R32与R410A的循环特性对比研究

摘要：国内外加速淘汰HCFCs制冷剂的时间表已经制定，而理想的替代制冷剂仍不明确，本文对目前业内应用较多的替代制冷剂R410A以及被国内学者关注的R32制冷剂的循环特性进行理论上的对比分析及实验研究，并指出应用R32制冷剂时存在的问题，以期为国内R22的替代决策提供有价值的技术参考。

关键词：R32；R410A；循环性能；对比研究

Comparative research on the cycle performance of refrigerant R32 & R410A

Mei Kui  Li Ming  Liang Lujun

（TICA Air-conditioning CO. , LTD, Nanjing 210028）

Abstract: Time table of the phase-out of HCFCs refrigerant in the world was already formulated. And the existing alternatives to HCFCs refrigerant, especially to R22, are not good in some application. In this paper, comparative analyses and experimental research of the cycle performance of R410A & R32, which was yet used in the world or concerned by some scholars in China, will be carried out. At the same time, the problems were pointed out when using R32 as a alternative. It hopes that this paper will offer valuable reference to the phase-out of HCFCs refrigerant in China.

Keywords: R32；R410A；cycle performance；comparative research

引言

2007年9月，《蒙特利尔议定书》第19次缔约方会议在加拿大蒙特利尔召开，会议讨论通过多项决定，其中包括关于加速逐步淘汰氢氯氟烃（HCFC）的第XIX/6号决定，要求缔约方在选择HCFC替代物时优先考虑的原则是：首先逐步淘汰那些ODP值较高的HCFC，其次要选用GWP值最小的工质作替代品，并同时能满足健康和安全等的要求[1]。

目前，日本、美国主要采用R410A（ODP值为零）作为R22的过渡性替代制冷剂，国内制冷空调企业也在加快推出R410A新产品，但R410A的GWP值较高（2100），这与当下全球节能减排目标尚有差距，依然需要探索与R410A热力性能相当且GWP值较低的替代制冷剂。在这种形势下，作为R410A制冷剂一个组元的R32逐渐得到国内学者及业内人士的关注。根据现有研究资料可知R32具有与R410A非常相近的热力性能，泄漏时的相对CO2排放当量为405，与R22相比CO2减排比例可达77.6%，符合美国环保局（2009年）在家用、商用空调部分提出减排CO2 50%～90%的措施，而R410A减排CO2仅为2.5%[2]。

本文着重对目前应用较多的环保型制冷剂R410A及具有更好环境效益的R32的循环特性进行理论对比分析和实验研究，并指出应用R32作为制冷剂时客观存在的问题。

1 R32与R410A的基本特性分析

       众所周知，R410A是由R32与R125按照质量百分比1：1混合而成，这就决定了R32与R410A在各项特性方面具有相近性。表1列出了R32与R410A在热物性、环保特性及安全性等方面的关键参数[2,3]。

对比分析下表1中的数据不难看出， 在热物理性质方面，R32的摩尔质量是R410A的0.71倍，根据充注量与摩尔质量大体上成正比关系，可知R32充注量可减少，仅为R410A的0.71倍；R32的沸点与R410A很接近，而其临界温度和临界压力比R410A偏高。在环保特性方面，R32与R410A的ODP值均为零，而R32的GWP值明显比R410A低，前文已指出，与R22相比R32的CO2减排比例可达77.6%，而R410A减排CO2仅为2.5%，可见R32在环保特性方面要优于R410A。在安全特性方面，R32为无毒可燃（A2），而R410A为无毒不可燃（A1）。

表1 R32与R410A基本特性对照表

制冷剂	R32	R410A
化学分子式	CH2F2	CH2F2/CHF2CF3[50/50]
摩尔质量	52.02	72.58
标准沸点/℃	-51.70	-51.40
临界温度/℃	78.10	70.5
临界压力/MPa	5.78	4.81
相对充注量	0.71	1.0
ODP	0	0
GWP	675	2100
LFL/(kg/m3)	0.306
LFL/%	14.4
TLV-TWA/10-6	1000	1000
安全等级	A2	A1

关于R32的可燃性分析，文献[4]指出低GWP值的R22替代物往往具有很强的可燃性，而选择长期替代物时又要求GWP尽可能的低，折中方案即为GWP值适中，而可燃性最小，实际上，在R22的几种替代物R32、R290、R161、R1234yf中，R32的燃烧下限（LFL）最高，最不易燃烧，并且燃烧后所释放的燃烧热（HOC）也最小，也即它的燃烧强度最低，因而是几种替代物中相对最安全的。

2 理论循环特性比较

为方便后续进行实验验证，本文参照GB/T 18430.1-2007及实际产品设计过程中的经验针对目前应用较多的风冷式冷（热）水机组进行设计工况下分别采用R410A和R32的理论循环特性进行分析比较。

作为R410A的一个主要组元，R32与R410A在系统运行状态参数方面具有相近性，图1给出了R32与R410A的饱和蒸汽压力随温度变化的关系曲线，从图中可以看出在可能应用到的工况范围内，相同温度条件下R32的饱和蒸汽压力均比R410A高，但相差不大，最大不超过2.6%，与现有R410A系统管路及换热器的承压要求基本相当，基本可以直接利用现有的R410A产品加工设备。

 

图1 R32与R410A的饱和蒸汽压力随温度变化的关系曲线

根据风冷式冷（热）水机组运行工况特点，设计工况选定为：蒸发温度2 ℃、吸气温度10 ℃、冷凝温度50 ℃、过冷温度3 ℃。同时，计算中压缩机的等熵效率设为0.8，最终的计算结果见表2。表2中的主要循环性能包括蒸发压力 ，冷凝压力 ，压比 ，排气温度 ，相对 ，相对单位质量制冷量 ，相对单位容积制冷量 和相对单位容积耗功量 ，其中相对热力性能是指R32与R410A循环性能的比值。

表2 设计工况下R32与R410A理论循环性能对比

	pe/Mpa	pc/Mpa	pk	t2/℃	相对COP	相对q0	相对qv	相对wv
R32	0.866	3.141	3.62	105.8	1.043	1.556	1.126	1.081
R410A	0.850	3.063	3.60	85.33	1.000	1.000	1.000	1.000

从上表可以看出，在系统关键状态参数方面，R32系统的工作压力略高于R410A，但相差很小，而R32系统的排气温度较R410A高，若直接采用现有的R410A制冷系统充注R32运行中可能导致压缩机烧毁；在系统循环性能方面，R32系统的压比与R410A几乎一样，而R32的单位质量制冷量则高出R410A约55.6%、单位容积制冷量高出约12.6%，可知相同排气量的压缩机采用R32时的制冷量要比采用R410A大12.6%，而目前压缩机都是按照制冷量大小来设计，这样就需要重新设计压缩机的排气量才能使压缩机规格型号统一，另外R32的单位容积耗功较R410A升高8.1%，综合节能效果大约为4.3%。

为进一步了解采用R32制冷剂时不同工况下系统的排气温度变化情况，本文根据风冷热泵机组在实际运行中可能达到的典型工况进行理论计算，典型工况及对应的理论排气温度值如表3所示，可以看出在低温制热工况下系统的排气温度最高，达到133.8 ℃，经计算R410A在此工况下的排气温度仅为98.5 ℃，表明采用R32制冷剂后系统正常运行工况范围内的排气温度最高升高多达35.3 ℃，而现有R410A及R22压缩机的排气温度上限为125 ℃，直接充注R32制冷剂存在烧毁的风险。

表3 典型工况下R32的理论排气温度

典型工况	蒸发温度/℃	冷凝温度/℃	吸气温度/℃	等熵效率	排气温度/℃
高温制冷	10	60	18	0.8	114.1
低温制冷	0	31	8		72.1
高温制热	10	55	14		100.2
融霜工况	-10	50	-6		117.7
低温制热	-20	50	-16		133.8

综上所述，单从性能方面考虑，采用R32时要优于R410A，面临的主要问题是采用R32后排气温度较高，压缩机可能需要重新设计。

3 实机性能测试

3.1 实验方案及步骤

为了验证制冷剂R32在实际中的应用效果，作者从所在公司批量生产的R410A冷媒风冷式冷热水机组系列中随机抽取一台单冷机组和一台热泵机组作为测试样机，并按照GB/T 10870-2001规定的液体载冷剂法和GB/T 18430.1-2007规定的测试条件在国家认可的焓差实验室进行名义制冷、名义制热循环性能测试，而放热侧/热源侧采用GB/T 17758的空气焓差法中的室内空调装置使其达到被测试样机的环境温度条件。

机组测试条件见表4，测试时的温度和流量偏差见表5。

表4 机组测试温度/流量条件

测试工况	水流量/[m3/(h·kW)]	出口水温/℃	干球温度/℃	湿球温度/℃
名义制冷	0.172	7	35	-
名义制热		45	7	6

表5 机组测试温度和流量偏差

测试工况	水流量/[m3/(h·kW)]	出口水温/℃	干球温度/℃	湿球温度/℃
名义制冷	±5%	±0.3	±1	-
名义制热				±0.5

实验装置原理图如图2所示，被测试机组放置在焓差实验室的室外侧，主要的测试参数包括机组制冷量、制热量、总输入功率、氟系统及水系统关键部位的压力和温度等参数，单冷机组的测量点布置情况如图3所示，热泵机组测量点布置与单冷机组相似，所有测量数据利用实验室配置的自动采集软件在线实时采集并记录。

 

图2实验装置原理图

 

图3实验样机测点布置图

总体测试步骤为：首先将实验样机按照已经匹配好的充注量充注R410A，进而测试不同工况，测试完毕后将样机内的R410A冷媒排放干净，抽真空后缓慢注入适量的R32冷媒，先进行制冷剂充注量匹配实验，待系统状态参数达到一个最佳值后，R32充注量匹配实验即完毕，接着再按照这个最佳状态时的充注量进行R32冷媒不同工况下的实验。

3.2测试结果分析

    按照上述实验方案及步骤获得R32与R410A的制冷、制热循环性能参数如下表6所示。

表6 R32和R410A的实测循环性能参数表

工况	制冷剂	pe/Mpa	pc/Mpa	pk	t2/℃	相对COP	相对Q0	相对耗功率
名义 制冷	R32	0.88	3.21	3.64	97.4	1.007	1.105	1.098
	R410A	0.85	3.08	3.62	79.4	1	1	1
名义 制冷	R32	0.77	2.96	3.84	98.3	1.002	1.092	1.090
	R410A	0.76	2.8	3.68	85.6	1	1	1
名义 制热	R32	0.68	3.15	4.63	99.5	-	-	1.059
	R410A	0.68	2.99	4.39	66.7	-	-	1

从上表6的测试结果可以看出，与R410A制冷剂系统相比，：R32系统的蒸发压力基本相等，而冷凝压力略有上升，与理论循环较为一致；各工况下R32系统排气温度都较R410A高；两台样机的制冷量提高幅度分别为10.5%、9.2%，而耗功率提高幅度分别达到 9.8%、9.0%，使得机组COP与R410A系统基本相同，提高幅度明显小于理论值。由于实验条件有限，本文仅测试了名义工况下R32与R410A系统的部分循环性能参数，关于R32制冷剂系统在各种工况下的实际性能有待进一步的实验研究。

4结论

本文对目前业内应用较多的替代制冷剂R410A以及被国内学者关注的R32制冷剂的循环特性进行理论上的对比分析及实验研究，结果表明：在热物理性质方面，R32的充注量可减少，仅为R410A的0.71倍，R32系统的工作压力较R410A高，但最大升高不超过2.6%，与R410A系统的承压要求相当，同时R32系统的排气温度较R410A最大升高达35.3℃，现有压缩机需要重新设计；在环保特性方面，R32与R410A制冷剂的ODP值均为零，但R32的GWP值适中，与R22相比CO₂减排比例可达77.6%，而R410A仅为2.5%，在CO₂减排方面明显优于R410A；在安全性能方面，R32与R410A均无毒，而R32可燃，但在R22的几种替代物R32、R290、R161、R1234yf中，R32的燃烧下限（LFL）最高，最不易燃烧，相对最安全；在系统理论循环性能方面，R32系统制冷量较R410A提高12.6%、耗功率增加8.1%，综合节能4.3%。实验结果也表明相同系统采用R32制冷剂后，制冷量较R410A提高10%左右，能效比略有增加，但较理论值小。综合考虑，R32具有较大替代R410A的潜力。

参考文献

[1]汪训昌. 《蒙特利尔议定书》缔约方第19次会议第XIX/6号决定及相关决议的解读与述评.暖通空调，2009,39(1):53-61

[2]朱明善,史琳. 在家用/商用空调中用R32替代R22的探索.制冷与空调，2009,9(6):31-34

[3]张龙,刘煜. 制冷剂R32在空调应用上的理论分析. 制冷与空调，2010,10(3):76-78

[4] 史琳，朱明善. 家用/商用空调用R32替代R22的再分析.制冷学报，2010,31(1):1-5