环保制冷剂性能比较分析

摘要： 用于取代对臭氧层有破坏作用的制冷剂R22，国际上普遍认同的两种环保制冷剂为：410A和R407C。本文将分析R410A和R407C的特性，比较两者在传热性能、性能系数和蒸汽压力等方面的特征差异，为确定替代制冷剂的最佳选择提供技术支持。

关键词： 空调；环保制冷剂；传热

1 、R407C和R410A的传热性能比较

    R410A具有很好的传热性能，R410A的蒸发传热系数和冷凝传热系数高于R407C，在很多应用场合R410A的传热性能还优R22。蒸发试验研究发现，R410A在光滑水平管内的传热系数比R407C高50％ 左右；与R22蒸发试验结果相比，R410A的传热系数要比R22高10％～50％。使用具有微型肋片的水平管，R410A的传热系数比光滑管提高了80％～150％。板式换热器的蒸发试验也证实了R410A传热性能的优越，在相同条件下R410A的传热系数比R22的传热系数要高0～15％。

    冷凝试验则显示，在光滑管内R410A的冷凝传热系数比R407C冷凝传热系数高20％。在光滑管外，R410A的冷凝传热比R407C的冷凝传热高35％～50％，比R22高约11％～17％；然而R407C的传热系数却比R22低24％～37％。在具有微型肋片的管外，R410A的冷凝传热系数比R407C高35％～55％，比R22高3％～7％，相反，R407C的传热系数比R22低33％～52％。R407C传热性能较差的事实还可以用现有设备的制冷剂替换试验结果来说明，在一台100kW制冷量螺杆式水制冷机组试验中发现R407C在管壳式冷凝器中的传热系数比R22小25％～51％。

    R407C的传热系数低，其与它的非共沸性有关：一是在等压蒸发或冷凝时存在着较大的相变温度梯度，二是汽液两相之间存在着明显的浓度差。R407C在蒸发或者冷凝时，不但要克服冷凝液层的热阻，还要克服相变温度梯度和汽液浓度差对传热带来的负面影响。相变温度梯度是指在一定压力下混合物由饱和蒸汽变成饱和液态的温度差，R407C在大气压下的相变温度梯度约为7K。相变温度梯度的存在直接降低了R407C的传热性能。等压冷凝时，随着冷凝过程的推进，R407C汽液平衡要求的冷凝温度越来越低，对于恒壁温冷凝，用于推动蒸汽冷凝的有效温压将越来越小，传热效率降低。同理，相变温度梯度对于蒸发过程也同样有降低传热效率的作用。

    R407C三种组分的汽液浓度差是由组分间的相对挥发性不同造成的，高沸点组分R134a不易挥发，低沸点组分R32和R125比R134a易挥发。汽液两相共存时，沸点高的R134a在液相中的浓度就高于它的汽相浓度，而沸点低的R125和R32在汽相中的浓度高于液相浓度。

图1定性显示了R407C在冷凝时三种组分的浓度变化情况

    在图1中，设想管壁有薄层冷凝液，在冷凝液与主流蒸汽之间存在着混合蒸汽扩散层。由于R134a沸点较高，比其它两个组分都更容易被冷凝下来，R134a蒸汽在液汽介面附近的浓度就低于主流蒸汽的浓度，因此，在扩散层蒸汽流中，发生着组分R134a从主流蒸汽指向液汽介面的扩散过程。相反，组分R32和R125的沸点较低，挥发性强，不易被冷凝，在接近介面的蒸汽流中，R32和R125的浓度就高于各自在主流蒸汽中的浓度，因而在扩散层形成了从液汽介面指向主流蒸汽的浓度梯度。扩散层构成了非共沸制冷剂冷凝时的额外热阻。介面处蒸汽的饱和冷凝温度随着当地浓度的增加而进一步降低，也增加了冷凝过程的阻力。

    R410A的传热系数较高的一个重要原因在于它的准共沸性。，R410A虽然由两种组分(R32和R125)组成的混合物，但是这两种组分没有明显的挥发性差别，在蒸发或者冷凝过程中，R410A的汽相组分浓度和液相组分浓度很相近，相变温梯度小于0．2K。反映在R410A的热力学工程图上，汽液两相区的等温线与等压线几乎是平行的，所以，R410A热力学特性和物理特性非常接近于共沸制冷剂或纯制冷剂。作为准共沸混合物，R410A在蒸发和冷凝时的传热机理与纯制冷剂相似，没有明显的组分扩散现象，相变温度梯度对传热效率的影响极小，这就使得R410A的传热系数高于非共沸制冷剂R407C。R410A的传热系数高于R22的主要原因在于它具有更加有利的传热控制物理量，如具有较高的导热系数和较低的粘性系数。

2、R410A与R407C的性能系数比较

    R410A的优良传热性能，有利于提高空调制冷系统的性能系数。R410A还具有提高性能系数的另外两个有利条件：较低的流动力和较高的压缩效率。

    实验发现，R410A的流动压降比R407C和R22都要小，而R407C的压降接近于R2的值。例如，在光滑管内蒸发流动时，R410A的压降比R22要小30％，在板式蒸发器内流动时，R410A的压力损失比R22低15％～35％ ，在光滑管内冷凝时，R410A的压降比R22小35％～50％。制冷剂流动所需的压降越小，压缩机消耗在压降上的无用功越小，越有利于提高性能系数。

    在制冷剂压缩效率方面，R410A的压缩效率高于R22和R407C。R410A在往复式压缩机测试台上测得的等熵压缩效率和输气效率均分别比R22的高5％左右；在涡旋压缩机试验台上测得的等熵压缩效率和输气效率分别比R22的高2％～15％和3％～10％ 。与R410A相对比，R407C在往复式压缩机测试台上测得的压缩效率与R22的值相近；但是在一套小型空调系统上测得的压缩机容积效率和等熵效率分别比R22低3％～7％和6％～14％。相比之下，R410A的压缩效率比R407C高5％～20％。

    研究表明，在R22的两种替代制冷剂中，使用R410A可以实现比R407C更高的系统性能系数。压缩机测试台上得到的数据显示，R410A的性能系数超R407C的10％ 以上；在优化设计的空调制冷系统中R410A性能系数高的结论进一步得到证实，R410A的性能系数分别比R407C和R22的高10％和5％。

    R410A的性能系数优势还在已投入运行的R22空调制冷系统的替代试验中得到证实。针对正在运行的3种不同R22系统，采用置换制冷剂和涡旋压缩机的方法，使用相同的蒸发器和冷凝器，在相同的工况下进行实地运行试验，结果显示采用R410A所得到的性能系数高于R22和R407C的值：在9.2kW制冷量的家用空调替换试验中，R410A产生的性能系数比R22的值高5％ ；对屋顶式27kW空调的对比试验发现，R410A的性能系数比R22和R407C的分别高3％ 和11％ ；对35kW水制冷机组的替换试验发现，R410A的性能系数比I122和R407C的分别高5％和6％。

    目前，越来越多的节能型R410A空调已经走出实验室，进入市场销售，部分空调产品的性能系数超过6。

3、R410A与R407C的蒸汽压比较

图2比较了两种环保制冷剂R410A和R407C的蒸汽压与R22的蒸汽压

    在选择的温度区间内，根据蒸汽压力的特点，使用R410A时应注意如下方面：

    (1)R410A的蒸汽压比R22的蒸汽压大60％～70％ ，R410A的制冷系统必须有更好的密封性能，使用合适接口技术，以防泄漏；所有制冷元件，包括压缩机、蒸发器冷凝器、管道等，必须满足R410A的特别工作压力要求。针对高压蒸汽采取必要的安全保护措施。

    制冷系(2)如果R410A制冷系统的设计压力为2500kPa，那就必须把冷凝温度控制在40℃左右，水冷的应用场合能够满足压力上限的要求。如果采用空冷设计R410A系统的冷凝压力就会超过现行空调系统的压力上限，例如，考虑夏季空气设计温度为40℃ ，R410A的冷凝温度就会达到55~C左右，相对应的冷凝压力就会达到和超过3400 kPa，现行的R22统承受不了如此大的压力，必须进行专门设计。

    (3)R410A的I临界温度较低，只有72．5℃，在空冷情况下，如果环境空气温度达到55℃以上，R410A就可能发生I临界温度区的冷凝，制冷负荷会降低到35~C环境温度时的65％左右，性能系数也会大幅度下降。   

    从图2可以看出，R407C的压力曲线与R22的非常接近，特别是在10℃以下，R407C的饱和压力曲线与R22的几乎重合；只是30℃以上时，R407C的饱和压力略高于R22的值。所以，R407C具有与R22非常接近的蒸发压力，冷凝压力可能比I122的高100～270 kPa，但排气温度比R22低0～10℃

4、R410A和R407C的不同特点与应用前景

    R410A的特点还可以从热力学工程图来进行分析，在蒸发温度一40～10℃的范围内，R410A的蒸气密度比R22高43％，气化潜热比R2211％，R410A的体积制冷效应比R22高60％左右。

    考虑到压缩机效率方面的损失，同一封闭式压缩机采用R410A的制冷量将比R22约高50％。如果采用优化设计的R410A系统来替代R22系统，考虑到压缩机排气量的减小，以及工质循环流量减小导致的换热器减小、管道减小、控制元件尺寸减小等方面因素，对于小功率空调说，R410A设备的造价有可能比R22设备更便宜。但是对于大功率空调来说，高压蒸汽安全运行所带来的设备投资和设备重量的增加就可能变成值得考虑的问题了。因为，随着制冷系统负荷的增加，R410A安全运行所需的设备投资和重量将会急剧地增长。

    在环保制冷剂R410A和R407C的技术开发和使用上，应根据其不同应用和不同负荷采用不同的环保制冷剂技术：
    (1)对于冷凝温度较低的场合，例如水冷，采用R410A技术可以缩小设备体积，提高性能系数；
    (2)对于负荷较小的空冷型空调系统，例如额定负荷为4kW 以下时，采用R410A技术，既可获得较高的性能系数，又能控制设备投资；
    (3)对于负荷较大的空冷型空调，有两个发展趋势，从开发的难易程度和节省投资等角度出发，R407C优于R410A，因为R407C系统的技术要求与R22系统非常相近；从提高性能系数和缩小设备尺寸的角度出发，开发R410A技术变得更有吸引力。随着人们的环境意识不断加强和国际社会对节能砝码的不断增加，R410A在大型空调系统中的份额会越来越大；
    (4)对于现行R22设备的改造项目，使用R407C比采用R410A更加可靠，不仅成本较低，且简单、易行。