杨宗桥,林正炜,袁安泰,崔海鸣

(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司,山东 青岛 266101)

船舶空调系统不仅为船员的工作和生活创造出了舒适的环境,还为船舶设备的正常运行和货物的运输提供了必备的环境保障。目前,船舶空调的制冷工况一般采用制冷压缩机产生7～12 ℃的冷媒水,通过循环泵输送到空调器的换热器中,再由风机将这部分冷量送至各个舱室,达到制冷的目的。船舶空调的制热工况一般采用废气锅炉或燃油锅炉产生150 ℃以上的饱和蒸汽,通过蒸汽管路输送到空调器的换热器中,再由风机将这部分热量送至各个舱室,从而达到制热的目的。然而,目前航运市场低迷,船舶降速航行已是常态化。这使得废气锅炉所产生的蒸汽无法满足全船的需求,不得不采用燃油锅炉辅助。随着国际石油价格上涨,船舶营运成本不断加大,为实现运营成本的降低,船东通常采用降低船舶舱室空气品质的方式来降低船舶能耗。这不仅会极大地影响船员和乘客的身心健康和工作效率,而且会对船舶设备安全运行带来极大隐患。船舶空调装置是保证船员正常工作和生活的重要设备,是现代船舶主要的能耗装置。但现有船舶空调系统相对落后,具有较大的节能潜力[1]。船舶冷暖一体空调系统通过使用热泵技术利用海水、空气或者发电机冷却水的热量进行制冷、制热,在船舶上的应用具有相当的应用前景。因此,急需开展基于热泵的船舶冷暖一体空调技术研究。

制冷剂是船舶冷暖一体空调的工作介质,在船舶空调系统内部进行循环流动,通过其热力状态的变化与外界进行能量交换,从而实现制冷或制热的目的。船舶空调系统运行性能的好坏在一定程度上取决于工质的特性,选择合适的工质对于船舶空调系统的性能至关重要。因此,本文开展了船舶冷暖一体空调系统新型环保工质的选择研究。

1 制冷剂的相关法规进展与要求

氟利昂制冷剂的大规模使用导致了严重的环境问题,并且逐渐受到人们关注。1976年,联合国环境署理事会第一次讨论了臭氧层破坏问题,并于1987年在加拿大签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。该议定书正式规定了消减CFC类制冷剂的生产和消费日程表[2]。我国也已于1993年通过并批准了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》。经过国际社会的积极合作和努力,到2010年1月1日,已经实现了在全球范围内的CFC类制冷剂的全面淘汰。

联合国气候变化框架公约第三次缔约国会议于1997年12月在日本京都制定了《京都议定书》,比较具体规定了2008年至2012年期间,主要工业发达国家的温室气体排放量要在1990年的基础上平均减少5.2%。《京都议定书》规定了需要限制的六种温室气体,分别为二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFC)、全氟化碳(PEC)及六氟化硫(SF6)[3]。

《蒙特利尔议定书基加利修正案》在2017年11月已经达到生效条件,并在2019年1月1日正式生效,这就意味着HFC类制冷剂将在基加利框架下进行逐步削减。《基加利修正案》中列出的需要削减的HFC制冷剂种类包括R134a、R143、R32、R152等。一些常用HFC混合制冷剂,如R404A和R410A等也在管控之中[4]。

如图1所示,中国预计从2024年开始冻结HFC类制冷剂,2029年削减10%,2045年实现削减80%。在航运界,随着各个国家对环保的逐步重视,各主要船级社分别提出了环保入级符号,并对船舶制冷剂的使用提出了具体的要求,各船级社环保船级符号及对工质的要求见表1[5]。

表1 各船级社环保船级符号及对制冷工质的限制

图1 基加利修正案规定的中国HFC类物质限控时间

2 船用制冷剂的选择及替代原则

当前制冷剂的最终替代方案出现了两个主要分支:一种是以欧洲为代表,主张采用天然工质作为制冷剂的替代物,如R290(丙烷)、R161(氟乙烷)、R600(丁烷)、CO2、NH3等;另一种以美国和日本为代表,主张采用化学合成的零ODP、低GWP工质[6]。天然工质中CO2运行压力过高,NH3与其他碳氢化合物都具有一定的可燃性,如将其大范围用于船舶空调热泵系统,会由于船舶震动、工质用量较大及系统泄漏等而产生不安全因素。上述工质在陆地工况下使用时,可通过加入阻燃剂、加强通风、加强安全监管等来正常使用,但考虑船舶工况环境的特殊性,不建议将天然工质作为船舶冷暖一体空调制冷剂。另一方面,当前处于制冷剂产品的过渡期,HFC类制冷剂依然在用量上占主导地位。因此,船舶新型环保制冷剂工质的选择可在HFO类物质、低GWP的HFC类物质及其混合物中作选择。

制冷剂工质的选择应遵守以下原则:1)环保性:ODP=0,GWP尽可能小;2)安全性:制冷剂应具有低毒性低可燃性的特点,有较高的安全性,系统的耐久性好;3)经济性:制冷剂的制造成本要低,生产工艺要简单,便于推广;4)热力学特性:优良的热力性能,包括热力学、化学稳定性和材料与润滑油的相溶性等。由于船用制冷设备的体积和重量受到限制,船用制冷剂运行压力要低,且不易泄露[7]。

3 待选制冷剂

目前安全等级为A1(无毒不可燃),且常用于替代R22的制冷剂工质包括R134a、R410A、R404A等。不同制冷剂工质应用于不同的领域,其中R134a常用于小容量冰箱、大型冷水机组和高温热泵;R404A常应用于冷冻冷藏设备;R410A常用于空调设备(制冷和制热)。表2为R22及其替代工质的物性对比。

表2 R22及其替代工质物性对比

由表2可知R404A的GWP值达到3 800,不符合目前船级社环保船级符号对制冷工质的限制,R134a的临界压力较R410A低,对压缩机的要求较低。通过比泽尔压缩机选型软件对上述待选工质进行匹配分析,可得出各待选工质蒸发温度与冷凝温度的极限框图。图2为三种工质的工作极限框图。由图2可知R134a的冷凝温度最高,能达到80 ℃以上,且工作范围大,既可制冷又可制热,不易达到工作极限。根据船上的实际工况,船舶冷暖一体空调的热媒水温度越高,所需的换热器面积越小,越可减少整个机组的体积。并且R134a的GWP值低于R410A,符合目前相关法规对制冷工质的限制要求。因此,冷凝温度上限更高的R134a更适合作为过渡工质应用于船舶冷暖一体空调。

图2 三种工质的工作极限框图

随着《基加利修正案》于2019年1月1日正式生效,各个国家开始逐步减少HFC类物质的生产和消耗,R134a也在被管控范围之内。因此必须寻找R134a的替代工质来降低GWP值,以满足日益严苛的法律法规。R1234yf与R1234ze于2008年由美国杜邦公司与霍尼韦尔公司联合研发而成,被认为是替代R134a的新一代环保工质。R1234yf的ODP值为0,GWP值为4,大气寿命仅11 d;R1234ze的ODP值为0,GWP值为6,大气寿命仅18 d,无论是GWP值(1 430)还是大气寿命(44年)均较R134a有着大幅的进步。表3为R134a与R1234yf、R1234ze的物性对比。R1234yf和R1234ze的排气温度低,工作压力小,单位制冷量较小,系统COP略低于R134a,可直接应用于R134a系统[8]。但价格昂贵,气化潜热偏低,且安全等级为A2,有一定的可燃性,因此不适合船舶冷暖一体空调的应用。

表3 R134a与R1234yf、R1234ze的物性对比

由于纯工质在性能上存在的局限性,采用混合物为制冷剂的选择提供了更大的广度。根据组成物质的沸点是否相近,混合制冷剂可分为近共沸制冷剂和非共沸制冷剂。近共沸制冷剂与纯工质特征相似,非共沸制冷剂可减小冷凝器和蒸发器的传热不可逆损失,但系统泄漏会引起混合物组分的变化。混合制冷剂的目的就是将各组分的缺点削弱,优点互补,在达到使用要求的同时保证对环境的友好性。

混合物的组元与被替代物相比,必须有以下特点[9]:

1)在物性上具有优势互补;

2)无论是制冷工况还是制热工况,组元的COP值尽可能与被替代物的COP值接近;

3)通过合理配比混合制冷剂组元,使混合制冷剂的容积制冷量与被替代物的容积制冷量匹配;

4)混合制冷剂的组元蒸气压曲线应位于被替代工质的蒸气压曲线的两侧,或与被替代工质的蒸气压曲线接近。

图3为R134a、R1234yf、R1234ze的饱和蒸气压曲线。

图3 R134a、R1234yf、R1234ze的饱和蒸气压曲线

由图3可知,R1234yf与R1234ze的饱和蒸气压曲线与R134a十分接近。R134a的COP值过大而R1234yf与R1234ze的COP值很低,R134a不可燃而R1234yf与R1234ze有一定的可燃性,因此两者混合符合优势互补。且三种工质的临界温度相似,其混合物属于近共沸混合物,与纯工质的特征相似。为了在原有R134a系统稳定工作的前提下降低制冷剂的GWP值,改用R134a/R1234yf(R1234ze)近共沸混合制冷剂是一种可行的方法。

为了找到更为理想的低GWP替代工质,国内外学者已经对R1234yf(R1234ze)/R134a近共沸制冷剂进行了大量研究。张佳妮[10]等测定了不同配比的R1234yf与R134a的混合制冷剂的PVT(压力-体积-温度)性质,并拟合了气态维里方程;孙维栋[11]等建立了R1234yf/R134a的热物性模型,分析了混合制冷剂的气液相平衡曲线;陈琪[12]等对二元混合制冷剂R1234yf/R134a的不同配比分别进行了可燃性实验。当阻燃制冷剂R134a和可燃制冷剂R1234yf的体积比约为2时,R1234yf/R134a的爆炸上限等于其爆炸下限,当二者体积比增大时,任意浓度的混合制冷剂均不具有燃烧性,表明在R1234yf中加入定量的R134a可使制冷剂更加安全;Kamiaka[13]测量了R1234yf/R134a的气液相平衡数据;Lee[14]搭建了小型空气源冷暖一体空调实验台并研究了R1234yf与R134a以不同比例混合,替代R134a的性能表现。得出了R1234yf及其与R134a的混合物的性能与R134a类似,可以替换R134a的结论,且冬季制热工况下混合物的物性与R134a更为接近。

美国科慕公司研制的R513A与R450A可以用于热泵、气冷水冷机组、自动饮料售货机等中低温设备,是R134a替代物中性能较好的两种,完全符合欧盟环保法规的要求,且已经获得美国SNAP(新制冷剂替代计划)项目批准。其中R513A为R134a与R1234yf以质量比为44∶56的混合物;R450A为R134a与R1234ze以质量比为42∶58的混合物。表4为R134a与两种新型工质的物性对比[15-17],两种混合工质的基本物性与R134a相似,但GWP值不足R134a的40%,环保性能大大提高。

表4 R134a、R513A及R450A的物性对比

4 待选制冷剂的理论计算

制冷剂在蒸汽压缩式热泵中经历的逆循环,包含蒸发与过热、压缩、冷凝与过冷、节流膨胀等基本过程,如图4所示。

图4 工质理论循环压-焓图

为了研究方便,计算中对四个基本过程做如下假设:

1)制冷剂的冷凝、蒸发过程为定压过程;

2)节流过程前后,制冷剂的焓不变;

3)制冷剂在流动时没有阻力损失;制冷剂在管道中与外界没有热交换;

4)压缩过程为绝热非等熵过程,等熵效率为0.7。

单级蒸汽压缩制冷循环的主要热力计算内容如下[21]:

单位质量制热量:q=h2-h3

质量压缩功:w=h2-h1

压缩机压缩比:Pr=P2/P1

其中:Pr为压缩比;k为工质的绝热指数,k=CP/CV,CP为工质的定压比热(kJ/(kg·K)),CV为工质的定容比热(kJ/(kg·K));h1为压缩机进口焓(kJ/kg);h2为压缩机出口焓(kJ/kg);h3为冷凝器出口焓(kJ/kg);h4为蒸发器进口焓(kJ/kg);q为单位质量制热量,kJ/kg;w为单位质量压缩功,kJ/kg。

根据理论循环计算步骤并调用美国NIST研发的Refprop9.0计算纯工质及混合工质的基本物性,设定在夏季工况下蒸发温度为5 ℃,冷凝温度为45 ℃,过冷、过热度均为5 ℃;冬季工况下蒸发温度为10 ℃,冷凝温度为65 ℃,过冷度为5 ℃、过热度为10 ℃。R134a及其替代工质循环各参数的计算结果如表5和表6所示。

表5 夏季工况工质的理论分析计算结果

表6 冬季工况工质的理论分析计算结果

由表5和表6可以看出,混合工质R513A与R450A的冷凝压力与蒸发压力都位于其组分R134a与HFO类工质(R1234yf、R1234ze)之间,并且改善了HFO类工质(R1234yf、R1234ze)的单位制冷/制热量不足的弊端。R513A与R450A的压缩比与排气温度较R134a有所下降,降低了对压缩机的要求,更有利于压缩机的安全稳定运行。在夏季制冷工况,R513A与R450A的COP值略低于R134a,而冬季制热工况R513A与R450A的COP值高于R134a,证明R513A与R450A比R134a更适用于冬季制热工况,适用于船舶冷暖一体空调系统。图5为比泽尔压缩机选型软件提供的R134a、R513A与R450A的工作极限框图。可以看出三种工质的工作极限接近,冷凝温度均可达到80 ℃以上,因此R513A与R450A在工作性能上可以替代R134a。

图5 R134a、R513A与R450A的工作极限框图

5 结论

在前人关于制冷剂替代研究的基础上,针对船舶冷暖一体空调系统新型环保工质进行了对比研究。通过研究发现:1)R134a,R513A及R450A的工作范围更大,冷凝温度最高可达80 ℃以上,并且安全等级为A1,无毒不可燃,可适应船舶恶劣的工作环境;2)R513A和R450A由于组分中含有R1234yf及R1234ze,其蒸发压力、冷凝压力、压缩比、排气温度均低于R134a,有利于压缩机的安全稳定运行;3)R513A与R450A的GWP值不足R134a的40%,分别为573和547,环保性能大大提高,满足所有法律法规对船舶制冷剂工质的要求。因此,建议采用R513A与R450A作为船舶冷暖一体空调系统的长期替代工质来使用。