R600a和R410A终将淘汰 异路同归的冷媒替代

R600a和R410A终将淘汰 异路同归的冷媒替代 R600a和R410A终将淘汰 异路同归的冷 媒替代 R600a和R410A终将淘汰 异路同归的冷媒替代 本刊记者苏亮 制冷剂又称制冷工质,冷媒,被广泛应用 在冰箱,空调,热泵热水器,除湿器,干燥器, 冷凝机组,陈列柜等家用和商用制冷设备当中. 这些设备在运行过程当中,冷媒会产生微的泄 漏.从单独个体上来看虽然微不足道,但是由于 冰箱,空调等电器产品巨大的保有.泄漏的冷 媒也成为非常可观的一个数字. 随着人们环保意识的增强,冷媒泄漏对 地球环境造成的破坏成为专家学者越来越关注 的话题.冷媒一般可分为两类,一类是人工工 质,如氟利昂;一类是自然工质,如丙烷, CO,等.普遍来说,人工工质安全系数高,但 对大气环境有破坏作用:自然工质对大气环境 友好,但又存在这易燃易爆的隐患.于是,寻 找一种可持续使用,环保高效的终极冷媒成为 制冷企业和专家学者们孜孜追求的目标. 冰箱冷媒——不会止于R600a 空调和冰箱是目前我国保有量最大,使用 制冷剂最多的家用电器产品.相对于空调,冰 箱行业在我国起步较早,冷媒的替代之路也先 于空调开始.传统冰箱制冷剂和发泡剂使用的 R12,也就是人们熟知的氟利昂.RI2是一种氯 氟烃(CFC)类物质,诞生之初被认为是非常 完美的制冷剂,压力相对较低,制冷功效高, 无毒不可燃,最关键的是制造成本低,因此被 大规模应用在制冷剂,发泡剂和清洗剂当中. 但随后人们发现,氟利昂对地球保护 伞一臭氧层有巨大的破坏作用.臭氧层是存 在于地球上空非常薄(平均约3厘米厚)的一 层气体物质,就是这样薄的一层物质却可以保 护人类免受太阳紫外线直接照射.雷电往往也 会产生臭氧,这就是为什么人们觉得雨后神清 气爽,愿意置身于山林,田野,JII河之间去呼 吸新鲜的空气,这都是臭氧的功效.假如没有 臭氧层挡住紫外辐射,地球陆地上将荒芜一 片,现在任何形式的生命在陆地上断难存在, 这或许是生命诞生于原始海洋中的原因之一. 1974年,美国加州大学尔湾分校弗兰克 ? 罗兰和马里奥?莫利纳在自然》杂志发表 论文,指出氟利昂这类物质会对臭氧层造成破 坏.1985年.日本南极观测队发现南极上空臭 氧层明显变薄.形成了”南极臭氧洞. 臭氧层耗竭,会使太阳光中的紫外线大 量辐射到地面,对人类及其生存的环境会造成 极为不利的后果.有人估计,如果臭氧层中臭 氧含量减少10%,地面不同地区的紫外线辐射 将增加19%22%,由此皮肤癌发病率将增加 15%25%.另据美国环境局估计,大气层中臭 氧含量每减少1%,皮肤癌患者就会增加10万 人,患白内障和呼吸道疾病的人也将增多.臭 氧洞的扩大还会造成海洋生态系统破坏,农作 物减产,加强温室效应. 于是联合国环境规划署自1976年起陆续召 开了各种国际会议,通过了一系列保护臭氧层 的决议. 第一个重要决议是1987年9月16日在加拿 大的蒙特利尔会议上通过的关于消耗臭氧层 Specialcontribution 专稿 物质的蒙特利尔议定书》,于1989年1月1日起 生效.”蒙特利尔议定书”冻结了五种氟利昂 的生产和消耗,并冻结并减少3种溴代物的生 产和消耗. 由于大多数发展中国家仍没有参与进来. “蒙特利尔议定书”规定的控制氟利昂生产和 消耗的进程并不理想.于是在1990年6月20—29 日,联合国环境规则署在伦敦召开了关于控制 消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书缔约国第二 次会议.这次会议共有53个缔约国和4O个非缔 约国参加,修正和扩大了对有害臭氧层物质的 控制范围,受控物质由原来的2类8种扩大到7 类上百种.规定缔约国在2000年或更的时问 里淘汰氟利昂和哈龙.到1995年,四氯化碳将 减少85%;~2000年将全部淘汰.~2000年, 三氯乙烷将减少70%:2005年以前全部淘汰. 我国从1989年加入维也纳公约》.1991 年,中国再次宣布加入蒙特利尔议定书伦 敦修正案,并成立中国国家保护臭氧层领导小 组.1992年8月10Et,该修正案在中国正式生 效.1993年,国务院批准《中国逐步淘汰消耗 臭氧层物质国家方案》.经过修订后,最终确 定中国的淘汰时间表.按照这个时间表,截至 2010年1月1日,中国将完全停止消耗臭氧层潜 能值(ODP值)最高,对臭氧层破坏能力最大的 氯氟烃和哈龙的生产和消费. 基于此,中国和世界开始寻找新的冰箱冷 媒替代品,R134a和R600a成为绝大多数国家和 地区的首选. R152a/R22共沸制冷剂作为一种冰箱冷 媒的替代工质优点在于与R12性能接近,不用 对系统进行重大改造即可直接进行充灌.缺点 是ODP和GWP值较高,几年前已被淘汰. R134a无毒,无味,无色,不可燃,不爆 炸,ODP值为零,GWP值为1300.这意味着 R134a安全系数高,对臭氧层没有破坏作用, 但是有一定的温室效应,是北美地区主要使用 的RI2替代工质. R600a也是R12的主要替代工质,欧洲地 区使用较多,北美禁止使用.R600a具有极好 的环境特性,对大气完全没何污染,但是安全 系数较低,可燃易爆,对冰箱系统改造较 23 Specialcontribution 专稿 高.但R600a成本较低,充灌量少,采用这种 冷媒的冰箱能效更容易提高,因此我国的冰箱 产品也大多采用R600a作为R12的主要替代工质 之一. R600a和R134a虽然已经可以满足冰箱制 冷的需求,但毕竟还有这样那样的不足.冰箱 冷媒的替代之路还没有走完,需要寻找性能更 优于R600a的制冷剂.下一代冷媒目前还仅限 于HC混合工质的研究,~[IR600,R600a的混合 工质.像有专家实验得出R290/R600的性能较 佳,很适宜在冰箱中使用,但在实际应用中非 常罕见. 空调冷媒——l0A仅为过渡 早期空调使用同属于氯氟烃类物质的R22 作为制冷剂,已被大多数国家和地区禁止使 用.此后人们开始寻找R22的替代物. 作为已经成熟的制冷剂产品,在冰箱业内 使用已久的R600a并不适用于空调产品.原因 在于冰箱的冷媒充灌量小,每台冰箱根据容积 不同使用的冷媒在50g一150g之间.而一台空调 往往需要lkg左右的制冷剂.同时由于空调分 为室外机和室内机,可燃易爆的制冷剂在室外 机运转时极易发生爆炸.再考虑到系统改造的 成本,因此要求人们寻找到一种安全无毒,高 效环保,成本低廉的空调冷媒. 最先寻找到的是含氢氯氟烃经过一段时 间的研究和生产,中国在90年代中期就已经具 备了氯氟烃替代技术,1997年含氢氯氟烃的年 产能已经达到5.5万吨.但随后人们发现,含氢 氯氟烃只能作为应急的临时替代物,对于保护 地球环境来说也不是长久之计.含氢氯氟烃的 ODP值低,意味着对臭氧层破坏作用小,但这 只是相对于氟利昂来说.实际上,含氢氯氟烃 不仅对臭氧层有破坏作用,还会造成强烈的温 室效应,其全球变暖潜能值(GWP值)是氯氟烃 的两至三倍.. 1992年11月,蒙特利尔议定书》第4次 缔约方会议将含氢氯氟烃被列入管制名单. 1997年,淘汰方案修改为:发达国家全面禁用 含氢氯氟烃的时间从2030年提前至2020年.发 展中国家则需要在2040年之前全面禁用.中国 24家电科技 也于2000年修订了相关条款,限制臭氧层消耗 物质的生产和消耗. 经过多年的研究试验,目前在国际上R22 的主要替代品可分为三类.一类是Rl34a, R407C,R410A,R417A,R422D,DYR一3, DYR5,R425A,RS一44为代表的人工工质. 这些冷媒无毒不燃但具有较高的GwP值,温室 效应较强:一类是R290,R161为代表的自然 工质,虽然对环境友好,但是安全性较差,可 燃易爆.需要对系统进行重大改造,企业推广 起来成本压力较高:还有一类是以cO,为代表 的天然工质,对环境友好,安全系数也高,但 是使用困难且能效水平不理想. 空调冷媒的替代需要考虑许多因素.首先 是制冷剂本身的物理和化学特性.制冷剂一般 要求具备优良的热力学特性,热物理性能和良 好的化学稳定性,保证循环运转时的高效率和 稳定性:同时要求安全性高,电气绝缘性高, 环保性能好,与润滑油互溶性好,此外还要求 成本低廉.易于获得. 其次还要考虑空调系统改造的问题.如 R32可近似应用于R410A的系统,DYR一5可直 接充灌于R22热泵系统.但R410A却不能直接 应用于R22系统.所以企业在考虑下一代冷媒 时首先要考虑系统改造的成本.对于可燃易爆 的冷媒,还要考虑到空调的密闭性能,空调内 部电路焊点的处理等等.此外制冷剂与润滑油 的可溶性也很重要. 近几年随着节能减排目标的确立,人 们对于空调产品的节能效果越来越重视,环 保意识逐步增强.R410A由于其无色无味无 毒,能效较高,系统改造成本较低,率先进 入空调企业的视野.海尔,美的海信,格 兰仕等主流品牌都开始使用R410A作为空调 冷媒的替代工质. 但在”2010国际制冷技术交流会上多位 与会专家学者表示,R410A只不过是一种过渡 产品,仍将面II~i--次淘汰,因为R410A具有非 常高的温室效应.据苏州三星电子有限公司研 究开发中心相关人士介绍,R410A的GWP数值 (约为2612)t~R22(约为1662)高出许多. R290~P丙烷也是业内主要的替代方向之 一 .格力就致力于丙烷空调的研究与开发,并 且已经克服了丙烷易燃易爆的技术难题,开始 向产品规模化生产方向发展. 虽然业内不少人都对丙烷作为制冷剂持怀 疑态度,但也有学者力挺R290作为下一代制冷 剂的替代产品.中国制冷学会理事,华中科技 大学何国庚博士就在此列. 何国庚认为,R290优缺点都很明显. R290易于获取,可以直接从天然气中获得, 制造成本低廉:压缩比高,同样一台空调,使 用R290仅需要充灌相当于43%的R22:对臭氧 层完全没有破坏作用,GWP也仅有2O,对环 境友好.但R290可燃易爆,燃烧极限是2.2%. 9.5%. 丙烷空调要求空调系统密闭性高,对焊点 进行处理才是应用丙烷的基础.所以何国庚认 为不能因为可燃就否决掉R290,除了企业对产 品本身的改造外,家庭对于火源和电源的控制 也很重要. 相对于R290.支持R32的人更多.主要 原因在于R32属于微燃.燃烧极限是13.6%一 32.2%,安全性能比R290提高不少,但GWP 值为580,温室效应较高,但又比R41OA低很 多,因此也被业内视为R410A的替代产品. 天津大学热能研究所所长马一太教授 认为使用纯天然工质是”无悔的方向.如 NH,CO,,H,0等.NH是传统制冷剂,被 广泛使用多年.但属于刺激性气体,有毒可 燃.于是CO因具备良好的环保性质成为主要 选择之一. CO,安全无毒不可燃,ODP值为0,GWP 值为1,热力性质较佳,化学稳定性好.不足 之处在于制冷效率不高,临界点温度较低临界 压力太高. 马一太表示,自然工质CO,在日本的热泵 热水器方面取得成功,汽车空调也已经完成实 验,家用空调和超市制冷系统中也试验成功, 是今后的希望所在. 同时他也认为,CO,压缩机,膨胀机和压 缩膨胀机的设计和生产,CO换热器的开发, 可以带动我国的现代制造产业,振兴中国的空 调制冷行业.-,