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                      氣體知識

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                      丙烷、異丁烷等作為空調制冷劑的應用及探索

                      2008-11-18 9:07:00

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                      來源:維普資訊

                        可以用作制冷劑的自然制冷劑有5種:水、CO2、NH3、碳氫化合物(目前主要應用的有高純丙烷、高純異丁烷)和空氣,丙烷、異丁烷是碳氫化合物的一種。早在19世紀,碳氫化合物已經作為一種制冷劑應用于冰箱等家用制冷器具中,受當時理論和技術所限,人們對其應用和安全性缺乏應有認識,在一臺冰箱中充注多達1kg以上的碳氫化合物,使整個系統效率低,容易泄漏,造成火災等安全事故,從而給人們留下了碳氫化合物制冷效率低、安全性差的印象。1974年,人們發現含氯元素會對臭氧層產生破壞作用,其后,隨著“蒙特利爾條約”對CFC和HCFC物質的禁用,碳氫化合物物質替代制冷劑研究才在全球重新展開。

                        一、丙烷在空調中的應用情況
                        目前在世界上房間空調R22制冷劑替代的通行做法是采用R410A或R407C兩種制冷劑,但這兩種物質屬于“京都議定書”中受控排放的HFCs類溫室效應氣體,另外,人工合成制冷劑雖然有比較好的熱力性能,但對自然環境有不同層次,不同方面的影響,解決了一方面環境問題,同時又產生了新問題或無法解決其他方面問題,所以,R410A不屬于完全理想的制冷劑。在家用空調替代物方面,歐洲國家和日本走在前列,目前使用R410A和R407C等HFCs類制冷劑替代R22,但歐洲有些企業已經開始研發自然制冷劑制冷系統,自然制冷劑對環境影響最小,是長期替代的理想物質。
                        同R22相比,丙烷對臭氧層破壞系數是0,全球變暖系數GWP值很低,基本可以忽略。但丙烷屬于可燃制冷劑,在一定條件下可以燃燒,甚至爆炸。丙烷與礦物油相溶,如果在空調中采用丙烷為替代制冷劑,空調壓縮機企業則可以使用現有R22壓縮機的生產線,只是壓縮機排量需要適當增加,壓縮機生產成本較匹配R22的壓縮機略有增加。而R410A和R407C壓縮機使用POE或PVE油,其中POE油吸濕性強,生產中水分管理嚴格,一旦水分超標,壓縮機極易出現“鍍銅”現象,導致空調系統出現故障。
                        中國在制冷空調制冷劑替代方面基本上是追隨日本和美國,由于對可燃制冷劑特性、法規不了解或不理解,國內各空調器廠其本上都未進行有關丙烷空調試驗研究。世界上對丙烷在空調的應用研究主要集中在美國、日本及歐洲國家。在北歐,丙烷主要應用在以采暖熱泵系統方面,近期,意大利DELONGHI/FaAA和美國LENNOX等公司也對丙烷在家用空調上進行了應用研究。其中DELONGHI/FaAA公司在2004年IKK展出了使用丙烷的移動空調(型號PACF130EC0)。
                        通過實驗測試,如果用 R22空調系統直接換用丙烷制冷劑,空調系統的制冷量減少10%,能效比提高4%.Y.Hwang用9kW的熱泵系統對R22和丙烷進行優化對比試驗,對壓縮機、膨脹閥以及充注量分別按制冷劑作相應優化。試驗結果表明,相同系統情況下,丙烷充注量是R22的48%~49%,在同等過熱度不同測試工況下,丙烷比R22制冷量小3%~6%,能效比低2%~8%;額定制熱工況時,丙烷比R22能力和COP低1%~6%,當環境溫度高于-20℃時,R22系統的COP值高于丙烷;當環境溫度低于-20℃時,丙烷系統的COP值高于R22系統。

                        二、丙烷和R22替代物的成本比較
                        R410A和R407C制冷劑目前售價大約為80元/kg,R22大約23元/kg,而丙烷是液化石油氣的主要成分,如果有需求,石化行業都可以加工,現在石油價格持續上漲,以一罐15kg液化石油氣75元計算,每公斤液化石油氣5元,按95%丙烷含量,通過分離雜質,提純丙烷,按3倍于材料成本作為售價計算,丙烷售價約為15.8元/kg,在相同制冷系統中,R22和R410A充注量相當,而丙烷充注量僅相當于R22的50%,丙烷系統的成本比R22系統要低,比R410A系統低很多。
                        由于丙烷和礦物油相溶,因此匹配丙烷的壓縮機生產線兼容R22壓縮機生產線,壓縮機生產成本降低,在空調整機商檢房標準檢測機可共用。而R410A、R407C系統和R22系統使用不同的潤滑油,所以,R410A空調系統使用的壓縮機需要新建生產線,并且需要在空調整機商檢房建不同的標準檢測機,來分別對應POE油、PVE油和礦物油空調系統。
                        R410A和R407C電控系統和R22完全一致,但丙烷空調電控系統需要考慮將電器部件如繼電器、壓縮機過載保護器、主令開關、溫控器等部件改為密閉式,一些電控部件價格會偏高,所以丙烷系統的電控產品成本高于R407C和R410A.
                        數據是基于R22的一種12000Btu/h熱泵分體空調成本采用相對值對比的結果。相比于R410A系統中的R410A沖注量,丙烷的沖注量只相當其50%,所匹配的壓縮機生產成本也較低,但電控成本較高。如果能在丙烷空調中采用鋁制換熱器、鋁制管路、鋁制閥門,丙烷空調系統的生產成本將大大降低。

                        三、各國對可燃制冷劑態度和安全法規
                        美國、日本等國的很多廠商為研究替代空調CFC類和HCFC類制冷劑做了很大的前期投入,在家用空調用制冷劑方面做了大量R410A和R407C等合成制冷制冷劑研究工作,從前期替代方面指導應用到系列零部件開發規?;?、產業化,申請了大量相關專利,可以為空調制造商提供從前期預研、生產線改造,產品配套等一攬子解決方案,但出于自身利益考慮,這些企業不會主動向自然制冷劑轉換。另一方面,可燃制冷劑帶給人們心理陰影不容忽視,缺乏改造丙烷空調生產線、以及在空調中安全應用等多方面經驗,所以丙烷在空調系統中的應用研究進展緩慢。
                        世界各國對于可燃制冷劑立場和態度有很大不同,在能否使用、使用場合以及最大允許充注量等問題上存在較大分歧。目前在冰箱等小型制冷系統中使用高純異丁烷等碳氫化合物已基本得到歐盟各國認可,一般規定每臺冰箱充注量應小于150g(美國UL250標準規定小于50g)。由此可以推測,如果在家用空調中使用少于某個限定值的丙烷應該是可以被大多數國家接受的。
                        由于美國人比較注重安全,所以對可燃制冷劑的使用比較排斥。非洲國家出于對維修人員素質低的考慮,暫時沒有采用可燃制冷劑的計劃。日本沒有限制可燃制冷劑的法規,但按照常理,日本對可燃制冷劑的態度將取決于ISO和IEC的安全指導。歐洲的法國考慮協調國家標準和IEC和ISO一致,英國、德國等歐洲國家出臺相關標準允許使用可燃制冷劑,表3 是英國對可燃制冷劑使用方面的規定。我國國家標準GB 9237-2001則明確規定不允許在家用空調采用可燃制冷劑。

                        四、丙烷在家用空調上的應用建議
                        丙烷屬于碳氫化合物,是可燃制冷劑,一定條件下可以燃燒,但一個打火機和一個充滿液化石油氣的鋼瓶的結果顯然不同——其破壞作用是與碳氫化合物含有量有關的,相對于家用液化石油氣鋼瓶中丙烷含量15kg(按丙烷>95%含量計算),空調中充注丙烷量非常少,與廚房隨時都有明火相比,空調中的丙烷應用環境要比液化石油氣安全得多。筆者認為,碳氫化合物作為制冷劑的危險性被過分夸大了。實際上,只要遵照安全規范,就能確保它安全使用,丙烷作為制冷劑并不可怕。
                        和用在冰箱高純異丁烷制冷劑相比,丙烷燃燒下限比高純異丁烷高。且一旦發生泄漏,冰箱100%泄漏在室內(箱內),空調一般還要區分室內室外兩種情況,空調無論室內和室外均有風扇運轉是強制對流,能很快將周圍丙烷濃度降低;而冰箱是自然對流,周圍環境濃度下降慢。從這一點上,空調使用可燃制冷劑并不比冰箱危險。
                        丙烷有優良的熱力性能,在家用空調方面比R410A系統性能更優越。隨著安全意識提高以及相關法規陸續制定,丙烷在空調應該有非常廣闊應用前景。希望國家有關部門應根據國情考慮中國R22替代物選擇,并參照國外標準制定相應可燃制冷劑使用安全標準。當然,目前對R410A的研究數據比較充分,而丙烷研究數據少且陳舊,無法準確評估丙烷性質。只有充分的試驗結果和數據,才能使我們更好判斷制冷劑優點和缺點,最終確定家用空調制冷劑長期替代方向。

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                      相關產品鏈接:高純丙烷、高純異丁烷

                       
                       
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