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如何在矿物油环境下用HFC直接替换R22 陈益锋 上海神鹰康星化工有限公司 摘要 Refrigerant Solutions LtdRSL已研发出3种混合HFC制冷剂RS-44R424A，RS-52R428A和RS-45R434A RS-45，目前已通过ASHRAE公众评议，2008年1月份正式发布。这3种制冷剂可用于在全球范围内替换R22。其中，RS-45特别设计用于OEM厂商，RS-44则用于已安装使用R22设备的升级换代。这3种制冷剂一个普遍的特点是与矿物油相溶，不易燃。RS-44和RS-52在世界范围内得到很多实际应用，RS-45已经通过几个OEM厂家测试，用于在新设备上替换R22。 注上海神鹰康星化工有限公司作为RSL的合作伙伴，负责在亚太地区的技术支持和业务拓展。 替换R22的混配制冷剂设计思路 和别的制冷剂一样，R22具有其特殊的热力性能和物理性能，所有的R22系统都根据这些性能来设计。理想的替换应该让用以替换的制冷剂具有类似或和R22相同的性能。显然，要达到100的理想替换是不可实现的。R407C和R410A就是2个很好的案例。RSL看到了这2个产品的缺陷， 并努力克服这些缺点，从而设计出更容易替换R22的产品。 这些制冷剂必须包括以下基本特性 不易燃， 具有化学和热稳定性， ODP值为0，低毒，并和所有零部件不抵触。更进一步， 配方设计的原料必须要能够或已经在大规模生产以便降低成本和大规模应用， 并方便在各个国家流通。 为得到和R22的最佳匹配， RSL公司根据R22在实际中的应用，选择冷凝器压力、能效比和压缩机性能等作为主要热力和物理性能的设计参考指标。在研发初期阶段， 发现可以有效达到这些指标。但是还发现液体从冷凝器到膨胀阀的流量比R22高。因此RSL决定开发3种制冷剂RS-44适用于已使用R22普通空调系统的升级更新；RS-45适合大型带膨胀阀系统以及OEM厂商；RS-52适合用于能够经受住更高压力的低温系统类似于R502和R507。 下面是替代R22的产品所希望达到的最佳特性 不可燃; 稳定; ODP值为0; 能效比高; 低毒; 类似于R22的温度和压力; GWP值为0或越低越好; 单一工种或共沸; 价格和R22接近。 不幸的是， 目前科学界没有发现一种液体可以同时拥有以上所有特性。碳氢化合物具有高易燃性，氨具有毒性和易燃性，HFC的GWP值普遍较高。还有其他一些制冷剂和制冷方式， 包括二氧化碳，吸收式，Sterling循环，磁制冷，太阳能制冷等。但是， 除了理论上的优点， 由于在实际使用中它们都有自身难以克服的问题，因此导致它们在工业界的大规模使用受到很大限制。 本文不打算论述任何被描述为”老”的技术， 其中有些已经列在上面， 有些已经在其他文献或著作中进行详细阐述。本文将着重描述高效HFC制冷剂， 它们能够和矿物油以及烷基苯油融合，并且在对R22原有系统作最小的或不作改动的情况下，达到和R22系统接近的效果。 自1987年签署蒙特利尔议定书以来， 大量研发工作瞄准ODP值为0的HFC制冷剂替换，其中R407C和R410A是2种应用最广的产品，其特性如下 1R407C；和R22的压力、制冷量、COP、质量流量以及密度相近， 这使得R407C适合用于空调系统。但是R407C的温度滑移大于5 ℃，这限制了它的使用范围，并降低了热交换效率。另外一个问题是若R407C发生泄漏，它会影响系统的制冷量和能效比。高温度滑移也要求对系统的各核心部件进行重新设计，包括压缩机和蒸发器。目前，R407C有加速淘汰的趋势。 2）410A近共沸制冷剂，其中HFC125和HFC32各占50。R410A的工作压力比R22要高很多，整个系统因此必须做重新设计，包括压缩机、冷凝器、 蒸发器、 膨胀阀等核心部件。高压力使得系统制冷量比R22增加。R410有相对较低的临界温度 73 ℃，这限制了冷凝温度。R410A目前主要用于家用和小型商用空调。 此论文主要阐述R22在新设备中的替代，同时也包括系统升级的替代目前世界范围内,绝大部分老系统还在使用R22。论文第一步部分主要描述在新系统中使用的制冷剂 RS-45R434A在新设备中的使用 充分认识到目前替代R22的混配工种存在的问题以及实际应用范围相对狭小的特点，RSL公司开始寻找一种和R22非常匹配的制冷剂。这最终导致RS-45的产生。它是目前市场上在物理特性、运行特性上和R22最相近、最匹配的制冷剂，并且具有和传统矿物油，烷基苯油以及新的脂类油相融的特点。 RS-45和其他在市场上的制冷剂不同之处的要点如下 1 在低温和高温时都能和R22有效匹配 由于其特殊的热动力学特性，用RS-45替换R22比R404，R507，R410A，R407C以及其他制冷剂的应用范围更加广泛。R404和R507在低温时候有效，却不适合高温。相反而言，R410和R407C在高温时很有效，却不适合低温。而RS45在低温和高温时，都是对R22的一种理想替换对象，请看图表1和2。 图1 RS-45容积和COP值--制冷系统 图2 RS-45容积和COP值–空调系统 2低温度滑移 RS-45是一种近共沸混合制冷剂，其温度滑移为1.5 ℃，约为407C的温度滑移的1/3。此特性能使它在更大的温度范围内应用。 图3 RS-45温度滑移 3）COP值接近RS-45有非常接近于R22的COP值，请看图1和图2。 4）排气压力接近RS-45的排气压力和R22接近，压力差在1.5 bar以内，比R410A低40以上。 5）压缩率和R22基本相同。 6）对R22系统改动小由于RS-45液体流量比R22高，根据已经测试过的系统数据表明，对有些系统不需要做任何调整即可达到R22的最佳状态。而有些系统则需要改变毛细管的长度或液管的直径或冷凝器的蒸发面积，以便让RS-45的流量达到最佳状态。所有情况下，R22的压缩机都可以继续使用。 7）不可燃根据美国ASHRAE标准34，RS-45为A1标准，即低毒、不可燃。 8）低排气温度RS-45的排气温度比R22要低很多，这特别有利于空调系统运行，包括减少油被分解和损坏的风险。RS-45同时也比407C的排气温度低20，比R410A低25左右。 图4 排气温度 9）和所有油兼容 CFCs和HCFCs通常和传统的矿物油相溶，因此在系统中回油不是一个问题。众所周知，HFCs和矿物油MO以及烷基苯油AB不相溶，因此酯类油被开发用于HFCs。但是酯类油很容易吸收水汽，如果不作好控制，就可能会导致严重的问题。并且酯类油的价格很高。 在技术上，并没有强制性要求油和制冷剂能够100完全溶解，关键点在于系统中的制冷剂能够是否让油回到压缩机中。值得注意的是氨作为一种从19世纪就开始得到大量工业应用的制冷剂，与矿物油并不相溶。在我们的产品设计中，碳氢在这里起到非常关键的作用确保很好地将油和HFCs衔接，从而让油能充分回到压缩机。必须说明的是，微量使用碳氢可以保证在ASHRAE标准范围内该产品为不易燃。 RS-45可以使用传统油，并具有和R22类似的运行性能。对于由于系统本身导致回油性极差的特殊情况，如回气管超长，或在低温条件下，用POE油可能是一种更佳的选择。RS-45和POE油完全相溶，就像其他HFC制冷剂，如R404A，R507，R410A和R407C。 在应用RS-45时，OEM厂商可自由选择使用矿物油，烷基苯油以及POE油。而使用矿物油或烷基苯油有以下优点； 1）成本 a. 原料成本低POE油的价格比矿物油MO和烷基苯AB油价格高4到5倍。 b. 使用MO或AB油意味着装配线不需要作任何改变，而使用POE油则需要加入额外设备以便减少水汽入侵，重新培训操作工以及附加的质量控制和维护新设备成本。 2 更低的排气温度 和R22相比，RS-45更低的排气温度减少了MO油的分解问题。这可以延长设备的寿命，并且减少在保修期内维护的成本。 3 更低的制冷剂溶解能力 a. 在起始阶段提高工作黏度RS-45在矿物油中的部分溶解性在开始阶段提高液压润滑，从而延长设备运行寿命。相比而言，由于R407C和R410A与POE充分相溶，从而降低油的黏度，以及液压润滑效果，从而缩短运行寿命。 b. 更短的启动时间HFC和POE油混合的系统如家用空调，当停止使用的时候，大部分制冷剂都会和油在一起停留在压缩机内。当系统开始运行时，需要一段时间让油升温，然后把制冷剂排到系统中进行循环。这不但会在系统启动时有一个迟延效应，同时对于润滑油润滑其他部件也不利。但如果RS-45使用MO油，只有很小一部分制冷剂溶解在里面，这就可以避免这个问题，并且让系统尽快进入满负荷工作状态。 4 减少水汽吸入量 a. MO和AB油基本不吸收水汽，然而POE是非常高的吸水性物质。水汽吸收在生产过程中是一个主要的问题之一。而使用MO或AB油可以避免这个问题。 b. 更重要的是，在售后过程当中，使用MO油或AB油可以带来更大的方便。售后服务或维修过程中的水汽吸入问题是OEM厂商所不能控制的。而由此引发的问题使得厂商很难判断是否属于保修范围之内。对于商用机组，要定期或不定期打开系统进行检测或维护，更容易导致问题产生 i. 水汽经常被POE油吸入并经常导致干燥器满负荷，从而使得油中的水可能会在膨胀设备中结冰。 ii. 更有害的是，水汽会与POE油反应，并产生对系统有害的有机酸。这些腐蚀性化学成分可能会阻塞管道工作，特别是毛细管。 综上所述，RS-45是一种特殊的HFC混合制冷剂，各项性能都非常接近于R22。它是目前唯一一种可以在高温，中稳，低温范围内替换R22的产品。 R22系统更新升级市场 在世界范围内，有相当多的设备使用的是R22制冷剂。而对R22使用的限制却越来越严格。特别是今年9月份在蒙特利尔又签订了加速淘汰R22等HCFCs的协议。在欧洲，从2000年开始，已经不允许在新设备上使用R22，并且在2010年后，售后市场也将禁用R22只有被回收的R22才能用到2015年。因此，目前欧洲市场上急需替换老设备使用的R22，从而避免在2010年以后回收的R22不能满足整个市场需求。在美国，从2010年开始，禁止新的设备使用R22。 在CFCs向HFCs转换的过程中，事实证明直接从CFC升级到HFC比如R502到R404A，其不仅成本很高，而且技术上实现比较麻烦。系统中的油必须换成POE油，这在有些情况下不实际，甚至在很多情况下，会对原系统密封圈造成腐蚀。这就是为什么会有很多过渡产品来替换CFCs的原因。这些过渡产品不需要更换油或其他机械部件。但是，这些混合的过渡产品至少含有一种HCFC元素有助于回油，这意味着这些过渡产品也会被淘汰。 与CFCs的替换情况不同，替换R22必须要使用ODP值为0的产品。由于油的混合性和温度滑移大的问题，R407C不适合在已有设备上替换R22；而R410A的高压也导致替换不可行。根据CFCs替换经验，RSL研发出合适的制冷剂用以有效替换R22，而无需换油，并且提供R22类似的运作性能，同时ODP值为0。 不可否认，没有一种制冷剂可以在不改变目前R22系统和部件的条件下，在高温、中温和低温工况下替换R22，并且无需更换油，ODP值为0，运行性能和R22接近。因此，我们决定运用这些标准在不同温度条件下开发替代产品，其中有3种产品。 RS-44R424A RS-44可以替换大部分空调系统所使用的R22，也可以用于采用毛细管和膨胀阀的系统。因此，可实现RS-44在现有在用的R22设备直接替换。RS-44的ASHRAE编号为R424A，其安全性为 A1低毒、不可燃。 根据在世界范围内对RS-44所进行的现场测试，RS-44具有更高的COP，低排气温度和压力，接近于R22的制冷量和很好的回油MO/AB油效果。实际案例表明RS-44更低的排气温度更适于系统运行。 与R22相比，数据表明RS-44的节能效果在10～20左右。目前已经从R22转换成RS-44的典型公司包括英国CableWireless和MarksSpencer，加拿大Loblaws超市，美国PrattWhiteney，波兰Air Products，菲律宾Kraft，泰国可口可乐和马来西亚Iriichi，当然还有很多其他公司也成功进行了替换。 图5 RS-44和R22的COP比较 RS-44为制冷界提供了一种简单、便利、低成本的R22直接替换方式。以下是几个实例 York的Roof Top空调系统从R22转换成RS-44. 此项目由业主 Kinmore Holdings Ltd, Kingston, Ontario下面的工程公司GT Air Systems完成. 图6 RS-44应用实例1 Cable and Wireless 公司英国, 布里斯托的30kW DX AHU 设备被转换成RS-44. 简单, 直观,低排气压力和排气温度. 图7 RS-44应用实例2 在ISO1400注册 的马来西亚公司 Iriichi,顿汉布什 系统从R22转换成 RS-44, 生产部经 理左起第3位Arugmamxi先生说 “我们对于RS-44的 替换结果非常满意, 决定把所有系统都 进行转换.” 图8 RS-44应用实例3 RS-52R428A RS-52的性能与R507C类似，即在低温下具有高制冷量。RS-52设计用于替换R502以及一些过渡替代产品，包括R402A，R403B，R408A和R411B等。但是实践证明，如果系统能够承受R502比较高的压力，RS-52也是一种R22在低温系统时的良好替换, RS-52在低温下比R22更高的容积制冷量，这是它的一个突出特性。RS-52的温度滑移小于1℃，且可用于满液式系统。与所有的RS系列制冷剂一样，RS-52可用MO油、AB油以及合成油。 表1 几种制冷剂的特性比较 蒸发温度-35 ℃ 冷凝温度35 ℃ R22 R502 RS-52 R404A R507 排气压力/bar 14.06 15.46 17.58 16.78 17.22 排气温度/℃ 142 99 84 91 89 容积制冷量/（kJ/m3） 699 728 747 735 756 R22 106.87 105.15 108.15 R502 102.61 100.96 103.85 COP 1.68 1.62 1.53 1.57 1.56 温度滑移/℃ 蒸发器 0 1 0.4 0.6 0 冷凝器 0 0 0.7 0.4 0 RS-52容积和COP值对比图 图9 R22，R502和RS-52的容积制冷量和COP比较（冷凝温度35 ℃） RS-45R434A 很早就强调RS-45可用于OEM厂商生产的新设备。同时，RS-45也可用于一些管径适合的R22系统的直接替换。 RS-45的容积制冷量与R22系统匹配，但不能用于采用毛细管的系统的直接替换。RS-45可以在高温系统下替换R22，对采用膨胀阀的低温系统替换更加有效。鉴于RS-45低温度滑移，也特别适用于满液式系统. 结论 在为来几年时间内，R22的替换工作是制冷界面临的一个重大挑战。由于R22目前已经成为蒙特利尔议定书中破坏臭氧层的最主要物质，以及R22替代品的出现，因此来自政府的关于加速淘汰HCFCs的压力与日俱增。 对新设备和现有设备进行R22替换将是不同的，其中一个主要问题就是假设其他条件同等替代制冷剂是否能与传统油相溶。这种相溶性可以降低成本，并且可以防止对设备的损害。基于此，RSL公司提出了在新设备和老设备上实现低成本替换R22的最佳方法和方案。 上海神鹰康星化工有限公司 联系人陈益锋 上海漕宝路86号光大会展中心F座2805室 200235 电话 86-021-64325685 传真 86-021-64325633 Web 11