高純丙烷和高純異丁烷制冷劑純度測定氣相色譜法

  高純丙烷和高純異丁烷制冷劑應(yīng)用在制冷劑上的優(yōu)勢

丙烷有優(yōu)良的熱力性能，在家用空調(diào)方面比R410A系統(tǒng)性能更*。隨著安全意識提高以及相關(guān)法規(guī)陸續(xù)制定，丙烷在空調(diào)應(yīng)該有非常廣闊應(yīng)用前景。希望國家有關(guān)部門應(yīng)根據(jù)國情考慮中國R22替代物選擇，并參照國外標(biāo)準(zhǔn)制定相應(yīng)可燃制冷劑使用安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，目前對R410A的研究數(shù)據(jù)比較充分，而丙烷研究數(shù)據(jù)少且陳舊，無法準(zhǔn)確評估丙烷性質(zhì)。只有充分的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，才能使我們更好判斷制冷劑優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，最終確定家用空調(diào)制冷劑長期替代方向。

      可以用作制冷劑的自然制冷劑有5種：水、CO2、NH3、碳?xì)浠衔铮壳爸饕獞?yīng)用的有高純丙烷、高純異丁烷）和空氣，丙烷、異丁烷是碳?xì)浠衔锏囊环N。早在19世紀(jì)，碳?xì)浠衔镆呀?jīng)作為一種制冷劑應(yīng)用于冰箱等家用制冷器具中，受當(dāng)時理論和技術(shù)所限，人們對其應(yīng)用和安全性缺乏應(yīng)有認(rèn)識，在一臺冰箱中充注多達(dá)1kg以上的碳?xì)浠衔铮拐麄€系統(tǒng)效率低，容易泄漏，造成火災(zāi)等安全事故，從而給人們留下了碳?xì)浠衔镏评湫实?、安全性差的印象?974年，人們發(fā)現(xiàn)含氯元素會對臭氧層產(chǎn)生破壞作用，其后，隨著“蒙特利爾條約"對CFC和HCFC物質(zhì)的禁用，碳?xì)浠衔镂镔|(zhì)替代制冷劑研究才在全球重新展開。

一、丙烷在空調(diào)中的應(yīng)用情況

      目前在世界上房間空調(diào)R22制冷劑替代的通行做法是采用R410A或R407C兩種制冷劑，但這兩種物質(zhì)屬于“京都議定書"中受控排放的HFCs類溫室效應(yīng)氣體，另外，人工合成制冷劑雖然有比較好的熱力性能，但對自然環(huán)境有不同層次，不同方面的影響，解決了一方面環(huán)境問題，同時又產(chǎn)生了新問題或無法解決其他方面問題，所以，R410A不屬于*理想的制冷劑。在家用空調(diào)替代物方面，歐洲國家和日本走在前列，目前使用R410A和R407C等HFCs類制冷劑替代R22，但歐洲有些企業(yè)已經(jīng)開始研發(fā)自然制冷劑制冷系統(tǒng)，自然制冷劑對環(huán)境影響最小，是長期替代的理想物質(zhì)。

      同R22相比，丙烷對臭氧層破壞系數(shù)是0，全球變暖系數(shù)GWP值很低，基本可以忽略。但丙烷屬于可燃制冷劑，在一定條件下可以燃燒，甚至爆炸。丙烷與礦物油相溶，如果在空調(diào)中采用丙烷為替代制冷劑，空調(diào)壓縮機(jī)企業(yè)則可以使用現(xiàn)有R22壓縮機(jī)的生產(chǎn)線，只是壓縮機(jī)排量需要適當(dāng)增加，壓縮機(jī)生產(chǎn)成本較匹配R22的壓縮機(jī)略有增加。而R410A和R407C壓縮機(jī)使用POE或PVE油，其中POE油吸濕性強(qiáng)，生產(chǎn)中水分管理嚴(yán)格，一旦水分超標(biāo)，壓縮機(jī)極易出現(xiàn)“鍍銅"現(xiàn)象，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

      中國在制冷空調(diào)制冷劑替代方面基本上是追隨日本和美國，由于對可燃制冷劑特性、法規(guī)不了解或不理解，國內(nèi)各空調(diào)器廠其本上都未進(jìn)行有關(guān)丙烷空調(diào)試驗(yàn)研究。世界上對丙烷在空調(diào)的應(yīng)用研究主要集中在美國、日本及歐洲國家。在北歐，丙烷主要應(yīng)用在以采暖熱泵系統(tǒng)方面，近期，意大利DELONGHI/FaAA和美國LENNOX等公司也對丙烷在家用空調(diào)上進(jìn)行了應(yīng)用研究。其中DELONGHI/FaAA公司在2004年IKK展出了使用丙烷的移動空調(diào)（型號PACF130EC0）。

      通過實(shí)驗(yàn)測試，如果用 R22空調(diào)系統(tǒng)直接換用丙烷制冷劑，空調(diào)系統(tǒng)的制冷量減少10%，能效比提高4%。Y.Hwang用9kW的熱泵系統(tǒng)對R22和丙烷進(jìn)行優(yōu)化對比試驗(yàn)，對壓縮機(jī)、膨脹閥以及充注量分別按制冷劑作相應(yīng)優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同系統(tǒng)情況下，丙烷充注量是R22的48%～49%，在同等過熱度不同測試工況下，丙烷比R22制冷量小3%～6%，能效比低2%～8%；額定制熱工況時，丙烷比R22能力和COP低1%～6%，當(dāng)環(huán)境溫度高于－20℃時，R22系統(tǒng)的COP值高于丙烷；當(dāng)環(huán)境溫度低于－20℃時，丙烷系統(tǒng)的COP值高于R22系統(tǒng)。

二、丙烷和R22替代物的成本比較

      R410A和R407C制冷劑目前售價大約為80元/kg，R22大約23元/kg，而丙烷是液化石油氣的主要成分，如果有需求，石化行業(yè)都可以加工，現(xiàn)在石油價格持續(xù)上漲，以一罐15kg液化石油氣75元計算，每公斤液化石油氣5元，按95%丙烷含量，通過分離雜質(zhì)，提純丙烷，按3倍于材料成本作為售價計算，丙烷售價約為15.8元/kg，在相同制冷系統(tǒng)中，R22和R410A充注量相當(dāng)，而丙烷充注量僅相當(dāng)于R22的50%，丙烷系統(tǒng)的成本比R22系統(tǒng)要低，比R410A系統(tǒng)低很多。

      由于丙烷和礦物油相溶，因此匹配丙烷的壓縮機(jī)生產(chǎn)線兼容R22壓縮機(jī)生產(chǎn)線，壓縮機(jī)生產(chǎn)成本降低，在空調(diào)整機(jī)商檢房標(biāo)準(zhǔn)檢測機(jī)可共用。而R410A、R407C系統(tǒng)和R22系統(tǒng)使用不同的潤滑油，所以，R410A空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮機(jī)需要新建生產(chǎn)線，并且需要在空調(diào)整機(jī)商檢房建不同的標(biāo)準(zhǔn)檢測機(jī)，來分別對應(yīng)POE油、PVE油和礦物油空調(diào)系統(tǒng)。

      R410A和R407C電控系統(tǒng)和R22*一致，但丙烷空調(diào)電控系統(tǒng)需要考慮將電器部件如繼電器、壓縮機(jī)過載保護(hù)器、主令開關(guān)、溫控器等部件改為密閉式，一些電控部件價格會偏高，所以丙烷系統(tǒng)的電控產(chǎn)品成本高于R407C和R410A。

      數(shù)據(jù)是基于R22的一種12000Btu/h熱泵分體空調(diào)成本采用相對值對比的結(jié)果。相比于R410A系統(tǒng)中的R410A沖注量，丙烷的沖注量只相當(dāng)其50%，所匹配的壓縮機(jī)生產(chǎn)成本也較低，但電控成本較高。如果能在丙烷空調(diào)中采用鋁制換熱器、鋁制管路、鋁制閥門，丙烷空調(diào)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本將大大降低。

三、各國對可燃制冷劑態(tài)度和安全法規(guī)

      世界各國對于可燃制冷劑立場和態(tài)度有很大不同，在能否使用、使用場合以及最大允許充注量等問題上存在較大分歧。目前在冰箱等小型制冷系統(tǒng)中使用高純異丁烷等碳?xì)浠衔镆鸦镜玫綒W盟各國認(rèn)可，一般規(guī)定每臺冰箱充注量應(yīng)小于150g（美國UL250標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小于50g）。由此可以推測，如果在家用空調(diào)中使用少于某個限定值的丙烷應(yīng)該是可以被大多數(shù)國家接受的。

      由于美國人比較注重安全，所以對可燃制冷劑的使用比較排斥。非洲國家出于對維修人員素質(zhì)低的考慮，暫時沒有采用可燃制冷劑的計劃。日本沒有限制可燃制冷劑的法規(guī)，但按照常理，日本對可燃制冷劑的態(tài)度將取決于ISO和IEC的安全指導(dǎo)。歐洲的法國考慮協(xié)調(diào)國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC和ISO一致，英國、德國等歐洲國家出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許使用可燃制冷劑，表3 是英國對可燃制冷劑使用方面的規(guī)定。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 9237-2001則明確規(guī)定不允許在家用空調(diào)采用可燃制冷劑。

四、丙烷在家用空調(diào)上的應(yīng)用建議

      丙烷屬于碳?xì)浠衔铮强扇贾评鋭?，一定條件下可以燃燒，但一個打火機(jī)和一個充滿液化石油氣的鋼瓶的結(jié)果顯然不同——其破壞作用是與碳?xì)浠衔锖辛坑嘘P(guān)的，相對于家用液化石油氣鋼瓶中丙烷含量15kg（按丙烷>95%含量計算），空調(diào)中充注丙烷量非常少，與廚房隨時都有明火相比，空調(diào)中的丙烷應(yīng)用環(huán)境要比液化石油氣安全得多。筆者認(rèn)為，碳?xì)浠衔镒鳛橹评鋭┑奈ｋU性被過分夸大了。實(shí)際上，只要遵照安全規(guī)范，就能確保它安全使用，丙烷作為制冷劑并不可怕。

      和用在冰箱高純異丁烷制冷劑相比，丙烷燃燒下限比高純異丁烷高。且一旦發(fā)生泄漏，冰箱100%泄漏在室內(nèi)（箱內(nèi)），空調(diào)一般還要區(qū)分室內(nèi)室外兩種情況，空調(diào)無論室內(nèi)和室外均有風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)是強(qiáng)制對流，能很快將周圍丙烷濃度降低；而冰箱是自然對流，周圍環(huán)境濃度下降慢。從這一點(diǎn)上，空調(diào)使用可燃制冷劑并不比冰箱危險。

五、氣相色譜測定丙烷和異丁烷純度方法

用帶有氫火焰檢測器的氣相色譜儀，通過幾種柱的組合來分離樣氣的全部常量組分，并在記錄儀上記下各組分的峰面積。在同樣操作條件下，分析已知組分含量的標(biāo)堆氣，把測得的樣氣峰面積與標(biāo)淮氣峰面積相比較，通過校正因子的修正，計算各組分的百分含量。