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          May 17 2018

          三花接受了新的低GWP制冷剂的挑战

          三花接受低GWP制冷剂挑战

          文/Federico Bisco

          序言:

          对于整个制冷空调行业来说,2018年是非常关键的一年。欧盟发布的关于温室氟化气体(F-Gas)的517/2014条例规定,从2015年开始逐步减少HFC制冷剂的使用,当年减少量达到37%;到2020年则要达到45%。目前常见的HFC制冷剂因生产困难和价格上涨等原因,导致其使用量不断下降,而国际制冷剂供应商通过政治和商业手段等直接控制了R410a, R134a 和R404a等制冷剂的使用,由此驱使整个行业积极寻找可替代制冷剂解决方案。

          GWP的替代制冷剂:

          目前,行业对于未来制冷剂尚无明确定论,除了传统的天然制冷剂(HC和R744),新的合成制冷剂或混合制冷剂也已进入市场。在未来几年内,它们均可以满足欧盟F-Gas条例的低GWP规定;但是,它们也存在一定的缺陷和问题,所以我们必须认真评估,特别是在相关应用方面。

          表 1

          为了更好地说明当前现状和未来的发展,制冷剂根据不同的应用可分为三大类,表1根据最大工作压力列出了三类合成制冷剂。

          R134a替代制冷剂

          R134a是目前汽车空调系统最好的制冷剂;除此之外,其还广泛用于大型冷冻机组,以及螺杆压缩机和离心压缩机的热泵系统中。HFOs家族的R1234被一致认为是R134a的最佳替代制冷剂,R1234制冷剂分为两种类型:R1234yf和 R1234ze。R1234yf已广泛应用于汽车行业,尽管R1234yf属于A2L类(轻度易燃),但是因其容量与R134a非常相似,无需修改设备尺寸即可快速替换。R1234ze虽然可燃性较低,与R1234yf同属A2L类,但是根据PED指令(2014/68/EU),其属于第2类制冷剂。且R1234ze没有经过“yf”的成功变体,当R1234ze替代使用在R134a系统时,系统制冷量会降低20%左右。该表同时列出了其他可能作为R1234系列HFOs制冷剂的替代品,但是它们各有缺陷:混合制冷剂R513a和R450a的GWP值与R134a相同,且无易燃风险,但只是作为暂时的解决方案,并没有占据市场的主导地位。另一方面,碳氢化合物(R600和R1270)具有很高的可燃性,某些商业应用规定充注量应低于150g,因此其很难在大功率设备中推广使用。在充分掌握R134a替代制冷剂的特性后,三花多年来研究HFOs及其混合制冷剂的化学兼容性,尤其是R1234制冷剂,三花已经能够提供全系列的机械和电子阀件,满足这些制冷剂和冷冻油的化学兼容性。同时,三花相关阀件已完成碳氢制冷剂和轻度易燃(A2L类)制冷剂如R1234yf的认证,包括四通换向阀(SHF系列)、电磁阀(MDF,HDF和FDF系列),以及电子膨胀阀(DPF系列)均可用于新冷媒系统中。

          R404a替代制冷剂

          过去十年,R404a无疑是意大利和欧洲市场使用最多的制冷剂;而R407系列混合制冷剂也取得一定程度地成功。但是,R404a的GWP值高达近4000,因而被认定是全球变暖最可怕的敌人。替代R404a并不是一件简单的事情,目前有两种可行办法:第一种是自然工质,主要是丙烷(R290);第二种是引入低GWP的混合物,但是GWP值依然在2000左右。丙烷是一种具有优良物理性能的碳氢化合物,当它在冰箱系统中使用时,其效率可以媲美R22制冷剂。但是丙烷依然存着可燃性问题,以及受制于IEC 60335-2-8的规定,商用系统中制冷剂充注量不得大于150g。以现有技术来看,这种规定使系统的功率仅为1.5~2kW,从而限制其主要应用在超市或者小型商用机组中。三花为天然制冷剂,尤其是丙烷提供了可靠的解决方案,研发出一系列适用于可燃制冷剂的控制部件。三花也是全球唯一一家将阀件和微通道换热器集成应用在蒸发器和冷凝器端的公司,微通道能够有效减少通道面积,从而解决制冷剂充注量的问题。采用微通道技术,特殊设计的制冷剂回路,使内部体积减少70%。得益于这一设计,部分厂商在遵守150g规定的同时,能够生产制冷量超过2kW的冷柜。尽管最近国际电工技术委员会(IEC/SC 61C)提议,修订了IEC 60335-2-89对冷媒充注的标准,由150g增加到500g,丙烷依然很难在大功率系统中应用。在商业制冷领域,我们看到一些GWP值仅为R404f一半的混合制冷剂正在引进,其中最典型的是R407a和R407f的混合物。但是它们也被认为是短期内的过渡制冷剂,并将最终被逐步淘汰;而新型混合制冷剂已经到来,如在意大利大获成功的R452a,和欧洲其他地区使用的R448a/R449a。这些混物的共性是不易燃,正因如此,受到了许多制冷厂商的关注。但是,它们的GWP值远远超过150,被归于过渡性制冷剂。而我们正翘首以待,不远的将来,什么才能真正驱动行业变革。针对R454家族的混合物制冷剂的讨论已经开始,但是这些制冷剂都属于A2L类,因此与丙烷存在着同样的可燃性的威胁。在目前制冷剂尚未确定的阶段,三花依可以为客户提供适用于各类新冷媒的产品打包解决方案。三花推出了新一代的全系列热力膨胀阀(RFKH, RFGB 和RFGD系列),并专门设计了应用于以上新型混合制冷剂的产品系列。除热力膨胀阀外,三花还为客户提供全系列的电子膨胀阀(DPF和VPF系列),能够精确调节冷媒流量,显著提高系统能效。电子膨胀阀DPF系列与其控制器SEC(图1)配套使用,通过设置控制器的参数来控制制冷剂流量,从而实现一个电子膨胀阀应用在不同冷媒的系统中。

          图1

          食品冷链领域似乎越来越倾向于使用二氧化碳(R744)制冷剂,至少在高纬度地区,R744能够使系统达到更高的能效水平。由于二氧化碳的物理性能(临界点为33℃),所以其面临的关键问题是设备的能效问题,即使经过高度优化的系统,其COP也不会超过2,这种情况在气候温暖地区和化石燃料发电的地区更加突出。一方面GWP值要求低,另一方面电能消耗较高,大量二氧化碳排放到大气中,在意大利,我们看到应用R744系统的设备推广非常缓慢;而欧洲其他地区的情况则恰恰相反,这些跨临界系统正在积极推动二氧化碳制冷剂的应用。作为制冷空调行业的引领者,三花以一贯的专业技术和专注创深耕制冷领域,在二氧化碳系统应用方面,三花能够提供全系列的球阀解决方案,如亚临界应用的CBV系列球阀可以达到60bar,和跨临界应用的CBVT系列球阀(图2)。三花提供的AISI304不锈钢制成的阀件产品,全不锈钢阀体使产品耐压强度达到100bar。同时,三花拥有双金属焊接的专利技术,接管部位内部为99%的纯铜,方便客户焊接,在R744系统中,一般采用K65铜管进行钎焊操作。

          图 2


          R410a替代制冷剂

          在制冷行业这场革命中,空调无疑正在经历最困难的转型期。多年来,应用于空调的制冷剂主要是R410a。而自2017年1月以来,受通货膨胀的影响,R410a的价格已上涨两倍多。除欧洲严格限制R410a的使用外,中国生产R125制冷剂的部分工厂也已关闭,而R410a中50%的成分是R125。中小型空调是由亚洲行业巨头推动的,长期以来使用广为人知的R32制冷剂,R32也是R410a的成分之一,虽然这种制冷剂的GWP值不高,但是它具有轻度易燃性(A2L类),根据PED指令,R32属于1类制冷剂,要求设计压力不低于46bar。此外,在常规的空调工况下,压缩机的排气温度高达150℃,此时制冷剂往往被用来冷却机器(chillers),这对压缩机和阀件生产商提出了许多严苛的要求。三花目前能够提供对这种制冷剂有良好化学兼容性的产品,并与认证机构合作,为DN>25的大型部件提供PED认证。同时,三花还积极为R452b寻找可靠产品,R452b制冷剂可能是大中型热泵未来的解决方案。

          结论:

          制冷空调市场正处在一个重大的转折点,新的环境保护法令和经济政策的压力迫使制冷剂生产商积极向低GWP制冷剂及其混合物转型。除过渡性制冷剂外,所有与“制冷”相关的工质都在向易燃或轻度易燃的自然工质或混合工质发展,这一趋势要求制冷行业生产商彻底改变工艺设计和部件材料选择,以提供最大兼容性和可靠性的产品,即使在泄露等事故发生时,也能确保安全性。同样地,相关条例也需要修订以保证新型制冷剂广泛使用时的安全标准。三花在这一变化中看到了重大的机遇,通过大量的研发投入,为行业客户提供优秀的产品和最前瞻的技术。

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