R410A性能分析

    根据美国标准ANS1／ASHRAE34-19，对制冷剂的安全性主要考虑其毒性和可燃性。R410A是由R32、R125(50％ ：50％wt)组成的二元近共沸混合工质，无毒不可燃，属安全性制冷剂。制冷剂的环保性能主要由两个重要的环境指标来体现，即臭氧衰减指数ODP 和温室效应指数GWP，R410A的ODP =0，GWP =0．29，均优于R22(ODP为0．04～0．06，GWP为0．32～0．37)，即R410A的安全环保性能优于R22。热力性能是制冷剂筛选的 主要依据，替代工质的热力性能不能与原制冷剂有太大的差异，R410A热力性能与R22最为接近。我们给出的在压缩机转速为3500r／rain，制冷量 为4.2kW的测试条件下，可以看出，R410A的容积制冷量、能效比以及质量流量都与R22非常接近，但蒸发、冷凝压力比R22高。R410A属于近共 沸混合物，相变过程中气液相浓度变化微小，温度滑移小于0．1℃，运行较稳定。

    制冷剂在管内的流动沸腾换热是蒸发器中典型的换热过程，根据蒸发器的结果，对R410A管内流动沸腾换热及压降已进行了一些研究。1.水平光滑管其是组成 蒸发器的常用管型，制冷剂在水平管内的蒸发过程是研究制冷剂流动沸腾换热性能、进行蒸发器设计的基础，所以对于这一换热情况已进行了较多的研究。在空调实 际的蒸发和冷凝环境下，对R410A、R407C和R22在外径为7．0mm的水平光滑铜管内的局部表面传热系数和压降进行了试验研究。研究结果表明，在 干度为0．4时R410A的蒸发表面传热系数比R22高20％ ，但在干度为0．6时，两种制冷剂表面传热系数相近。R410A蒸发表面传热系数在度区( ≥0．4)符合得很好。蒸发和冷凝时的压降R410A比R22低30％。同时还推导出了R410A在蒸发和冷凝时的两相摩擦因子的经验公式。在蒸发温度分 别为一15．5~C和5~C，质量流量为70～2llk (m2·s)，热流量为5～15kW／m2的实验条件下，对R410A在外径为9．52mm和7mm的光滑管和微翅管中的蒸发换热特性进行了试验研究。并 且分析了质量流量、影响。试验结果表明，在所有实验中蒸发表面传热系数随质量流量和热流量的增加而增加。在低热流量(5kw／m2)时，R410A在外径 为7mm的光滑管与微翅管中的蒸发表面传热系数随蒸发温度的降低而升高，高热流量(15kW／m2)时则随蒸发温度的升高而升高。而在外径为9．52mm 的光滑管与微翅管中，蒸发温度对表面传热系数的影响可以忽略不计。研究了蒸发温度为4．4cC、外径为9．52mm的光管内R22和R410A的蒸发表面 传热系数，得出R410A的蒸发表面传热系数比R22高23％ ～63％ ，其压降比R22低20％ ～38％的结论。2.强化管为了加强制冷空调系统中换热器的换热效果，大多数换热器都采用了强化管，对于混合制冷剂R410A在强化管中的传热性能已有学 者进行了研究。对换热表面的强化目前研究较多的是螺纹管，对R410A在内螺纹强化管中的沸腾换热特性进行了研究。采用了外径为8．01mm、内径约为 7．30mm的传统内螺纹管和外径为8．00mm、内径约为7．24mm的人字形螺纹管测量了管内R22与R410A的蒸发表面传热系数及压降l6，试验 结果表明，在增强蒸发和冷凝换热中，人字形螺纹管比传统的螺纹管更有效。试验中还包括了微翅管，研究结果表明：R410A在9．52mm和7mm微翅管中 的平均蒸发表面传热系数明显优于光滑管。光滑管和微翅管的压降都随蒸发温度和质量流量的升高而增大。研究中还分析了质量流量、热流量、蒸发温度和管径对蒸 发表面传热系数的影响，并将R410A在微翅管中的强化换热因子作为质量流量、热流量、蒸发温度和管径的函数表现出来。3.制冷剂在蒸发器中的沸腾换热除 管内流动沸腾外，根据蒸发器的结构形式，还有制冷剂在管外沸腾换热的情况，基于满液式蒸发器中制冷剂的换热情况，对R410A等制冷剂在光管和W．TX、 W．B两种不同参数的强化管外沸腾换热的情况进行了研究。研究了多种工质包括R410A在饱和温度为0~C和20~C管外核态沸腾换热性能。 ，得出：对于w． Ⅸ 管，在给定的饱和温度下，R410A的表面传热系数最大；对于w．B管，R22和R410A的表面传热系数相当。

      凝结换热过程也是制冷空调系统中重要的换热过程，与沸腾换热相比，对混合制冷剂R410A的凝结换热及压降研究相对较少。

(1)水平光滑管，在对R410A水平光管流动实验研究中，同样得到冷凝时的表面传热系数和压降数据。实验结论表明，冷凝时R410A在所有干度范围内的 表面传热系数均比R22略低；在蒸发和冷凝时的压降，R410A比R22低30％。还提出经验公式符合X ≥0．4的实验数据l8 。在饱和蒸汽温度为39℃ 、壁面过冷度为3～8℃ 的工况下l9 ，对R22、R407C和R410A在水平管的实验中得出：近共沸混合物R410A的冷凝表面传热系数在水平光滑管中比R22高11．0％ ～17．4％ ；R410A的冷凝表面传热系数比前面推算出的结果高11．4％ ～17．7％ ；在饱和温度为3O～5O℃ 、质量流量为100～750kg／(m2·s)、蒸汽干度为0．15～0．85的条件下_1 ，对几种纯I-IFC制冷剂(R134a，R125，R236ea，R32)和R410A在水平光滑管中的凝结换热和压降特性进行了实验研究；分析了蒸汽 干度、质量流量、饱和温度和饱和温度与管壁之间的温差对表面传热系数的影响。并且得出：在环状流动和层状流动中可以很好地推算冷凝表面传热系数 ；(2)强化管中也涉及到了R410A在水平内螺纹管内的凝结换热，分别测量了普通螺纹管和人字形螺纹管R410A和R22的局部凝结表面传热系数和压 降，得出人字形螺纹管的局部表面传热系数在凝冷时大约是普通螺纹管的两倍，并提出了冷凝和蒸发时压降的经验公式。最近的实验研究中 ，采用了5种外径约为8．00mm的不同种类内螺纹管，形状包括普通螺纹管和人字形螺纹管；测量了R410A和R22在不同管内的凝结表面传热系数；并根 据公式得到了推算R410A和R22在普通螺纹管和人字形螺纹管中表面传热系数的经验公式 。实验中也采用了强化管：低肋管和C管。在与水平管同样的实验条件下测量得出了冷凝表面传热系数。R410A的冷凝表面传热系数在低肋管中比R22高 3．2％ ～6．7％ ，而C管中比R22低4．2％ ～5．2％。对于R22和R410A，turbo．C管的换热增强效果强于低肋管。采用了内径(翅根处)为6．49～8．88mm、翅高为 0．16～0．24mm、翅间距为0．34～0．53mm、螺旋角为12o～20o的6种微翅管 ，分别对R11、R123、R134a、R22和R410A的冷凝换热进行了实验研究。得到的制冷剂在水平微翅管内冷凝表面传热系数与已有的5种经验公式 和一个理论模型推测出的结果进行比较，并得出了各自的误差。为了得出当圆管变为扁管时流场特性的变化，还对压扁的9mm水平光滑管和微翅管进行R410A 的冷凝实验 。不仅验证了扁管处的制冷剂质量流量显著减少和压降随水力直径变化，观察到了扁管处的冷凝传热的强化，还得出了微翅管压降影响可以由当量粗糙度模拟出的结 论。4 R410A在节流元件中的性能研究R410A是房间空调和组合空调系统中R22的主要替代物。在小型制冷系统和空调系统中，毛细管简单经济，是最常用的节 流元件。毛细管管内流动复杂，其压降对整个系统的性能有着举足轻重的影响。以往的大量研究都是关注于R12和R22在毛细管中的性能，对R410A的研究 较少。对R22、R407C和R410A在几种空调毛细管中的性能进行了试验研究。试验中冷凝温度选择了40℃ 、45℃ 和50％，过冷度为1．5℃ 、5℃ 和10℃。在相同的试验条件下，将R407C和R410A质量流量与R22进行了比较。直毛细管的试验结果与盘旋毛细管也进行了比较。在考察了几种不同长 度内径的绝热毛细管中，R410A的平均质量流量比R22大23％。盘旋型毛细管与直线型毛细管相比，质量流量大为减少(特别是在盘旋型毛细管直径减小 处)。同时还在绝热毛细管试验数据的基础上，根据理论得出了毛细管的质量流量无纲量公式对R407C和R410A在家用空调器的毛细管中的压降进行了研 究。试验中冷凝温度为40℃ 、45℃、50℃ 、55oC；过冷度为0~C、2．5~C、5~C；毛细管径为1．2～2．4mm；质量流量为5～50 s。试验结果确定了在使用R410A的家用空调系统设计计算中较好的Stoecker模型和Mcadams经验公式。目前，替代工质毛细管内性能的研究方 法都是先采用一种毛细管内流动的模型，通过模型推导出经验公式，然后通过实验结果来验证毛细管模型及其经验公式的有效性，但对毛细管内的复杂流动还不能很 好地作出解释。随着R410A替代R22在家用空调和小型制冷系统内的广泛应用，这方面的研究应当加强。R410A用压缩机的性能研究压缩机是制冷空调系 统的关键部件，当系统采用新工质时，首先应考虑压缩机的适用性：(1)压缩机的压缩性能是否和新工质的压力特性相适应；(2)压缩机采用的润滑油是否与新 工质具有很好的互溶性。国内已有许多厂家对R410A压缩机与原R22压缩机的兼容性进行了研究。(1)新工质与压缩机的适应性珠海凌达压缩机有限公司对 R410A在家用空调系统中的运用进行了实验设计，得出R410A的压力约为R22的1．5倍，容积制冷量约为R22的1．4倍，适用R410A的压缩机 必须重新设计(由于R410A蒸发压力和冷凝压力较大，以及单位制冷量增大)。需要提高压缩机壳体的耐压能力并且对电机与泵体重新匹配设计；压缩机滚子、 滑片、曲轴材质的改变及表面处理也需重新设计，以保证R410A压缩机可靠运行。另外，由于排气压力的增大，压缩机排气阀片也要重新设计。很多公司还专门 对R410A滚动转子压缩机变频性能进行了分析，得出R410A滚动转子变频压缩机的合理变频范围为25～75Hz，与R22压缩机相比，R410A变频 压缩机需重新设计，以便获得宽频率范围的高性能。(2)压缩机润滑油与新工质的互溶性R22替代工质润滑油基本要求：(1)优良的润滑性；(2)不含水和 良好的电气绝缘性能；(3)与制冷剂相溶性良好；(4)对有机材料有较高的稳定性；(5)良好的低温流动性；(6)低温，无蜡状物、素状物析出；(7)良 好的抗泡性。以上特性取决于冷冻机油要有合适的粘度、较低的浊点和凝固点、较高的闪点和燃点、较好的抗氧化性等。但合成的酯类油(POE)对水分含量要求 高，特别是含添加剂的POE油更容易吸水，易发生水解，造成毛细管或膨胀阀堵塞、压缩机绝缘不良等故障。因此在生产管理中要严格控制水分含量、空气混入和 杂质混入。珠海凌达压缩机有限公司对R22的替代物R410A冷冻机油的相溶性进行了研究I24j。提出压缩机的冷冻机油如果采用POE油，因其吸水性 强，因此，除需要特别控制压缩机零件和冷冻机油的水分含量外，消除空调系统的水分也特别重要整机性能与零部件适应性的研究虽然R410A的性能与R22很 接近，但其压力较R22高出很多，所以在系统结构上进行一些局部的调整或改进，并且必须经过整机试验，使系统的制冷／制热量、能效比、性能系数等指标达到 较高的水平。对R410A分体空调系统的热力性能进行了试验研究 J，着重研究了制冷系统的开机和关机的性能，试验结果表明R410A系统的热力性能与R22相近。成宏岗在对使用R410A的小型空调系统制冷连接管变化 的探讨中得出 j，目前国内市场及厂家使用的铜管规格已不适合R410A的空调制冷系统，特别是0．5mm、0．7 类薄壁铜管，国家应相应制订、修改一些标准和规范，以及由此延伸的铜管焊接、分体机的连接管及喇叭口的加工方法等，以适应世界范围的环保冷冻工业进程。周 子成还对房间空调器中R410A和R22回热循环进行分析[Z7 J，得出在房间空调器工作的大部分温度范围内(尤其是在热泵工作温度范围内)，R410A采用回热循环是有利的。Vance Payne等测试了当室外温度在27．8～54．4℃范围内变化时R22和R410A空调系统的性能 J。结果表明，两个不同制冷剂系统的制冷量和效率均随环境温度的增加而呈线性降低，R410A系统性能的降低更大。在测试中R410A系统的运行状况基本 稳定，而在使用特制压缩机、将环境温度升高到68．3~C时，冷凝器人口出现超临界状态时的运行状况也稳定。同时，噪声测试和系统运行均未出现异常情况。

   我们认为：

1.R410A的容积制冷量、能效比以及质量流量都与R22非常接近，R410A属于近共沸混合物，相变过程中气相和液相浓度发生的变化微小，温度滑移小 于0．1 度，运行较稳定；R410A臭氧衰减指数ODP为0，温室效应指数GWP低于R22，是R22的理想替代物；2.R410A的水平光滑管的蒸发表面传热系 数要高于R22，而冷凝化热系数与R22基本持平；蒸发冷凝时的管内压降R410A显著低于R22；使用强化管换热性能要明显优于同样条件下的水平光滑 管，人字形螺纹管在强化管中的性能更为优异：3.因为R410A工作压力较高，因此对原R22压缩机适应性方面，需要提高压缩机壳体的耐压能力并且对电机 与泵体重新匹配设计；压缩机排气阀片、压缩机滚子、滑片、曲轴材质的改变及表面处理也需重新设计以保证R410A压缩机运行的可靠性；4.虽然R410A 的性能与R22很接近，但其压力较R22高很多，所以需在系统结构上进行一些局部调整或改进，并且必须经过整机试验，使系统的制冷／制热量、能效比、性能 系数等指标达到较高的水平。