8.5%和8.7%。
（2）在家用空調和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%。
（3）在家用空調和熱泵兩種不同工況條件下，R432A的排氣溫度（Tdis） 分別比HCFC22低14.1℃和17.3℃。
（4）由于R432a的密度低，因此，它的制冷劑質量比HCFC22降低約50%。
（5） 在家用空調和熱泵中，R432A確實是一種能很好的，并且能長期替代HCFC22的制冷劑。
參考文獻
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