從制冷劑發(fā)展看對制冷系統(tǒng)主要部件的要求

史琳1   安青松2
（1．清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，清華大學(xué)，北京 100084
2．天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室，天津大學(xué)，天津 300072；）

  【摘要】：替代制冷劑的選擇與壓縮機、換熱器等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)始終交織在一起的，制冷劑發(fā)展的新形勢必然給制冷系統(tǒng)主要部件提出了新的要求。在追求低GWP、大容積制冷量和高COP目標(biāo)的同時，也帶來了可燃性、高壓、高排氣溫度等問題，如何通過技術(shù)改進、部件優(yōu)化來解決這些問題也是制冷劑替代推進的關(guān)鍵內(nèi)容。因此，本文首先分析了制冷劑物性參數(shù)的變化對系統(tǒng)的影響，指出了重點需要解決的關(guān)鍵問題，最后介紹了壓縮機、換熱器、膨脹閥等主要部件應(yīng)對替代制冷劑的技術(shù)發(fā)展情況。

  【關(guān)鍵詞】：制冷劑替代；可燃性；排氣溫度；充注量；壓縮機；微通道換熱器

　　制冷劑的選擇及有效利用是推動制冷技術(shù)整體向前發(fā)展的方向和動力，它的性質(zhì)直接影響了制冷系統(tǒng)的性能、可靠性、安全性及應(yīng)用場合，并且決定了制冷壓縮機、換熱器等部件設(shè)計和運行參數(shù)；可以說制冷設(shè)備的革新是以制冷劑的發(fā)展為導(dǎo)向，而制冷劑性能的發(fā)揮需要通過制冷設(shè)備技術(shù)的發(fā)展來實現(xiàn)。從制冷技術(shù)的發(fā)展歷程來看，不管是對新制冷劑的直接替代還是替代工質(zhì)的逐步淘汰，要想實現(xiàn)替代的順利轉(zhuǎn)軌和無縫切換，都需要從制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件去看對制冷劑的要求，因為替代制冷劑的選擇總是與壓縮機、換熱器等核心技術(shù)的開發(fā)交織在一起的。核心技術(shù)的突破是制冷劑替代發(fā)展的重要一環(huán)。因此制冷劑及其系統(tǒng)關(guān)鍵部件的發(fā)展需要相互依托、齊頭并進，從而引領(lǐng)蒸汽壓縮制冷技術(shù)的進步。

    從本系列上幾篇文章的討論已經(jīng)了解到，在追求低GWP、大容積制冷量和高COP等綜合性能要求的同時，會使得制冷劑替代對象的種類不斷增多，替代分類更加細致科學(xué)，我們需要根據(jù)應(yīng)用對象、充注量等綜合考慮進行選擇性替代。而且，由于制冷劑物性和理化性質(zhì)的變化，也帶來的可燃性、高壓、高排氣溫度等問題，使得傳統(tǒng)的制冷壓縮機、換熱器、節(jié)流閥等已不能完全適應(yīng)替代制冷劑對其高效及可靠運行的要求，主要表現(xiàn)在對工作過程的影響、對安全充注量的約束、對材料和潤滑油的　　選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求等，這都需要人們進一步探索適用于替代制冷劑主要部件的新的設(shè)計方法及關(guān)鍵技術(shù)。

    因此，為了讓讀者能夠了解近年來國內(nèi)外為應(yīng)對制冷劑替代發(fā)展，在一些主要部件所做的調(diào)整和改進，理解其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展思路。本文首先分析了制冷劑熱物性和理化性質(zhì)變化對制冷系統(tǒng)的影響，并對如何降低排氣溫度提高壓縮機可靠性、提高換熱器性能減少充注量等替代技術(shù)進行介紹。

1 制冷劑的變化對主要部件的影響

1.1 制冷劑正常沸點的影響

    回顧制冷劑發(fā)展歷程，由原先使用的R12到R22，進一步過渡到R410A，現(xiàn)又用R32，除受環(huán)保性能要求外，很重要的一條，為了追求較大單位制冷量，其正常沸點越來越低、因此排氣壓力也越來越高，這是由于空調(diào)機組性能要求所使然，見圖1和圖2。因而這就勢必對壓縮機的設(shè)計產(chǎn)生很大影響。在高的工作壓力下，特別是CO2跨臨界循環(huán)壓縮機，壓縮機運動部件間隙難以控制、氣閥運動規(guī)律及設(shè)計難以控制、同時潤滑也相對較困難。因此，解決高壓差下的內(nèi)部泄漏問題；提高壓縮機殼體的承壓能力，分析殼體和關(guān)鍵零件上的載荷變化，減少關(guān)鍵零部件的變形，進行極端運行工況下關(guān)鍵部件的強度分析；對潤滑回路進行改進，降低帶油量；控制吸排氣過程中的壓力脈動損失；提高部件強度及耐磨性等是今后替代制冷劑壓縮機的開發(fā)需要解決的主要問題。

1.2 制冷劑比熱容比的影響

　　當(dāng)前替代制冷劑的另一個特點是比熱容比不斷增大，這是制冷劑追求較大容積制冷量、較高的COP的必然結(jié)果，圖3和圖4分別給出的是制冷劑的容積制冷量以及比熱容比和排氣溫度的關(guān)系，從圖中可以看出，制冷劑在容積制冷量、排氣溫度和比熱容比上有一定的內(nèi)在關(guān)系。比熱容比越大、排氣溫度就越高，制冷量也越大[1]。這也說明了排氣溫度高的制冷劑有較好的熱工性能（例如：盡管NH3制冷劑有一定可燃性和毒性，并且有較高的排氣壓力和排氣溫度，但由于其有較大的容積制冷量和較高的COP，因此應(yīng)用在工商冷凍方面有很長的歷史）。然而較高的壓縮機排氣溫度會加快潤滑油的惡化、加快壓縮機中各種樹脂材料的劣化、降低潤滑油的粘度使得軸承的磨損加大，從而影響壓縮機的可靠性。因此，降低壓縮機排氣溫度、設(shè)計合理的控制方式、開發(fā)合適的潤滑油是開發(fā)高排氣溫度制冷劑的壓縮機的關(guān)鍵。

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    注：本文為《地源熱泵》“本期專題”連載內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載。如果您對空調(diào)制冷劑方面有任何問題，歡迎來電或給我們發(fā)送電子郵件，我們將選擇部分典型問題擇期在《地源熱泵》雜志上統(tǒng)一刊登和解答。

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