家用空调器中R1270替代R22的性能试验研究

林 崐金听祥, 张 静尤顺义刘 阳郑祖义

(1广东志高空调有限公司 南海 528244；2郑州轻工业学院机电工程学院 郑州 450002)

臭氧层破坏和全球变暖已成为日益严峻的全球环境问题，制冷剂对环境的破坏问题已受到人们的广泛关注，作为蒙特利尔协定及其修正案中首批禁用的物质，R22替代制冷剂的研究工作势在必行，世界各国都致力于寻找一种性能优良的替代制冷剂。目前，针对R22的替代方案主要有两种:一种是HFC类，为人工合成制冷剂，以R410A和R407C为代表；另一种是HC类，是碳氢化合物，属于自然制冷剂。从环境保护角度来看，HFC类和HC类的臭氧消耗潜能值(ODP)都为零，但是HFC类的全球变暖潜能值(GWP)仍然较大，而HC类的全球变暖潜能值(GWP)基本为零[1-3]。为此，一些学者对HC类制冷剂R290(丙烷)和R1270(丙烯)在小型空调和冰箱上的应用进行了研究。西安交通大学任挪颖等人分析和比较了R1270、R22和R290的热物理性质和热力学循环性能，认为R1270替代R22可以在一定程度上改善系统的运行特性[4-6]。为了使R1270能够在小型制冷系统中大大规模使用，这里通过R1270的物理性能分析和在家用空调中性能试验来分析R1270在家用空调中替代R22的可行性。

1 R1270与R22的热物理性能比较

从表1中可以看出，R1270的临界温度、标准沸点和凝固点与R22相近，由此看出，R1270的主要物理性质与R22的也比较相近。R1270的汽化潜热约为R22的1.88倍，在相同条件下，可以释放出更多的潜热，因此，在相同制冷量下，可减少制冷剂的循环量。R1270气态和液态的导热系数都高于R22，可改善压缩机的散热条件，同时提高冷凝器和蒸发器的传热系数，同样制冷量情况下，所需蒸发器的传热面积小，这样可以使系统更加紧凑，节约金属材料。R1270饱和液体的比热是R22的2.12倍，这可以减少制冷剂的充灌量。R1270饱和液体和饱和气体的黏度都小于R22，这使得R1270在制冷系统中的流动阻力小，容易增加紊流，减小运送流体的功耗。

表1 R22和R1270主要热物性参数比较[7]Tab.1 Comparison of thermal properties of R22 and R1270

2 试验装置与方法

2.1 试验机型

选用志高KFR-25GW/VD为试验机型，原设计工质为R22，压缩机为松下2P15S225 CZB，压缩机相关设计参数如表2所示，蒸发器和冷凝器的相关参数如表3和4所示。

表2 压缩机参数Tab.2 The parameter of compressor

油量/mL 350输入功率/W 765制冷量/W 2450能效比 3.144

表3 蒸发器相关参数Tab.3 The parameter of evaporator

表4 冷凝器相关参数Tab.4 The parameter of condenser

2.2 试验工况和方法

为了比较制冷剂性能，试验应该在完全相同的条件下进行。考虑到R1270的液态和气态传热系数都比R22高，在相同制冷量情况下，所需换热面积小，因此，针对R1270的试验系统除了与R22相同之的系统配置外，还准备了管径为5mm的蒸发器和冷凝器样机系统。试验工况为国标额定制冷工况:室内27/19℃，室外35/24℃。性能试验在按GB/T7725-2004[8]的要求建成的房间空调器试验测试室进行，测试方法为空气焓值法。试验时分别测试充灌R22和R1270的空调系统的运行性能，然后对测试结果进行对比分析。制冷剂质量称量是通过精确度为0.1g的电子天平来进行的。

2.3 试验程序

1)在充灌制冷剂之前，系统抽真空2～3小时，真空度应低于20Pa。

2)开机运行过程中，对于R22和R1270来说，制冷剂都是以气体从压缩机入口充灌。

3)当系统达到稳定状态超过1小时后，记录数据30秒/次，记录数据的时间应超过30分钟。

3 结果与讨论

在国标制冷工况下测试的试验数据如表5所示。从表5中可以看出，针对R22和R1270制冷系统的COP、制冷量、压缩机消耗功率、排气温度、压力比和制冷剂充灌量被测量。下面将针对被测量的这些系统参数进行R22和R1270的对比分析。

3.1 制冷能效比对比

在家用空调系统中，能效比是衡量系统是否节能的一个重要指标。正因为能效比如此重要，首先比较R22和R1270系统的能效比，从表5中可以明显看出，在相同条件下，R1270制冷系统的能效比要比R22高4.3%。这主要是由于R1270高的换热效率，使得其压力比要于R22压力比低22.6%，低的压力比可以降低压缩机的输入功率，这一点可以从表5中看到，R1270系统消耗功率比R22系统消耗功率少15W。

考虑到R1270的液态和气态传热系数都比R22高，R1270的汽化潜热约为R22的1.88倍。还减小换热器体积，把管径从7mm变为5mm，准备了管径为5mm的蒸发器和冷凝器样机系统针对R1270进行试验，试验结果如表5所示。从表中可以看出，换热器体积减小后，制冷量基本接近，但R1270制冷系统的能效比要比R22高12.3%，能效等级从国标3级提高到2级，甚至接近1级。这说明在能效方面，R1270可以作为R22的替代工质，并且可以达到节能和节材的效果。

表5 国标制冷工况下R22和R1270的试验数据Tab.5 The experimental data of R22 and R1270 in chinese standard condition

3.2 制冷能力比较

制冷能力同系统能效比一样重要，从表5中可以看出，R1270的制冷量比R22提高了1.15%，制冷量基本一样，这说明R1270在制冷能力方面也可以替代R22。

3.3 制冷剂充灌量比较

在饱和液态下，R1270的密度要比R22低很多，R1270的密度仅为R22的51.2%，液体密度的大小会直接影响制冷剂的充灌量。这一点可以从表5中看出，相同条件下，R1270的充灌量为360g，仅为R22充灌量的41%，比R22的充灌量减少了59%。

3.4 排气温度比较

作为R22的替代工质，和考虑制冷剂与润滑油的稳定性一样，系统寿命和可靠性也需要考虑。而系统寿命和可靠性直接反映在压缩机排气温度。从表5中可以看出，R1270的排气温度比R22降低了8℃左右。R1270的饱和液体和气体的动力黏度系数都比R22小，黏度系数小可以减少流体与管壁以及流体内部的摩擦损失，减少功耗。另一方面，降低排气温度可以提高系统的稳定性和可靠性。

4 结论

通过分析R1270的热物理性质，并针对其在家用空调中的应用进行了试验研究，通过试验研究和对比分析，可以得出如下结论:

1)在相同条件下，通过对R1270和R22的比较发现，系统制冷量基本接近，但R1270制冷系统的能效比可以比R22高出4.3%，同时R1270的充灌量仅为R22充灌量的41%，比R22的充灌量减少了59%。

考虑到R1270的液态和气态传热系数都比R22高，R1270的汽化潜热约为R22的1.88倍。在满足制冷量的前提下，减小换热器体积，把管径从7mm变为5mm，利用管径为5mm的蒸发器和冷凝器样机系统针对R1270进行试验，试验结果发现:R1270制冷量与R22基本一样，但R1270制冷系统的能效比要比R22高12.3%，同时R1270的充灌量仅为22充灌量的30.7%，比R22的充灌量减少了69.3%。

2)与R22相比，R1270的排气温度可以降低8℃，这可以增加系统寿命和可靠性。R1270制冷系统的制冷量可以满足原来R22制冷系统，作为R22的替代工质是一种好的选择。

3)R1270在家用空调中应用的主要不足是R1270的可燃性，制冷系统的压缩机、冷凝器、蒸发器和管路等部件都有可能造成工质的泄漏，而温控器、继电器和电机等电器原件都有可能是点燃源。为了保证安全运行，家用空调应为封闭的制冷系统，所有的连接管路为焊接，室内外机应采用快速连接接头，所有设备的结构应尽可能简单，尽量减少R1270的制冷剂充灌量，将制冷系统和空调原件分别设置在不同的空间内，冷凝器的风扇应是压送空气，避免泄漏的R1270与风扇电机接触，室内保持经常通风，由于R1270的密度大于空气密度，因此室外机要安装在地势低处，以避免R1270在空气中扩散。

(本文受广东省教育部产学研结合项目(2009B09030 0052)资助。The project was suppored by the cooperation project in industry, education and research of Guangdong province and Ministry of Education of P.R.China(2009B09030 0052).)

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