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．清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，清華大學，北京 100084
2．天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津大學，天津 300072；）

  【摘要】：替代制冷劑的選擇與壓縮機、換熱器等關鍵技術的開發(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鍵問題，最后介紹了壓縮機、換熱器、膨脹閥等主要部件應對替代制冷劑的技術發(fā)展情況。

  【關鍵詞】：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整體向前發(fā)展的方向和動力，它的性質直接影響了制冷系統(tǒng)的性能、可靠性、安全性及應用場合，并且決定了制冷壓縮機、換熱器等部件設計和運行參數(shù)；可以說制冷設備的革新是以制冷劑的發(fā)展為導向，而制冷劑性能的發(fā)揮需要通過制冷設備技術的發(fā)展來實現(xiàn)。從制冷技術的發(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的逐步淘汰，要想實現(xiàn)替代的順利轉軌和無縫切換，都需要從制冷系統(tǒng)的關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、換熱器等核心技術的開發(fā)交織在一起的。核心技術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)關鍵部件的發(fā)展需要相互依托、齊頭并進，從而引領蒸汽壓縮制冷技術的進步。

    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，我們需要根據(jù)應用對象、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　　選擇以及結構設計的要求等，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計方法及關鍵技術。

    因此，為了讓讀者能夠了解近年來國內(nèi)外為應對制冷劑替代發(fā)展，在一些主要部件所做的調(diào)整和改進，理解其關鍵技術發(fā)展思路。本文首先分析了制冷劑熱物性和理化性質變化對制冷系統(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，分析殼體和關鍵零件上的載荷變化，減少關鍵零部件的變形，進行極端運行工況下關鍵部件的強度分析；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鍵。

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