一、引言
R22由于其优良的热力学性能和安全性能，在上世纪就成为空调器中的主流制冷剂。但R22属于HCFC类制冷剂，其ODP=0.05，属于《蒙特利尔协定书》规定的需要被淘汰的破坏臭氧层工质。因此，需要寻找性能优良且ODP=0的制冷剂来替代R22。
空调器中，在众多可选的R22替代制冷剂中，R410A是目前应用最广泛的工质。R410A属于HFC类制冷剂，其ODP=0。在空调器中，用R410A替代R22时，经过优化设计，空调器的性能可以略高于R22空调器。但是R410A的GWP=1890，比R22还略高（R22的GWP=1600），R410A的应用虽然可以避免臭氧层的破坏，但仍会带来严重的温室效应。根据京都议定书，R410A还是要被淘汰。 在寻求ODP=0且GWP较低的空调器制冷工质中，R290受到广泛关注。R290具有热力性能优良，价格低廉，与普通润滑油和机械结构材料兼容性好的特点；R290的ODP=0，GWP≈20，不需要人工合成，其GWP可视为0，其产生的温室效应可以忽略，因此R290是理想的替代制冷剂。 现有空调器中，大多采用R22和R410A作为制冷剂，如果将R290直接充注到R22系统或R410A系统，可能会导致压缩机异常工作，制冷系统性能下降等后果，为保证系统热力性能最佳，需要对空调器进行优化设计。但是R290属于A3类制冷剂，其燃点为468℃，在空气中的燃烧极限为2.2%~9.5%（体积分数），空调系统充灌R290后可能存在的与燃烧相关的安全性问题是必须予以考虑。即在优化设计R290空调器的同时，还需要保证空调器的安全性。因此本文在提出的R290空调器优化设计原则的同时，对于保证R290空调器的安全性提出建议。
二、R290空调器优化设计原则
R290空调器性能最优的设计原则，是在分析比较R290、R22、R410A热力性能的基础上得到。 1、设计工况下的理论制冷循环性能 空调最主要的设计工况为：室内温度为27℃，室外温度为35℃。取室内传热温差17℃，室外传热温差10℃，即蒸发温度为10℃，冷凝温度为45℃；取过冷度8℃，过热度5℃，即过冷温度为37℃，压缩机吸气温度为15℃；压缩过程为等熵过程。上述工况下，R290、R22、R410A的基础物性见表1和表2；其理论制冷循环性能见表3。 表1-表3的结果，可用于进一步分析可得包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置这四大部件的R290空调器优化设计准则。
2、R290空调器压缩机优化设计准则 R290空调器压缩机优化设计准则主要包括压缩机排量和润滑油两方面。 对于压缩机排量的选择，由于三种制冷剂单位容积制冷量：R290（3845 kJ/m3）< R22（4569 kJ/m3）< R410A（6607 kJ/m3），即R22的单位容积制冷量是R290的1.19倍，R410A的单位容积制冷量为R290的1.72倍，为了保证新系统的制冷量不小于原系统，需要增加压缩机排量，其中：R22系统转化为R290系统时，压缩机排量应增大19%左右；R410A系统转化为R290系统时，压缩机排量应增大72%左右。 对于润滑油的选用，由于R290，R22，R410A与润滑油的相容性不同（R290、R22与矿物油相容，R410A与多元脂相容），为了保证压缩机正常工作：R22系统转化为R290时，不需要更换润滑油，润滑油仍为矿物油；R410A系统转化为R290时，需要更换润滑油，润滑油由多元脂换为矿物油。 3、R290空调器冷凝器优化设计准则 传热分析根据Shah提出的管内冷凝关联式得到。将关联式根据干度从入口到出口进行积分，得到冷凝段近似平均值，如式（1）所示：
在冷凝温度下，饱和液态动力粘度：R290（7.891×10-5 Pa∙s）< R410A（9.063×10-5 Pa∙s）< R22（12.96×10-5 Pa∙s），饱和液态导热系数：R22（0.07398 W/(m∙K)）< R410A（0.07431 W/(m∙K)）< R290（0.08547 W/(m∙K)）。 当系统制冷量相同，且管径相同时，R290的换热系数是R22的1.14倍，是R410A的0.94倍。因此，当换热量相同，R290替代R22，冷凝器可采用小管径换热器；R290替代R410A时，冷凝器管径可不做变化。 然而在R290替代R22时，冷凝器管径减小后，管内制冷剂的流动阻力会增大，导致制冷剂压降上升，使得冷凝器的换热性能下降。为了保证冷凝器压降处于合理范围内，在设计R290空调器时，需要考虑多分路，以缩短每个分路流程；同时需优化流路，从而保证制冷剂分流均匀。 4、R290空调器蒸发器优化设计准则 对于管内强制沸腾对流，采用Chen模型，如式（3）所示：
在蒸发温度下：饱和液态动力粘度：R290（11.54×10-5 Pa∙s < R410A（14.73×10-5 Pa∙s）< R22（18.5×10-5 Pa∙s），饱和气态动力粘度：R290（0.815×10-5 Pa∙s）< R22 （1.259×10-5 Pa∙s）< R410A（1.265×10-5 Pa∙s），饱和液态密度：R290（514.5 kg/m3）< R410A （1133 kg/m3）< R22（1238 kg/m3），饱和气体密度：R290（13.78 kg/m3)< R22（26.63 kg/m3）<R410A （41.94 kg/m3），饱和液态导热系数：R22（0.09023 W/(m∙K)）< R410A（0.09814 W/(m∙K)）< R290（0.1026 W/(m∙K)）。 当系统制冷量相同，管径相同时，R290的换热系数是R22的1.12倍，是R410A的0.76倍。因此，当换热量相同，R290替代R22时，蒸发器可采用小管径换热器；R290替代R410A时，蒸发器需要增加换热器的管排数，从而确保换热量。 然而，蒸发器管径的减小会使管内阻力增加，换热器压降增大，这势必会导致系统性能的下降。为了使制冷剂在蒸发器中的压降处于合理范围，应采用多流路。然而流路数增多，且制冷剂进口状态为两相时，分流不均会对系统性能造成很大影响。因此，设计R290空调器时，应适当增加分流数，以缩短每个分路流程；同时需优化制冷剂流路，保证分流均匀。 5、R290空调器节流装置优化设计准则 以毛细管为例，假设毛细管截面面积均匀、管内制冷剂为一维绝热均相流动、不计重力影响，根据流体力学，制冷剂通过毛细管后的压降Δp可由以下公式算得：
根据式（11），当制冷系统的制冷量相同，且毛细管管径不变时，R290系统的毛细管长度约为R22系统的1.39倍，是R410A系统的0.44。因此，为了保证制冷性能，需要重新匹配毛细管长度：当R290替代R22时，系统的毛细管应加长，需增加30%左右；当R290替代R410A时，系统的毛细管应缩短，需减少44%左右。
三、R290空调器的安全保证
由于碳氢制冷剂R290的可燃性，且在一定浓度范围内才会燃烧，所以减少制冷剂充注量是保证R290在家用空调器上安全使用的有效手段。在IEC 60335-2-40和EN 378-1：2008中均对空调器使用碳氢制冷剂的最大安全充注量做了限制，其中R290空调器在10平米房间内按2.2m的安装高度时，其充注量不允许超过290g。 EN60335-2-40规定的HCs工质最大安全充注量计算公式为如式（12）所示：
采用不同工质时，空调器需要的制冷剂充注量是不一样的。由于制冷剂的液体密度远远大于其气体密度，所以系统制冷剂的充注量主要取决于制冷剂液体密度。同样蒸发温度下，R290的饱和液体密度是R22的42%，是R410A的45%；同样冷凝温度下，R290的饱和液体密度为是R22的42%，是R410A的48%。因此，在相同体积的系统中，R290空调器制冷剂的充注量约为R22的42%，R410A的47%。一般一匹R22空调器，其充注量约为850g，若不改变系统，直接充注R290，R290充注量为357g˃290g，即高于安全充注量。为此必须通过降低内容积来使需要的R290达到安全范围。 由于空调器冷凝器中的制冷剂约占整个循环系统的40%~50%左右，应当优先考虑通过减少冷凝器的内容积来减少充注量。如果采用5mm小管径换热器来代替7mm管，最大可减小冷凝器50%的体积。对于原来一个357g充注量的R290空调器，有望降至267~285g，即达到低于290g的安全充注量要求。此例说明，对于一匹空调器，通过采用5mm管，可以达到充注量的安全性要求。
三、总结
R290空调器的压缩机需要采用较大的排量：R22系统转化为R290时，压缩机排量需增加19%左右；R410A系统转化为R290时，压缩机排量需增加72%左右。 R290空调器的压缩机润滑油选择视情况而定：R22系统转化为R290时，不需要更换润滑油，润滑油仍是矿物油；R410A系统转化为R290时，需要更换润滑油，将原来的多元脂更换为矿物油。 R290空调器冷凝器，宜选用小管径换热器，以利于通过减少充注量来提高安全性，同时发挥R290换热系数较高的优势。 R290空调器，可选用小管径换热器，但需要增加制冷剂的流路数，以防止压降过大。 R290空调器采用毛细管时，需要重新匹配毛细管长度：R22系统转化为R290系统时，毛细管长度应加长39%左右；R410A系统转化为R290系统时，毛细管长度应缩短44%左右。
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发表于 2019-11-29 08:57
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