当前世界环境

介绍

考虑到全球变暖对能源和环境保护的需求呈指数级增长，全球各地的研究人员都在寻找一些新的制冷剂，以期提高性能和环保方面的期望。

全球变暖是选择制冷剂时应考虑的关键问题之一，因为它是全球变暖这一不良现象的主要原因之一^{1 - 3}。全球气候变化可能由多种因素引起，包括自然因素和人为因素。有证据表明，当前全球变暖的主要驱动因素之一是人类活动释放到大气中的温室气体⁴。

作为前作的延续，第四代制冷剂已被开发出来，由于这些制冷剂具有较低的全球变暖潜能值和无臭氧消耗潜能值(ODP)，因此不会对环境造成危害。⁵。近年来，R410A因其ODP为零而被广泛应用于替代R22的空调设备中。与R22相比，采用R410A的空调换热器结构紧凑，运行效率提高⁶。与R410A相关的主要问题是它的高GWP (GWP=1924)，现在研究正在寻找R410A的替代品。Saidur等人。⁷研究家用设备的能源效率，他们发现能源效率为70%，而能源效率仅为28%。冰箱冷柜和空调分别占总能量损失的21%和12%。HMOOD等。⁸R1234yf是高GWP值制冷剂R134a的较好替代品。Tarish等人。⁹将R161运行在分体式空调上进行火用分析，寻找不同伊拉克气候条件下R134a和R22的替代方案，发现R161运行系统的火用效率比R134a和R22运行系统高8.6%，COP高7.3%。考什克和阿罗拉¹⁰建立了VCR系统火用损耗的计算模型，发现冷凝器是系统中损失火用最多的部分，其次是压缩机。膨胀阀和蒸发器的火用损耗较小。

压降是任何制冷或空调设备性能所依赖的关键参数之一。用R410A对空调进行了仿真。结果表明，冷凝器压力降为200kpa时，蒸发器容量损失25%。而冷凝器容量和COP分别降低19%和27%¹¹。在R1234yf、R152a和R134a上进行的实验表明，R152a的换热系数最高，而R1234yf的压降最大¹²。Zhang等。¹³实验估计了光滑管内摩擦引起的压降。虽然压降的计算不能通过普通的关系式来完成¹⁴。在考虑蒸发器压降的情况下，建立了移动空调系统不同性能参数之间的经验关系。结果表明，该因子与制冷剂的压力下降呈线性关系¹⁵。建立了一种关系式，用于计算R600a制冷机蒸发器的传热系数和摩擦压力损失¹⁶。巴沙尔等人。¹⁷建立了蒸发器盘管的压降关系式。

考虑蒸发器和冷凝器压降的火用能分析可以更好地了解其性能。通过分析，可以发现压降对系统COP、火用破坏比、火用效率、效率缺陷等性能参数的影响。本文采用R32、R447A和R447B三种低GWP制冷剂，对1TR容量分体式空调蒸发器管和冷凝器管进行了用能分析和压降分析，以确定它们作为R410A替代品的适用性。所有考虑的制冷剂的GWP值都低于750，这是根据欧盟法规517/2014¹⁸。

已研究的制冷剂概述

分析中所考虑的制冷剂的质量组成和其他热物理参数见表1。这里所考虑的用于分析的所有制冷剂的ODP均为零，其GWP值明显低于R410A。R32为单组分制冷剂，R410A、R447A、R447B为不同质量比例的共混制冷剂。R410是一种不可燃制冷剂，与R22相比具有更好的冷却能力。另一方面，其运行压力明显高于R22，需要重新设计R22运行系统。R32是一个单一的成分，可以很容易地回收，但它是低毒和易燃。与R410A相比，R32的能源效率也更高，与R410A相比，配置R32的系统在相同的制冷量下需要的制冷剂更少。R447A和R447B是由R32、R125和R1234ze组成的混合物，与R410A相比，其GWP值明显较低，但由于压力比较高，排出温度略高于R410A。与研究中考虑的其他制冷剂相比，R447A的全球变暖潜能值也最低。

表1:R410A及其替代品的特性(Genetron Properties 1.4)

参数	R410A	R32	R447A	R447B
成分(质量%)	R32 + R125 (50% + 50%)	R32 (100%)	R32 + R125 + R1234ze (68% + 3.5% + 28.5%)	R32 + R125 + R1234ze (68% + 8% + 24%)
临界温度(℃)	71.5	78.1	82.63	83.7
临界压力(bar)	49.01	57.82	54.17	56.45
沸点(℃)	-51.3	-51.7	-45.6	-49.8
GWP (AR5)	1924	677	572	714
ASHRAE这样类	A1	A2	A2L	A2L

在25.15°C的温度下评估其性能

能源与能源分析

图1(a)和图1(b)分别展示了VCR系统的布局和相关的压力与比焓图。这里还考虑了蒸发器过热和冷凝器过冷的影响。

图1 (a): VCR循环布局示意图 点击此处查看图

图1 (b):压力与比焓图。 点击此处查看图

蒸发器吸收的热量与压缩机消耗的功的比值称为COP用于评估任何录像机系统的性能。

为了计算VCR系统各组成部分的火用破坏，采用式(2)- (5)[19]:

总用能破坏是系统各组成部分的用能破坏之和，表示为:

所考虑的系统的COP与可逆运行系统的COP(卡诺COP)之比称为能量效率。

火能破坏比(Exergy destruction ratio, EDR)是指某组分的不可逆性与所供燃料的火能之比[10]:

效率缺陷(是一种指标，它给出了在特定组件中被破坏的能量(输入)比例的信息，以便人们可以找到系统中表现最差的组件。

结果与讨论

为了进行分析，选取了以下参数，并给出如下

• 系统容量= 1TR^20.。
• 蒸发器温度= 4.5℃。
• 冷凝器的温度在40℃~ 60℃之间变化。
• 蒸发器和冷凝器的压降范围为10 ~ 40kpa。
• 在膨胀阀中进行等热膨胀。
• 压缩机等熵效率= 75%¹⁰。
• 冷凝器出口冷媒过冷= 3℃²¹。
• 蒸发器和吸入管路的过热温度分别为7℃[21]和4℃。
• 死态温度= 25°C¹⁰。

所得结果如下:

COP值对应于蒸发器、冷凝器以及蒸发器和冷凝器同时存在的压降，见表2。从图2可以注意到，由于冷凝器的压降，COP的变化很小，而由于蒸发器压力的降低，COP显著降低。随着蒸发器内压降的增大，制冷效果和制冷量均下降，压缩机两端压比相应增大，压缩机做功增大。综合起来，这两种现象都导致了COP的减少。然而，R447A获得最大COP，其次是R447B、R32和R410A。在无压降情况下，R447A系统的COP比R410A系统高3.24%，而R447B和R32系统的COP分别比R410A系统高2.93%和2.15%。随着压降的增大，所研究的系统的COP均有所降低。在蒸发器和冷凝器压降为40kpa时，采用R410A系统的COP分别下降2.48%和0.51%。对于R32操作系统，与无压降条件相比，COP降低了2.5%和0.63%。在压降为40kpa时，R447A系统的COP下降分别为2.84%和0.67%，而R447B系统的COP下降分别为2.78%和0.68%。 For evaporator pressure drop of 40kpa, the COP of R32 operated system is 2.14% higher than R410A system whereas R447A and R447B operated systems have 2.86% and 2.61% higher COP than R410A operated system. With the same pressure drop of 40kpa in the condenser, R32 operated system has 2.03% higher COP than the R410A system. R447A and R447B have 3.08% and 2.79% higher COP than R410A.

表2:考虑压降的COP值。

dP (kpa)	R410A			R32			R447A			R447B
	COP @ dPe	COP @ dPc	COP @ dPe & dPc	COP @ dPe	COP @ dPc	COP @ dPe & dPc	COP @ dPe	COP @ dPc	COP @ dPe & dPc	COP @ dPe	COP @ dPc	COP @ dPe & dPc
0	4.51	4.51	4.51	4.607	4.607	4.607	4.656	4.656	4.656	4.642	4.642	4.642
10	4.482	4.504	4.476	4.577	4.599	4.57	4.622	4.648	4.615	4.609	4.634	4.602
20.	4.454	4.498	4.442	4.549	4.592	4.535	4.589	4.64	4.574	4.577	4.627	4.562
30.	4.426	4.493	4.409	4.52	4.585	4.499	4.556	4.633	4.534	4.545	4.619	4.523
40	4.398	4.487	4.376	4.492	4.578	4.465	4.524	4.625	4.494	4.513	4.612	4.484

图2:压力与COP变化(Te=4.5°C, Tc=40°C)。 点击此处查看图

图3显示了总的火用破坏与压降的关系。在这里，由于冷凝器压降，总火用破坏的变化可以忽略不计，而蒸发器压力的下降则计算出总火用破坏的显著减少。在所研究的制冷剂中，R447A操作系统的火能破坏最小。从表3可以看出，压降增加，总火用破坏也增加，蒸发器压力损失时破坏更大，冷凝器压降时破坏更小。在这里，R447A操作系统的总火能破坏最小，但与其他研究的制冷剂相比，R447A的TED下降百分比最高。在蒸发器压力为40kpa时，R410A运行系统的火用破坏比无压力损失时多2.8%，而R447A和R447B运行系统的火用破坏分别比无压力损失时多3.32%和3.14%。冷凝器的压降不显著，总的火用破坏增量也很小。考虑蒸发器和冷凝器的压降均为40kpa，计算得出R447A运行系统的总火用破坏高4.08%，R410A运行系统最小。与无压降工况相比，R447B和R32的火用破坏分别提高了3.9%和3.47%。

图3:总火能破坏随压降的变化(Te=4.5℃，Tc=40℃) 点击此处查看图

表3考虑压降的总火用破坏计算。

	410年,一个			32			447年,一个			447 b
dP (kpa)	TED @ dPe	TED @ dPc	TED @ dPe & dPc	TED @ dPe	TED @ dPc	TED @ dPe & dPc	TED @ dPe	TED @ dPc	TED @ dPe & dPc	TED @ dPe	TED @ dPc	TED @ dPe & dPc
0	0.725	0.725	0.725	0.708	0.708	0.708	0.700	0.700	0.700	0.703	0.703	0.703
10	0.730	0.726	0.731	0.713	0.709	0.714	0.706	0.701	0.707	0.708	0.704	0.709
20.	0.736	0.728	0.738	0.718	0.711	0.721	0.711	0.702	0.714	0.714	0.705	0.717
30.	0.741	0.729	0.744	0.723	0.712	0.727	0.717	0.704	0.721	0.719	0.707	0.723
40	0.746	0.729	0.750	0.728	0.713	0.733	0.723	0.705	0.728	0.725	0.707	0.730

图4和图5分别显示了蒸发器和冷凝器的火用效率和EDR随压力损失的变化情况。从图中可以看出，火用效率随着压降的增大而降低，以R447A最高，其次是R447B、R32、R410A。EDR随压力的降低而增大，R410A最大，其次是R32、R447B、R447A。在这里，随着蒸发器压力的下降，EDR的大变化可以从表4和表5中得到描述。

表4:考虑蒸发器压降的火能破坏比和火能效率。

dPe(kpa)	R410A		R32		R447A		R447B
	Exergetic ?	功能	Exergetic ?	功能	Exergetic ?	功能	Exergetic ?	功能
0	0.333	2.000	0.340	1.938	0.344	1.908	0.343	1.915
10	0.331	2.020	0.338	1.957	0．342	1.927	0.340	1.939
20.	0.329	2.038	0.336	1.977	0．339	1.950	0.338	1.959
30.	0.327	2.058	0.334	1.996	0．337	1.970	0.336	1.978
40	0.325	2.078	0．332	2.012	0.334	1.993	0.333	2.001

表5考虑压降的冷凝器火能破坏比和火能效率。

dPc(kpa)	R410A		R32		R447A		R447B
	Exergetic ?	功能	Exergetic ?	功能	Exergetic ?	功能	Exergetic ?	功能
0	0.333	2.000	0.340	1.938	0.344	1.908	0.343	1.915
10	0.333	2.004	0.340	1.942	0.343	1.911	0．342	1.920
20.	0．332	2.008	0．339	1.946	0.343	1.915	0．342	1.927
30.	0．332	2.012	0．339	1.954	0．342	1.924	0.341	1.930
40	0．332	2.016	0.338	1.958	0．342	1.927	0.341	1.935

图4:蒸发器压降对Exergetic ?和功能。 点击此处查看图

图5:冷凝器压降对Exergetic ?和功能。 点击此处查看图

随着蒸发器压降的增大，R447B的火用效率和火用破坏率下降百分比最大，分别为2.87%和4.5% (dP=40kpa)。经计算，在相同压降条件下，R447A的火用效率比无压降条件下降低2.83%，EDR降低4.44%。与无压降相比，R32操作系统的火用效率降低了2.46%，EDR降低了3.82%。随着冷凝器压力的下降，火用效率下降的百分比在0.11% ~ 0.71%之间，下降幅度不大。同样，考虑到所有制冷剂，EDR的百分比下降仅在0.17%至1.09%的范围内。

效率缺陷和火用效率随冷凝器温度的变化如图6所示。在这里，R410A具有所研究的制冷剂中最低的火用效率，因此具有最高的效率缺陷。随着冷凝器温度的升高，所有制冷剂的效率缺陷都增大，相应的火用效率下降。R447A的效率缺陷最少，火用效率最高。

图6:偏差Exergetic ?然后呢?带冷凝器温度(dP)e= 10 kpa)。 点击此处查看图

效率缺陷和EDR随冷凝器温度的波动如图7所示。EDR随冷凝器温度急剧增加，在R410A时达到最大值。当冷凝器温度为40℃时，EDR的波动较小，但当冷凝器温度达到60℃时，EDR的波动较大。压力降低对火用效率和总火用破坏的影响如图8所示。当蒸发器和冷凝器的压力同时下降时，总的火用破坏是最大的。然而，蒸发器压力的大幅下降对火用的整体破坏有不利影响。在所研究的制冷剂中，R447的总火用破坏最小，火用效率最高。

图7:?的变化EDR随冷凝器温度dPe= 10 kpa)。 点击此处查看图

图8:的变化Exergetic ?总火用破坏压降(dP=40kPa)。 点击此处查看图

结论

得出以下结论:

冷凝器压降对COP的影响很小，而蒸发器压力对COP的影响很大。随着蒸发器内压力损失的增大，制冷效果和制冷量均下降，导致压缩机跨压比增大，导致压缩机做功增加。综合起来，这两种现象都导致了COP的减少。

对于冷凝器压降，总火用破坏的变化可以忽略不计，而蒸发器压力的下降则计算出总火用破坏的显著减少。虽然R447A操作系统的总火用破坏是在所研究的制冷剂中最小的。

蒸发器和冷凝器的火用效率都随着压降的增大而降低，但蒸发器的火用效率对压降非常敏感，且下降速度更快。分析发现，R447A的火用效率最高，其次是R447B、R32和R410A。

随着冷凝器温度的升高，各制冷剂的效率缺陷增大，火用效率下降。随着冷凝器温度的升高，火用效率急剧下降。在所研究的制冷剂中，R447A的效率缺陷最少，相应的火用效率最高。

火用效率随着冷凝器温度的升高而急剧变化。当冷凝器温度从40°C上升到60°C时，火用效率下降了大约45%。

考虑到调查结果，R447A是可以考虑替代R410A的最佳选择，因为它具有最高的火用效率以及在各种冷凝器温度下最高的COP。在所研究的制冷剂中，R447A的总火用破坏最小。也可以得出结论，当压力下降发生时，系统的性能会受到不利影响，特别是在蒸发器中，因此必须格外小心。

未来的范围

可以对空调系统进行考虑吸入管路和输送管路压降的实验分析，并可用于规范模型，提高系统仿真水平。利用校正后的模型，可以评估对COP、火用效率和效率缺陷的影响并进行验证。

利益冲突

不存在利益冲突。

资金来源

没有资金来源。

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