R161/R13I1/R32混合物替代R22的理论分析

何铠锋，陈志勤（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510641）

R161/R13I1/R32混合物替代R22的理论分析

何铠锋，陈志勤
（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510641）

选用R161/R134a//R32和R161/R13I1/R32三元混合工质作为R22的替代制冷剂，分析其在不同工况下的制冷循环热力性能和可燃性，并与R22、R407C和R410A进行比较。结果表明所选的R161/ R134a/R32混合物和R161/R13I1/R32混合物均具有作为R22替代物的潜力，并且R161/R13I1/R32混合物的GWP值远低于R32、且不可燃，优势更加明显。

R161；R134a；R13I1；R32；低GWP制冷剂

氟氯烃类制冷剂淘汰限期日渐临近，目前为止尚无一种在热力性能、臭氧破坏、温室效应以及可燃性上具有全面优势，而且将来也很可能不会出现［1］。而通过混合制冷剂的成分和组分优化获得新的替代物以满足替代制冷剂在热力性能、臭氧破坏、温室效应以及可燃性上的要求，成为应对氟氯烃类制冷剂限期淘汰的重要技术路线之一。

针对R22工质的替代，研究人员已经做过了许多研究［2-5］，包括R32、R161、R125、R227ea单工质或混合物的热力学性能、环境性能的研究，取得了很多成果。

本文分别用R161/R134a//R32和R161/ R13I1/R32三元混合工质作为R22的替代制冷剂，分析其在不同工况下的制冷循环热力性能，并进行其可燃烧性分析。

1　工质的选择

从保护环境的角度出发，首先选择GWP非常低的R161。但因为R161具有一定可燃性，所以考虑到安全性能的影响，在R161的基础上再增加一种有阻燃性能的成分。选择了两种阻燃剂来分别与R161组成混合物:R134a和R13I1。并且分别在两种混合物中再加入R32以提升制冷性能。

通过比较不同工况下的热工性能，再考虑到可燃性的因素，选择组分摩尔比为R161∶R134a∶R32=0.3∶0.3∶0.4，质量比为0.219∶0.465∶0.316的混合工质进行分析对比，以MIXA表示。选择组分摩尔比为R161∶R13I1∶R32=0.3∶0.2 ∶0.5，质量比为0.181∶0.492∶0.367的混合工质进行分析对比，以MIXB表示。

采用美国国家标准与技术研究院（NIST）制冷剂物性数据库的REFPROP9.0程序［6］进行热力学性能计算，得到了表1中各混合物组分的相关性质，以及表2中MIXA、MIXB及其组分与R22及其主要替代物R407C与R410A的基本物理性质、环境性能等。各工质的饱和蒸汽压如图1所示。

图1　MIXA、MIXB与R22、R407C、R410A的饱和压力线

表1　混合物各组分相关性质

表2　M IXA、M IXB及R22、R407C和R410A的各种性质

由表2和图1可知:

（1）对于临界温度，MIXA略小于R22，MIXB几乎与R22相同。MIXA、MIXB临界压力都大于R22；

（2）ODP均为0，GWP远小于R22及R407C 和R410A，特别是MIXB，环境性能很好；

（3）虽然存在温度滑移但仍小于R407C；

（4）饱和蒸汽压MIXB略高于MIXA，且均高于R22，小于R410A，变化趋势相同。

2　MIXA与MIXB在不同工况下的性能

制冷循环的性能会随着外界环境温度的变化即冷凝温度的变化而变化，因此本文计算了新工质与R22及其主要替代物R407C和R410A制冷循环的性能随冷凝温度变化的趋势。计算中均采取了蒸发温度7.2℃，吸气过热度11.1℃，液体过冷度8.3℃，压缩机等熵效率取80%。

图2至图8为R22及其主要替代物R407C、R410A与本文所选制冷剂MIXA和MIXB的压比、排气温度、性能系数COP、单位质量制冷量、单位容积制冷量和单位质量耗功量随冷凝温度变化的比较。

从图中可以看出:

（1）MIXA压比在R22与R407C之间，而MIXB几乎与R22相同；

（2）排气温度MIXA与R22比较接近，MIXB略高；

（3）MIXA和MIXB的性能系数COP均略小于R22，但与主要替代物R407C和R410A非常接近；

（4）虽然单位质量制冷量MIXA远大于其他比较工质，但就单位容积制冷量而言，MIXB虽比不上R410A，相较于R22及R407C也非常有优势。不过由图9可见，在同是需要制冷8kW冷量的情况下，MIXA与R407C、R410A的耗功量都是非常接近的，均略大于R22，而MIXB更大一点。

由此看来，两种三元混合物MIXA和MIXB在热工性能和环境性能上均满足了R22替代物的要求。

图2　压比随冷凝温度的变化

图3　排气温度随冷凝温度的变化

图4　COP随冷凝温度的变化

图5　单位质量制冷量随冷凝温度的变化

图6　单位容积制冷量随冷凝温度的变化

图7　单位质量耗功量随冷凝温度的变化

图8　单位容积耗功量随冷凝温度的变化

图9　制冷量为8kW时各工质的耗功量（容积）

3　可燃性分析

要在家用空调器中使用的制冷剂，其安全性能备受关注。R22、R407C、R410A、R125等工质都是不可燃的，而R161单质虽环境性能优异，但正是由于较强的可燃性导致其无法广泛应用。因此，需要分析含有R161的三元混合物的可燃性能。

根据有关文献［8］，对于两种可燃工质与一种不可燃工质组成的混合工质的临界抑爆浓度可用以下方法计算。

用A、B分别代表两种可燃工质，C为不可燃工质。确定可燃工质的体积比VA/VB后，由下列方程组计算可燃组元的体积成分VA、VB及不可燃组元的临界体积分数VCR。

由式（1）～（5）可导出方程组

式中，RAR、VCBR分别为C/A和C/B二元混合工质达到临界抑爆体积比时C的体积分数（%）；RAC、RBC分别为A/C和B/C二元混合工质的临界抑爆浓度比，可由相关文献［9-13］查得。

在本文中，令A为R161工质，B为R32工质，C分别为R134a和R13I1工质。代入以上算法中，最终可得到两种混合物的临界抑爆浓度及可燃范围。

表3为R161/R32/R13I1（A/B/C）临界抑爆浓度的计算结果，表4为R161/R32/R134a（A/B/ C）临界抑爆浓度的计算结果。

表3　R161/R32/R13I1（A/B/C）临界抑爆浓度计算结果

表4　R161/R32/R134a（A/B/C）临界抑爆浓度计算结果

R161/R32/R134a的可燃范围如图10所示，R161/R32/R13I1的可燃范围如图11所示。可见，R161/R32/R134a混合物MIXA是可燃的，R161/ R32/R13I1混合物MIXB是不可燃的。

4　结论

（1）混合工质MIXA和MIXB的热工特性和变工况性能表明其具有作为R22替代物的潜力；

（2）MIXA和MIXB的环境性能良好，其ODP为0，GWP值远小于R22及其主要替代物，而且MIXB的GWP值远小于R32，环境性能更好。

（3）MIXA仍具有一定可燃性，MIXB不可燃。且MIXB的单位容积制冷量更大些。

综上所述，本文所选的R161/R134a/R32混合物MIXA和R161/R13I1/R32混合物MIXB均具有作为R22替代物的潜力，并且R161/R13I1/R32混合物MIXB的优势更加明显。

图10　R161/R134a/R32混合物的可燃范围图

图11　R161/R13I1/R32混合物可燃范围图

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The Theoretical Analysis of the R22′s Substitution with R161/R13I1/R32M ixtues

HE Kaifeng，CHEN Zhiqin
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641）

The thermodynamic performance and flammability of R161/R134a//R32 and R161/R13I1/R32 three mixed refrigerantswere analyzed under different conditions，and compared with R22，R407C and R410A.The results showed that the selected mixtures of R161/R134a/R32 and R161/R13I1/R32 may be as a substitute for R22.The GWP value of R161/R13I1/R32m ixture ismuch lower than that of R32，in addition it is non-combustible.So the advantage of R161/R13I1/R32mixture ismore obvious.

R161；R134a；R13I1；R32；Alternative refrigerantswith low GWP

TB61+2文献标示码:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.006

ISSN1005-9180（2016）02-027-06

2016-3-28

何铠锋（1993-），男，本科生，研究方向:过程装备与控制工程。

陈志勤。Email:zhqchen@scut.edu.cn