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在家用_商用空调中用R32替代R22的探索

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第9卷　第6期2009年12月
制冷与空调
REFRIGERATIONANDAIRCONDITIONING
31234
在家用/商用空调中用R32替代
3
R22的探索
朱明善　史琳
(清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室
摘　要　在R22的替代工作进入实质性阶段,但国内外成熟替代品又尚不明朗之际,本文在分析国内外
R22替代物的现状、存在的问题以及国际上对环保工质要求的新趋向的前提下,探索提出在家用/商用空调
中使用R32替代R22的设想,并从其热物理性质、环保特性、安全性、热工性能、市场可获得性等几个方面,与现有的R22替代物R410A,R290和R1234yf等进行比较,认为R32是一种兼顾减排、安全、节能和市场诸方面要求的、很有前景的R22替代制冷剂。
关键词　制冷剂;空调;制冷;R22;R32;R410A;R290;R1234yf
ExplorationofusingR32tosubstituteforR22inhousehold/
commercialair2conditioning
ZhuMingshan　ShiLin
(KeylaboratoryforThermalScienceandPowerEngineeringofMinistryofEducation,
DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversityABSTRACT　Phase2outofR22willstartintheworld.AndtheexistingalternativestoR22arenotgoodinsomeapplication.Thepresentstatus,analyzesproblemsandrequire2mentsfornewenvironment2friendlyalternative.AlsoadvancesanideausingR32tore2placeR22inhousehold/commercialair2conditioning,comparesandanalyzesthethermo2physicalproperties,environmentalcharacteristics,safety,theoreticcycleperformance,marketavailabilityofR32,R410A,R290andR1234yf.ItshowsthatR32isanelectricchoiceconsideringcarbondioxideemissions,safety,energy2savingandmarketavailabili2ty,andisanidealrefrigerantalternativetoreplaceR22.
KEYWORDS　refrigerant;air2conditioning;refrigeration;R22;R32;R410A;R290;R1234yf
　　2007年9月《蒙特利尔议定书》,第19次缔约方
会议通过了加速淘汰HCFCs的调整案,规定发达国家在2020年完成HCFCs淘汰;发展中国家2013年冻结在2009—2010年的平均水平,2015年要完成消减基线水平10%的任务,2020年要削减35%,2025年要削减67.5%,2030—2040年只允许2.5%的维修量[1]。目前我国是世界上最大的HCFC222(R22生产国和使用国,据中国制冷空调工业协会统计,2008年,我国在家用空调中使用R22约为5.71万吨,在商用空调中使用R22约为4.13万
吨,HCFCs总使用量达10.46万吨,且以每年超过20%的速度增长,预计2013年的冻结用量(基线水平为13.81万吨。要在2015年完成消减基线水平10%的任务,必须尽快明确替代路线,研究合适的替代技术。
从上述数据可以看出,我国家用/商用空调行业的R22使用量约占HCFCs总使用量的94%。所以笔者主要以家用/商用空调中的R22的替代进行讨论。
目前国际国内主要的R22的替代物是HFCs
3此文系根据在2009210212环保部外经办召开的“中国工商制冷行业HCFCs替代技术第二次专家委员会”上发言整理而成。

　・32　・
制　冷　与　空　调第9卷　
及其混合物,包括R134a,R410A,R407C等。其他还包括小容量机组的R290和R161[2]以及CO2和R1234yf等。这些替代物中,R134a,R410A和R407C等由于具有较高的GWP值,在目前的环保大趋势下受到越来越多的限用压力,R290和R161虽然其GWP值低,但因其可燃性等安全指标在很多领域的应用受到限制,CO2由于压力过高在使用范围上受局限,R1234yf在家用/商用空调领域的应用有待商榷。在目前HCFCs淘汰迫在眉睫的时候,又面临替代品的不确定性,因此需要重新审视R22的替代物。
以下从热物理性质、环保特性、安全性、热工性能、市场可获得性等几个方面,比较R32与现有R22替代物的优劣,并指出应用R32可能遇到的问题。
1　热物理性质和环保特性
表1列出了R22可能的替代物的沸点、摩尔质量、GWP、相对充注量、泄漏时的相对CO2排放当量、CO2减排比例。从表中可以看出,R32在沸点上与目前成熟的R22替代物R410A最为接近,实际上R32就是它的主要组元,热物理性质与R410A和R22也较为接近。
R32的GWP值适中(675,但其摩尔质量是R22的0.6倍,而充注量大体上与摩尔质量成正比,因而R32充注量仅为R22的0.6倍,泄漏时的相对CO2排放当量为405,因而与R22相比,CO2减排比例可达77.6%,与美国环保局SNAP(August2009在家用、商用空调部分要求减排CO250%～90%的措施很为吻合,而R410A仅为2.5%。
表1　R22可能的替代物的热物理和环保特性
制冷剂/特性
R22R32R290R161R410AR407CR134aR1234yfCO2
沸点/℃
-40.8-51.7-42.1-37.6-51.4-43.6-26.1-29.4-78.4
摩尔质量
86.4752.0244.1048.0672.5886.20102.03114.0444.01
GWP1810675201221001800143041
相对充注量
1.00.60.510.560.841.01.181.320.51
泄漏时的相对CO2排放当量
181040510.26.71764180016875.30.51
CO2减排比例/%
—
-77.6-99.4-99.6-2.50-0.1-99.7-100
2　安全性2.1　可燃性极限
表2是几种R22替代物中具有可燃性的工质的可燃性极限数据。从表中可看出,R32的可燃性最弱,处于“不可燃”与“弱可燃”的边缘,燃烧下限
(LFL仅为0.306kg/m3,是2类可燃制冷剂中可燃
性最低的一种(仅次于NH3,比R1234yf还低。
表2　几种R22可燃替代物的可燃性极限
图1　R22几种替代物的TEWI分析
工质
LFL/%
3LFL/(kg/m
R32
14.40.30629.39400
R290
2.10.03810.050400
R161
3.80.076
R1234yf
6.20.29312.3
　　图1所示为日本大金公司提供的R32等的TEWI分析[3],从图可以看出,在R32,R290,R410A,R1234yf和CO2中,R32的CO2排放当量最小,约为6000kgCO2当量,而R290和R1234yf基本相当,约为7000kgCO2当量,R410A约为7
500kgCO2当量,CO2最大,约为8400～8500
UFL/%HOC/(kJ/kg
——
—
2.2　可燃性分类
表3列出了R22替代物中具有可燃性的工质在一些标准中的可燃性分类。从表中可看出,R32是相对最安全的,被ASHRAE34,ISO5149和EN37821列为弱可燃“2”。ISO817标准最新修
kgCO2当量。由此也可以看出,对TEWI分析,R32对CO2排放的影响最小。

　第6期朱明善等:在家用/商用空调中用R32替代R22的探索・33　・　
订讨论稿[4](计划于2010年公布明确将“2”类中燃烧速度≤0.1m/s的单列为“2L”。由于R32燃烧速度约为0.067m/s,因而在表3中被列为“A2L”类。按美国交通部运输标准DOT173.115和联合国(UN危险货物运输规定,在运输过程中认为是“不可燃”的。
表3　几种标准中R22可燃替代物的可燃性分类
工质
ASHRAE34
②
①
②
由此可见,按目前可燃性安全标准,其适用范围
比R290和R161宽得多,如按A2L,预计将更为放宽。
表4　相关标准中空调/热泵系统的最大充注量限制值
制冷剂/特性舒适空调/热泵机组
最大充注量/kg
R22R32R290R161R410AR407CR134aR1234yfCO2
16.25.610.410.9823.816.713.55.315.4
③④④④③③③④
除舒适空调/热泵外的制冷系统　实际限量①/(kg/m3最大充注量②/kg
0.30.0610.0080.0150.440.310.250.0590.1
57.811.61.51.5
⑤⑥
⑦⑦⑤⑤⑤⑥⑤
R32
22
R290
33
R161
33
R1234yf
22
84.759.748.111.419.3
ISO5149,EN37821DOT173.115③
不燃
④
可燃可燃
可燃可燃
可燃
?
UN危险货物运输规定不燃
　　注:①———LFL>0.1kg/m3且HOC<19000kJ/kg,为“2”;LFL
3
≤0.1kg/m或HOC≥19000kJ/kg,为“3”。
③
　　注:①———20%LFL,或ISO5149与EN37821中的规定。
②———此表仅列出一般用房人居空间及直接系统的情况,其他
情况参看标准表C.1。表中数字以房间体积为55m2×
3.5m为案例。
②———有火焰传播、LFL≥3.5%且HOC<19000kJ/kg,为
“2”;有火焰传播、LFL<3.5%或HOC≥19000kJ/kg,为“3”。
③———LFL≤13%,为“可燃”。
3
④———LFL≥0.1kg/m或HOC<20000kJ/kg,为“不可燃”。
③———室内允许最大充注量mmax=实际限量×房间体积,表中
数值是房屋高度为1.8m,房屋面积为30m2时的计算值。
④———据IEC6033522240:2005AnnexGG.2和EN37821:
2008C.3,室内允许最大充注量mmax=2.5×LFLho×A
0.5
1.25
2.3　最大充注量限制
表4列出了IEC6033522240:2005和EN37821:2008标准关于舒适空调/热泵机组以及ISO5149或EN37821:2008标准中除舒适空调/热泵外的制冷系统的最大充注量限制值。
按IEC6033522240:2005和EN37821:2008标准,在舒适空调/热泵机组中,R32的允许最大充注量比R290约大10倍,比R161约大5倍。一般建筑的制冷要求为150～200W/m2,若取折衷,即
180W/m,表4所列案例的30m房间面积约须
2
2
×
(kg,其中,A为房屋面积(m2;ho为电器安装
高度(m,地面安装ho=0.6m,墙面安装ho=1.8m,窗式安装ho=1.0m,天花板安装ho=2.2m。表中数值为ho=1.8m,A=30m2时的计算值。⑤———最大充注量=实际限量×房间体积。
⑥———最大充注量=实际限量×房间体积,但≤38×LFL(kg/
m3。
⑦———最大充注量=实际限量×房间体积,但≤1.5kg。
3　热工性能
配冷量为5.4kW的机组。按UNEPTOC(1995
报告,冷量为2～20kW的分体式空调,R22充注量约为0.32～0.34kg/kW,若取平均值0.33kg/kW,则该机组R22充注量约为1.78kg,而R32充注量约为0.6×1.78=1.07kg,比表4中所允许的最大充注量(5.61kg小很多,留有很多余量。若充R290,其充注量约为0.51×1.78=0.91kg,则已大大超过表4中所允许的最大充注量(0.41kg,表明此时已无法使用R290。若充R161,其充注量约为0.56×1.78=1.0kg,也已超过表4中所允许的最大充注量(0.98kg,即使超过不多,但表明也无法使用R161。
在除舒适空调/热泵外的制冷系统中,按ISO5149或EN37821:2008标准,R32的允许最大充注量比R290和R161也约大10倍。
在美国ARIStandard520标准的空调工况下,即蒸发温度7.2℃,冷凝温度54.4℃,过热度11.1℃,过冷度8.3℃,压缩机等熵效率为0.75时,计算得到上述各种替代物的热工性能参数如表5所示。
表5中,pe为蒸发压力,pc为冷凝压力,t2为压缩机排气温度,Δt为滑移温度,COP为性能系数,q0为单位质量制冷量,qV为单位体积制冷量。从表中可以看出,R32的热工性能比R410A好,COP约高5.3%,冷量约大12.7%,排气压力约高0.4bar,但排气温度约高24℃。　　从热工性能分析可以看出,应用R32时须注意解决高排气温度、采用小管径或微通道换热器和R410A压缩机简单改型或优化或开发专用压缩机等问题。

　・34　・
制　冷　与　空　调表5　各种R22替代物的热工性能
第9卷　
制冷剂/特性
R22R32R290R161R410AR407CR134aR1234yf
pe/bar6.2710.295.905.5410.416.783.783.99
pc/bar21.7935.2319.0019.3734.8524.9814.8114.53
t2/℃100.37122.2377.6593.9297.5589.1478.4174.43
Δt/℃
00000.14.700
COP3.433.153.343.492.993.123.443.30
q0151.82231.49256.15279.78142.40137.68138.84108.73
qV3779.615876.063095.943386.425212.583750.772401.292262.59
4　市场可获得性
R32的市场可获得性好,价格便宜,国内有大
4R32的市场可获得性好,价格便宜,国内有
量生产,不少氟化工企业(如山东东岳、浙江巨化、江苏梅兰、上海三爱富、浙江蓝天等均有产品,且无侵权问题。由于R22生产路线略经改动,就能转产R32,因此这就为面临R22淘汰巨大压力的我国氟化工行业提供了一线机遇,有利于实现R22生产路线的转轨。5　结束语
1R32与R22以及R410A的热物理性质较为接近,且GWP值适中,充注量仅为R22的0.6倍,CO2减排比例可达77.6%,比R410A优越,综合环境性能较好。
2R32的可燃性是R22替代物可燃性工质中最弱的,可燃性极限比R1234yf还低,属于A2L类,运输过程中认为是“不可燃”的。在空调/热泵机组中,目前标准R32的允许最大充注量比R290约大10倍,比R161约大5倍到10倍以上,如按A2L,预计将更为放宽。
3R32的热工性能比R410A好,COP约高5.3%,冷量约大12.7%。但须解决其排气温度高等问题。
(下接第41页
大量生产,且无侵权问题。
总之,在家用/商用空调中R32是一种兼顾减排、安全、节能和市场诸方面要求的、很有前景的替代R22的制冷剂。希望今后能加强其实际应用的研究,顺利且经济地完成HCFCs淘汰的国家目标。致谢:
在研究过程中,山东东岳化工有限公司王鑫博士帮助收集了部分国外标准、有关国际机构信息和进行了有关理论计算等工作,日本大金公司朴春成博士也提供了有关信息,特此致谢。
参考文献
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[2]　张建君.HFC2161制冷剂的性能和应用.中国房间
空调器行业HCFCs替代技术专家委员会.
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工商制冷行业HCFCs替代技术第二次专家委员会.
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ASHRAETrans,1994,100(2:5822591.
[8]　PayneWV,O’NealDL.Massflowcharacteristicsof
变机理研究.工程热物理学报,2004,25(4:
5912593.

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/28ee85f7ba0d4a7302763a07.html

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