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)應該有非常廣闊應用前景。希望國家有關(guān)部門應根據(jù)國情考慮中國R22替代物選擇，并參照國外標準制定相應可燃制冷劑使用安全標準。當然，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，無法準確評估丙烷性質(zhì)。只有充分的試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)，才能使我們更好判斷制冷劑優(yōu)點和缺點，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、碳氫化合物（目前主要應用的有高純丙烷、高純異丁烷）和空氣，丙烷、異丁烷是碳氫化合物的一種。早在19世紀，碳氫化合物已經(jīng)作為一種制冷劑應用于冰箱等家用制冷器具中，受當時理論和技術(shù)所限，人們對其應用和安全性缺乏應有認識，在一臺冰箱中充注多達1kg以上的碳氫化合物，使整個系統(tǒng)效率低，容易泄漏，造成火災等安全事故，從而給人們留下了碳氫化合物制冷效率低、安全性差的印象。1974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，碳氫化合物物質(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)壓縮機企業(yè)則可以使用現(xiàn)有R22壓縮機的生產(chǎn)線，只是壓縮機排量需要適當增加，壓縮機生產(chǎn)成本較匹配R22的壓縮機略有增加。而R410A和R407C壓縮機使用POE或PVE油，其中POE油吸濕性強，生產(chǎn)中水分管理嚴格，一旦水分超標，壓縮機極易出現(xiàn)“鍍銅"現(xiàn)象，導致空調(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)器廠其本上都未進行有關(guān)丙烷空調(diào)試驗研究。世界上對丙烷在空調(diào)的應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)上進行了應用研究。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）。

      通過實驗測試，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和丙烷進行優(yōu)化對比試驗，對壓縮機、膨脹閥以及充注量分別按制冷劑作相應優(yōu)化。試驗結(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%，當環(huán)境溫度高于－20℃時，R22系統(tǒng)的COP值高于丙烷；當環(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，而丙烷充注量僅相當于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生產(chǎn)線兼容R22壓縮機生產(chǎn)線，壓縮機生產(chǎn)成本降低，在空調(diào)整機商檢房標準檢測機可共用。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)使用的壓縮機需要新建生產(chǎn)線，并且需要在空調(diào)整機商檢房建不同的標準檢測機，來分別對應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、壓縮機過載保護器、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其50%，所匹配的壓縮機生產(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氫化合物已基本得到歐盟各國認可，一般規(guī)定每臺冰箱充注量應小于150g（美國UL250標準規(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。歐洲的法國考慮協(xié)調(diào)國家標準和IEC和ISO一致，英國、德國等歐洲國家出臺相關(guān)標準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。我國國家標準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)上的應用建議

      丙烷屬于碳氫化合物，是可燃制冷劑，一定條件下可以燃燒，但一個打火機和一個充滿液化石油氣的鋼瓶的結(jié)果顯然不同——其破壞作用是與碳氫化合物含有量有關(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)中的丙烷應用環(huán)境要比液化石油氣安全得多。筆者認為，碳氫化合物作為制冷劑的危險性被過分夸大了。實際上，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)和室外均有風扇運轉(zhuǎn)是強制對流，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堆氣，把測得的樣氣峰面積與標淮氣峰面積相比較，通過校正因子的修正，計算各組分的百分含量。