1、第 28 卷第 5 期2009 年 10 月建 筑 热 能 通 风 空 调BuildingEnergy&EnvironmentVol.28 No.5Oct. 2009.14收稿日期： 2009-2-25作者简介：盛健（ 1985），男，硕士研究生；上海市杨浦区军工路 516 号上海理工大学 8 号信箱（ 200093）； 021-55272771；E-mail: 基金项目：上海市重点学科建设项目（ S30503）低温复叠机组中 R404A/R23 替代 R22/R13 的理论研究盛健 周志钢 吴兆林 王维 马勇上海理工大学制冷技术研究所摘 要：本文采用 R404A/R23 替代 R22/R13
2、 在低温复叠制冷机组中的使用 。从理论上计算和比较分析了替代的可能性 。结果发现从总体上而言，替代是可行的，对机组的效率 、制冷量等方面的影响不大；但就具体的一些细节方面尚需做出改进，本文也做出了阐述 。关键词：热工学 制冷剂替代 低温复叠 环保Theoretical Study on R404A/R23 Displace R22/R23 Used in the ClassicalCascade RefrigerationSHENG Jian, ZHOU Zhi-gang, WU Zhao-lin, WANG Wei, MA YongInstitute of Refrigeration Tec
3、hnology and Engineering, University of Shanghai for Science and TechnologyAbstract: The alternative refrigerant R404A/R23 and R22/R13 was compared in the using of classical cascaderefrigeration machine. It was found that the displacement of the four kinds of refrigerant was feasible. The alternative
4、refrigerants used in machine also have a good COP and it worked steady, but some parts have to change to get a bettercondition.Keywords: thermodynamics, alternative refrigerant, low temperature classical cascade refrigeration, environmentalfriendly文章编号： 1003-0344（ 2009） 05-001-50 引言在低温生物保存 、低温医学 、电子
5、传感器冷却 、材料与物品低温条件下的测试和天然液化气（ LNG）等领域，大量需要 -50以下的低温，这使得低温复叠机组广泛使用 。目前这些机组所用的制冷剂主要是R22/R13，表 1 列出了目前国内主要复叠机组生产厂家的产品 。R22 是 HCFCs 类物质， R13 是 CFCs 类物质，根据 关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书 的规定，前者将过渡使用 、最终被淘汰，后者已在发达国家禁用12。因此，制冷剂替代技术的研发及使用已成为当今制冷空调行业的热点研究课题 。本文就低温复叠制冷机组制冷剂替代的一种方案进行理论研究 。1 低温复叠机组简介复叠式低温机组由两种或两种以上的制冷剂及其制冷循环复
6、叠而成，图 1 为典型的两级复叠制冷循环 。循环的高温级采用 R22 或 R134a 或 R404A 等沸点较高的中温制冷剂，低温级则采用 R13 或 R23 或表 1 目前国内主要复叠机组产品表2009 年建 筑 热 能 通 风 空 调2R170 等沸点较低的低温制冷剂35。制冷系统高温级冷凝温度为 40，低温级的蒸发温度可达 -65，蒸发冷凝器中的传热温差 510。此外为了防止机组停机后低温侧因温度升高 、低温制冷剂大量气化，使系统压力过高，要在低温侧连接一个膨胀容器 。低温侧和高温侧应分设两个油分离器，可以有效地防止润滑油进入热交换器，减少传热热阻 。电磁阀用于阻止系统停止运行时两部分系
7、统中的高压制冷剂液体窜入蒸发器，造成系统再启动过程中，大量制冷剂液体涌入压缩机，发生液击事故 。用于环境试验设备中的低温复叠机组，还应设排气冷却器 、气液分离器以及各种保护措施，以免温度变化较大，产生排气过热或回油困难 。2 制冷剂替代原则制冷剂是制冷机中的工作介质，制冷空调设备就是通过制冷剂在系统各部件之间循环流动，在伴随制冷剂自身热力状态发生变化而与外界发生能量交换，最终实现从低温热源吸收热量并向高温热源排放热量的目的 。因此制冷剂必须满足一定的热力学要求和工程应用的特性67，此外，随着环境和安全问题的突出，对制冷剂的要求越来越高 。新制冷剂的研究 、制冷剂的替代和选择等成为热点问题 。1
8、）热力学要求在大气压力下，蒸发温度（沸点）要低，这样才能制取较低的温度；冷凝压力也应尽量的低，以免对高压工作的压缩机 、冷凝器和管道的强度要求过高；制冷剂的单位容积制冷量要尽量的大，这样可以缩小压缩机尺寸和减少制冷剂的循环量；当然离心式压缩机的制冷剂不同，制冷剂的单位容积制冷量应小一些，避免带来制造小尺寸叶轮的困难；制冷剂的临界温度要高些，冷凝温度要低些，以便在常温或普通低温下能够液化；同时，制冷剂的凝固温度要低一些，以增大其使用范围 。2）物理化学要求制冷剂粘度应尽量小，以减小管道流动阻力；导热系数要大，以减少换热器的面积；应具有一定的吸水性，不至于在系统中形成 “冰塞 ”，影响正常工作；制
9、冷剂与油的互溶性：最好是能够任意比例互溶，能够为系统润滑创造良好的条件，又不至于在换热器上形成油膜，影响换热效果；应具有化学稳定性，不燃烧 、不爆炸 、不分解 、不变质，同时，对管道金属没有显著的腐蚀作用，对密封材料的溶胀作用小 。3）安全与环保要求安全性，应无毒和不可燃，适用于各种场合； 环境指标：制冷剂的 ODP（ Ozone DepletionPotential）应尽量小，最好为 0； GWP（ Global WarmingPotential）应尽量小； TEWI（ Total Equivalent WarmingImpact）和 LCCP（ Life Cycle Climate Per
10、formance）都应满足相关规定的要求 。3 复叠机组中制冷剂物性比较3.1 复叠制冷机组中常用的制冷剂对于二元复叠低温制冷系统，高温侧制冷剂通常采用 R22、R404A、R134a 等，表 2 给出了它们在最低使用温度时的饱和温度和压力8。低温侧制冷剂通常采用 R13、R23、R508B 等，表 3 给出了它们的饱和温度和压力8。本文主要研究复叠机组中高温侧 R404A 替代R22，低温侧 R23 替代 R13。3.2 复叠机组高温侧 R404A 替代 R22 分析基本物性比较见表 4。1 高温级压缩机； 2 油分离器； 3 冷凝器； 4 干燥过滤器； 5 膨胀阀； 6 蒸发冷凝器；7 低
11、温级压缩机； 8 膨胀容器； 9 低温级油分离器； 10 低温级蒸发器图 1 典型的低温复叠制冷机组原理图表 2 高温侧常用制冷剂饱和温度和压力表 3 复叠式制冷系统低温侧常用制冷剂饱和温度和压力盛 健等：低温复叠机组中 R404A/R23 替代 R22/R13 的理论研究第 28 卷第 5 期 3从表 4 可以看出：R404A 比 R22 环保性好 、安全性高 、工作压力略高；R404A 等熵指数比 R22 小，在相同温度和压力下， R404A 机组压缩机排气温度更低；R404A 的温度滑移仅为 0.8，属于近共沸制冷剂，可以看作是单一制冷剂，在蒸发器和冷凝器内的传热性能与 R22 很接近；
12、在很大的温度范围内， R404A 中水的溶解性数值远远大于 R22 中的水溶解数值，所以 R404A 对水的要求更为苛刻；R404A 液体比热比 R22 高，意味着在膨胀过程中，损失了更大一部分蒸发焓以冷却通过膨胀阀的工质液体，所以 R404A 机组中，要加大冷凝器出口处制冷剂的过冷度；R404A 液体导热性比 R22 低 20，换热器中传热效率较低，机组的换热器面积要大； 在很大温度范围内， R404A 液体粘度比 R22小 30左右，因此流动阻力小，从而使蒸发器和冷凝器出入口温差较 R22 小；在很大温度范围内， R404A 的表面张力比 R22小，这有利于其蒸发；R404A 的滑移温度虽
13、低，但其始终是混合工质，因此，泄漏是一个需要特别注意的问题 。R404A 的组分为 HFC125、HFC143a 和 HFC134a，三种组分的沸点分别为： -48.45、-47.75和 -26.4，配比分别为44、52和 4。组分 HFC125 和 HFC143a 的沸点较低且很接近，所以优先蒸发 。由于 HFC125 和 HFC143a共占 96，所以当机组发生少量泄漏时，制冷剂组分变化不大，向系统中补充制冷剂时，可以直接充注新的 R404A，而无需抽空系统中剩余的制冷剂 。综上所述， R404A 和 R22 的物性基本相同，可以用于替代 。3.3 复叠机组低温侧 R23 替代 R13 分
14、析传统的可以应用于 -80温区的复叠制冷系统中低温级的制冷剂有 R13（ CClF3） 、R23（ CHF3）和二者的混合物 R503。由于 R13 中含有 Cl 元素，出于环境保护的考虑，属于被淘汰和禁用的制冷剂，所以 R503 因含有 R13 也将禁用 。R23 是可以长期使用的环保性制冷剂，两者物性参见表 5。利用 REFPROP 对两个制冷剂的饱和蒸汽压进行计算，可以看出同一温度下 R23 的饱和蒸汽压高于R13，这表明 R13 用于实现低于 -80温区时，蒸发压力会很低，对于实际系统来讲，会在很大程度上影响系统效率 。同时，由于低蒸发压力，导致容积制冷量减小，在获得相同的制冷效果时，
15、应采用排气量更大的压缩机 。经计算可知，从系统制冷量看， R23 单位制冷量比R13 高 4，但由于其压缩功率增大更大，因此使其能效比较 R13 低 10。在相同工况下 R13 的排气温度较 R23 低的多且在压缩机允许的安全运行排气温度范围内，这对保证润滑油性能和延长压缩机使用寿命有利 。低温侧润滑油的要求较高 。R13 通常配用矿物油，如国产 N46 冷冻油，矿物油在低温下易分离凝结脱蜡，需加添加剂 。R23 使用 POE 酯类润滑油，该类油不存在脱蜡的问题，但存于换热器时影响换热，所以系统需要设置高效油分离器 。从以上比较可知，应重点关注制冷剂的热力性能 。4 制冷剂替代的理论计算本文对
16、 R22/R13 和 R404A/R23 在固定高温级冷凝温度 40、蒸发温度分别为 -50、-55、-60和-65，过冷度 5，高温级吸气过热度 15，低温级吸气过热度 30，压缩机余隙容积 4，等熵压缩指数0.7 时，理论性能进行计算，结果见图 25。从图 25 可以看出：R404A 压比比 R22 小，泄漏小 、容积效率高；表 4 R22 和 R404A 的主要物性参数表 5 R13 和 R23 主要物性参数表MPa参 考文献1 旷玉辉 , 王如竹 , 余立强 . 太阳能热泵供热系统的实验研究 J.太阳能学报 , 2002, 23(4): 408-4132 刘杰 . 太阳能 - 空气复合
17、热源热泵机组的模拟研究 D. 天津 :天津城市建设学院 , 20063 蒋能照 . 空调用热泵技术与应用 M. 北京 : 机械工业出版社 ,19974 丁国良 , 张春路 . 制冷空调装置仿真与优化 M. 北京 : 科学出版社 , 20015 中国气象局气象信息中心气象资料室 , 清华大学建筑学院建筑技术科学系 . 中国建筑热环境分析专用气象数据集 M. 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2005（上接 28 页）!2009 年建 筑 热 能 通 风 空 调4R23 压比则显著高于 R13，而压比过高易引起压缩机排气温度上升 、效率降低和功耗增大，甚至造成制冷剂和润滑油分解，对系统不利； R4
18、04A/R23 机组的 COP 在低温蒸发温度为-50以上时略高于 R22/R13 系统，但是在蒸发温度为-55-65区间内反而比 R22/R13 机组低 10左右，说明 R404A/R23 机组更适合于稍高蒸发温度的系统，总的来说， R404A/R23 仍可作为 R22/R13 的替代工质；R404A 排气温度明显低于 R22，这点对压缩机的可靠性有利，主要归因于 R404A 较小的绝热压缩指数，而 R23 排气温度则较 R13 高 40左右，在系统设计时可通过对压缩机缸体通冷却水或在压缩机顶部加装散热风扇等措施来降低压缩机的排气温度，提高机组的可靠性； R22 单位制冷量比 R404A 高
19、 20左右，而R23 单位制冷量比 R13 高 30左右，较高的单位制冷量意味着系统制冷剂充注量减少，可以减少制冷剂的泄漏；虽然 R23 单位压缩功比 R13 高 40左右，但其充注量较少，制冷剂循环量也较少，也并不会产生过多的冷凝热负荷；R404A 蒸发器的传热性能优于 R22，主要原因是一方面 R404A 质量流量较大，使蒸发器传热能力有所增强；另一方面 R404A 液体表面张力较小，更容易气化 。5 总结综合考虑各种制冷剂的物理化学性质，制冷系统的制冷量 、能效比，并结合其对压缩机运行稳定性 、寿命等的影响，以及对环境的影响等，本文认为R404A/R23 可以作为现行的 R22/R23
20、在低温复叠制冷机组中的替代，但是需要对系统采取必要的措施以提高机组的可靠性和效率 。参考文献1 马勇 . 低温复叠机组制冷工质替代研究 D. 上海 : 上海理工大学 , 20082 王智明 , 季红莉 , 张术学 . R404a/R23 复叠制冷机组设计中几个关键问题 J. 制冷与空调 , 2006, 6(2): 55-583 宣永梅 , 陈光明 . 制冷机型式对制冷剂替代的影响 J. 流体机械 , 2006, 34(8): 75-794 吴业正 . 小型制冷装置设计指导 M. 北京 : 机械工业出版社 ,19985 吴业正 . 制冷原理及设备 M. 西安 : 西安交通大学出版社 ,19976 张祉佑 . 制冷原理与设备 M. 北京 : 机械工业出版社 , 19937 郭智恺 . 氢氯氟烃制冷剂替代品的选择原则与初步探索 J. 制冷与空调 , 2008, 8(2): 53-578 曹德胜 , 史琳 . 制冷剂使用手册 M. 北京 : 冶金工业出版社 ,2003.图 2 单位制冷量随蒸发温度变化图 3 单位压缩功随蒸发温度变化图 4 压缩比随蒸发温度的变化图 5 排气温度随蒸发温度的变化
