R22 等HCFC 制冷剂的减量延续技术
文章编号：CAR236
R22等HCFC制冷剂的减量延续技术
马一太 王 伟 李敏霞 张泽英
(天津大学热能研究所，天津 300072)
摘 要首次提出R22等HCFC类制冷剂的减量延续技术，这是对替代技术的补充，有重要的实际应用价值。提出单位冷量制冷剂充灌量（充灌比）的指标，分析了不同形式蒸发器的冷水机组（热泵）和多联机等产品样本，建议300kW以下系统使用板式换热器，大中型制冷设备中用改进的干式蒸发器或喷淋降膜式蒸发器替代满液式蒸发器。同时分析了多联机系统或开式压缩机消耗较多制冷剂应该减少使用。提出重视标准和规范在减少R22充灌量和泄漏量方面的作用。
关键词R22 HCFC减量延续技术充灌比干式蒸发器满液式蒸发器降膜式蒸发器板式换热器
DECREASING & POSTPONABLE TECHNOLOGY OF R22 HCFC
REFRIGERATION
Ma Yitai Wang Wei Li Minxia Zhang Zeying
(Thermal Energy Research Institute, Tianjin University, Tianjin 300072)
Abstact Decreasing & postponable technology of R22HCFC refrigeration is first put up . It has important practical value, and supplementary for alternative technology. Cold Refrigerant Units Filling volume (Filling Ratio) has been brought up. After analyzing chillers (heat pump) and VRV product stylebooks with different evaporators, we advise that the units under 300kW use plate heat exchanger, Large and medium-sized refrigeration units use improved dry-type evaporator or spray falling-film evaporator instead of liquid-filled evaporator. At the same time, analysis of VRV systems or opening compressors should be reduced the more use of refrigerants. Put forward emphasis on standards and norms in reducing the filling volume and leakage of R22.
Keywords R22 HCFC decreasing & postponable technology Filling ratio Dry evaporator Liquid-filled evaporator Falling-film evaporator Plate heat exchanger
目前，制冷和热泵设备中应用最广泛的制冷剂是R22，另外R123和R142b有少量应用，据统计我国的R22年消耗量达到了40多万吨。据2007年《蒙特利尔议定书》第19届大会上的最新规定，对于第5（1）条款国家，2013年将R22等HCFC 的消费和生产水平冻结在基线水平，削减进度为：2015年削减10％，2020年削减35％，2025年削减67.5％，2030年完全淘汰但保留2.5%的维修量。中国作为签约国，必须履行规定，R22的替代问题也日趋紧迫。但是这么大消费量要求立刻替换是不切实际的，按规定消减是逐步的，在未来一二十年R22虽逐年削减仍然会大量使用。正确的方针是一方面我们大力研发替代品，另一方面R22等制冷剂我们
基金项目：国家科技支撑计划资助课题2006BAK04A22 仍然要削减性地延续使用，这与替代技术是互为补充的。
1 R22的替代技术及其缺陷
R22替代主要的方向是合成一种制冷特性接近R22，符合环保要求的新型制冷剂。比较接近R22性能的混合制冷剂以R407系列为佳，包括R407A、R407B和R407C，是一种由R32、R125和R134a组成的三元混合物，属于非共沸的HFC类，ODP值为0。不同的后缀代表运用在制冰工况，热泵工况和空调工况下，这三种成份的配比可能略有变化。R407C 在房间空调和小型商用空调中替代R22已有十几年历史，原则上它是与R22在制冷量、压力等方面是非常接近的，可以用来直接替换（Drop-in）。但是
它有较大的滑移温度（5℃），如果系统不做较大的变化，不适合容量较大的满液式系统，也不适合用于多联机这样多终端系统。R407C较适合用于单元式空调器和用干式蒸发器的冷水机组。
现在已推出的R410A就是由50%R125与50%R32合成的，属于HFC类，ODP值为0。它并不是R22简单替代物，因为工作压力和单位容积制冷量等重要参数并不一致。虽然杜邦等国外公司都极力推荐R410A，但对于中国厂家来说却面临着一些技术难题[3]。
首先，R410A 等新型制冷剂的专利，大部分都掌握在霍尼韦尔和杜邦等国外公司手中，中国企业如果想使用R410A，必须每台都向这些外企交一笔专利费，这无疑极大提高了空调的生产成本，这也是目前大部分企业不愿意采用R410A的主要原因。据空调企业技术人员初步估计，新制冷剂替代成本大约增加15％，即平均每台空调成本提高250元左右。这些费用都将转嫁到消费者身上，而替代所产生的大部分利润将被拥有专利权的国际制冷剂企业获得。2009年，R410A在欧洲的专利保护即将到期，但在中国得面临更长的专利保护期，这也是这些外国大公司积极推动R22替代的一个重要原因。
其次，新研发制冷剂和R22本身性质的差异，相关的配套设备也有所差异。例如R410A空调的工作压力是R22的1.5倍，这就要求在空调产品设计时要考虑系统的耐压性，比如两器及配管的耐压性能需重新设计，铜管的壁厚要有所增加。R410A压缩机在设计上与R22机种有根本区别，需要重新设计。一方面，由于R410A的工作压力大，压缩机结构的耐压性能、机体排气量和电机转矩设定等都需要重新设计；另一方面，由于用于R22的矿物油无法同R410A互相溶解，R410A的润滑油需改为合成的PVE油或者POE油。
另外R407系列也好，R410系列也好，都没有从根本上解决高GWP即温室效应问题，它们可能在不久的将来面临新一轮的淘汰，这在欧盟等发达国家已经提到议事日程。
R22空调制冷技术已发展多年，相关的配套技术都非常成熟，所以在各种工况下的工作效率都可以达到最优化。纵观全局，我们有充足的理由提出R22等HCFC的延续技术。
2 HCFC减量延续技术的提出
我们提出HCFC的减量延续技术，不是简单地拖延时间，而是积极地应对国际上环境保护的大原则。因为一方面我国有大量的现役设备要继续使用R22，另一方面R410A、R407C并不是简单drop-in 技术。我们通过系统优化的方式，合理设计新型循环系统，只减少R22等HCFC制冷剂的产量和用量，但不减少制冷设备的制冷量，甚至有所增加。这就是我们首次提出的HCFC制冷剂的减量延续技术（HCFC decreasing & postponable technology）。在世界上都没有提出R22 的drop-in技术，我国新制冷剂的研究较薄弱、而制冷行业消耗大量R22的国情下，提出HCFC的减量延续技术，有着重要的现实意义。这既对于我国制冷产业在过渡时期的发展起着重要的保护作用，又能很好地履行环境保护的国际义务，减轻西方对中国HCFC问题的压力。
其它HCFC如R123有很小的臭氧破坏势，特别是GWP值也很小，用于离心式机组系统的循环效率较高。从全面考虑，暂时也找不到能代替它的制冷剂，也可考虑这种减量延续技术。
一般来说，一定制冷量的制冷设备的结构参数一旦确定，其需要的工质充灌量就是一定的，与系统的运行工况的变化关系不明显。当换热器结构确定后，制冷剂充灌量过少，蒸发器的传热面积不能充分利用，蒸发器出口过热度和压缩机吸气比容增大，系统循环流量及制冷量下降，制冷系数下降；充灌量过多，蒸发器出口会夹带液滴，并会造成冷凝器的积液，减小有效换热面积，冷凝温度升高，压比增大，导致压缩机功耗增加，制冷系数下降[4]。只有合适的充灌量，才保证系统在工作条件下得到最大的制冷量和最高的制冷系数。所以减少工质充灌量，应当从系统结构设计的时候开始。一个制冷设备中，制冷剂主要存在于蒸发器和冷凝器中，选择合适结构的换热器，既保证系统的换热效果，达到最优的能效比，又尽可能小地减少工质充灌量。
3 制冷系统中不同蒸发器的工质充灌量比较
在小型制冷设备中，如家用空调和冰箱，多使用蛇管式或翅片管换热器。小型空调器HCFC类制冷剂的替代物研究比较成熟，各种替代制冷剂及其配套技术设备都已经开发应用，可以尽量考虑碳氢化合物或CO2等自然工质替代技术。但在大型制冷（热泵）设备中，采用可燃的或高压的替代物有风险，使用R22是现实的选择。由于传统设计每台的制冷剂充灌量都比较大，这里有很大的削减空间。
大型设备中使用较多的是管壳式换热器。在蒸发器中根据换热管内外工质的不同分配方式，又可分为干式，满液式和降膜式等。
为了便于对比分析，我们提出一个指标：系统中工质充灌量M （kg ）比上系统的公称制冷量Q （kW ），即单位冷量充灌量，简称为充灌比：
W
M
m =
(kg/kW) 目前大中型制冷系统的m 统计值为为0.2～0.4 kg/kW 。工质循环量与制冷量成正比，但不同结构的换热方式，对工质的有效充灌量影响较大。通过查阅众多产品样本和用户指南，我们对不同类型换热器单位制冷量的工质充灌量做了统计比较，从制冷量为300kW 开始统计不同制冷量对应的工质充灌量，作出了图1-4。总体上，厂家标注的工质充灌量与制冷量都能有很好的线性关系。
从图1可以看出，采用干式蒸发器的热泵系统，单位冷量充灌量大约在0.16kg/kW 。图2显示，采用满液式蒸发器的热泵系统，单位冷量充灌量大约在0.33kg/kW 。这意味着相同换热面积或相同制冷量下干式蒸发器比满液式蒸发器的单位充灌量少一半，但采用干式蒸发器的系统往往COP 要低20%～30%。从理论上说，干式蒸发器属于对流管内沸腾换热，满液式蒸发器属于池沸腾，在一般文献中给出干式蒸发器的换热系数为550W/m 2K ，而
满液式蒸发器是450 W/m 2K 。
文献[5]中给出了两者较为简捷的换热公式，水平管对流换热系数比大空间沸腾大约高出40%，这都说明本来干式蒸发器有比满液式蒸发器更高的换热效率。但在实际的产品制造中，人们普遍认为在相同材料或成本条件下，满液式蒸发器的传热效果要好于干式蒸发器。除去干式蒸发器为保证不产生液击而有较大的吸气过热，最主要的原因是干式蒸发器的液体分配不均匀，影响了传热管束整体的效率[6]。文献[5]的理论换热系数是对于单根管来计算的，而对于多管程的干式蒸发器的而言，第一管程液体分配不均也许并不严重，但在其后的各管程中,随着气液混合体中气体比重的逐步加大,液体分配的不均匀性必然随管程数的增加而加剧。当某些管路中全部被气体充斥时，必然大大降低了其整体的传热效率。虽然干式蒸发器实际运用中有不足，但是在未来面临必须降
低R22消耗量的压力面前，
其充灌量小的优点还是应该充分发挥的。已经有很多研究干式蒸发器均匀分液的改进措施，如在进液端盖内加分液板和特殊型线的导液（气）板[7]，并通过电子膨胀阀主动控
制减少吸气的过热度，能使干式蒸发器的换热超过
满液式。
充灌量
制冷量
图1 干式蒸发器系统冷媒充灌量
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
充灌量
制冷量
图2 满液式蒸发器系统冷媒充灌量
从图3可以看出，采用降膜式蒸发器的水源热泵R22的单位冷量充灌量大约在0.28kg/kW 。而只供冷的冷水机组比两用的水源热泵在相同制冷量下的充灌量要小，约为0.20kg/kW 。不同工况下循环工质的液体和蒸汽比重不同，需要的工质充灌量也不同。我们注意到，采用降膜式蒸发器的水源热 泵比满液式的水源热泵在相同工况下厂家标注的COP 值要高出不少，这是因为厂家增大了换热器的面积，在相同的换热温差下，增大了换热量，必然提高了系统效率。但是换热器面积的增加，也导致了制冷剂充灌量的增加，这也是样本统计中的单位冷量充灌量比预期的要大的原因。如果换算到相同的换热面积下，对于大型制冷设备，采用降膜式蒸发器代替满液式蒸发器，其充灌量要少30%。目前在我国中大型水源热泵中，大部分都在使用满液式蒸发器。如果未来替换为降膜蒸发器，能够在不减少制冷量的前提下削减很大的R22使用量。
充
灌
量
制冷量
图3 降膜式蒸发器系统冷媒充灌量
目前采用板式换热器的系统一般制冷量不大，
样本值也不多，如图4所示。其单位冷量充灌量大
约在0.18kg/kW。在更大的制冷量范围内，板式换
热器会因制冷剂分配不均而有所降低，而且价格一
般偏贵，竞争优势下降，我们推荐在小于300kW的
系统中研究使用板式换热器。
充
灌
量
制冷量
图4 板式蒸发器系统冷媒充灌量
欧盟国家为在中央空调或大型超市中推行氨、
丙烷等自然工质，投入较大精力研究减少工质充灌
量的技术，以减小发生燃烧、爆炸的可能性，目前
也取得了明显的效果。这在实际上与HCFC的减量
延续技术是异曲同工的。我们查阅了某厂家采用板
式换热器的螺杆式氨冷水机组，其充灌比如图5所
示，大约在0.07 kg/kW，这远远低于其他冷媒的充
灌量，仅为同样冷量的R22机组的1/3。如果将此
技术运用到R22机组中，同样能大幅减少R22充灌
量。
充
灌
量
制冷量
图5 板式蒸发器系统中氨的充灌量
4多联机系统充灌量分析
多联机或VRV(variable refrigerant volume)空调
系统，即可变制冷剂流量空气-空气多拖多空调系
统，实现由一台或多台室外机连接多台室内机的制
冷或供暖，近年来向着较大建筑面积发展。据资料，
有的厂家已经生产一台室外机可连接64台室内单
机，配管总长达到1000m的多联机系统。样本统计
值日本某公司多联机R410A的充灌比为0.3kg/kW
（注意相同制冷量下R410A的充灌量要小于R22），
国产多联机和单元式机组R22的充灌比为0.4～
0.64kg/kW 不等。据文献[8]，多联机系统的COP
在2.00~3.20，每10m连接管衰减率为2~3%。风冷
冷水机组+风机盘管系统COP为1.92~2.52，水冷冷
水机组+风机盘管系统COP为2.40~3.20。多联机高
效节能的一个主要原因就是直接由制冷剂输送冷
（热）量，不需要庞大的风管和水管，减少了输送
耗能及冷媒输送中的能量损失。但这也意味着要消
耗更多的制冷剂用于准是输送。除去系统本身结构
所需要一定的制冷剂量，根据液管配管的长度和直
径，每单位长度要追加相应的制冷剂充灌量，这导
致相同负荷下多联机系统的制冷剂充灌量要大于
有载冷剂的冷水（热泵）机组。另外过长的制冷剂
输送配管，必然带来了长期使用中的工质泄漏问
题，由于会有大量的接口，即使密封技术再好，它
的泄漏量也大于一般的冷水机组。所以，我们建议
在使用集中式的供热制冷系统时，要使结构布置紧
凑，尽量不采用制冷剂直接输配冷热量方式，在配
管中运用水或空气等载冷剂传输冷（热）量，减少
系统制冷剂的充灌量。
5 重视标准和规范在减少R22充灌量和泄漏量方面的作用
制冷设备中制冷剂充灌量的大小，直接影响对制冷剂生产量的需求。国内外在标准和规范中基本没有对充灌量或充灌比作出规定，我们认为现在至少在中国应该提到议事日程上来。在制定制冷热泵产品能效标准的同时，应制定产品的最大充灌比限制，以推广能减少充灌量的各种技术。另外，每年大约有三分之一的R22产量是用于设备维修以补充制冷剂的泄漏，实际上充灌量与泄漏量并不一定有直接关系，我们最终控制的是泄漏量以保证在大气中的臭氧层消耗物质逐年削减，建议在今后制定的标准中对设备的泄漏量应作出明确的规定，并有相应的监控措施，这是即治标又治本的方式。比如目前还有相当多的老机组使用的是泄漏比较严重的开式压缩机，应逐步停止生产的使用开式压缩机系统以减少泄漏量，减少接口过多的多联机的生产和使用，并加强系统维修和报废时R22的回收，同样起到减少R22生产量和消费量的作用。
6 结论与建议
（1）首次提出HCFC的减量延续技术。消减R22等HCFC制冷剂的消耗量是我国必须履行的国际义务，我们除了开发相应的替代制冷剂，还应该研究HCFC的减量延续技术，与替代技术互为补充。R22等HCFC的减量延续技术即在削减HCFC消耗量的同时，不减少设备的制冷量。这对于我国制冷业有着重要的意义。
（2）提出单位冷量充灌量即充灌比的指标，分析了采用几种不同蒸发器的系统样本的单位冷量充灌量值。在充灌比的统计数值上排列为满液式蒸发器>降膜式蒸发器>板式蒸发器>干式蒸发器。推荐在小于300kW的系统中使用板式换热器；在大于300kW的制冷（热泵）设备中，满液式器制冷剂的充灌量最大，建议用充灌量较小的降膜式取代满液式蒸发器，同时应研究更加完善干式蒸发器的技术。
（3）多联机系统需要充灌较多的制冷剂，并有较大的泄漏可能，建议少用或不用，尽量用水等载冷剂输送冷（热）能。
（4）制定我国制冷剂的充灌比和泄漏量的标准和规范，逐步停止生产和使用开式压缩机系统以减少泄漏量，加强系统维修和报废时HCFC的回收，同样起到减少HCFC生产量和消费量的作用。
本文虽然主要以R22制冷剂为实例，但对于R123或R142b等HCFC工质有相同的意义。
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注：文章中收集大量国内外空调厂家的发行的产品样本或指南用于数据分析，不再单独列出。