使用環保制冷劑R290替代R22的性能研究

周長智，歐陽大妹

（廣東美的暖通設備有限公司，廣東佛山，523811）

使用環保制冷劑R290替代R22的性能研究

周長智，歐陽大妹

（廣東美的暖通設備有限公司，廣東佛山，523811）

使用天然環保制冷劑R290可以在臭氧損耗和全球變暖等環境問題上發揮至關重要的作用，而R22由于其對臭氧層的巨大危害而迫切需要被淘汰。本文從環境性能、熱物性、安全性、制冷劑性能等方面對比分析了R290作為R22的替代制冷劑的潛在可能性。在制冷劑性能的對比分析中，通過分析計算，從制冷劑體積容量（VRC）、性能系數（COP）等方面出發。總的來說，在真實的應用中，R290由于其出色的環境和熱物理性能可以更好的替代R22。

R290；R22；COP；制冷系統

0 引言

在過去的幾十年里，由于安全性方面的考慮，可燃碳氫化合物制冷劑被禁止應用在常規的制冷和空調上。實際上，碳氫化合物R290在1920年就被認為是一種無色無味、熱物性極好的安全制冷劑，但是在1928年， 由于CFCs和HCFCs的迅猛發展，R290因其可燃性被逐漸被忽略了。而在1974年發現CFCs和HCFCs與大氣臭氧層的減少有關，隨著技術發展，人們又發現雖然HFCs和一些其他的替代物有著比較低的臭氧消耗潛能值（ODP），卻有著較高的全球變暖潛能值（GWP）。因此，找到一種環境友好的環保節能的制冷劑顯得日益重要，從而R290作為一種潛在的可替代R22的環保制冷劑在工業上受到越來越多的關注。[1,2]

1 R290和R22的制冷劑性能比較

制冷劑的選擇，是一個涉及到環境、熱物性和安全性能分析的復雜的過程。

1.1 環境性能

當制冷劑被釋放到大氣中，其對環境影響的重要評價因素就是臭氧層消耗潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）。R290的ODP值為0， GWP值非常低。而用來評估制冷劑對于環境影響的變暖影響總當量（TEWI）是直接因素和間接因素的總和，其中直接因素是由于制冷劑泄漏導致的，間接因素是由于系統運行的能量消耗所導致的。在全球變暖方面，R290的直接影響非常低甚至是沒有；而由于R290良好的熱物性，其有著更低的間接影響。

1.2 R290和R22的熱物性對比

R290和R22的熱物性對比如下表1所示。

表1 指定操作條件下制冷R290和R22的熱物性對比[3]

在標準沸點，R290蒸氣的潛熱比R22要高80%，蒸氣潛熱越高，則需要的制冷劑質量越少。兩種制冷劑的標準沸點的高度相同表明兩者的壓力曲線和應用領域都非常相近。制冷劑的熱物性決定了制冷劑系統的能量特性。液態R290密度更低則需要制冷劑質量越少，從而導致阻力更小，在蒸發和冷凝時的換熱系數更高。制冷劑黏度是不可逆因素的主要來源，和蒸發和冷凝時的換熱系數的影響因素，R290有著更低的黏度和更高的熱導率，從而很好的提高了蒸發和冷凝性能。同時，R290更高的比熱提供了更低的排氣溫度。

1.3 安全性

R290是A3類制冷劑，也就是說，它是一種無毒、高度可燃的制冷劑。爆炸下限（LFL）是在指定測試條件下制冷劑在空氣中燃燒的最低濃度。據ASHRAE標準，R290的泄漏濃度不應超過爆炸下限的20%。燃燒熱（HOC）則是制冷劑泄漏燃燒的能量指標。

可燃性是使用R290制冷劑最需要考慮的問題，但是R290接觸空氣并不會自發地進行燃燒。任何燃燒事故的必要先決條件是泄漏的制冷劑與空氣混合達到正確的比例（1%-20%），并且要有能量大于2.5×10-4kJ的點火源，或者其表面溫度大于了440℃。要安全使用R290制冷劑，采取相應的預防措施非常必要。應用可燃制冷劑一般會采用的措施是密封嚴密的系統、最小量排氣、以及合適的通風設備。根據劉知新[4]等人的研究，在極端情況（空調器的室內機及連接管內全部為空氣）下，或是系統處于內部工況惡劣的情況下長期運轉，空調系統內部R290的質量濃度遠大于其爆炸上限，因此有點火情況發生也不會燃燒或爆炸。而當空調器制冷劑發生泄露且局部聚集并遇點火的情況，制冷劑R290發生爆炸，但爆炸對樣機無基本性損傷，空調器在實驗后仍可正常使用。

2 制冷劑性能的對比分析

從R22和R290制冷劑的單級蒸氣壓縮式制冷循環入手分析其理論性能。假定：壓降和環境熱損失忽略不計；壓縮過程為等熵壓縮，膨脹過程為等焓過程；蒸發器中有10℃的過熱，冷凝器中有5℃的過冷。在預定運行條件下應用制冷循環不同方程，結果如表2所示。

表2 冷凝溫度為45℃、蒸發溫度為10℃的特定運行條件的性能參數對比

由于隨著壓縮比的升高影響了制冷劑的質量流率和系統的COP，所以人們期望達到更低的壓縮比以增加體積和等熵效率。在恒定的冷凝溫度下，隨著蒸發溫度的升高，壓縮比也升高了。而相比于R22，R290的壓縮比要稍微低一些。壓縮機排氣溫度是作為制冷劑選擇的一個非常重要的指標。更低的排氣溫度提高了壓縮機的壽命，也使制冷劑和潤滑油更加穩定，R290的排氣溫度比R22要低得多。

R290的密度比R22小，因此排氣量大量減少，R290制冷劑的質量流率比R22要低約43%。需要制冷劑的量更低，就減少了制冷劑的直接排放，從而使其溫室效應更低。

性能系數（COP）是制冷系統能效的衡量指標。R290的COP值與R22的幾乎相等或略低。如果為R290制冷系統進行特別設計，其COP值可以相應提高，甚至比使用R22的系統要高。

3 結論

從環境性能、熱物性、安全性、等方面分析了R290替代R22的潛在可能性。再通過在標準蒸氣壓縮循環中實現恒定冷凝溫度并改變蒸發溫度的條件下分析對比R290和R22的性能，發現R290有著更低的排氣溫度，這是提高壓縮機壽命的關鍵因素；所需R290制冷劑的質量流率比R22低50%；R290和R22的性能系數非常相近，但是鑒于R290的特性，在一些特殊設計的系統中，仍希望能提高其COP。盡管如此，R290由于其良好的環保性、熱物性和高能效，在實際應用中，可以成為R22的良好的替代制冷劑。

[1] C S Choudhari, S N Sapali, Performance investigation of natural refrigerant R290 as a substitute to R22 in refrigeration systems, Energy Procedia, 109(2017)346-352.

[2] Reference fluid thermodynamic and transport properties REFPROP Version 9.0”，NIST Standard Reference Database 23，NOV 2010.

[3]劉知新，郭春輝等.R290家用空調器安全性實驗研究[J].制冷技術，1（2011）22-26.

Performance study of using environmental friendly refrigerant R290 instead of R22

Zhou Changzhi,Ouyang Damei
(Guangdong Midea heating and Ventilating Equipment Co., Ltd., Foshan Guangdong, 523811)

The use of natural refrigerants R290 can play a crucial role in ozone depletion and environmental problems such as global warming, and R22 due to its huge harm to the ozone layer and the urgent need to be eliminated from the environmental performance, thermal properties, safety, and other aspects of a comparative analysis of the refrigerant to R290 as R22 the alternative refrigerant potential. In the comparative analysis of refrigerant performance, through analysis and calculation, the refrigerant volume (VRC), the coefficient of performance (COP) and other aspects. In general, in a real application, R290 due to its excellent physical and thermal environment Can a better alternative to R22.

R290;R22;COP;refrigeration system