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
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冷媒名稱 |
R-134a |
R-410A |
R-407C |
R-290 |
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成 分 |
HFC-134a |
HFC-32/125 |
HFC-32/125/134a |
Propane丙烷 |
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混合比(質量%) |
100% |
50/50% |
23/25/52% |
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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 |
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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 |
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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
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社會經濟課題
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成本與生產設備投資 |
l主機外形變大
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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 |
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銷售與售後服務 |
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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 |
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冷媒回收與再利用 |
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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 |
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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
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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 |
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中型冷氣機組 |
l主機外形變大，不易普及
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l中大型冷氣機組會更晚 |
l同上 |
l同上 |
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已廣為汽車空調系統所採用的R-134a (取代R-12)，其優點為：
- 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. 毒性極低(允許之暴露濃度為1000 ppm)、不可燃
- 3. 工作壓力低於R-22，無壓力容器結構問題
- 4. 冷媒價格低於R-407C、R-410A
其缺點為：
- 1. 須使用合成冷凍油，吸濕性極高
- 2. 熱交換器面積大於R-22系統
- 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. 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. 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. 須使用合成冷凍油，吸濕性極高
- 4. 工作壓力與R-22近似
- 5. 系統效率比R-22低約5%
- 6. 冷媒價格甚高
R-290(Propane，丙烷)為一自然冷媒，其特點為：
- 1. 具強烈可燃性，須做好安全防護措施
- 2. 系統效率與R-22相當
- 3. 工作壓力低於R-22
- 4. 冷媒充填量少，約為HFC冷媒的50%，且價格便宜
- 5. 沒有臭氧層破壞或溫室效應的問題
- 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
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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 |
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HFC-134a |
-- |
0.25 |
0.1 |
1300 |
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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. 潛熱比R-22高7.4%
- 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. 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. 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. 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. 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
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冷媒性質 |
R-22 |
R-410A |
差異比註 |
|
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
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系統特性 |
R-410A |
R-407C |
|
溫度滑落 |
<1℉ |
10℉ |
|
GWP值 |
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。
轉載：網路文章
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