May 17 2018

三花接受了新的低GWP制冷劑的挑戰

三花接受低GWP制冷劑挑戰

文/Federico Bisco

序言:

對于整個制冷空調行業來說,2018年是非常關鍵的一年。歐盟發布的關于溫室氟化氣體(F-Gas)的517/2014條例規定,從2015年開始逐步減少HFC制冷劑的使用,當年減少量達到37%;到2020年則要達到45%。目前常見的HFC制冷劑因生產困難和價格上漲等原因,導致其使用量不斷下降,而國際制冷劑供應商通過政治和商業手段等直接控制了R410a, R134a 和R404a等制冷劑的使用,由此驅使整個行業積極尋找可替代制冷劑解決方案。

GWP的替代制冷劑:

目前,行業對于未來制冷劑尚無明確定論,除了傳統的天然制冷劑(HC和R744),新的合成制冷劑或混合制冷劑也已進入市場。在未來幾年內,它們均可以滿足歐盟F-Gas條例的低GWP規定;但是,它們也存在一定的缺陷和問題,所以我們必須認真評估,特別是在相關應用方面。

表 1

為了更好地說明當前現狀和未來的發展,制冷劑根據不同的應用可分為三大類,表1根據最大工作壓力列出了三類合成制冷劑。

R134a替代制冷劑

R134a是目前汽車空調系統最好的制冷劑;除此之外,其還廣泛用于大型冷凍機組,以及螺桿壓縮機和離心壓縮機的熱泵系統中。HFOs家族的R1234被一致認為是R134a的最佳替代制冷劑,R1234制冷劑分為兩種類型:R1234yf和 R1234ze。R1234yf已廣泛應用于汽車行業,盡管R1234yf屬于A2L類(輕度易燃),但是因其容量與R134a非常相似,無需修改設備尺寸即可快速替換。R1234ze雖然可燃性較低,與R1234yf同屬A2L類,但是根據PED指令(2014/68/EU),其屬于第2類制冷劑。且R1234ze沒有經過“yf”的成功變體,當R1234ze替代使用在R134a系統時,系統制冷量會降低20%左右。該表同時列出了其他可能作為R1234系列HFOs制冷劑的替代品,但是它們各有缺陷:混合制冷劑R513a和R450a的GWP值與R134a相同,且無易燃風險,但只是作為暫時的解決方案,并沒有占據市場的主導地位。另一方面,碳氫化合物(R600和R1270)具有很高的可燃性,某些商業應用規定充注量應低于150g,因此其很難在大功率設備中推廣使用。在充分掌握R134a替代制冷劑的特性后,三花多年來研究HFOs及其混合制冷劑的化學兼容性,尤其是R1234制冷劑,三花已經能夠提供全系列的機械和電子閥件,滿足這些制冷劑和冷凍油的化學兼容性。同時,三花相關閥件已完成碳氫制冷劑和輕度易燃(A2L類)制冷劑如R1234yf的認證,包括四通換向閥(SHF系列)、電磁閥(MDF,HDF和FDF系列),以及電子膨脹閥(DPF系列)均可用于新冷媒系統中。

R404a替代制冷劑

過去十年,R404a無疑是意大利和歐洲市場使用最多的制冷劑;而R407系列混合制冷劑也取得一定程度地成功。但是,R404a的GWP值高達近4000,因而被認定是全球變暖最可怕的敵人。替代R404a并不是一件簡單的事情,目前有兩種可行辦法:第一種是自然工質,主要是丙烷(R290);第二種是引入低GWP的混合物,但是GWP值依然在2000左右。丙烷是一種具有優良物理性能的碳氫化合物,當它在冰箱系統中使用時,其效率可以媲美R22制冷劑。但是丙烷依然存著可燃性問題,以及受制于IEC 60335-2-8的規定,商用系統中制冷劑充注量不得大于150g。以現有技術來看,這種規定使系統的功率僅為1.5~2kW,從而限制其主要應用在超市或者小型商用機組中。三花為天然制冷劑,尤其是丙烷提供了可靠的解決方案,研發出一系列適用于可燃制冷劑的控制部件。三花也是全球唯一一家將閥件和微通道換熱器集成應用在蒸發器和冷凝器端的公司,微通道能夠有效減少通道面積,從而解決制冷劑充注量的問題。采用微通道技術,特殊設計的制冷劑回路,使內部體積減少70%。得益于這一設計,部分廠商在遵守150g規定的同時,能夠生產制冷量超過2kW的冷柜。盡管最近國際電工技術委員會(IEC/SC 61C)提議,修訂了IEC 60335-2-89對冷媒充注的標準,由150g增加到500g,丙烷依然很難在大功率系統中應用。在商業制冷領域,我們看到一些GWP值僅為R404f一半的混合制冷劑正在引進,其中最典型的是R407a和R407f的混合物。但是它們也被認為是短期內的過渡制冷劑,并將最終被逐步淘汰;而新型混合制冷劑已經到來,如在意大利大獲成功的R452a,和歐洲其他地區使用的R448a/R449a。這些混物的共性是不易燃,正因如此,受到了許多制冷廠商的關注。但是,它們的GWP值遠遠超過150,被歸于過渡性制冷劑。而我們正翹首以待,不遠的將來,什么才能真正驅動行業變革。針對R454家族的混合物制冷劑的討論已經開始,但是這些制冷劑都屬于A2L類,因此與丙烷存在著同樣的可燃性的威脅。在目前制冷劑尚未確定的階段,三花依可以為客戶提供適用于各類新冷媒的產品打包解決方案。三花推出了新一代的全系列熱力膨脹閥(RFKH, RFGB 和RFGD系列),并專門設計了應用于以上新型混合制冷劑的產品系列。除熱力膨脹閥外,三花還為客戶提供全系列的電子膨脹閥(DPF和VPF系列),能夠精確調節冷媒流量,顯著提高系統能效。電子膨脹閥DPF系列與其控制器SEC(圖1)配套使用,通過設置控制器的參數來控制制冷劑流量,從而實現一個電子膨脹閥應用在不同冷媒的系統中。

圖1

食品冷鏈領域似乎越來越傾向于使用二氧化碳(R744)制冷劑,至少在高緯度地區,R744能夠使系統達到更高的能效水平。由于二氧化碳的物理性能(臨界點為33℃),所以其面臨的關鍵問題是設備的能效問題,即使經過高度優化的系統,其COP也不會超過2,這種情況在氣候溫暖地區和化石燃料發電的地區更加突出。一方面GWP值要求低,另一方面電能消耗較高,大量二氧化碳排放到大氣中,在意大利,我們看到應用R744系統的設備推廣非常緩慢;而歐洲其他地區的情況則恰恰相反,這些跨臨界系統正在積極推動二氧化碳制冷劑的應用。作為制冷空調行業的引領者,三花以一貫的專業技術和專注創深耕制冷領域,在二氧化碳系統應用方面,三花能夠提供全系列的球閥解決方案,如亞臨界應用的CBV系列球閥可以達到60bar,和跨臨界應用的CBVT系列球閥(圖2)。三花提供的AISI304不銹鋼制成的閥件產品,全不銹鋼閥體使產品耐壓強度達到100bar。同時,三花擁有雙金屬焊接的專利技術,接管部位內部為99%的純銅,方便客戶焊接,在R744系統中,一般采用K65銅管進行釬焊操作。

圖 2


R410a替代制冷劑

在制冷行業這場革命中,空調無疑正在經歷最困難的轉型期。多年來,應用于空調的制冷劑主要是R410a。而自2017年1月以來,受通貨膨脹的影響,R410a的價格已上漲兩倍多。除歐洲嚴格限制R410a的使用外,中國生產R125制冷劑的部分工廠也已關閉,而R410a中50%的成分是R125。中小型空調是由亞洲行業巨頭推動的,長期以來使用廣為人知的R32制冷劑,R32也是R410a的成分之一,雖然這種制冷劑的GWP值不高,但是它具有輕度易燃性(A2L類),根據PED指令,R32屬于1類制冷劑,要求設計壓力不低于46bar。此外,在常規的空調工況下,壓縮機的排氣溫度高達150℃,此時制冷劑往往被用來冷卻機器(chillers),這對壓縮機和閥件生產商提出了許多嚴苛的要求。三花目前能夠提供對這種制冷劑有良好化學兼容性的產品,并與認證機構合作,為DN>25的大型部件提供PED認證。同時,三花還積極為R452b尋找可靠產品,R452b制冷劑可能是大中型熱泵未來的解決方案。

結論:

制冷空調市場正處在一個重大的轉折點,新的環境保護法令和經濟政策的壓力迫使制冷劑生產商積極向低GWP制冷劑及其混合物轉型。除過渡性制冷劑外,所有與“制冷”相關的工質都在向易燃或輕度易燃的自然工質或混合工質發展,這一趨勢要求制冷行業生產商徹底改變工藝設計和部件材料選擇,以提供最大兼容性和可靠性的產品,即使在泄露等事故發生時,也能確保安全性。同樣地,相關條例也需要修訂以保證新型制冷劑廣泛使用時的安全標準。三花在這一變化中看到了重大的機遇,通過大量的研發投入,為行業客戶提供優秀的產品和最前瞻的技術。