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   用于取代對(duì)臭氧層有破壞作用的制冷劑R22，上普遍認(rèn)同的兩種環(huán)保制冷劑為：410A和R407C。本文將分析R410A和R407C的特性，比較兩者在傳熱性能、性能系數(shù)和蒸汽壓力等方面的特征差異，為確定替代制冷劑的*選擇提供。

1 、R407C和R410A的傳熱性能比較
R410A具有很好的傳熱性能，R410A的蒸發(fā)傳熱系數(shù)和冷凝傳熱系數(shù)高于R407C，在很多應(yīng)用場(chǎng)合R410A的傳熱性能還優(yōu)R22。蒸發(fā)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，R410A在光滑水平管內(nèi)的傳熱系數(shù)比R407C高50％ 左右；與R22蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)果相比，R410A的傳熱系數(shù)要比R22高10％～50％。使用具有微型肋片的水平管，R410A的傳熱系數(shù)比光滑管提高了80％～150％。板式換熱器的蒸發(fā)試驗(yàn)也證實(shí)了R410A傳熱性能的*，在相同條件下R410A的傳熱系數(shù)比R22的傳熱系數(shù)要高0～15％。
冷凝試驗(yàn)則顯示，在光滑管內(nèi)R410A的冷凝傳熱系數(shù)比R407C冷凝傳熱系數(shù)高20％。在光滑管外，R410A的冷凝傳熱比R407C的冷凝傳熱高35％～50％，比R22高約11％～17％；然而R407C的傳熱系數(shù)卻比R22低24％～37％。在具有微型肋片的管外，R410A的冷凝傳熱系數(shù)比R407C高35％～55％，比R22高3％～7％，相反，R407C的傳熱系數(shù)比R22低33％～52％。R407C傳熱性能較差的事實(shí)還可以用現(xiàn)有設(shè)備的制冷劑替換試驗(yàn)結(jié)果來說明，在一臺(tái)100kW制冷量螺桿式水制冷機(jī)組試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)R407C在管殼式冷凝器中的傳熱系數(shù)比R22小25％～51％。
    R407C的傳熱系數(shù)低，其與它的非共沸性有關(guān)：一是在等壓蒸發(fā)或冷凝時(shí)存在著較大的相變溫度梯度，二是汽液兩相之間存在著明顯的濃度差。R407C在蒸發(fā)或者冷凝時(shí)，不但要克服冷凝液層的熱阻，還要克服相變溫度梯度和汽液濃度差對(duì)傳熱帶來的負(fù)面影響。相變溫度梯度是指在一定壓力下混合物由飽和蒸汽變成飽和液態(tài)的溫度差，R407C在大氣壓下的相變溫度梯度約為7K。相變溫度梯度的存在直接降低了R407C的傳熱性能。等壓冷凝時(shí)，隨著冷凝過程的推進(jìn)，R407C汽液平衡要求的冷凝溫度越來越低，對(duì)于恒壁溫冷凝，用于推動(dòng)蒸汽冷凝的有效溫壓將越來越小，傳熱效率降低。同理，相變溫度梯度對(duì)于蒸發(fā)過程也同樣有降低傳熱效率的作用。
    R407C三種組分的汽液濃度差是由組分間的相對(duì)揮發(fā)性不同造成的，高沸點(diǎn)組分R134a不易揮發(fā)，低沸點(diǎn)組分R32和R125比R134a易揮發(fā)。汽液兩相共存時(shí)，沸點(diǎn)高的R134a在液相中的濃度就高于它的汽相濃度，而沸點(diǎn)低的R125和R32在汽相中的濃度高于液相濃度。

圖1定性顯示了R407C在冷凝時(shí)三種組分的濃度變化情況。
在圖1中，設(shè)想管壁有薄層冷凝液，在冷凝液與主流蒸汽之間存在著混合蒸汽擴(kuò)散層。由于R134a沸點(diǎn)較高，比其它兩個(gè)組分都更容易被冷凝下來，R134a蒸汽在液汽介面附近的濃度就低于主流蒸汽的濃度，因此，在擴(kuò)散層蒸汽流中，發(fā)生著組分R134a從主流蒸汽指向液汽介面的擴(kuò)散過程。相反，組分R32和R125的沸點(diǎn)較低，揮發(fā)性強(qiáng)，不易被冷凝，在接近介面的蒸汽流中，R32和R125的濃度就高于各自在主流蒸汽中的濃度，因而在擴(kuò)散層形成了從液汽介面指向主流蒸汽的濃度梯度。擴(kuò)散層構(gòu)成了非共沸制冷劑冷凝時(shí)的額外熱阻。介面處蒸汽的飽和冷凝溫度隨著當(dāng)?shù)貪舛鹊脑黾佣M(jìn)一步降低，也增加了冷凝過程的阻力。 
    R410A的傳熱系數(shù)較高的一個(gè)重要原因在于它的準(zhǔn)共沸性。，R410A雖然由兩種組分(R32和R125)組成的混合物，但是這兩種組分沒有明顯的揮發(fā)性差別，在蒸發(fā)或者冷凝過程中，R410A的汽相組分濃度和液相組分濃度很相近，相變溫梯度小于0．2K。反映在R410A的熱力學(xué)工程圖上，汽液兩相區(qū)的等溫線與等壓線幾乎是平行的，所以，R410A熱力學(xué)特性和物理特性非常接近于共沸制冷劑或純制冷劑。作為準(zhǔn)共沸混合物，R410A在蒸發(fā)和冷凝時(shí)的傳熱機(jī)理與純制冷劑相似，沒有明顯的組分?jǐn)U散現(xiàn)象，相變溫度梯度對(duì)傳熱效率的影響極小，這就使得R410A的傳熱系數(shù)高于非共沸制冷劑R407C。R410A的傳熱系數(shù)高于R22的主要原因在于它具有更加有利的傳熱控制物理量，如具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的粘性系數(shù)。
2、R410A與R407C的性能系數(shù)比較
R410A的優(yōu)良傳熱性能，有利于提高空調(diào)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)。R410A還具有提高性能系數(shù)的另外兩個(gè)有利條件：較低的流動(dòng)力和較高的壓縮效率。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，R410A的流動(dòng)壓降比R407C和R22都要小，而R407C的壓降接近于R2的值。例如，在光滑管內(nèi)蒸發(fā)流動(dòng)時(shí)，R410A的壓降比R22要小30％，在板式蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)時(shí)，R410A的壓力損失比R22低15％～35％ ，在光滑管內(nèi)冷凝時(shí)，R410A的壓降比R22小35％～50％。制冷劑流動(dòng)所需的壓降越小，壓縮機(jī)消耗在壓降上的無用功越小，越有利于提高性能系數(shù)。
在制冷劑壓縮效率方面，R410A的壓縮效率高于R22和R407C。R410A在往復(fù)式壓縮機(jī)測(cè)試臺(tái)上測(cè)得的等熵壓縮效率和輸氣效率均分別比R22的高5％左右；在渦旋壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的等熵壓縮效率和輸氣效率分別比R22的高2％～15％和3％～10％ 。與R410A相對(duì)比，R407C在往復(fù)式壓縮機(jī)測(cè)試臺(tái)上測(cè)得的壓縮效率與R22的值相近；但是在一套小型空調(diào)系統(tǒng)上測(cè)得的壓縮機(jī)容積效率和等熵效率分別比R22低3％～7％和6％～14％。相比之下，R410A的壓縮效率比R407C高5％～20％。
研究表明，在R22的兩種替代制冷劑中，使用R410A可以實(shí)現(xiàn)比R407C更高的系統(tǒng)性能系數(shù)。壓縮機(jī)測(cè)試臺(tái)上得到的數(shù)據(jù)顯示，R410A的性能系數(shù)超R407C的10％ 以上；在優(yōu)化設(shè)計(jì)的空調(diào)制冷系統(tǒng)中R410A性能系數(shù)高的結(jié)論進(jìn)一步得到證實(shí)，R410A的性能系數(shù)分別比R407C和R22的高10％和5％。

R410A的性能系數(shù)優(yōu)勢(shì)還在已投入運(yùn)行的R22空調(diào)制冷系統(tǒng)的替代試驗(yàn)中得到證實(shí)。針對(duì)正在運(yùn)行的3種不同R22系統(tǒng)，采用置換制冷劑和渦旋壓縮機(jī)的方法，使用相同的蒸發(fā)器和冷凝器，在相同的工況下進(jìn)行實(shí)地運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示采用R410A所得到的性能系數(shù)高于R22和R407C的值：在9．2kW制冷量的家用空調(diào)替換試驗(yàn)中，R410A產(chǎn)生的性能系數(shù)比R22的值高5％ ；對(duì)屋頂式27kW空調(diào)的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，R410A的性能系數(shù)比R22和R407C的分別高3％ 和11％ ；對(duì)35kW水制冷機(jī)組的替換試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，R410A的性能系數(shù)比I122和R407C的分別高5％和6％。

目前，越來越多的節(jié)能型R410A空調(diào)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入市場(chǎng)銷售，部分空調(diào)產(chǎn)品的性能系數(shù)超過6。

3、R410A與R407C的蒸汽壓比較
在研發(fā)R22替代制冷劑的初始階段對(duì)R410A的認(rèn)可要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于R407C，其中一個(gè)原因就是R410A蒸汽壓力偏高，在工程應(yīng)用上會(huì)受到一些限制，需要開發(fā)適合高壓系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)。而R407C的蒸汽壓比較適宜，可以適應(yīng)R22的所有應(yīng)用領(lǐng)域。 

圖2比較了兩種環(huán)保制冷劑R410A和R407C的蒸汽壓與R22的蒸汽壓。

在選擇的溫度區(qū)間內(nèi)，根據(jù)蒸汽壓力的特點(diǎn)，使用R410A時(shí)應(yīng)注意如下方面：
(1)R410A的蒸汽壓比R22的蒸汽壓大60％～70％ ，R410A的制冷系統(tǒng)必須有更好的密封性能，使用合適接口技術(shù)，以防泄漏；所有制冷元件，包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器冷凝器、管道等，必須滿足R410A的特別工作壓力要求。針對(duì)高壓蒸汽采取必要的安全保護(hù)措施。
(2)如果R410A制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為2500kPa，那就必須把冷凝溫度控制在40℃左右，水冷的應(yīng)用場(chǎng)合能夠滿足壓力上限的要求。如果采用空冷設(shè)計(jì)R410A系統(tǒng)的冷凝壓力就會(huì)超過現(xiàn)行空調(diào)系統(tǒng)的壓力上限，例如，考慮夏季空氣設(shè)計(jì)溫度為40℃ ，R410A的冷凝溫度就會(huì)達(dá)到55~C左右，相對(duì)應(yīng)的冷凝壓力就會(huì)達(dá)到和超過3400 kPa，現(xiàn)行的R22制冷系統(tǒng)承*如此大的壓力，必須進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。
(3)R410A的I臨界溫度較低，只有72．5℃，在空冷情況下，如果環(huán)境空氣溫度達(dá)到55℃ 以上，R410A就可能發(fā)生I臨界溫度區(qū)的冷凝，制冷負(fù)荷會(huì)降低到35~C環(huán)境溫度時(shí)的65％左右，性能系數(shù)也會(huì)大幅度下降。      
從圖2可以看出，R407C的壓力曲線與R22的非常接近，特別是在10℃ 以下，R407C的飽和壓力曲線與R22的幾乎重合；只是30℃ 以上時(shí)，R407C的飽和壓力略高于R22的值。所以，R407C具有與R22非常接近的蒸發(fā)壓力，冷凝壓力可能比I122的高100～270 kPa，但排氣溫度比R22低0～ 10℃

4、R410A和R407C的不同特點(diǎn)與應(yīng)用前景

R410A的特點(diǎn)還可以從熱力學(xué)工程圖來進(jìn)行分析，在蒸發(fā)溫度一40～10℃ 的范圍內(nèi)，R410A的蒸氣密度比R22高43％，氣化潛熱比R2211％，R410A的體積制冷效應(yīng)比R22高60％左右。

考慮到壓縮機(jī)效率方面的損失，同一封閉式壓縮機(jī)采用R410A的制冷量將比R22約高50％。如果采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的R410A系統(tǒng)來替代R22系統(tǒng)，考慮到壓縮機(jī)排氣量的減小，以及工質(zhì)循環(huán)流量減小導(dǎo)致的換熱器減小、管道減小、控制元件尺寸減小等方面因素，對(duì)于小功率空調(diào)說，R410A設(shè)備的造價(jià)有可能比R22設(shè)備更便宜。但是對(duì)于大功率空調(diào)來說，高壓蒸汽安全運(yùn)行所帶來的設(shè)備投資和設(shè)備重量的增加就可能變成值得考慮的問題了。因?yàn)?，隨著制冷系統(tǒng)負(fù)荷的增加，R410A安全運(yùn)行所需的設(shè)備投資和重量將會(huì)急劇地增長。

    在環(huán)保制冷劑R410A和R407C的技術(shù)開發(fā)和使用上，應(yīng)根據(jù)其不同應(yīng)用和不同負(fù)荷采用不同的環(huán)保制冷劑技術(shù)：
     (1)對(duì)于冷凝溫度較低的場(chǎng)合，例如水冷，采用R410A技術(shù)可以縮小設(shè)備體積，提高性能系數(shù)；
     (2)對(duì)于負(fù)荷較小的空冷型空調(diào)系統(tǒng)，例如額定負(fù)荷為4kW 以下時(shí)，采用R410A技術(shù)，既可獲得較高的性能系數(shù)，又能控制設(shè)備投資；
     (3)對(duì)于負(fù)荷較大的空冷型空調(diào)，有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，從開發(fā)的難易程度和節(jié)省投資等角度出發(fā)，R407C優(yōu)于R410A，因?yàn)镽407C系統(tǒng)的技術(shù)要求與R22系統(tǒng)非常相近；從提高性能系數(shù)和縮小設(shè)備尺寸的角度出發(fā)，開發(fā)R410A技術(shù)變得更有吸引力。隨著人們的環(huán)境意識(shí)不斷加強(qiáng)和社會(huì)對(duì)節(jié)能砝碼的不斷增加，R410A在大型空調(diào)系統(tǒng)中的份額會(huì)越來越大；
     (4)對(duì)于現(xiàn)行R22設(shè)備的改造項(xiàng)目，使用R407C比采用R410A更加可靠，不僅成本較低，且簡(jiǎn)單、易行。