分析了R290替代R22存在的優勢，采用某企業生產的R22家用空調外機與套管換熱器作為原型機，分別灌注R22和R290，灌注R290的同時更換大排量壓縮機，調整節流裝置最佳，優化灌注量，試驗參照GB/T18430.2—2008名義工況進行。結果表明:R290系統灌注量僅為R22的44.7%，制冷及制熱名義工況下R290能力及能效比均不低于R22，但R290系統排氣溫度及壓縮比明顯低于R22。R290可以替代R22用于風冷冷熱水機組，相應的壓縮機排量應增加19%左右。

1、前言

　　在R22的替代制冷劑中，R410A和R407C應用最為廣泛，其臭氧消耗潛能值(ODP)為零，但比R22具有同等或更高的全球變暖潛能值(GWP)，如不加以限制使用，無疑會使溫室效應進一步惡化，根據《京都議定書》要求，R410A和R407C最終也要被淘汰。R22的另一替代制冷劑R32的ODP為零，GWP較低，相同制冷量下其充注量僅為R22的60%左右，可以稱作一種兼顧節能、環保的優秀制冷劑，但其排氣壓力和排氣溫度較高，還具有弱可燃性，這為R32替代R22工作增加了很大困難。

　　R290又稱丙烷，是一種天然物質，價格低廉，與普通潤滑油和機械結構材料具有兼容性，ODP為零，GWP很小，基本熱物性與R22十分接近，被廣泛認為是R22理想的替代制冷劑。近年來，真空技術網(resourcemgt.cn)調研后發現國內外學者對R290替代R22的工作做了大量研究，均展示了R290的優越性。但R290具有可燃性，使用范圍及充注量均受到限制，若將R290應用于冷熱水機組，把套管換熱器集成在外機頂部，既可減少制冷劑連接管路又可將外機置于室外，再將產生的冷水或者熱水引入室內加以利用，這樣即可提高安全性。本文將R290和R22應用于風冷冷熱水機組，研究對R290替代R22的工作具有重要意義。

2、R290的優勢

　　R290的主要物理性質如標準沸點、凝固點、臨界壓力及臨界溫度等參數都與R22十分接近，具備替代R22的基本條件。在制冷系統中，R290的優勢集中體現在以下幾個方面:

　　(1)R290分子量比R22小很多，粘度亦比R22小，使空調制冷回路阻力損失減少，可降能耗;

　　(2)R290的氣化潛熱是R22的1.84倍，這說明在相同制冷量下，采用R290制冷劑可減少工質的循環量;

　　(3)R290絕熱系數低于R22，在相同壓縮比時，可減少耗功量，并可使排氣溫度降低，可提高輸氣系數，減少壓縮過程氣體與氣缸間的熱交換，減少不可逆損耗，排氣溫度降低，并能夠改善冷凝器的工作狀況，減少傳熱不可逆損失，降低能耗;

　　(4)R290導熱系數高于R22，可改善壓縮機的散熱條件，同時提高冷凝器和蒸發器的傳熱系數，可以使空調制冷系統能耗降低;

　　(5)R290是飽和碳氫化合物，化學性質較穩定，難溶于水。而R22化學性質不夠穩定，對有機物的膨潤作用較強，密封材料需采用氯乙醇橡膠，封閉式壓縮機的電動機繞組線圈需采用QF改性縮醛漆色線(E級)或QZY聚脂亞胺漆色線。

　　(6)R290廣泛存在于石油和天然氣中，提煉方便，一般作為副產品出現，因而成本低，價格便宜。R290的價格僅為R22的10%，為R134a的4.7%。R290為非極性化合物，可以與目前廣泛使用的礦物油互溶，不需要研制新的潤滑油，而且對干燥劑、密封材料也無更高的要求。丙烷還與金屬材料、軟管材料相容，也就是說，R290可以與R22常用的礦物潤滑油溶解，替代R22時無需像R407C或R410A那樣必須更換潤滑油。

3、試驗設計

　　3.1、R22和R290壓縮機排量設計

　　在相同條件下，R290制冷劑單位容積制冷量小于R22，為保證R290系統的制冷量不小于R22系統，在轉速相同條件下需增加壓縮機排量，根據高晶丹等人的研究，R22系統轉化為R290系統時，壓縮機排量應增大19%左右。對于潤滑油的選用，R22系統轉化為R290時，不需要更換潤滑油，潤滑油仍為礦物油。

　　本文在綜合考慮R290制冷劑優勢、單位容積制冷量及現有排量壓縮機后，選擇R22壓縮機排量為30.63cm3，R290壓縮機排量為36cm3，排量增加了約17.53%，轉速均為2865r/min。

　　3.2、系統原理

　　風冷冷熱水機組系統原理如圖1所示，制冷時，翅片管換熱器用作冷凝器，套管換熱器用作蒸發器產生冷水，循環方向如實線箭頭所示;制熱時，翅片管換熱器用作蒸發器，套管換熱器用作冷凝器產生熱水，循環方向如虛線箭頭所示。

圖1 冷熱水機組系統原理示意

　　3.3、試驗方案

　　本試驗參照GB/T18430.2—2008《蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組第2部分:戶用及類似用途的冷水(熱泵)機組》制冷及制熱名義工況進行，如表1所示[13，14]。

表1 冷熱水機組的試驗工況(℃)

　　試驗樣機先灌注R22制冷劑，分別進行名義制冷和名義制熱試驗，然后更換較大排量壓縮機，抽真空后重新灌注R290，再進行名義制冷和名義制熱試驗，分別調整制冷劑灌注量、膨脹閥開度和冷水或熱水流量，以確定對應的制冷劑最佳灌注量及冷水或熱水流量。

4、試驗結果及分析

　　4.1、性能比較

　　制冷及制熱名義工況下試驗結果及性能參數分別如表2，3所示，R290系統灌注量僅為R22的44.7%，采用R290系統可從源頭上減少R22的使用，利于環保。制冷名義工況下R290系統能力稍高于R22，能效比相當;制熱名義工況下R290系統能力及性能系數均不低于R22。雖然對R290系統壓縮機排量的選擇未增加到理論值19%，僅增加了17.53%，而能力及能效比卻等同甚至高于R22，這是由于計算壓縮機理論排量時忽略了R290制冷劑比R22具有的低粘度及高導熱系數等優勢。因此，在選擇R290壓縮機替代R22時，實際排量的增量可適當低于理論值。

表2 制冷及制熱名義工況下的試驗結果

表3 制冷及制熱名義工況下的性能參數對比

　　4.2、性能參數比較

　　制冷及制熱名義工況下的性能參數對比如表3所示，在2種工況下R290系統排氣溫度都比R22的低，高低壓比也相對較低，從而提高輸氣系數，減少壓縮過程中氣體與氣缸間熱交換及不可逆損失，提高壓縮機效率，延長壓縮機壽命。

5、結論

　　(1)R290系統灌注量僅為R22的44.7%，采用R290制冷劑可大幅減小灌注量，從源頭上減少R22的使用，利于環保;

　　(2)出于安全考慮，冷熱水機組避免了直接將R290引入室內機蒸發制冷和冷凝制熱帶來的安全隱患，雖然增加了系統復雜性及成本，但對系統安全性能的提高具有重要意義;

　　(3)由于R290單位容積制冷量低于R22，采用R290替代R22時，為達相同水平的能力輸出，需將壓縮機排量增加19%左右。但考慮到R290的優勢，壓縮機排量實際增量可適當低于理論值;

　　(4)R290系統將套管換熱器集成在外機頂部，減少了制冷劑連接管路，降低系統灌注量，此外，可進一步優化兩器，采用小管徑翅片管換熱器以及采用微通道扁管板式換熱器代替套管換熱器，以減少系統灌注量。