制冷剂专题（连载四）从制冷剂发展看对制冷系统主要部件的要求

从制冷剂发展看对制冷系统主要部件的要求

史琳1   安青松2
（1．清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学，北京 100084
2．天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津大学，天津 300072；）

  【摘要】：替代制冷剂的选择与压缩机、换热器等关键技术的开发始终交织在一起的，制冷剂发展的新形势必然给制冷系统主要部件提出了新的要求。在追求低GWP、大容积制冷量和高COP目标的同时，也带来了可燃性、高压、高排气温度等问题，如何通过技术改进、部件优化来解决这些问题也是制冷剂替代推进的关键内容。因此，本文首先分析了制冷剂物性参数的变化对系统的影响，指出了重点需要解决的关键问题，最后介绍了压缩机、换热器、膨胀阀等主要部件应对替代制冷剂的技术发展情况。

  【关键词】：制冷剂替代；可燃性；排气温度；充注量；压缩机；微通道换热器

　　制冷剂的选择及有效利用是推动制冷技术整体向前发展的方向和动力，它的性质直接影响了制冷系统的性能、可靠性、安全性及应用场合，并且决定了制冷压缩机、换热器等部件设计和运行参数；可以说制冷设备的革新是以制冷剂的发展为导向，而制冷剂性能的发挥需要通过制冷设备技术的发展来实现。从制冷技术的发展历程来看，不管是对新制冷剂的直接替代还是替代工质的逐步淘汰，要想实现替代的顺利转轨和无缝切换，都需要从制冷系统的关键部件去看对制冷剂的要求，因为替代制冷剂的选择总是与压缩机、换热器等核心技术的开发交织在一起的。核心技术的突破是制冷剂替代发展的重要一环。因此制冷剂及其系统关键部件的发展需要相互依托、齐头并进，从而引领蒸汽压缩制冷技术的进步。

    从本系列上几篇文章的讨论已经了解到，在追求低GWP、大容积制冷量和高COP等综合性能要求的同时，会使得制冷剂替代对象的种类不断增多，替代分类更加细致科学，我们需要根据应用对象、充注量等综合考虑进行选择性替代。而且，由于制冷剂物性和理化性质的变化，也带来的可燃性、高压、高排气温度等问题，使得传统的制冷压缩机、换热器、节流阀等已不能完全适应替代制冷剂对其高效及可靠运行的要求，主要表现在对工作过程的影响、对安全充注量的约束、对材料和润滑油的　　选择以及结构设计的要求等，这都需要人们进一步探索适用于替代制冷剂主要部件的新的设计方法及关键技术。

    因此，为了让读者能够了解近年来国内外为应对制冷剂替代发展，在一些主要部件所做的调整和改进，理解其关键技术发展思路。本文首先分析了制冷剂热物性和理化性质变化对制冷系统的影响，并对如何降低排气温度提高压缩机可靠性、提高换热器性能减少充注量等替代技术进行介绍。

1 制冷剂的变化对主要部件的影响

1.1 制冷剂正常沸点的影响

    回顾制冷剂发展历程，由原先使用的R12到R22，进一步过渡到R410A，现又用R32，除受环保性能要求外，很重要的一条，为了追求较大单位制冷量，其正常沸点越来越低、因此排气压力也越来越高，这是由于空调机组性能要求所使然，见图1和图2。因而这就势必对压缩机的设计产生很大影响。在高的工作压力下，特别是CO2跨临界循环压缩机，压缩机运动部件间隙难以控制、气阀运动规律及设计难以控制、同时润滑也相对较困难。因此，解决高压差下的内部泄漏问题；提高压缩机壳体的承压能力，分析壳体和关键零件上的载荷变化，减少关键零部件的变形，进行极端运行工况下关键部件的强度分析；对润滑回路进行改进，降低带油量；控制吸排气过程中的压力脉动损失；提高部件强度及耐磨性等是今后替代制冷剂压缩机的开发需要解决的主要问题。

1.2 制冷剂比热容比的影响

　　当前替代制冷剂的另一个特点是比热容比不断增大，这是制冷剂追求较大容积制冷量、较高的COP的必然结果，图3和图4分别给出的是制冷剂的容积制冷量以及比热容比和排气温度的关系，从图中可以看出，制冷剂在容积制冷量、排气温度和比热容比上有一定的内在关系。比热容比越大、排气温度就越高，制冷量也越大[1]。这也说明了排气温度高的制冷剂有较好的热工性能（例如：尽管NH3制冷剂有一定可燃性和毒性，并且有较高的排气压力和排气温度，但由于其有较大的容积制冷量和较高的COP，因此应用在工商冷冻方面有很长的历史）。然而较高的压缩机排气温度会加快润滑油的恶化、加快压缩机中各种树脂材料的劣化、降低润滑油的粘度使得轴承的磨损加大，从而影响压缩机的可靠性。因此，降低压缩机排气温度、设计合理的控制方式、开发合适的润滑油是开发高排气温度制冷剂的压缩机的关键。

附件下载：从制冷剂发展看对制冷系统主要部件的要求（全文）.pdf

    注：本文为《地源热泵》“本期专题”连载内容，谢绝转载。如果您对空调制冷剂方面有任何问题，欢迎来电或给我们发送电子邮件，我们将选择部分典型问题择期在《地源热泵》杂志上统一刊登和解答。

   咨询电话：010-82830863；电子邮箱：web#dyrbw.com(将#换为@后发送，请在邮件主题处标注“制冷剂相关问题”字样，以免工作人员误删。)

责编：dhl