低GWP制冷剂R448A和R449A在涡旋压缩机中的特性分析

任立乾，黄志刚，马海云

（丹佛斯（天津）有限公司，天津 301700）

0 引言

随着世界经济的发展，环境问题越来越严重，人们越来越重视环境的保护和改善。制冷行业也在不断努力减少在生产和应用过程中对环境的影响，1987年签订的《蒙特利尔议定书》限制和淘汰了破坏臭氧潜能值（ODP）较大的制冷剂，如R11、R22和R123等CFC、HCFC制冷剂。2007年各缔约国达成了加速淘汰全球变暖潜值（GWP）较高的HCFCs制冷剂的约定。2016年的基加利修正案达成了历史性的限控温室气体氢氟碳化物HFCs的约定，并提出了制冷剂替代顺序，预计将减少88%的HFC的排放，可防止本世纪末全球升温0.5 ℃[1-2]。

随着高GWP的HFC和HCFC制冷剂逐步被淘汰，低GWP的HFO和HFOs的混合制冷剂快速投入市场，很多公司和研究人员也针对这些新制冷剂进行了理论和实验研究。HFO类制冷剂具有较低的GWP，其作为替代制冷剂在行业内得到了一定的认可。目前，国内外针对R1234yf、R1233zd、R1234ze制冷剂[3-4]以及使用这一类制冷剂的系统和零部件的研究日益增多[5]。R1234yf和R1234ze的热物性和R134a类似，可在汽车空调中替代R134a[6-8]。张雷等[9]通过在热泵系统中测试分析，认为R1234ze可作为R417a和R22的替代制冷剂应用在热泵系统中。王林忠等[10]通过对制冷系统的分析，认为R1234ze和R1234yf的单位容积制冷量较R410A小，在空调系统中的应用不经济。NAARRO-ESBRI等[11]通过实验发现R1234yf的制冷量比R134a低9%，系统性能系数（COP）比R134a低19%。吕冰等[12]提出可将R32与之混合。穆德福等[13]实验测定了R32/R1234yf质量分数分别为85%/15%和75%/25%的混合制冷剂的热物性。马一太等[14]建立了用于R32/R1234yf二元混合物的PESV方程模型，并推荐了此种混合物的混合比范围为0.2/0.8～0.4/0.6。李潼等[15]将R1234ze和R32以27%/73%的比例混合，实验证明此混合物在高温区域对R410A具有良好的替代性。

图1 基加利修正案制冷剂替代图[1]

HFOs混合制冷剂以HFO为基础，加入了其他制冷剂，提高了HFO制冷剂冷量，但是GWP较高，可以作为过渡制冷剂。HFOs混合制冷剂可分为二元、三元和多元[16]，在目前的商用中以多元混合制冷剂为主。Honeywell和Chemours公司分别推出了R448A和R449A作为R404A的替代制冷剂，这两款均是包含有R1234yf和R32的多元混合制冷剂。MOTA-BABILONI等[17]实验研究发现R448A制冷剂的制冷量虽然比R404A略低，但是系统性能有所提高。MAKHNATCH等[18]研究了R449A在超市制冷系统的应用，发现R449A的制冷量比R404A低，但是综合分析认为R449A仍是较好的替代制冷剂。国内对于这两款制冷剂的研究文献以及在系统中的实验数据还不够充足。

新型制冷剂并不是简单的替代旧的制冷剂，由于新旧制冷剂的物性差异，需要对压缩机以及系统的性能和安全性进行验证。

1 制冷剂R448A和R449A物性

目前，我国冷库、冷柜中以R22、R404A和R134a为主流制冷剂，欧美市场的零售行业和商用制冷应用中，也以R404A为主。但是，R404A的GWP较高，也被列在了淘汰和限制的行列中[19]。新型制冷剂R448A和R449A作为R404A替代制冷剂，由表1可知，其GWP分别降低67.7%和67.5%，是目前比较理想的替代制冷剂。与R404A相比，R448A和R449A压力更低、安全性更高，应用到系统中不会造成较大的设计变更风险。

表1中列出了这两种制冷剂在蒸发温度-35 ℃、吸气过热度10 K条件下的物性参数。R448A和R449A具有相近的物性，但是与R404A相比，R448A和R449A的密度和比热容均降低，绝热指数升高，因此在相同的工况下，R448A和R449A系统中制冷剂质量流量降低，压缩机的排气温度升高。

表1 制冷剂的物性参数

如图2所示，当吸气过热度为10 K时，蒸发温度在-40～-10 ℃的应用范围内，R448A和R449A的密度较R404A均有降低，分别降低了28.7%～33.9%和27.7%～32.9%，随着蒸发温度的降低，不同制冷剂的密度差值增大。涡旋压缩机属于回转式容积型压缩机[20]，其吸气容积不随工况和制冷剂的变化而变化，所以蒸发温度越低，系统中R448A和R449A的质量流量与R404A的质量流量相差越大。

式中：

D——R448A或R449A与R404A焓差差值，%；

H——R448A或R449A焓值，kJ/kg；

H′——R404A焓值，kJ/kg。

本研究通过谱效关系分析证实，紫荆叶提取物质量浓度为100 mg/mL（以生药计）时，P5、P8、P10、P12、P15、P16号共有峰与其对酪氨酸酶活性的抑制作用呈正相关，P2、P4号共有峰与其对酪氨酸酶活性的抑制作用呈负相关。但上述共有峰面积（代表化合物的含量）与酪氨酸酶活性抑制作用的正/负相关性只能表示其作用趋势，并不表示这些化合物直接对酪氨酸酶活性起抑制或激活作用；且谱效关系分析是以各个峰作为独立样本为假设前提，而忽略了不同化合物之间的相互作用。因此，这些特征色谱峰所代表的化合物的结构仍需进一步鉴定，化合物之间的相互作用仍需进一步深入探索。

图3中为蒸发器侧R448A和R449A与R404A焓差的差值在不同冷凝温度下随蒸发温度的变化，在蒸发器侧R448A和R449A的焓差值比R404A焓差值分别提高了26.0%～54.4%和23.9%～50.7%，蒸发温度越低，R448A和R449A在蒸发器侧的焓差值比R404A提高得越多。

图2 10 K过热的气态制冷剂密度

理论计算中，假设涡旋压缩机应用R448A和R449A与R404A的泄漏率相同。根据式(2)可知，系统制冷量随着蒸发温度和冷凝温度的降低而降低。与R404A相比，R448A制冷量变化为-15.2%～7.1%。R449A制冷量变化为-15.3%～6.1%。

式中：

Q——系统制冷量，kJ；

α——涡旋压缩机泄漏率；

m——理论质量流量，kg/s；

ΔH——蒸发器侧焓差值，kJ/kg。

由于制冷剂物性的不同，R448A和R449A与R404A相比，排气温度升高，同一款压缩机的运行范围变小，主要影响高压比和高负荷区域。这也是客户在应用时需要注意的情况，如果仍旧按照R404A的工况运行，将导致排气温度超高，引起系统的高排气温度保护。当压缩机长时间运行在高排气温度情况下，也容易造成压缩机的涡旋磨损和密封圈高温失效、以及冷冻机油变质等问题。

2 制冷剂R448A和R449A应用

制冷剂是制冷系统的血液，替代制冷剂的应用并不是简单地替换系统中原有的制冷剂，还需要考虑其对系统性能和可靠性的影响。

2.1 冷冻机油的选择

冷冻机油的选择是新制冷剂应用中重要的一步。冷冻机油的主要作用包括为运行中压缩机摩擦副提供润滑，产生的油膜不但协助密封，还具有隔绝零部件之间的撞击和降低设备噪音的作用，同时油流过零件表面可以带走杂质和热量，具有清洁和降温的辅助作用，对没接入系统的压缩机具有防锈作用。

根据压缩机的设计和应用特点，冷冻机油的选择要考虑以下几个方面：润滑性、低温流动性、溶解性、化学稳定性、耐热安定性和良好的电气绝缘性，对含水量和含杂质量也有严格的要求。对于R448A和R449A制冷剂，POE油（多元醇酯）是一类较好的冷冻机油，满足使用制冷剂R448A和R449A压缩机的各项要求。

2.2 兼容性要求

图3 R448A/R449A与R404A蒸发器侧焓差差值在不同冷凝温度下随蒸发温度的变化

兼容性要求是指新型制冷剂（R448A和R449A）和新型冷冻机油（POE油）与压缩机内电气绝缘材料及其他零件之间不应在应用范围内产生化学反应而造成失效，是产品可靠性的一项重要指标。不同国家和地区的认证部门都对压缩机内部零件与油和制冷剂的兼容性需求做了详细的介绍和严格的测试要求。例如根据UL实验要求，应把样件放到反应釜中，在固定的高温环境下加热一定时间，实验结束后，样品不应该丧失功能。

2.3 系统要求

图4为制冷剂R448A、R449A和R404A经过冷凝器后密度的变化，在相同工况下制冷剂过冷5 K后，R448A和R449A的密度比R404A均有提高，分别提高5.4%～11.2%和5.7%～10.8%。结合图2可知，系统中R448A和R449A制冷剂的质量流量比R404A分别减少了28.7%～33.9%和27.7%～32.9%，所以在相同工况下R448A和R449A过冷液体的体积流量更小。因此，在不更换管路的情况下，R448A和R449A过冷液态制冷剂流速降低，造成沿程阻力的增加，影响系统的性能。系统的回油更加困难，导致压缩机出现可靠性问题。

图4 R448A和R449A与R404A在5 K过冷工况下的密度

针对R448A和R449A制冷剂，应当根据实际运行工况来选择合适排量的压缩机及换热器尺寸，设计合理的管道、阀门，以实现对系统的重新设计。不仅能提高系统性能和可靠性，还可以降低生产和运行费用。

若直接对现有系统进行制冷剂替代，可以通过增加制冷剂充注量和改变换热器行程来减少对系统的影响。或者更换更大排量的压缩机，确保在低蒸发温度的工况下，R448A和R449A的系统能提供足够的制冷能力。

R448A和R449A制冷剂和POE油同时更换到系统中之前，要对系统进行充分的清洗，降低混油造成的可靠性风险。

3 结论

低GWP制冷剂的应用是制冷行业未来的发展趋势。但是，新制冷剂的应用对压缩机和制冷系统都会带来挑战，在开发过程中要充分考虑应用新型制冷剂对压缩机及系统可靠性和性能的影响。对于直接采用R448A/R449A替换现有R404A的产品，需要考虑到流量和制冷量的变化、系统的匹配以及运行范围的限制。