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   用于取代對臭氧層有破壞作用的制冷劑R22，上普遍認同的兩種環(huán)保制冷劑為：410A和R407C。本文將分析R410A和R407C的特性，比較兩者在傳熱性能、性能系數(shù)和蒸汽壓力等方面的特征差異，為確定替代制冷劑的*選擇提供。

1 、R407C和R410A的傳熱性能比較
R410A具有很好的傳熱性能，R410A的蒸發(fā)傳熱系數(shù)和冷凝傳熱系數(shù)高于R407C，在很多應用場合R410A的傳熱性能還優(yōu)R22。蒸發(fā)試驗研究發(fā)現(xiàn)，R410A在光滑水平管內(nèi)的傳熱系數(shù)比R407C高50％ 左右；與R22蒸發(fā)試驗結(jié)果相比，R410A的傳熱系數(shù)要比R22高10％～50％。使用具有微型肋片的水平管，R410A的傳熱系數(shù)比光滑管提高了80％～150％。板式換熱器的蒸發(fā)試驗也證實了R410A傳熱性能的*，在相同條件下R410A的傳熱系數(shù)比R22的傳熱系數(shù)要高0～15％。
冷凝試驗則顯示，在光滑管內(nèi)R410A的冷凝傳熱系數(shù)比R407C冷凝傳熱系數(shù)高20％。在光滑管外，R410A的冷凝傳熱比R407C的冷凝傳熱高35％～50％，比R22高約11％～17％；然而R407C的傳熱系數(shù)卻比R22低24％～37％。在具有微型肋片的管外，R410A的冷凝傳熱系數(shù)比R407C高35％～55％，比R22高3％～7％，相反，R407C的傳熱系數(shù)比R22低33％～52％。R407C傳熱性能較差的事實還可以用現(xiàn)有設備的制冷劑替換試驗結(jié)果來說明，在一臺100kW制冷量螺桿式水制冷機組試驗中發(fā)現(xiàn)R407C在管殼式冷凝器中的傳熱系數(shù)比R22小25％～51％。
    R407C的傳熱系數(shù)低，其與它的非共沸性有關：一是在等壓蒸發(fā)或冷凝時存在著較大的相變溫度梯度，二是汽液兩相之間存在著明顯的濃度差。R407C在蒸發(fā)或者冷凝時，不但要克服冷凝液層的熱阻，還要克服相變溫度梯度和汽液濃度差對傳熱帶來的負面影響。相變溫度梯度是指在一定壓力下混合物由飽和蒸汽變成飽和液態(tài)的溫度差，R407C在大氣壓下的相變溫度梯度約為7K。相變溫度梯度的存在直接降低了R407C的傳熱性能。等壓冷凝時，隨著冷凝過程的推進，R407C汽液平衡要求的冷凝溫度越來越低，對于恒壁溫冷凝，用于推動蒸汽冷凝的有效溫壓將越來越小，傳熱效率降低。同理，相變溫度梯度對于蒸發(fā)過程也同樣有降低傳熱效率的作用。
    R407C三種組分的汽液濃度差是由組分間的相對揮發(fā)性不同造成的，高沸點組分R134a不易揮發(fā)，低沸點組分R32和R125比R134a易揮發(fā)。汽液兩相共存時，沸點高的R134a在液相中的濃度就高于它的汽相濃度，而沸點低的R125和R32在汽相中的濃度高于液相濃度。

圖1定性顯示了R407C在冷凝時三種組分的濃度變化情況。
在圖1中，設想管壁有薄層冷凝液，在冷凝液與主流蒸汽之間存在著混合蒸汽擴散層。由于R134a沸點較高，比其它兩個組分都更容易被冷凝下來，R134a蒸汽在液汽介面附近的濃度就低于主流蒸汽的濃度，因此，在擴散層蒸汽流中，發(fā)生著組分R134a從主流蒸汽指向液汽介面的擴散過程。相反，組分R32和R125的沸點較低，揮發(fā)性強，不易被冷凝，在接近介面的蒸汽流中，R32和R125的濃度就高于各自在主流蒸汽中的濃度，因而在擴散層形成了從液汽介面指向主流蒸汽的濃度梯度。擴散層構(gòu)成了非共沸制冷劑冷凝時的額外熱阻。介面處蒸汽的飽和冷凝溫度隨著當?shù)貪舛鹊脑黾佣M一步降低，也增加了冷凝過程的阻力。 
    R410A的傳熱系數(shù)較高的一個重要原因在于它的準共沸性。，R410A雖然由兩種組分(R32和R125)組成的混合物，但是這兩種組分沒有明顯的揮發(fā)性差別，在蒸發(fā)或者冷凝過程中，R410A的汽相組分濃度和液相組分濃度很相近，相變溫梯度小于0．2K。反映在R410A的熱力學工程圖上，汽液兩相區(qū)的等溫線與等壓線幾乎是平行的，所以，R410A熱力學特性和物理特性非常接近于共沸制冷劑或純制冷劑。作為準共沸混合物，R410A在蒸發(fā)和冷凝時的傳熱機理與純制冷劑相似，沒有明顯的組分擴散現(xiàn)象，相變溫度梯度對傳熱效率的影響極小，這就使得R410A的傳熱系數(shù)高于非共沸制冷劑R407C。R410A的傳熱系數(shù)高于R22的主要原因在于它具有更加有利的傳熱控制物理量，如具有較高的導熱系數(shù)和較低的粘性系數(shù)。
2、R410A與R407C的性能系數(shù)比較
R410A的優(yōu)良傳熱性能，有利于提高空調(diào)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)。R410A還具有提高性能系數(shù)的另外兩個有利條件：較低的流動力和較高的壓縮效率。
實驗發(fā)現(xiàn)，R410A的流動壓降比R407C和R22都要小，而R407C的壓降接近于R2的值。例如，在光滑管內(nèi)蒸發(fā)流動時，R410A的壓降比R22要小30％，在板式蒸發(fā)器內(nèi)流動時，R410A的壓力損失比R22低15％～35％ ，在光滑管內(nèi)冷凝時，R410A的壓降比R22小35％～50％。制冷劑流動所需的壓降越小，壓縮機消耗在壓降上的無用功越小，越有利于提高性能系數(shù)。
在制冷劑壓縮效率方面，R410A的壓縮效率高于R22和R407C。R410A在往復式壓縮機測試臺上測得的等熵壓縮效率和輸氣效率均分別比R22的高5％左右；在渦旋壓縮機試驗臺上測得的等熵壓縮效率和輸氣效率分別比R22的高2％～15％和3％～10％ 。與R410A相對比，R407C在往復式壓縮機測試臺上測得的壓縮效率與R22的值相近；但是在一套小型空調(diào)系統(tǒng)上測得的壓縮機容積效率和等熵效率分別比R22低3％～7％和6％～14％。相比之下，R410A的壓縮效率比R407C高5％～20％。
研究表明，在R22的兩種替代制冷劑中，使用R410A可以實現(xiàn)比R407C更高的系統(tǒng)性能系數(shù)。壓縮機測試臺上得到的數(shù)據(jù)顯示，R410A的性能系數(shù)超R407C的10％ 以上；在優(yōu)化設計的空調(diào)制冷系統(tǒng)中R410A性能系數(shù)高的結(jié)論進一步得到證實，R410A的性能系數(shù)分別比R407C和R22的高10％和5％。

R410A的性能系數(shù)優(yōu)勢還在已投入運行的R22空調(diào)制冷系統(tǒng)的替代試驗中得到證實。針對正在運行的3種不同R22系統(tǒng)，采用置換制冷劑和渦旋壓縮機的方法，使用相同的蒸發(fā)器和冷凝器，在相同的工況下進行實地運行試驗，結(jié)果顯示采用R410A所得到的性能系數(shù)高于R22和R407C的值：在9．2kW制冷量的家用空調(diào)替換試驗中，R410A產(chǎn)生的性能系數(shù)比R22的值高5％ ；對屋頂式27kW空調(diào)的對比試驗發(fā)現(xiàn)，R410A的性能系數(shù)比R22和R407C的分別高3％ 和11％ ；對35kW水制冷機組的替換試驗發(fā)現(xiàn)，R410A的性能系數(shù)比I122和R407C的分別高5％和6％。

目前，越來越多的節(jié)能型R410A空調(diào)已經(jīng)走出實驗室，進入市場銷售，部分空調(diào)產(chǎn)品的性能系數(shù)超過6。

3、R410A與R407C的蒸汽壓比較
在研發(fā)R22替代制冷劑的初始階段對R410A的認可要遠遠低于R407C，其中一個原因就是R410A蒸汽壓力偏高，在工程應用上會受到一些限制，需要開發(fā)適合高壓系統(tǒng)的應用技術(shù)。而R407C的蒸汽壓比較適宜，可以適應R22的所有應用領域。 

圖2比較了兩種環(huán)保制冷劑R410A和R407C的蒸汽壓與R22的蒸汽壓。

在選擇的溫度區(qū)間內(nèi)，根據(jù)蒸汽壓力的特點，使用R410A時應注意如下方面：
(1)R410A的蒸汽壓比R22的蒸汽壓大60％～70％ ，R410A的制冷系統(tǒng)必須有更好的密封性能，使用合適接口技術(shù)，以防泄漏；所有制冷元件，包括壓縮機、蒸發(fā)器冷凝器、管道等，必須滿足R410A的特別工作壓力要求。針對高壓蒸汽采取必要的安全保護措施。
(2)如果R410A制冷系統(tǒng)的設計壓力為2500kPa，那就必須把冷凝溫度控制在40℃左右，水冷的應用場合能夠滿足壓力上限的要求。如果采用空冷設計R410A系統(tǒng)的冷凝壓力就會超過現(xiàn)行空調(diào)系統(tǒng)的壓力上限，例如，考慮夏季空氣設計溫度為40℃ ，R410A的冷凝溫度就會達到55~C左右，相對應的冷凝壓力就會達到和超過3400 kPa，現(xiàn)行的R22制冷系統(tǒng)承*如此大的壓力，必須進行專門設計。
(3)R410A的I臨界溫度較低，只有72．5℃，在空冷情況下，如果環(huán)境空氣溫度達到55℃ 以上，R410A就可能發(fā)生I臨界溫度區(qū)的冷凝，制冷負荷會降低到35~C環(huán)境溫度時的65％左右，性能系數(shù)也會大幅度下降。      
從圖2可以看出，R407C的壓力曲線與R22的非常接近，特別是在10℃ 以下，R407C的飽和壓力曲線與R22的幾乎重合；只是30℃ 以上時，R407C的飽和壓力略高于R22的值。所以，R407C具有與R22非常接近的蒸發(fā)壓力，冷凝壓力可能比I122的高100～270 kPa，但排氣溫度比R22低0～ 10℃

4、R410A和R407C的不同特點與應用前景

R410A的特點還可以從熱力學工程圖來進行分析，在蒸發(fā)溫度一40～10℃ 的范圍內(nèi)，R410A的蒸氣密度比R22高43％，氣化潛熱比R2211％，R410A的體積制冷效應比R22高60％左右。

考慮到壓縮機效率方面的損失，同一封閉式壓縮機采用R410A的制冷量將比R22約高50％。如果采用優(yōu)化設計的R410A系統(tǒng)來替代R22系統(tǒng)，考慮到壓縮機排氣量的減小，以及工質(zhì)循環(huán)流量減小導致的換熱器減小、管道減小、控制元件尺寸減小等方面因素，對于小功率空調(diào)說，R410A設備的造價有可能比R22設備更便宜。但是對于大功率空調(diào)來說，高壓蒸汽安全運行所帶來的設備投資和設備重量的增加就可能變成值得考慮的問題了。因為，隨著制冷系統(tǒng)負荷的增加，R410A安全運行所需的設備投資和重量將會急劇地增長。

    在環(huán)保制冷劑R410A和R407C的技術(shù)開發(fā)和使用上，應根據(jù)其不同應用和不同負荷采用不同的環(huán)保制冷劑技術(shù)：
     (1)對于冷凝溫度較低的場合，例如水冷，采用R410A技術(shù)可以縮小設備體積，提高性能系數(shù)；
     (2)對于負荷較小的空冷型空調(diào)系統(tǒng)，例如額定負荷為4kW 以下時，采用R410A技術(shù)，既可獲得較高的性能系數(shù)，又能控制設備投資；
     (3)對于負荷較大的空冷型空調(diào)，有兩個發(fā)展趨勢，從開發(fā)的難易程度和節(jié)省投資等角度出發(fā)，R407C優(yōu)于R410A，因為R407C系統(tǒng)的技術(shù)要求與R22系統(tǒng)非常相近；從提高性能系數(shù)和縮小設備尺寸的角度出發(fā)，開發(fā)R410A技術(shù)變得更有吸引力。隨著人們的環(huán)境意識不斷加強和社會對節(jié)能砝碼的不斷增加，R410A在大型空調(diào)系統(tǒng)中的份額會越來越大；
     (4)對于現(xiàn)行R22設備的改造項目，使用R407C比采用R410A更加可靠，不僅成本較低，且簡單、易行。