新型混合制冷剂R290R13I1的研究

平时的维修使用 。 在目前环境保护和节能的双重压力之下， 新一代零消耗臭氧潜能值（ODP） 、低全球 变暖潜能值（GWP）环保制冷剂的研究已经成为全球新的紧迫任务 。有关 HCFCs 替代物的选 择，国际上有两种不同的技术路线：一种是以德国和北欧一些国家为代表，主张采用天然工 质，如 R290、R717、R744 等；另一条是以美日为代表，支持开发合成类（氟化烃 HFCs）替 代物.两种路线各有优缺点，天然制冷剂其 ODP 都为零，而且具有很低的 GWP 值，但是它们大 多具有可燃性、毒性或刺激性等安全方面的缺陷，应用时需要抑制其缺点。HFCs 替代物的工 作压力偏高、有温度滑移、与矿物油相容性差、具有较高的 GWP 值等使其发展受到一定得限 制。本文提出一种新型近共沸制冷剂 R290/R13I1，R13I1 是一种非常优秀的阻燃剂，能有效 降低 R290 的可燃性。
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温度滑移（℃） 3.284533 3.551509 3.826489 4.023309 4.115278 4.019705 3.580781 2.481193
根据中国科学院孙尔雁等 “全卤代烃 CF3I 和 CF4 的阻燃能力试验” 可以看出随着 R13I1 比例的增加,混合制冷剂的可燃性越低。综合考虑本文取 R290/R13I1 质量比为 60%：40%作为 研究，此时的温度滑移为 2.07℃，为近共沸混合制冷剂。通过计算知混合制冷剂的燃烧下限 从 2.1%提高到 3.31%，相对于纯丙烷提高了 58%;燃烧上限从原本 9.41%下降到 7.98%，相对 于纯丙烷降低了 14%。可以看出 R13II1 有效的削弱了 R290 的可燃性。 2.3 热力学特性 作为替代制冷剂首先要与被替代的制冷剂具有相似的饱和蒸汽压曲线， 从而达到热力性 能的一致，从而减小对原系统的改动。下图 1 给出了混合工质和几种制冷剂饱和蒸汽压力曲 线。
新型混合制冷剂 R290/R13I1 的研究
陈伟 祁影霞 张华
( 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093)
摘
要：本文对 R290 和 R13I1 组成的混合制冷剂进行了理论研究，分析了该混合制冷剂的
温度滑移特性、热力学特性、环保特性、安全特性等问题。研究结果表明：由质量分数为 60%R290/40%R13I1 组成的混合制冷剂对环境危害很小，具有合适的压缩比、单位制冷量 和排气温度，在替代 22 上是完全可行的。 关键词：丙烷 三氟碘甲烷 R22 替代
4 其他特性
4.1 制冷剂的环保、安全性 是否破坏大气臭氧层和是否具有较低的 GWP 值是判断制冷剂环保性的两个重要指标。从 混合制冷剂的化学式可以看出， 其不含破坏大气臭氧层的氯原子， 因此不会破坏大气臭氧层。 混合制冷剂的 GWP 值等于组成的各单工质的 GWP 值乘以其质量分数之和，由此求得 60%R290/40%R13I1 的 GWP 为 360。可以看出新型混合制冷的 GWP 值比 R22、R410A、R407C 小 了很多。可以看出型芯混合制冷剂是一种十分环保的制冷剂。 从上表 3 可以看出，从主要的热力性质和循环性能看，R290 能够很好的替代 R22，但是 其可燃性限制了其发展。在 R290 中加入一定量的不可燃物可以有效削弱其可燃性。例如在 R290 中加入 R22，当 R22 的质量含量达到 30%时，制冷剂的爆炸下限从 2.1%上升到 3.0%，相 对于纯丙烷的爆炸下限提高了 42.8%
R22 3.431 35.7 149.9 4.199 3461.191
R410A 3.391 39.7 146.7 3.695 4736.943
R407C 3.575 35.3 142.3 4.031 3455.040

60%R290/40%R13I1 3.104 42.6 174.1 3.997 3010.314
1 引言
目前常用的 HCFCs 大多是具有较高的 GWP 值或是对大气臭氧层具有破坏。2007 年 9 月 在加拿大蒙特利尔召开的 《蒙特利尔议定书》 第 19 次缔约方会议通过了加速淘汰 HCFCs 的调 整方案。其中规定发达国家 2010 年 HCFCs 的使用量减少 75%，2015 年减少 90%，2020-2030 年只保留 0.5%用于维修；对于发展中国家，HCFCs 的用量以 2009 年和 2010 的平均水平为基 准，2015 年减少 15%，2020 年减少 35%，2025 年减少 67.5%，2030-2040 年，只留 2.5%用于

作者简介：陈伟， （1987-） ，男 ，硕士生，主要从事制冷剂物性方面研究。c_chenwei163@ 基金项目：上海市重点学科建设项目（S30503）和上海市教育委员会科研创新项目（项目编号 11YZ119）资助，上海市优秀学科 带头人计划项目（编号：10XD1403100） 。
STUDY OF THE NEW MIXTURE REFRIGERANT OF R290 AND R13I1
Chen wei Qi ying xia Zhang hua
( School of Energy and Power Engineering ， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China)
表 3 标准工况下几种制冷剂的循环性能 制冷剂 压力比 等熵压缩功 （kj/kg） 单位制冷量 （kj/kg） COP 容积制冷量 （kj/m ） 排气温度（℃） 83.95 101.9 101.3 92.2 81.24
3
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R290 3.206 62.8 256.6 4.086 2853.392
图 1 几种工质的饱和压力曲线
由上图可以看出，60%R290/40%R13I1 组成的混合制冷剂在热力性能上与 R410A 和 R407C 相比有明显优势。首先混合制冷剂具有较小的温度滑移，其次比较接近 R22 的饱和压力线。 相比之下 R407C 饱和压力线虽然比较接近 R22 的饱和压力曲线，但是其温度滑移却很大（越 5℃）,使得使用时分馏对维修保养带来困难。虽然 R410A 的温度滑移很小，但是它的饱和压 力明显高于 R22（高出约 60%），而 60%R290/40%R13I1 的饱和压力却与 R22 比较接近。
2.2 温度滑移及可燃性 在标准大气压下， R290 和 R134a 混合制冷剂温度滑移特性随 R290 质量含量变化如下表 2 所示。可以看出，当混合制冷剂 R290 和 R13I1 在一定质量比范围内温度滑移小于 3℃，可视 为近共沸混合制冷剂。
表2 制冷剂组分（质量分数） R290/R13I1 95%/5% 90%/10% 85%/15% 80%/20% 75%/25% 70%/30% 65%/35% 60%/40% 55%/45% 50%/50% 45%/55% R290/R13I1 在标准大气压下温度滑移情况 泡点温度（℃） -42.07465 -41.896317 -41.700734 -41.485267 -41.246716 -40.981158 -40.683722 -40.348292 -39.967077 -39.529994 -39.023762 温度滑移（℃） 0.225242 0.460503 0.704844 0.958937 1.222922 1.496765 1.78016 2.072389 2.372103 2.676979 2.983191 露点温度（℃） -41.849408 -41.435814 -40.99589 -40.52633 -40.023794 -39.484393 -38.903562 -38.275903 -37.594974 -36.853015 -36.040571
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2 制冷剂物性
2.1 基本物性 首先对混合制冷剂的两种组分 R290、 R13I1 的主要热物理性质和环境性能与 R22 比较如 下表 1 所示。从下表可以看出 R290 和 R13I1 具有良好的热力性能和环境性能。
表 1 R290、R13I1 主要的热物理性质与 R22 的比较 工质 分子式 分子量 ODP GWP 标准沸点（℃） 临界温度（℃） 临界压力（MPa） 与矿物油相容性 R22 CHCLF2 86.5 0.04 1700 -40.78 96.0 4.974 部分可溶 R290 C3H8 44.1 0 0 -40.07 96.8 4.254 溶解 R13I1 CF3I 195.9 0 700 -21.83 123.29 3.953 溶解
从上表可以看出： （1）在压比方面，60%R290/40%R13I1 的压比比 R22 低约 9.5%，R407C 比 R22 高约 4%，R410A 比 R22 低约 1%。可以看出新型混合制冷剂具有最小的高低压比值，从 而有利于提高压缩机的效率，具有节能的潜力。 （2）虽然 60%R290/40%R13I1 的单位制冷量比 R407C、R410A、和 R22 都大，但是由于其吸气比容比较大，导致其容积制冷量比较小。 （3） 在排气温度方面，60%R290/40%R13I1 的排气温度比 R22、R410A 和 R407C 都小，这使得采用 这种混合制冷剂系统可以在更恶劣得瑟工况下良好运行，比如在热带地区、沙漠地区的高温 环境下正常运行。 （4）在性能系数方面，60%R290/40%R13I1 的性能系数与 R22 接近，大约为 R22 的 94%，高于 R410A 的性能系数，约为 R410A 的 1.08 倍。 从以上的分析可以看出，60%R290/40%R13I1 的新型制冷剂在排气温度、压比、单位制 冷量等方面具有明显的优势，具有很好的替代 R22 的潜能。
3 循环特性分析
循环特性是评价一种制冷剂优劣的一个重要因素，替代制冷剂的性能系数应该大于原来 制冷剂的性能系数，或者与原来的接近：容积制冷量要与原来制冷剂接近，可以减小原有压 缩机的改动；压缩机的压比要小；压缩机的排气温度要低，以避免在恶劣的工况下过高的排