r32壓縮機(jī)的應(yīng)用

r32壓縮機(jī)的應(yīng)用

2013年，中國完成了hc模式減少的10%的任務(wù)，并逐步減少了其產(chǎn)量。在解決環(huán)境問題的同時(shí),為了維持制冷空調(diào)行業(yè)的持續(xù)繁榮成長,需要新的R22替代物投入市場。盡快研發(fā)取代R22的新制冷劑應(yīng)用技術(shù)成為一項(xiàng)緊急課題。在一些發(fā)達(dá)國家,R410A成為主要的替代制冷劑。但是考慮到中國制冷空調(diào)行業(yè)的飛速發(fā)展,新一代制冷劑必須要超過R410A,不僅要考慮保護(hù)臭氧層,而且要積極考慮降低溫室效應(yīng)。為了解決這些環(huán)境課題,針對(duì)單元機(jī),主要提出的替代物有具有微燃性的氟化物制冷劑R1234yf和R32,以及這兩者的混合物。另外,熱工性能好、GWP值接近0,但是具有極強(qiáng)可燃性的碳?xì)浠衔锉橐矀涫懿毮俊?duì)使用制冷劑比較多的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng),CO2也被列為候補(bǔ),但是大多數(shù)研發(fā)工作主要致力于提高能效。至于螺桿機(jī)和離心機(jī)等大型冷水機(jī),主要技術(shù)研發(fā)工作都集中到R1234yf和R1234ze這2種制冷劑上。值得關(guān)注的是,為了解決R1234yf和R32以及丙烷的可燃性安全問題,世界各國的空調(diào)廠家和制冷劑廠家以及制冷劑可燃性、安全性的專家們正在就IEC,ISO以及ASHRAE的安全性標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向進(jìn)行探討,討論如何制定安全使用微燃性以及可燃性制冷劑的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與以往的制冷劑不同,對(duì)于微燃性以及可燃性制冷劑,須要對(duì)其進(jìn)行在實(shí)際使用狀態(tài)下的安全性評(píng)價(jià),以制定新的安全標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于可燃制冷劑的安全問題,在IEC60335-2-40安全標(biāo)準(zhǔn)中,已經(jīng)規(guī)定了可以安全使用的可燃性制冷劑的充注量。同時(shí),ASHRAEStd34和ISO817標(biāo)準(zhǔn),也對(duì)可燃性制冷劑劃分了燃燒等級(jí),針對(duì)在實(shí)際使用時(shí)燃燒性很弱,接近于不燃的制冷劑新設(shè)了2L等級(jí),使世界的安全標(biāo)準(zhǔn)在安全使用可燃性工質(zhì)的課題上有了長足的進(jìn)步,筆者不準(zhǔn)備對(duì)這方面做詳細(xì)的描述。除了多聯(lián)機(jī)以外的家用和商用單元機(jī),安全性的問題基本得到解決,已經(jīng)達(dá)到了可以實(shí)際應(yīng)用的水平。圖1列舉了R32所面臨的研發(fā)課題。R32的分子結(jié)構(gòu)與R22的相近,都屬于甲烷系列,與具有3個(gè)碳原子的丙烷以及具有3個(gè)碳原子和1個(gè)雙鍵的R1234yf的相比,其原子數(shù)和相對(duì)分子質(zhì)量都較小。同時(shí)與R22相比其相對(duì)分子質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)都低,但是單位體積的制冷量卻是R22的1.6倍。按照一般的規(guī)律,相對(duì)分子質(zhì)量小的制冷劑的比熱容較小,在同一壓力下的理論排氣溫度要高一些。R32也符合這個(gè)規(guī)律,其排氣溫度比R22以及R410A的要高將近20℃。壓縮機(jī)的排氣溫度高,則壓縮機(jī)的可靠性是一個(gè)很大的課題,將會(huì)出現(xiàn)加快潤滑油的劣化、加快壓縮機(jī)中各種樹酯材料的劣化以及降低潤滑油的黏度使軸承的磨損加大等問題。眾所周知,使用電子膨脹閥控制壓縮機(jī)吸氣干度,或者在壓縮過程中注入液體或者氣體,均可以對(duì)壓縮機(jī)有冷卻效果,可以降低壓縮機(jī)的排氣溫度。同時(shí),選擇恰當(dāng)?shù)臐櫥鸵源_保制冷劑和潤滑油的互容性也非常重要。筆者主要將焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)用電子膨脹閥控制壓縮機(jī)吸氣干度這項(xiàng)技術(shù),并對(duì)潤滑油進(jìn)行改進(jìn)以降低排氣溫度。1中壓制冷對(duì)容積制冷量、排氣溫度和比熱容比的影響表1列舉了部分制冷劑的熱力學(xué)特性。表中的熱工性能以及壓力是在蒸發(fā)溫度為0℃,冷凝溫度為45℃,過熱度和過冷度均為0℃的理論計(jì)算結(jié)果。從表中可以看到,沒有一個(gè)制冷劑是完美的,不是效率低,便是可燃或者GWP值高等,這就要求要根據(jù)實(shí)際情況選擇制冷劑使其物盡其用。圖2和圖3分別給出了各種制冷劑的容積制冷量以及比熱容比和排氣溫度的關(guān)系。從圖中可以看到,制冷劑在容積制冷量、排氣溫度和比熱容比上有一定的內(nèi)在關(guān)系。比熱容比越大,排氣溫度就越高,制冷量也越大。換一句話說,排氣溫度高正說明這個(gè)制冷劑是一個(gè)具有優(yōu)良熱工性能的制冷劑。眾所周知,氨(R717)雖然有毒性和腐蝕性,不適用于一般空調(diào),但是做為制冷劑具有極為優(yōu)秀的熱工性能。氨也是排氣溫度高,但是其制冷量非常大,壓力損失小,COP很高,應(yīng)用在工商冷凍方面有很長的歷史。筆者對(duì)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普及了的R410A和今后期望能夠得到普及的R32的理論性能與R22進(jìn)行比較。圖4～圖6所示分別為容積制冷量、COP和排氣溫度的比較。如圖4所示,一般對(duì)R410A和R32這樣的高壓制冷劑來說,在與中壓制冷劑R22相比時(shí),蒸發(fā)溫度越低,其容積制冷量便增加越大。而COP的情況則有所不同,如圖5所示,R32和R410A均低于R22。特別是410A如果沒有過冷度,其能效降低會(huì)更加顯著。從圖6可以看到,R410A的排氣溫度和R22的相當(dāng),而對(duì)R32來說正如前所述,其排氣溫度高出R22的很多。在圖4中,特別值得一提的是,環(huán)境溫度越低,R32與R22的容積制冷量比就越高,這意味著環(huán)境溫度越低其熱工性能就相對(duì)越好。筆者認(rèn)為,這對(duì)在寒冷地區(qū)推廣熱泵供暖非常有利。2解決排氣溫度問題2.1不同壓縮機(jī)排氣干度時(shí)的結(jié)果表2給出了中國各個(gè)地區(qū)的空調(diào)設(shè)計(jì)溫度。在供暖時(shí)將蒸發(fā)溫度與供暖設(shè)計(jì)溫度的溫差設(shè)為10.5℃,這時(shí)供暖最低蒸發(fā)溫度分別為沈陽-32℃,北京-21℃。從圖6可以看到:在北京,-21℃蒸發(fā)溫度時(shí)排氣溫度比R22高27℃;在沈陽,-32℃蒸發(fā)溫度時(shí)排氣溫度比R22高31℃。圖6為假設(shè)壓縮機(jī)效率為100%時(shí)的結(jié)果,所以實(shí)際的排氣溫度還要高。圖7所示為不同壓縮機(jī)吸氣干度時(shí)R32排氣溫度的變化。這時(shí)的壓縮機(jī)效率分別假設(shè)為50%和60%,同時(shí)對(duì)40℃,45℃和50℃三個(gè)冷凝溫度進(jìn)行了計(jì)算。比如以在北京供暖為例,在系統(tǒng)蒸發(fā)溫度-20℃,冷凝溫度45℃時(shí),如果壓縮機(jī)效率為50%,吸氣干度為1,排氣溫度則為170℃,這實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。但是可以利用降低吸氣干度來降低排氣溫度。比如想將排氣溫度降到135℃以下時(shí),將吸氣干度設(shè)為0.93即可。如果想將排氣溫度壓到120℃以下時(shí),將吸氣干度設(shè)為0.90即可。但是如果盲目地降低干度,會(huì)使壓縮機(jī)壓縮液體或者降低潤滑油黏度而使軸承受損。為了避免這樣的事發(fā)生,要根據(jù)壓縮機(jī)和潤滑油的特性,事先掌握好降低干度的極限。這并不是一件很困難的事情,只要掌握與理解壓縮機(jī)的特性便可以把握住實(shí)際操作的極限。另外,由于一部分液體用來冷卻壓縮機(jī),會(huì)導(dǎo)致一些能效的降低。但是,在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中,出現(xiàn)這種情況的幾率非常低(供暖設(shè)計(jì)溫度出現(xiàn)幾率為0.4%),對(duì)一年的能效影響可以忽略不計(jì)。蒸發(fā)溫度低于-30℃時(shí),排氣溫度升高更加顯著,須要進(jìn)一步降低吸氣干度,同時(shí)為了確保壓縮機(jī)不受損,還有可能需要在壓縮過程中注入液體或者氣體、或者對(duì)壓縮機(jī)材料和潤滑油進(jìn)行改進(jìn)。2.2復(fù)合膨脹閥實(shí)驗(yàn)為了確保壓縮機(jī)的可靠性,在高排氣溫度的狀態(tài)下,對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行了長期耐久實(shí)驗(yàn)。表3列出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的基本參數(shù)。以5hp商用變頻機(jī)為樣機(jī),對(duì)電子膨脹閥的控制程序進(jìn)行了改進(jìn),使壓縮機(jī)的排氣溫度保持在120℃或者135℃上。壓縮機(jī)為高壓腔渦旋壓縮機(jī)。潤滑油以R410A的潤滑油為基礎(chǔ),對(duì)其進(jìn)行了一些改良,以改進(jìn)與R32的相溶性。制冷劑和潤滑油的分離溫度在10℃左右,這和R22與SUNISO4GS潤滑油的分離溫度相當(dāng)。為了維持一定的排氣溫度,須要控制實(shí)驗(yàn)室的空氣溫度保持不變。為此,將室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)放在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi),并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)另外設(shè)置一臺(tái)空調(diào)室內(nèi)機(jī),由這臺(tái)空調(diào)控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度,并保持一定。實(shí)驗(yàn)條件如表4所示。排氣溫度分別設(shè)為120℃和135℃。為了加快潤滑油的劣化,分別在潤滑油中混入3000ppm(1ppm=1×10-6)的空氣,在制冷劑中混入140ppm以及500ppm的水分。表4還列出了經(jīng)過3000h強(qiáng)化耐久實(shí)驗(yàn)以后潤滑油的劣化結(jié)果。通?？偹嶂档目煽啃陨舷逓?.1mgKOH/g,所有的結(jié)果都在該值以下。雖然有2個(gè)結(jié)果潤滑油變色不透明,但是總酸值指標(biāo)合格,所以在實(shí)際應(yīng)用上沒有問題?！啊稹敝柑砑觿堄嘣?0%以上,“△”指添加劑殘余不到20%。從這些結(jié)果可以得出結(jié)論,在排氣溫度為135℃時(shí),只要制冷劑中水分保持在140ppm以下,從實(shí)用的角度判斷長期可靠性沒有問題。圖8所示為3000h耐久實(shí)驗(yàn)后的電子膨脹閥分解照片。結(jié)果顯示,各個(gè)部件情況良好,沒有看到任何腐蝕、油泥沉積的現(xiàn)象,可以斷定長期可靠性沒有問題。3不同熱風(fēng)非熱吸濕干度時(shí),其煙氣干度也為零或降低干度發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,只要對(duì)制冷系統(tǒng)中的水分和空氣進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓芾?使混入的雜質(zhì)抑制到一定水平以下,將排氣溫度控制在135℃以下時(shí),R32的長期可靠性問題可以圓滿地得到解決。但是,因壓縮機(jī)的型號(hào)以及潤滑油的種類不同,這個(gè)結(jié)果也會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)筆者認(rèn)為,在蒸發(fā)溫度為-20℃以及冷凝溫度45℃時(shí),只要將吸氣干度控制在0.93,就可以使排氣溫度保持在135℃以下。這個(gè)溫度條件基本上與北京地區(qū)的熱泵供暖工況相符。另