自然冷媒 (一)
R-410A于中小型空调机之应用
一、前言
广泛使用于中小型空调机的R-22已被列为管制品，目前正逐年递减使用量，并将于公元2030年完全废止。为了因应管制措施，各国冷冻空调设备制造商与冷媒厂纷纷投入R-22替代品的研发。由于R-22冷媒具有优异的安全性、能源效率、操作特性，使其替代品的研发具有一定的困难度。
二、替代冷媒种类
替代冷媒的著眼点在于(1)降低臭氧层破坏指数，(2)降低冷媒的危险性(如燃烧性、毒性)，以安全性高的冷媒混合危险性较高的冷媒，使其混合后浓度低于危险浓度以下，(3)近似于R-22的热力性质(如操作压力、能源效率)，以期能迅速、方便替代R-22冷媒。
目前提出的替代冷媒，大致可分为纯质冷媒与混合冷媒两大类。例如R-134a、R-717(Ammonia，氨)、R-290(Propane，丙烷)等为纯质冷媒，而R-407C、R-410A等为混合冷媒。R-407C的组成为HFC-32/HFC-125/HFC-134a (23/25/52 wt. %)，为非共沸(Nonazeotrope)冷媒。R-410A的组成为HFC-32/HFC-125(50/50 wt. %)，为近似共沸冷媒。
三、R-410A与其他替代冷媒的比较
表1为R-134a、R-290、R-407C、R-410A与R-22在中小型空调机应用上的比较。
表1、R-134a、R-410A、R-407C、R-290在中小型空调机应用上与R-22的比较
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冷媒名称 |
R-134a |
R-410A |
R-407C |
R-290 |
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成 分 |
HFC-134a |
HFC-32/125 |
HFC-32/125/134a |
Propane丙烷 |
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混合比(质量%) |
100% |
50/50% |
23/25/52% |
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与R-22比较之主要性质 |
l工作压力低 l相同制冷能力之压损大 |
l近共沸冷媒 l工作压力为R-22之1.5倍 l压损较小 |
l非共沸冷媒，系统中之成分有可能发生变动 l工作压力与R-22相近 |
l具强燃性 l工作压力与R-22相近 |
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与R-22相比之能源效率(%) |
72~90 |
94~100 |
90~97 |
96~100 (由理论推算) 加诸于系统的安全措施会使效率降低 |
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机器开发上所面对的技术课题 |
l主机外形变大 l压缩机所需排气量大 |
l设计压力提高 l各部元件、机构之最佳化与耐高压 |
l冷媒成分变动之对策 l热交换器设计改善以提升效率 |
l强燃性的对策
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社会经济课题
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成本与生产设备投资 |
l主机外形变大
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l主机、元件、生产设备须耐高压 |
l加大热交换器以提高效率 l冷媒充填管理 |
l须投资确保机器与设备之安全 |
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销售与售后服务 |
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l帮浦、密封垫片须耐高压 |
l目前无该非共沸冷媒之成分管理办法 |
l研拟强燃性的安全对策 |
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冷媒回收与再利用 |
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l须注意冷媒成分变动 |
l须检讨回收技术与管理 |
l研拟强燃性物质与设备的管理方法对策 |
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商品化预计时程 |
小型冷气机 |
l主机外形变大，对小型冷气机而言无前途
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l2000年左右 |
l2000年左右 |
l无法预期 l设计、制造、销售欲克服其强燃性极为困难 |
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中型冷气机组 |
l主机外形变大，不易普及
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l中大型冷气机组会更晚 |
l同上 |
l同上 |
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已广为汽车空调系统所采用的R-134a (取代R-12)，其优点为：
- 1. 纯质冷媒，可用于满液式系统，系统发生泄漏时成分不致发生变化
- 2. 毒性极低(允许之暴露浓度为1000 ppm)、不可燃
- 3. 工作压力低于R-22，无压力容器结构问题
- 4. 冷媒价格低于R-407C、R-410A
其缺点为：
- 1. 须使用合成冷冻油，吸湿性极高
- 2. 热交换器面积大于R-22系统
- 3. 体积制冷能力低于R-22 30%~35%
国内已有制造厂提供R-134a专用的螺旋式压缩机，并已开始被国内冰水机业者所采用。
R-407C的热力性质与R-22非常接近，压缩机能力及系统之温度与压力亦与R-22相仿，被认为是可以直接drop-in之冷媒，其特点为：
- 1. 应用于空调时之蒸发温度范围，其温度滑落(Temperature glide)约为6℃(10.8℉)，利用此特性，应用于逆向流之热交换器将可有效提升热传效率
- 2. 当系统充填冷媒时，须采用液态充填。若系统有泄漏发生之时，冷媒成分将发生变化，造成维修上的困难
- 3. 须使用合成冷冻油，吸湿性极高
- 4. 工作压力与R-22近似
- 5. 系统效率比R-22低约5%
- 6. 冷媒价格甚高
R-290(Propane，丙烷)为一自然冷媒，其特点为：
- 1. 具强烈可燃性，须做好安全防护措施
- 2. 系统效率与R-22相当
- 3. 工作压力低于R-22
- 4. 冷媒充填量少，约为HFC冷媒的50%，且价格便宜
- 5. 没有臭氧层破坏或温室效应的问题
- 6. 可使用矿物油做为冷冻油
由以上特点可发现，R-290唯一的缺点就是其强烈可燃性(空气中体积浓度达2~10%时，即可被火花或400℃以上的高温物体引燃)，除了欧洲外，并不为其他国家接受。相关冷媒的燃烧性、毒性比较见表2。
表2、几种替代冷媒的燃烧性、毒性与温室效应指数比较
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产品 |
最低燃烧爆炸浓度限制% V/V |
毒性浓度限制(kg/m3) |
POCP (乙烯为100) |
温室效应指数(一百年) |
HCFC-22 |
-- |
0.3 |
0.1 |
1500 |
R-717 Ammonia |
15 |
0.00035 |
-- |
-- |
|
R-290 Propane |
2.1 |
0.008 |
41 |
3 |
|
HFC-32 |
12.7 |
0.054 |
0.2 |
650 |
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HFC-125 |
-- |
0.39 |
-- |
2800 |
|
HFC-134a |
-- |
0.25 |
0.1 |
1300 |
|
HFC-407C |
-- |
0.31 |
-- |
1526 |
|
HFC-410A |
-- |
0.44 |
-- |
1725 |
R-410A之性质与R-22比较，除了临界压力接近外，其余性质相差颇多(见表3、表4)。然而，R-410A取代R-22的重要理由之一是性能系数(Coefficient of performance)比R-22高，其特性包括：
- 1. 潜热比R-22高7.4%
- 2. 饱和气体密度比R-22高40%，所以相同排气量的压缩机，其容积能力约为R-22的1.5倍
- 3. 于平滑管的热传系数比R-22高25%，比R-407C高72%；于微鳍管的热传系数比R-22高29%，比R-407C高一倍
- 4. 为近共沸冷媒，可用于直膨与满液式系统，无系统泄漏冷媒成分改变的问题
- 5. 工作压力约为R-12的1.5倍，在压力容器的构造规格上，必须做更严格的要求，以确保运转中的安全
- 6. 成分中之R-32具可燃性，空气中体积比例大于13%即有燃烧的危险，应做好冷媒管理
表3、R-22与R-410A之热物理性质比较
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冷媒性质 |
R-22 |
R-410A |
差异比注 |
|
分子量(g/mol) |
86.5 |
72.6 |
-16.07 |
|
沸点NBP(℃) |
-40.9 |
-52.7 |
-28.85 |
|
临界温度(℃) |
96.2 |
72.5 |
-24.64 |
|
临界压力(bar) |
50.5 |
49.5 |
-1.98 |
|
在25℃潜热(kJ/kg) |
180.6 |
194.0 |
7.42 |
|
在25℃气泡压力(Bubble pressure,bar) |
10.4 |
16.5 |
58.65 |
|
在25℃液密度(kg/m3) |
1192 |
1083 |
-9.14 |
|
在25℃饱和气密度(kg/m3) |
44.5 |
62.2 |
39.77 |
|
在1atm之温度滑落(K) |
0.0 |
0.1 |
-- |
|
在10℃饱和液比热(kJ/kg/K) |
1.23 |
1.48 |
20.32 |
|
在50℃饱和液比热(kJ/kg/K) |
1.47 |
1.92 |
30.61 |
注：差异比＝{[(R-410A)-(R-22)]/(R-22)}×100%
表4、R-410A与R-407C之系统特性比较
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系统特性 |
R-410A |
R-407C |
|
温度滑落 |
<1℉ |
10℉ |
|
GWP值 |
0.42 |
0.37 |
|
130℉(54℃)之压力(psig) |
479 |
313 |
|
压缩机EER(% R-22) |
92~100% |
95~101% |
|
冷冻容量(% R-22) |
149~155% |
98~105% |
|
热传能力(与R-22相比) |
稍高 |
相同 |
|
管路尺寸(与R-22相比) |
较小 |
相同 |
|
系统性能系数(% R-22) |
98~106% |
95~100% |
|
系统价格 |
稍低 |
相同 |
|
重新设计性 |
明显 |
微少 |
资料来源：同表3
由以上的比较来看，R-410A成为R-22最终替代品的机会很大。
四、R-410A应用于空调机之设计考量
压缩机部分：
R-410A专用压缩机为替代成功的关键。由于压缩功的增加，需要用较大的马达带动，压缩机亦须通过压力测试。又如开发专用润滑油等工作皆须投入相当多的研发经费。由于压力较高，所以产生的噪音亦较大。除往复式及双螺旋式压缩机之外，效率较佳的单螺旋式压缩机可能会大量应用在此系统。
热交换器部分：
热传系数较R-22高，热交换器可较小化，R-410A为近共沸冷媒，温度滑落问题可忽略不计，原先用R-22热交换器设计之法则，仍可继续适用于R-410A热交换器。另外，高压贮液器(Receivers)及低压贮液器(Accumulators)之膨胀率与R-22不同，必须列入设计考虑。
由于热交换器与贮液器皆属于压力容器，依UL规定，外壳强度必须耐5倍之设计压力值。对R-410A而言，其工作压力比R-22高50%，也就是说气冷式冷凝器之工作压力可能高达400~450 psi(约30个大气压)，所以其耐压测试必须达到2250 psi或更高。
冷冻油部分：
必须采用POEs (Polyol-Ester)，其高吸湿性要特别小心处理。而POEs原本其黏滞系数并不大，必须藉著添加物来提升其黏滞系数，添加物对系统其他垫片或绝缘材的破坏作用也要留意。
其他冷冻材料：
目前所使用的冷冻材料，所承受的最高压力仅达450 psi 不符R-410A使用，材料制造商必须配合开发耐高压的冷冻材料。
五、结论
总结R-410A之发展来看，应为R-22较长期之替代品，目前仍在实物设计发展与测试阶段，各国冷冻空调制造厂皆密切注意它的发展。从系统的性能来看，R-410A优于R-22是被确定的，但实际发展中，压缩机的取得是应用的关键。由于R-410A的操作压力比R-22高出56%至65%，压缩机的结构须重新设计。如何量产制造适用且价格可被接受的压缩机，正是各大压缩机厂投注的焦点。
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