HCFC-22替代制冷剂THR03的试验研究

冷冻油是空调器心脏部分压缩机的润滑油。随着制冷剂的循环，油的一部分被排到循环系统中，因此需要将油沿制冷剂配管送返压缩机。当油不能与制冷剂互容时，油就会滞留在循环系统中，阻碍热交换，并影响压缩机的润滑。因此，使用一种新型的制冷剂的关键问题之一就是研究它和冷冻油的互溶性。
　　通过试验研究，发现THR03与日本某冷冻油公司的酯类油SL-68s有很好的互溶性，压缩机寿命试验的解剖结果证明了这一点。
　　为了进一步检验THR03 制冷剂与原HCFC-22空调压缩机的材料相容性，参照国际标准进行了高压釜试验。试验工况参照美国MCLR计划规定，试验条件为：温度 175℃，压力2.5±0.3 MPa，时间14d。为进行比较，同时进行了HCFC-22/MO和THR03/POE的材料相容性试验。试验样品为凌达公司压缩机材料，包括漆包线，聚酯薄膜、聚酯套管、聚酯绑扎绳、引出线组件和聚四氟乙烯套管。材料相容性试验后，冷冻油均清澈、透明、无沉淀。样品的具体结果见表6。如表6所示，材料相容性试验后，经测试在各试验件的电气及机械性能方面，THR03/POE与HCFC-22/MO均相当，表明THR03与原HCFC-22 压缩机的各材料相容，可继续沿用。
　　表6 THR03/POE材料相容试验后样品的检验结果

　　材料 　　　HCFC-22/MO 　　　　THR03 /POE
　漆包线 　扭绞未见漆膜破裂；电压击穿试验合格 　扭绞未见漆膜破裂；电压击穿试验合格
　聚酯薄膜 　有弹性，未脆化；耐压试验合格 　有弹性，未脆化；耐压试验合格
　聚酯套管 　正常；未硬化；耐压试验合格 　正常；未硬化；耐压试验合格
　聚酯绑扎绳 　未脆化；抗拉强度合格 　未脆化；抗拉强度合格
　引出线组件 　未变色；耐压试验合格 　未变色；耐压试验合格
　聚四氟乙烯套管 　未变色；耐压试验合格 　未变色；耐压试验合格
8 THR03 的安全性
　　
　　安全性是衡量一种制冷剂使用性能的一个重要因素。制冷剂的安全性主要指毒性和可燃性。
　　国际上通用由TLV(Threshold Limit Value)值来衡量物质的毒性，TLV表示长期毒性试验的最低极限数据，即在每天暴露的情况下，对所有人员不产生健康恶化的浓度，单位是10-6(ppm)。THR03的3种组元中，TLV值无数为1000×10-6，在ASHRAE标准划分上为"A"级，即无毒，综合起来，THR03是无毒的，其推荐的TLV值也为1000×10-6，可以安全地使用在封闭或半封闭制冷系统中。
　　可燃气与空气的混合物必须在确定的配比范围内才能着火并向四周传播。因此有两个概念最低可燃极限或可燃下限LFL(Lower Flammable Limit)和最高可燃极限或可燃上限UFL(Upper Flammable Limit)，定义分别如下：最低可燃下限是在特定的试验条件下，可燃气在它与空气的均匀混合气中能够维持火焰传播的最小比例(体积比或摩尔比)；最高可燃极限是在特定的试验条件下，可燃气在它与空气的均匀混合气中能够传播火焰的最大比例。可燃物在空气中燃烧的范围为LFL～UFL，其浓度若低于LFL或高于UFL，则不能维持火焰传播。
　　混合物本身配比不同时，其与空气混合气的可燃上、下极限UFL和LFL也没。对二元混合物，国际规定用临界可燃配比CFR(Critical Flammable Ratio)表示可燃性的界限，定义为使混合物在空气中不可燃所需的不可燃组元的最小配比。只要混合工质中不可燃组元的成分大于CFR，则其在空气中占任何比例都不会燃烧。对于三元混合物，将三元混合物表示在等边三角形图上，其任一配比都对应于图中的一点。找到其中两对可燃/不可燃组元的二元混合物的CFR，将两个CFR值连线，则将三元混合物的区域分为可燃区和不可燃区。若给定配比的三元混合物落在不可燃区内，则可判断其为不可燃，反之，则为可燃。THR03的三种组元A，B，C中，A是可燃的，B是不可燃的，第三种组元C不但不可燃而且还有阻燃的作用。所以只要考察AB和AC的临界可燃配比CFR即可。
　　为得到AB和AC的CFR，建立了可燃性试验装置，装置根据美国实验与材料协会标准ASTME681组建，试验方法是UL，ASHRAE等机构指定的可燃性试验方法。
除了名义配比外，混合物在泄漏后配比有可能变化，即所谓成分迁移，这就存在一个泄漏后是否可燃的问题。根据ASHRAE34和UL标准2182的规定，利用混合工质泄漏模型[3]，可得出最不利工况(即可燃成分最多的情况)。THR03的最不利工况是储运时(钢瓶充灌90%液体)温度为沸点+10℃气相泄漏起始点的气相成分。由于混合物中可燃组元的沸点最低，则随泄漏量的增加，混合物组成更趋于安全。图1中显示了在最不利工况下(储运90%液体，-30.72℃，气相泄漏)THR03从开始泄漏到完全泄漏整个过程的成分变化，可见，THR03自始至终都是不可燃的。
　　
9 几个问题的讨论
　　
　　由于THR03应与POE油配合使用，并且THR03与R407c类似是非共沸的混合物，所以在使用THR03时，在生产管理及空调系统充注方面可能会遇到以下问题：
　　①　由于POE油对水分很敏感，所以对压缩机和系统内的水分含量提出了更高的要求。应保证压缩机在运输和装配过程中的干燥度，油及注油后的压缩机在空气中暴露的时间要尽量短。
　　②　应尽量降低加工过程中的残油量，保证零件的清洁度。
　　③　对膨胀设备(毛细管长度或膨胀阀开度)进行适当调整，有望得到更高的效率。
　　④　对THR03这样的非共沸的混合物，应进行液相充注，以保证进入系统的混合物成分。
　　⑤　关于泄漏后成分变化对热工性能的影响，模拟计算表明，在制冷剂泄漏40%的情况下，制冷量会减少4%～5%，COP只减少1%。即热工性能对成分变化不敏感。
　　⑥　如为获得更优越的热工性能，可利用非共沸工质的特点，对两器的流程等进行优化匹配。
　　
10 小结
　　
　　综上所述，在主要部件未经改动的情况下，使用THR03作制冷剂的空调器和压缩机的热工性能与原HCFC-22的相当或有所改善。材料相容性试验和压缩机寿命试验表明，THR03与原HCFC-22 空调机组的材料也是相容的。使用THR03替代HCFC-22 ，仅需将原润滑油更换为酯类油，并注意生产过程的水分控制，不必改动原主要部件，就可保证THR03长期耐久地运行。