R410A新冷媒家用空调压缩机的设计与试验文章加入时间：2001-9-10 16:24:04谢利昌徐剑高永红王清霞邓永辉1 引言空调器及热泵机组目前广泛使用的HCFC-22属氢氟氯烷烃制冷剂,根据1992年"蒙特利尔议定书"的规定,工业发达国家到2020年,发展中国家到2030年要全部淘汰。
其中瑞典、德国将于2000年禁用,日本将于2004年前禁用,美国将于2010年前禁用。
随着禁止时间的迫近,有关HCFC-22替代物以及相适应的冷冻机油的研究正在加紧进行。
目前国际上呼声最高的HFC(氢氟化烷烃)类替代物有R407C和R410A,所使用的冷冻机油有聚酯合成油(简称POE油)和烷基苯油(简称AB油)。
我们珠海凌达压缩机有限公司作为一家专业化生产空调压缩机的企业,为了配合绿色空调器的开发,到目前为止,已经成功地开发出了R407C、R410A 新冷媒压缩机(冷冻机油用POE油或AB 油)及空调器,其中R407C压缩机已开始批量供货。
本文主要介绍R410A压缩机的设计以及试验情况,并对R410A压缩机在空调器中的应用提出了几点建议。
压缩机的试验主要包括R410A/POE油、AB油与电机绝缘材料相容性试验,与化工材料的兼容性试验,压缩机性能测试,压缩机耐久性能试验。
2 R410A的基本特性、热工性能以及家用空调采用R410A新冷媒的优点R410A属二元亚共沸混合制冷剂,其成分由R32(二氟甲烷)、R125(五氟乙烷),并按质量百分比50/50wt%组成,与HCFC-22有较大差异的温度-压力曲线。
R410A的压力约为HCFC-22的1.5倍，容积制冷量约为HCFC-22的1.4倍。
R410A和R407C替代工质与HCFC-22性能比较见表1。
表1 HCFC-22替代工质性能对比性能HCFC-22 R407C R410A环保性 ODP 0.55 0 0GWP(相对于CO2) 1700 1600 1900安全性毒性无无无可燃性不可燃不可燃不可燃热物性 Tb(沸点) -40.8℃-43.6℃-51.4℃Tc(临界温度) 96.2℃86.7℃72.1℃制冷性能 Pc(冷凝压力) 2.17Mpa 2.31Mpa 3.38MpaPe(蒸发压力) 0.62Mpa 0.64Mpa 1.00Mpaπ(压比) 3.50 3.59 3.38T2(排气温度) 97.2℃86.7℃95.1℃Qv(制冷量)% 100 101 141 COP% 100 97 92.5△T(滑移温度) 0℃ 4.90℃0.07℃组分纯工质R32/R125/R134a=23/25/52 R32/R125=50/50由表1可知,R407C和HCFC-22有较为相似的热物性和理化、制冷性能,COP比HCFC-22略低3%。
但R410A与HCFC-22的热物性和理化、制冷性能差异较大,压力和制冷量均比HCFC-22大。
因此,R410A不能象 R407C可以直接充灌(除将矿物润滑油换为POE油或AB油外),必需对压缩机结构进行重新设计、材料应选用强度较高的耐磨材料,空调系统也有较大改动,才能满足R410A制冷剂的特性。
R410A的优点是亚共沸混合物,传热性能好,压力损失小,滑移温度非常小。
即便在使用过程中制冷剂发生泄漏,成分的变化对性能和维修不会产生影响,可以直接补加R410A制冷剂,不必象R407C 要抽空剩余组分再重新加注R407C制冷剂。
另外,采用R410A的空调器的热交换器,特别是蒸发器体积可以缩小,降低材料成本。
因此,在美国、日本的家用空调倾向采用R410A制冷剂替代HCFC-22。
在我国也有几家空调器厂直接上R410A空调器生产线,将R410A空调器做为工质替代的主要研究方向。
3 R410A制冷剂相应的冷冻机油由于R410A等HFC制冷剂分子中不含有亲油性基氯原子的氢氟化碳构成的物质,因此,它不能与以往使用的矿物油亲和,容易产生沉淀堵塞毛细管。
所以,要保证冷冻机油与制冷剂良好的相容性,人们大多采用POE油,但经过实践证明,虽然与HFC类制冷剂不相容的AB油,也可使用在HFC 类新冷媒空体器系统中,而且具有良好的润滑性、化学稳定性和耐磨性［1］。
我们经过长期试验后证明POE油和AB油均可用于R407C、R410A新冷媒空调器［2］、［3］,例如在日本,日立、松下、东芝就采用POE油,三菱电机采用AB油,三洋、大金甚至采用PVE油。
POE油和AB油特性对比如表2。
表2 几种冷冻机油的特性对比制冷剂 HCFC HFC冷冻机油相溶油非相溶油矿物油 POE油 AB油耐水分解性○△○吸湿性○△○酸化稳定○○○润滑性○○○相溶性○○×价格○△○注：○－好，△－较好，×－差我们经过严格地试验,最终选定了日本三菱石油公司商品名为Ze-GLES RB68EP的POE油,而且也可以采用三菱专利技术商品名为Ze-NIUS22E 的AB油,并与三菱商品名为ATMOS 60G 的MO 油进行了可靠性试验对比［4］。
4 R410A新冷媒压缩机的设计由于R410A新冷媒的蒸发压力Pe和冷凝压力Pc较大,以及单位制冷量的增大,所以,为了适用R410A新冷媒,压缩机必须重新进行设计,主要设计变更如下:4.1 壳体耐压的提高因为R410A的Pe和Pc明显高于HCFC-22或R407C制冷剂,所以,为了提高压缩机的可靠性及安全性,必须增加压缩机上盖、下盖、壳体的钢板厚度,厚度从1.5mm增大到2.3mm;另外,也可改变上盖的形状(平盖改变为球盖)提高耐压强度,而且也必须提高焊接强度。
压缩机壳体的气密试验压力从2.8Mpa增大到4.3Mpa,壳体的耐压强度试验从4.5Mpa增大到9.0Mpa。
4.2 电机与泵体重新匹配设计由于R410A制冷剂的单位制冷量比HCFC-22或R407C制冷剂大约1.4倍,所以对应HCFC-22或R407C制冷剂相同的名义工作容积的压缩机制冷量也会提高1.4倍,将造成电机的功耗增大,因而电机必须重新设计匹配。
另外,R410A压缩机的COP系数较低,有必要设计出高性能的电机。
4.3 排气阀片重新设计因为排气压力增大,使用原HCFC-22排气压力的阀片的跟随性发生变化,所以必须重新设计排气阀片。
4.4 压缩机滚子、滑片、曲轴材质的改变及表面处理由于压缩腔压力的增大,所以各摩擦副之间的磨损增加。
为了保证压缩机的可靠性,一方面采用带抗磨添加剂的POE油或润滑性耐磨性更加优良的AB油以外,另一方面要提高压缩机各运动部件材质的耐磨性。
我们将曲轴由原来灰铸铁变为球墨铸铁,滑片采用耐磨高速工具钢或不锈钢材质,而且表面进行氮化处理或C、N、S共渗处理。
滚子由灰铸铁变为含Cr、Ni、Mo的耐磨合金铸铁,从而保证了R410A压缩机的可靠性。
5 压缩机材料及化工材料的兼容性试验5.1 电机绝缘材料的兼容性试验由于制冷剂/冷冻机油和压缩机材料的相容性直接影响着制冷系统的可靠性和耐久性,因此,要研究替代工质/新冷冻机油和HCFC-22制冷剂使用的电机材料是否相容。
根据参考文献［5］介绍,由于HFC类制冷剂不含氯原子,氯原子的极性较强,HCFC-22制冷剂中含有的氯原子与一般的树脂溶解性增加,HFC类制冷剂的R410A对电机漆包线绝缘材料的化学作用要比HCFC-22小很多。
因此,能够使用在HCFC-22制冷剂的漆包线一定能够良好地使用在HFC类制冷剂中。
我们对凌达压缩机公司现用的压缩机电机绝缘材料--漆包线、聚酯薄膜、聚酯套管、聚四氟乙烯套管、电机引出线组件及聚酯绑扎绳等进行了高压釜耐氟试验。
试验结果:试验后测试,各试验件的电气及机械性能符合公司内控标准 试验合格。
具体见表3。
表3 R410A/冷冻机油与电机材料耐氟试验的结果材料样品 R410A/Ze-GLES RB68EP、R410A/Ze-NIUS22E、HCFC-22/ATMOS 60G冷冻机油电机材料样品漆包线清澈，透明，无沉淀扭绞未见漆膜破裂，电压击穿试验合格聚酯薄膜清澈，透明，无沉淀有弹性，未脆化，耐压试验合格聚酯套管清澈，透明，无沉淀正常，未硬化，耐压试验合格聚酯绑扎绳清澈，透明，无沉淀未脆化，抗拉强度合格引出线组件清澈，透明，无沉淀未变色，耐压试验合格聚四氟乙烯套管清澈，透明，无沉淀未脆化，耐压试验合格但是,由于采用新工质的POE油吸湿性高,而象以前的漆包线那样采用涂冷冻机油工艺,就会有问题。
目前,关于HCFC-22替代工质压缩机漆包线有两个发展方向,一是涂一种与替代工质/冷冻机油兼容,而且吸水性不强的润滑油;二是漆包线采用无油化。
如果压缩机电机定子自动生产线采用无油漆包线,则要求漆包线自润滑性能较好,否则可能会造成线伤。
我们采用日本石油公司专门研制的与HCFC-22替代工质兼容而且吸水性很小的漆包线涂油Ze-pros 32装配冷冻机油［6］ ,该油已通过了批量工艺试验和压缩机加速寿命试验,证明效果非常好。
5.2 化工材料的兼容性试验压缩机生产过程中使用的化工产品种类较多,与制冷剂/冷冻机油兼容还是不兼容,对压缩机的使用性能有密切关系。
兼容性试验包括低温析出性和高温密封管试验两部分,低温析出性试验是为了确认油类化工材料在制冷剂和冷冻机油共存下,低温时加工油是否有析出现象;高温密封管试验是为了确认工艺用化工材料进入制冷系统时是否会影响到冷冻机油的化学稳定性。
压缩机所使用的化工产品按用途分为五大系列:①清洗系列(水溶性清洗剂和溶剂型清洗液);②制冷剂与冷冻机油系列;③防锈系列;④切削液(油)系列;⑤表面处理(铁系磷化、锰系磷化)系列。
我们对正在使用的化工产品与R22 / 矿物油(MO油),R410A、R407C / POE油、AB油的兼容性分别送北京石油化工研究院、日本三菱石油公司、日本太阳石油公司进行了多次确认试验, 并与R410A/POE油的压缩机进行兼容性评价,更换了与POE油不兼容的化工材料,实现了所使用的化工产品与矿物油、POE油、AB油均兼容。
使用完全兼容的化工产品的新工质压缩机批量生产工艺试验证明,不会造成毛细管的堵塞,保证空调器运行的可靠性［7］。
6 R410A压缩机性能试验根据GB/T15765-1995《房间空气调节器用全封闭电动机-压缩机》规定的标准工况:蒸发温度:7.2℃；冷凝温度:54.4℃；环境温度:35℃。
我们在压缩机性能试验台上对两种机型R410A压缩机进行了性能测试,测试结果如表4。
表4 制冷剂为R410A压缩机性能测试项目QXA-16（G1*******）QXA-17（G0*******）制冷量W 3849.8 4121.4输入功率W 1397.3 1491.6电流A 6.65 7.10性能系数W/W 2.755 2.763*注：测试R410A压缩机时,排气表压为3.376Mpa;测试HCFC-22压缩机旱,排气表压为2.144Mpa.以上2台压缩机性能测试结果说明:R410A压缩机的制冷量比HCFC-22高1.43倍，排气表压高1.57倍 性能系数略低于HCFC-224～6%。