R-410A於中小型空調機之應用

 

 

一、前言

廣泛使用於中小型空調機的R-22已被列為管制品,目前正逐年遞減使用量,並將於公元2030年完全廢止。為了因應管制措施,各國冷凍空調設備製造商與冷媒廠紛紛投入R-22替代品的研發。由於R-22冷媒具有優異的安全性、能源效率、操作特性,使其替代品的研發具有一定的困難度。

 

 

二、替代冷媒種類

替代冷媒的著眼點在於(1)降低臭氧層破壞指數,(2)降低冷媒的危險性(如燃燒性、毒性),以安全性高的冷媒混合危險性較高的冷媒,使其混合後濃度低於危險濃度以下,(3)近似於R-22的熱力性質(如操作壓力、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,大致可分為純質冷媒與混合冷媒兩大類。例如R-134a、R-717(Ammonia,氨)、R-290(Propane,丙烷)等為純質冷媒,而R-407C、R-410A等為混合冷媒。R-407C的組成為HFC-32/HFC-125/HFC-134a (23/25/52 wt. %),為非共沸(Nonazeotrope)冷媒。R-410A的組成為HFC-32/HFC-125(50/50 wt. %),為近似共沸冷媒

 

 

三、R-410A與其他替代冷媒的比較

表1為R-134a、R-290、R-407C、R-410A與R-22在中小型空調機應用上的比較。

表1、R-134a、R-410A、R-407C、R-290在中小型空調機應用上與R-22的比較

冷媒名稱

R-134a

R-410A

R-407C

R-290

成    分

HFC-134a

HFC-32/125

HFC-32/125/134a

Propane丙烷

混合比(質量%)

100%

50/50%

23/25/52%

 

與R-22比較之主要性質

l工作壓力低

l相同製冷能力之壓損大

l近共沸冷媒

l工作壓力為R-22之1.5倍

l壓損較小

l非共沸冷媒,系統中之成分有可能發生變動

l工作壓力與R-22相近

l具強燃性

l工作壓力與R-22相近

與R-22相比之能源效率(%)

72~90

94~100

90~97

96~100

(由理論推算)

加諸於系統的安全措施會使效率降低

機器開發上所面對的技術課題

l主機外形變大

l壓縮機所需排氣量大

l設計壓力提高

l各部元件、機構之最佳化與耐高壓

l冷媒成分變動之對策

l熱交換器設計改善以提升效率

l強燃性的對策

 

社會經濟課題

 

成本與生產設備投資

l主機外形變大

 

l主機、元件、生產設備須耐高壓

l加大熱交換器以提高效率

l冷媒充填管理

l須投資確保機器與設備之安全

銷售與售後服務

 

l幫浦、密封墊片須耐高壓

l目前無該非共沸冷媒之成分管理辦法

l研擬強燃性的安全對策

冷媒回收與再利用

 

l須注意冷媒成分變動

l須檢討回收技術與管理

l研擬強燃性物質與設備的管理方法對策

商品化預計時程

小型冷氣機

l主機外形變大,對小型冷氣機而言無前途

 

l2000年左右

l2000年左右

l無法預期

l設計、製造、銷售欲克服其強燃性極為困難

中型冷氣機組

l主機外形變大,不易普及

 

l中大型冷氣機組會更晚

l同上

l同上


已廣為汽車空調系統所採用的R-134a (取代R-12),其優點為:

  1. 1.  純質冷媒,可用於滿液式系統,系統發生洩漏時成分不致發生變化
  2. 2.  毒性極低(允許之暴露濃度為1000 ppm)、不可燃
  3. 3.  工作壓力低於R-22,無壓力容器結構問題
  4. 4.  冷媒價格低於R-407C、R-410A

其缺點為:

  1. 1.  須使用合成冷凍油,吸濕性極高
  2. 2.  熱交換器面積大於R-22系統
  3. 3.  體積製冷能力低於R-22 30%~35%

國內已有製造廠提供R-134a專用的螺旋式壓縮機,並已開始被國內冰水機業者所採用。

R-407C的熱力性質與R-22非常接近,壓縮機能力及系統之溫度與壓力亦與R-22相仿,被認為是可以直接drop-in之冷媒,其特點為:

  1. 1.      應用於空調時之蒸發溫度範圍,其溫度滑落(Temperature glide)約為6℃(10.8℉),利用此特性,應用於逆向流之熱交換器將可有效提升熱傳效率
  2. 2.     當系統充填冷媒時,須採用液態充填。若系統有洩漏發生之時,冷媒成分將發生變化,造成維修上的困難
  3. 3.      須使用合成冷凍油,吸濕性極高
  4. 4.      工作壓力與R-22近似
  5. 5.      系統效率比R-22低約5%
  6. 6.      冷媒價格甚高

R-290(Propane,丙烷)為一自然冷媒,其特點為:

  1. 1.  具強烈可燃性,須做好安全防護措施
  2. 2.  系統效率與R-22相當
  3. 3.  工作壓力低於R-22
  4. 4.  冷媒充填量少,約為HFC冷媒的50%,且價格便宜
  5. 5.  沒有臭氧層破壞或溫室效應的問題
  6. 6.  可使用礦物油做為冷凍油

由以上特點可發現,R-290唯一的缺點就是其強烈可燃性(空氣中體積濃度達2~10%時,即可被火花或400℃以上的高溫物體引燃),除了歐洲外,並不為其他國家接受。相關冷媒的燃燒性、毒性比較見表2。

表2、幾種替代冷媒的燃燒性、毒性與溫室效應指數比較

產品

最低燃燒爆炸濃度限制% V/V

毒性濃度限制(kg/m3)

POCP

(乙烯為100)

溫室效應指數(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

HFC-125

--

0.39

--

2800

HFC-134a

--

0.25

0.1

1300

HFC-407C

--

0.31

--

1526

HFC-410A

--

0.44

--

1725

 

R-410A之性質與R-22比較,除了臨界壓力接近外,其餘性質相差頗多(見表3、表4)。然而,R-410A取代R-22的重要理由之一是性能係數(Coefficient of performance)比R-22高,其特性包括:

  1. 1.  潛熱比R-22高7.4%
  2. 2.  飽和氣體密度比R-22高40%,所以相同排氣量的壓縮機,其容積能力約為R-22的1.5倍
  3. 3.  於平滑管的熱傳係數比R-22高25%,比R-407C高72%;於微鰭管的熱傳係數比R-22高29%,比R-407C高一倍
  4. 4.  為近共沸冷媒,可用於直膨與滿液式系統,無系統洩漏冷媒成分改變的問題
  5. 5.  工作壓力約為R-12的1.5倍,在壓力容器的構造規格上,必須做更嚴格的要求,以確保運轉中的安全
  6. 6.  成分中之R-32具可燃性,空氣中體積比例大於13%即有燃燒的危險,應做好冷媒管理


表3、R-22與R-410A之熱物理性質比較

冷媒性質

R-22

R-410A

差異比

分子量(g/mol)

86.5

72.6

-16.07

沸點NBP(℃)

-40.9

-52.7

-28.85

臨界溫度(℃)

96.2

72.5

-24.64

臨界壓力(bar)

50.5

49.5

-1.98

在25℃潛熱(kJ/kg)

180.6

194.0

7.42

在25℃氣泡壓力(Bubble pressure,bar)

10.4

16.5

58.65

在25℃液密度(kg/m3)

1192

1083

-9.14

在25℃飽和氣密度(kg/m3)

44.5

62.2

39.77

在1atm之溫度滑落(K)

0.0

0.1

--

在10℃飽和液比熱(kJ/kg/K)

1.23

1.48

20.32

在50℃飽和液比熱(kJ/kg/K)

1.47

1.92

30.61

註:差異比={[(R-410A)-(R-22)]/(R-22)}×100%

 

表4、R-410A與R-407C之系統特性比較

系統特性

R-410A

R-407C

溫度滑落

<1℉

10

GWP

0.42

0.37

130(54℃)之壓力(psig)

479

313

壓縮機EER(% R-22)

92~100%

95~101%

冷凍容量(% R-22)

149~155%

98~105%

熱傳能力(與R-22相比)

稍高

相同

管路尺寸(與R-22相比)

較小

相同

系統性能係數(% R-22)

98~106%

95~100%

系統價格

稍低

相同

重新設計性

明顯

微少

資料來源:同表3 

由以上的比較來看,R-410A成為R-22最終替代品的機會很大。

 

 

四、R-410A應用於空調機之設計考量

壓縮機部分:

R-410A專用壓縮機為替代成功的關鍵。由於壓縮功的增加,需要用較大的馬達帶動,壓縮機亦須通過壓力測試。又如開發專用潤滑油等工作皆須投入相當多的研發經費。由於壓力較高,所以產生的噪音亦較大。除往復式及雙螺旋式壓縮機之外,效率較佳的單螺旋式壓縮機可能會大量應用在此系統。

 

熱交換器部分:

熱傳係數較R-22高,熱交換器可較小化,R-410A為近共沸冷媒,溫度滑落問題可忽略不計,原先用R-22熱交換器設計之法則,仍可繼續適用於R-410A熱交換器。另外,高壓貯液器(Receivers)及低壓貯液器(Accumulators)之膨脹率與R-22不同,必須列入設計考慮。

由於熱交換器與貯液器皆屬於壓力容器,依UL規定,外殼強度必須耐5倍之設計壓力值。對R-410A而言,其工作壓力比R-22高50%,也就是說氣冷式冷凝器之工作壓力可能高達400~450 psi(約30個大氣壓),所以其耐壓測試必須達到2250 psi或更高。

 

冷凍油部分:

必須採用POEs (Polyol-Ester),其高吸濕性要特別小心處理。而POEs原本其黏滯係數並不大,必須藉著添加物來提升其黏滯係數,添加物對系統其他墊片或絕緣材的破壞作用也要留意。

 

其他冷凍材料:

目前所使用的冷凍材料,所承受的最高壓力僅達450 psi 不符R-410A使用,材料製造商必須配合開發耐高壓的冷凍材料。

 

 

五、結論

總結R-410A之發展來看,應為R-22較長期之替代品,目前仍在實物設計發展與測試階段,各國冷凍空調製造廠皆密切注意它的發展。從系統的性能來看,R-410A優於R-22是被確定的,但實際發展中,壓縮機的取得是應用的關鍵。由於R-410A的操作壓力比R-22高出56%至65%,壓縮機的結構須重新設計。如何量產製造適用且價格可被接受的壓縮機,正是各大壓縮機廠投注的焦點。

 

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秋の葉

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