中央空調(diào)制冷劑R407C優(yōu)缺點(diǎn)分析

中央空調(diào)制冷劑R407C優(yōu)缺點(diǎn)分析環(huán)保制冷劑（R407C）淺析1前言

目前還沒(méi)有各方面性質(zhì)都比較理想的純工質(zhì)來(lái)替代R22,主要采用二元或三元非共沸或近共沸混合工質(zhì)作為替代物。對(duì)于新型的替代工質(zhì),不僅要研究其熱力學(xué)性質(zhì)、環(huán)保及安全性等,還要對(duì)傳熱性能及應(yīng)用中出現(xiàn)的一系列特殊問(wèn)題進(jìn)行深入細(xì)致的研究,R22替代工質(zhì)的研究也正是從這幾個(gè)方面展開(kāi)的,目前國(guó)際上廣為關(guān)注,且研究較多的近期替代物為非共沸混合工質(zhì)R407C。

2R407C的熱物性分析

2.1安全環(huán)保性

根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANS1/ASHRAE34-1989,對(duì)制冷劑的安全性主要考慮毒性和可燃性。R407C是由R32、R125、R134a組成的非共沸混合工質(zhì),低毒不可燃,屬安全性制冷劑。制冷劑的環(huán)保性能主要由兩個(gè)重要的環(huán)境指標(biāo)來(lái)體現(xiàn),即臭氧衰減指數(shù)ODP和溫室效應(yīng)指數(shù)GWP,R407C的ODP為0,GWP約為0.05,均優(yōu)于R22(ODP為0.04～0.06,GWP為0.32～0.37),即R407C的環(huán)保性能優(yōu)于R22。

溫度滑移(約為7℃),這一變溫特性為通過(guò)對(duì)換熱器改型增強(qiáng)換熱,

進(jìn)一步改善制冷性能提供了可能。

2.3對(duì)現(xiàn)有制冷空調(diào)系統(tǒng)的適應(yīng)性

從熱力性能來(lái)看,R407C對(duì)現(xiàn)有制冷空調(diào)系統(tǒng)有著較好的適應(yīng)性,除更換潤(rùn)滑油、調(diào)整系統(tǒng)的制冷劑充注量及節(jié)流元件外,對(duì)壓縮機(jī)及其余設(shè)備可以不做改動(dòng)。如果要運(yùn)用其變溫特性實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的,則需要設(shè)計(jì)新的蒸發(fā)盤(pán)管、選擇不同的使用場(chǎng)合,來(lái)有效發(fā)揮溫度滑移高,以接近勞倫茨循環(huán)達(dá)到節(jié)能效果。如果單從對(duì)現(xiàn)用設(shè)備的適應(yīng)性方面來(lái)看,R407C可作為R22的一種近期替代

3R407C換熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

沸騰與凝結(jié)換熱是制冷、空調(diào)及其它許多工業(yè)設(shè)備中非常重要的換熱過(guò)程,設(shè)計(jì)換熱器的通常方法是先估算出換熱管兩側(cè)流體的平均換熱系數(shù),計(jì)算總換熱系數(shù),所以制冷工質(zhì)的兩相換熱特性對(duì)于換熱器的設(shè)計(jì)尤為重要。R407C的相變換熱是一個(gè)變溫過(guò)程,由于存在汽液相組分濃度上的差異,換熱特性較單一工質(zhì)更為復(fù)雜,這就為換熱系數(shù)和流體性能的預(yù)測(cè)帶來(lái)了一定的難度。目前的手段和對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還不足以對(duì)這類(lèi)工質(zhì)進(jìn)行比較完全的理論分析和計(jì)算,因此研究工作主要集中在對(duì)換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合出換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式上。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)R407C的兩相換熱規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[1～12]

3.1沸騰換熱

3.1.1管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱

制冷劑在管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱是蒸發(fā)器中典型的換熱過(guò)程,根據(jù)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu),對(duì)R407C管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱也進(jìn)行了許多研究工作。

(1)水平管:水平管是組成蒸發(fā)器的常用管型,制冷劑在水平管內(nèi)的蒸發(fā)過(guò)程,是研究制冷劑流動(dòng)沸騰換熱性能,從而進(jìn)行蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),所以對(duì)于這一換熱情況國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了比較多的研究。Boissieux等對(duì)R407C在外徑為9.52mm的水平光管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[1],得出混合工質(zhì)的沸騰換熱系數(shù)沿管長(zhǎng)的典型變化過(guò)程,指出當(dāng)蒸氣干度增加到約65%～80%時(shí),局部換熱系數(shù)增加到一個(gè)最大值,然后急劇減小,用Kattan流型圖可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出這一關(guān)鍵干度的位置點(diǎn)[13]。在換熱系數(shù)的預(yù)測(cè)方面,基于文獻(xiàn)[13]得出的kattan模型,并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析,得出了適用于一定質(zhì)量流率、一定熱流率和蒸發(fā)溫度范圍的修正的Kattan模型來(lái)估算R407C的蒸發(fā)換熱系數(shù)。

LishengZhang等對(duì)R407C和R32/R134a在外徑為7.0mm的水平光管內(nèi)的沸騰換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[2],得出了兩者的沸騰換熱系數(shù)隨干度和質(zhì)量流率的變化情況。并與R32、R125、R134a進(jìn)行了比較,指出由于汽液界面上傳質(zhì)阻力的存在,R407C和R32/R134a的平均換熱系數(shù)比R134a約低30%,尤其是在低干度和低質(zhì)量流率區(qū),換熱系數(shù)降低的更多,由此提出了一種考慮傳質(zhì)影響和核態(tài)沸騰作用的關(guān)系式來(lái)預(yù)測(cè)三元制冷劑混合物的換熱系數(shù)。Lallemand等對(duì)R22和R407C在水平光管和微肋管內(nèi)的沸騰換熱系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[3],指出換熱系數(shù)在低干度時(shí)主要依賴(lài)于熱流率,而在高干度時(shí)主要依賴(lài)于質(zhì)量流率,R407C在光管和微肋管中的換熱系數(shù)分別比R22低15%、35%,且在低熱流和低質(zhì)量流率時(shí)換熱強(qiáng)化效果最好。

(2)U型管:制冷空調(diào)系統(tǒng)中大多數(shù)熱交換器都包含有U型管,其傳熱性能明顯不同于直管冷劑在U型管中傳熱性能的研究很少有文獻(xiàn)報(bào)道,但對(duì)R407C在這類(lèi)管中的換熱規(guī)律卻已有研究。Keumnam等對(duì)R407C及油的混和物在一U型微肋管中的沸騰換熱及壓降特性進(jìn)

行了實(shí)驗(yàn)研究[4]。測(cè)得的R407C換熱系數(shù)低于R22,降低程度與實(shí)驗(yàn)條件相關(guān)。在U型彎曲的90°位置處換熱系數(shù)最大,且外側(cè)大于內(nèi)側(cè);所測(cè)的實(shí)驗(yàn)段的壓降隨注入油濃度、入口干度和質(zhì)量流率的增加而增加,換熱系數(shù)隨油濃度的變化情況依賴(lài)于入口干度、質(zhì)量流率和熱流率。另外,還對(duì)R22和R407C在光管和微肋管蒸發(fā)器的U型彎曲和直段部分的換熱特性進(jìn)行了研究[5]。實(shí)驗(yàn)得出U型彎曲段的平均換熱系數(shù)比直管段高4%～33%;在直管段部分,微肋管的平均換熱系數(shù)比光管高19%～49%,在U型彎曲段,比光管高33%～69%;在光管中,R407C的平均換熱系數(shù)比R22低33%～41%,而對(duì)微肋管,則比R22低17

%～29%。

3.1.2其它形式的沸騰換熱

制冷劑在蒸發(fā)器中的沸騰換熱,除管內(nèi)流動(dòng)沸騰外,根據(jù)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式,還有制冷劑在管外沸騰換熱的情況,文獻(xiàn)[6]就基于滿(mǎn)液式蒸發(fā)器中制冷劑的換熱情況,對(duì)R407C等制冷劑在光管和W2TX、W2B兩種不同參數(shù)的強(qiáng)化管外沸騰換熱的情況進(jìn)行了研究,其中W2B管的翅片間距和翅片高度都較小。研究表明:R407C在W2B管外的沸騰換熱系數(shù)低于幾種純質(zhì)制冷劑,但在W2TX管外卻并非如此,文獻(xiàn)

[6]對(duì)這一強(qiáng)化現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)[7]也對(duì)R407C在水平管外的核態(tài)池沸換熱進(jìn)行了研究,得出換熱系數(shù)隨熱流率的變化關(guān)系,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與幾種關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

3.2凝結(jié)換熱

非共沸混合制冷劑的凝結(jié)換熱過(guò)程也不同于純工質(zhì),而這一換熱過(guò)程也是制冷空調(diào)系統(tǒng)中重要的換熱過(guò)程,與沸騰換熱相比,制冷劑混合物的凝結(jié)換熱研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[8]對(duì)R407C在外徑為9.52mm的水平光管內(nèi)的凝結(jié)換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出了在一定的飽和溫度、質(zhì)量流率和熱流率下,R407C的管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)隨干度的變化關(guān)系,并將實(shí)驗(yàn)據(jù)與已有關(guān)系式進(jìn)行了比較,指出Dobson和Chato關(guān)系式能很好的預(yù)測(cè)非共沸混合工質(zhì)的凝結(jié)換熱系數(shù)[9]。文獻(xiàn)[9]雖研究了純工質(zhì)在水平光管內(nèi)的凝結(jié)換熱,但基于流型所提出了換熱關(guān)系式具有較寬的適用范圍,并且也適用于R407C等混合工質(zhì)的凝結(jié)換熱,這一結(jié)論也在文獻(xiàn)[8]中得到了驗(yàn)證。成昌銳等對(duì)R407C在水平單管外的凝結(jié)換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[10],實(shí)驗(yàn)采用了一根光管和兩

根雙側(cè)強(qiáng)化管,分別在32℃、35℃、37℃、38℃、40℃五種冷凝溫度下,測(cè)定了R22和R407C的換熱系數(shù),得出了管外凝結(jié)換熱系數(shù)隨熱流密度的變化關(guān)系,R407C的管外凝結(jié)換熱系數(shù)隨熱流密度的增加而增加(這一變化趨勢(shì)與純工質(zhì)相反),且強(qiáng)化管增長(zhǎng)程度比光管要強(qiáng)烈,但始終遠(yuǎn)小于R22,指出這是由于R407C這一非共沸工質(zhì)在冷凝時(shí)所形成的氣體擴(kuò)散膜的阻礙作用造成的。

3.3強(qiáng)化換熱技術(shù)

制冷空調(diào)系統(tǒng)的小型化、節(jié)能化促進(jìn)了換熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展,非共沸混合工質(zhì)與純和共沸工質(zhì)相比,由于傳質(zhì)阻力等因素的影響,存在著傳熱惡化的現(xiàn)象,而這種傳熱損失可用制冷劑側(cè)換熱表面的強(qiáng)化技術(shù)來(lái)補(bǔ)償,所以非共沸混合工質(zhì)的出現(xiàn)也促進(jìn)了換熱強(qiáng)化技術(shù)。對(duì)換熱表面的強(qiáng)化目前研究較多的是螺紋管或肋片管,文獻(xiàn)[3～5]對(duì)R407C在內(nèi)螺紋強(qiáng)化管中的沸騰換熱特性進(jìn)行研究,文獻(xiàn)[6]對(duì)R407C在外肋管表面的核態(tài)沸騰性能進(jìn)行研究,文獻(xiàn)[10]對(duì)R407C在雙側(cè)強(qiáng)化的低肋管外的凝結(jié)換熱進(jìn)行研究。近年來(lái),基于螺紋管的強(qiáng)化機(jī)理又發(fā)展起來(lái)了幾種傳熱效果更好的表面強(qiáng)化技術(shù),如人字型螺紋管、變參數(shù)螺紋管、交叉螺紋管[11、12、14]等。不同的螺紋間距、形狀、高度、排列方式、旋轉(zhuǎn)角度等對(duì)換熱效果有著不同的影響,而換熱效果

的增強(qiáng)一般是以壓降的增加為代價(jià)的,所以換熱面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是向高換熱效果、低壓降的方向努力。以上分析可見(jiàn),R407C兩相換熱性能的研究已經(jīng)比較全面,研究結(jié)果表明:R407C的兩相換熱性能比R22差。在研究中所涉及的影響因素也很多,如制冷劑的熱物理性質(zhì)、熱流密度、質(zhì)量流率、流型、干度、溫度、壓力、潤(rùn)滑油,換熱管的形狀、尺寸及表面狀況等。

4整機(jī)性能及零部件適應(yīng)性的研究

當(dāng)對(duì)新制冷劑的基礎(chǔ)研究取得一定進(jìn)展后,就應(yīng)對(duì)制冷劑替代后整機(jī)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,以了解制冷空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用新制冷劑后的整機(jī)的運(yùn)行情況、性能變化及存在的問(wèn)題,為新制冷劑全面替代提供參考。另外,由于系統(tǒng)是針對(duì)原制冷劑設(shè)計(jì)的,故替代后必然存在一些零部件的適應(yīng)性問(wèn)題,所以也應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析與認(rèn)真研究,使替代研究更為全面,更為深入。

4.1整機(jī)性能的研究

制冷系統(tǒng)都是針對(duì)一定的制冷劑設(shè)計(jì)的,雖然R407C的蒸氣壓曲線與R22很接近,但其熱物性、遷移性質(zhì)、傳熱性能等都與R22有所不同,這對(duì)制冷空調(diào)系統(tǒng)的性能都會(huì)產(chǎn)生影響,所以必須經(jīng)過(guò)整機(jī)試驗(yàn),在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一些局部的調(diào)整或改進(jìn),使系統(tǒng)的制冷/熱量、能效比、性能系數(shù)等指標(biāo)達(dá)到較高的水平。李樹(shù)林等對(duì)R407C應(yīng)用于空調(diào)器整機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)選擇一標(biāo)準(zhǔn)工況作為計(jì)算的基礎(chǔ),測(cè)定系統(tǒng)以R22為工質(zhì)的各項(xiàng)性能指標(biāo),作為更換工質(zhì)后對(duì)比試驗(yàn)的依據(jù),然后使用R407C及相應(yīng)的潤(rùn)滑油進(jìn)行調(diào)整性試驗(yàn)。在調(diào)整性試驗(yàn)中,根據(jù)R407C系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果對(duì)試驗(yàn)機(jī)的換熱器管路、毛細(xì)管尺寸、充液量等做相應(yīng)的調(diào)整并進(jìn)行試驗(yàn),最后制成R407C樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。谷波對(duì)R407C在一冷量為6kW、環(huán)境溫度為35℃的分體式空調(diào)中的性能進(jìn)行了對(duì)比研究,指出由于R407C傳熱特性較差,為了保證相同的冷量,在替代時(shí)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)采取相應(yīng)的調(diào)整措施,一方面使換熱器面積大大增加,另一方面因換熱器中的溫度梯度,對(duì)管路應(yīng)作特別布置。文獻(xiàn)[17、18]中對(duì)R407C在房間空調(diào)器中的替代進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。理論計(jì)算表明:在所選的計(jì)算工況下,與R22相比,R407c的制冷量為102%,制冷系數(shù)為96%,排氣壓力高3262kPa,排氣溫度低9.2℃,可以作為R22的直接替代制冷劑。試驗(yàn)對(duì)制冷劑充注量、毛細(xì)管長(zhǎng)度等分別作了改動(dòng),使替代后制冷量增加,能效比降低;并得出了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、制冷量等參數(shù)隨充注量和毛細(xì)管長(zhǎng)度的變化關(guān)系,指出以R407C替代R22時(shí),毛細(xì)管長(zhǎng)度要減小,制冷劑充注量要降低。

4.2零部件適應(yīng)性的研究

替代工質(zhì)的應(yīng)用會(huì)影響到制冷空調(diào)系統(tǒng)各主要部件的變革,也就是說(shuō),制冷壓縮機(jī)、換熱器、節(jié)流元件及潤(rùn)滑油,干燥過(guò)濾器等均應(yīng)與新制冷劑相適應(yīng),對(duì)R407C來(lái)講也是如此。

4.2.1壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是制冷空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,當(dāng)系統(tǒng)采用新工質(zhì)時(shí),首先應(yīng)考慮壓縮機(jī)的適用性,這種適用性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是壓縮機(jī)的壓縮性能是否和新工質(zhì)的壓力特性相適應(yīng);二是壓縮機(jī)采用的潤(rùn)滑油是否與新工質(zhì)具有很好的互溶性。R407C等HFC類(lèi)工質(zhì)與R22系統(tǒng)采用的礦物油不相溶,必須使用具有極性的合成油。文獻(xiàn)[18]在整機(jī)性能試驗(yàn)中,對(duì)壓縮機(jī)采用SW68型酯類(lèi)油、ZL150TD型烷基苯油兩種不同潤(rùn)滑油的性能進(jìn)行了比較,表明采用酯類(lèi)潤(rùn)滑油時(shí)系統(tǒng)的性能較好。

成莉等研究了R407C在變頻壓縮機(jī)中的適用性[19],通過(guò)對(duì)R407C和R22熱力性能的比較發(fā)現(xiàn),從R407C的壓縮終溫和終壓來(lái)看,不需提高現(xiàn)有壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度就可進(jìn)行系統(tǒng)的工質(zhì)替換。在潤(rùn)滑油的使用方面指出,因R407C不含氯元素,無(wú)極壓效果,臨界潤(rùn)滑區(qū)域滑動(dòng)面的潤(rùn)滑性存在惡化現(xiàn)象,可通過(guò)在酯類(lèi)油中加入添加劑的方法來(lái)解決。

4.2.2節(jié)流元件

毛細(xì)管是小型制冷空調(diào)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的節(jié)流元件,S.G.Kim研究了R22、R407C在不同尺寸毛細(xì)管中的性能[20]。實(shí)驗(yàn)在3種冷凝溫度40℃、45℃、50℃和3種過(guò)冷度1.5℃、5℃、10℃下,對(duì)制冷劑在直形和盤(pán)繞毛細(xì)管中的質(zhì)量流率特性進(jìn)行了研究。基于所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),考慮毛細(xì)管參數(shù)、入口條件和制冷劑性質(zhì),得出預(yù)測(cè)毛細(xì)管內(nèi)制冷劑質(zhì)量流率的關(guān)系式,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在±12%范圍內(nèi)。在相同的毛細(xì)管參數(shù)和入口條件下,R407C的質(zhì)量流率比R22平均高4%,并且盤(pán)管的質(zhì)量流率小于直管,減小程度與盤(pán)繞直徑相關(guān)。文獻(xiàn)[21]也對(duì)R22、R407C等在毛細(xì)管中的特性進(jìn)行了研究,建立了制冷劑流動(dòng)特性的數(shù)學(xué)模型,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了依據(jù)。

4.2.3換熱器

R407C的相變換熱系數(shù)小于R22,這種混合工質(zhì)換熱惡化的現(xiàn)象必然會(huì)對(duì)換熱器的性能產(chǎn)生影響。Ebisu和Torikoshi較早的研究了這一問(wèn)題[22],實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)用空氣冷卻的換熱器,當(dāng)空氣逆流穿過(guò)換熱器時(shí),因利用了R407C溫度滑移的優(yōu)勢(shì)補(bǔ)償了換熱的惡化,所以換熱器性能與R22幾乎一致,但采用順流布置時(shí),性能劣于R22。干式蒸發(fā)器是制冷空調(diào)系統(tǒng)常用的換熱器型式,對(duì)于給定的換熱器面積,當(dāng)綜合考慮換熱和壓降時(shí),最佳性能應(yīng)對(duì)應(yīng)一最佳的換熱管數(shù)目。文獻(xiàn)[23]用計(jì)算機(jī)程序?qū)Ω墒綒す苁秸舭l(fā)器的模擬計(jì)算表明,R407C和R22的最佳管數(shù)目?jī)H有很小的差別。但當(dāng)蒸發(fā)器面積、進(jìn)出口參數(shù)、熱源流體溫降等參數(shù)變化時(shí),這一最佳管數(shù)目可能會(huì)發(fā)生較大變化。

當(dāng)以空氣為熱源的熱泵系統(tǒng)在冬季供暖時(shí),蒸發(fā)器的外表面出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象,系統(tǒng)采用R407C為工質(zhì)時(shí),其溫度滑移會(huì)影響霜層在蒸發(fā)器各個(gè)部位的積累,文獻(xiàn)[24]通過(guò)建立以空氣為熱源的熱泵系統(tǒng)的翅片式蒸發(fā)器的分布參數(shù)模型,對(duì)此類(lèi)蒸發(fā)

器的結(jié)霜過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

J.H.Lee對(duì)以R22和R407C為工質(zhì)的片管式冷凝器的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[25],建立了一個(gè)獲得空氣側(cè)和制冷劑側(cè)換熱量的實(shí)驗(yàn)設(shè)施,并提出了一種考慮沿管長(zhǎng)方向制冷劑溫度滑移和空氣流動(dòng)不均勻分配的冷凝器性能的數(shù)值程序。實(shí)驗(yàn)中,對(duì)制冷劑采用了U型、Z型兩種不同的流動(dòng)方式,Z型路徑時(shí),采用R22的冷凝器性能比R407C好,但U型路徑卻沒(méi)多大差別;并且R22得到的數(shù)值結(jié)果比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均高10.1%,但用R407C的數(shù)值結(jié)果比實(shí)驗(yàn)數(shù)