R290制冷劑在商用冷柜上的應(yīng)用研究

劉英志，劉業(yè)鳳，卞偉,2，王志海,2

(1-上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200031；2-青島海爾特種電冰柜有限公司，青島 266101)

0 前言

隨著《蒙特利爾議定書》的簽訂執(zhí)行，破壞臭氧層的CFCS已被禁止，HCFCS也即將被禁止使用。隨著人們環(huán)保意識的增強，人們非常重視溫室效應(yīng)對氣候、環(huán)境的影響，人們開始倡導(dǎo)用自然制冷劑替換溫室效應(yīng)較大的HCFC。R290作為一種自然制冷劑在全球得到了推廣，海爾集團在 2004年研發(fā)成功使用R290制冷劑的商用冷柜，2005年開始批量生產(chǎn)，到目前已全流程掌握了它的使用。

1 制冷劑R290的應(yīng)用特性

制冷劑R290的特性與其它小型全封閉系統(tǒng)中常用的制冷劑有差異，如表1所示。因此在許多情況下需要不同的細節(jié)設(shè)計。

1.1 工作壓力

-25℃蒸發(fā)時，R290的工作壓力約為R134a的190%，R404A的 81%。因此蒸發(fā)器的設(shè)計必須與R404A類似。50℃冷凝時，R290約為 R134a的130%，R404A的74%，因此原系統(tǒng)為R404A的，管路的耐壓能力完全滿足R290的要求。根據(jù)多年驗證，φ8壁厚0.71 mm的鍍鋅鋼管可以滿足蒸發(fā)器的耐壓要求（5倍的丙烷20℃飽和壓力，即36.8bar），φ6壁厚0.71 mm的鍍鋅鋼管可以滿足冷凝器的耐壓要求。

表1 幾種制冷劑的參數(shù)

1.2 制冷劑充注

對于原來使用R134a或R404A制冷劑的制冷系統(tǒng)，如果蒸發(fā)器、冷凝器沒變化，R290的充注量約為它們的40%（經(jīng)過多年驗證）。

根據(jù)標準要求，單個制冷循環(huán)系統(tǒng)R290制冷劑的最大允許充注量為150g。為了符合這一標準，設(shè)計時可以采取一些措施：a) 適當減小冷凝管路的內(nèi)徑；b) 提高冷凝器的換熱效率，縮短冷凝器的長度；c) 提高蒸發(fā)器的換熱效率，減小蒸發(fā)器的容積。通過以上措施曾經(jīng)將同意型號商用冷柜的灌注量從200g降到了130g。

2 材料的選擇

制冷劑R290與礦物油的互溶性很高，與聚酯類油的互溶性也很高，在Danfoss、Embraco等公司生產(chǎn)的R290壓縮機中使用了與R134a、R404A壓縮機一樣的聚酯類油。（特別提醒：雖然 R290與R600a都屬于易燃易爆的HC制冷劑，但其壓縮機用的潤滑油不同，在冷柜生產(chǎn)、維修時一定注意。）R290在制冷回路中為無活性化學(xué)物質(zhì)，不會發(fā)生特定問題。直接的材料兼容性很少有問題，但在有些橡膠、塑料和特殊環(huán)保塑料已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了問題，不過這些材料通常不會出現(xiàn)在小型全封閉系統(tǒng)中。有些材料被一些測試人員報告有問題，特將它們列在表2中。對于臨界材料，必須針對特定用途進行測試。

表2 R290材料兼容性

對于小型商用冷柜，常用的干燥劑是分子篩，對于R290，建議使用孔徑大小為3埃米的材料，與R134a類似，可以使用XH9、XH11、XH7型的制冷劑分子篩。用于R134a的筆形干燥過濾器只要符合GB4706.13的要求就可以用于R290系統(tǒng)。實踐證明這樣使用沒有問題。

3 制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置的選用

對于小型的商用制冷設(shè)備——商用冷柜，采用毛細管節(jié)流是一種經(jīng)濟、可靠的方式，對于性能、規(guī)格相同的商用冷柜，毛細管的流量與R404A系統(tǒng)一樣即可。

根據(jù)丙烷的制冷特性，回氣適當過熱會提高系統(tǒng)的制冷效率，因此毛細管與回氣管需進行換熱，具體結(jié)構(gòu)可完全借用R404A相近系統(tǒng)的。

經(jīng)過多年驗證，原來是 R404A系統(tǒng)的商用冷柜，如果改成R290系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)的主要零部件可直接使用。

4 易燃性與安全性

制冷劑R290的安全分類屬于A3級，屬于低毒性（可以認為是無毒的），但其具有高度可燃性（易燃性見表3），這對使用帶來危險，這就要求謹慎的處理和安全的防范。

表3 制冷劑R290的易燃性

由表3可知R290在廣泛的濃度范圍內(nèi)都具有可燃性，因此對冷柜本身及冷柜的生產(chǎn)廠都有必要進行安全預(yù)防。如果發(fā)生事故必須同時滿足兩個基本條件，一是R290和空氣形成易燃混合物（R290濃度比例在爆炸下限與爆炸上限之間），另一個是足夠的能量級別或溫度的燃燒源。這兩個條件必須同時存在才能燃燒，因此必須確保這種組合不會發(fā)生。

4.1 在冷柜設(shè)計中采取的安全措施

對于使用 R290制冷劑的冷柜必須要通過GB4706.13的相關(guān)測試，在設(shè)計過程中有以下方面規(guī)避危險。

4.1.1 減少制冷劑泄漏的措施

1）管路必須滿足耐壓要求。系統(tǒng)的高壓端必須經(jīng)受3.5倍的丙烷70℃飽和壓力即87bar的壓力，低壓端必須經(jīng)受 5倍的丙烷 20℃飽和壓力，即36.8bar。

2）管路的設(shè)計還要盡量減少焊點，減少焊漏的概率。

3）使用1.2中提到的方法減少制冷劑的充注量。

4）如果制冷系統(tǒng)較大，灌注量要超過150g，可以將其分解成兩個獨立的小系統(tǒng)，使每個小系統(tǒng)的灌注量都小于150g。

5）蒸發(fā)器最好不要有裸露在發(fā)泡層外部（箱體內(nèi)部間室）的部分。這樣即使管路發(fā)生泄漏，跑到外面的速度將會大大減慢，使丙烷的濃度遠離爆炸下限。

4.1.2 避免泄漏的制冷劑聚集的措施

在安裝壓縮機、強冷凝器、風(fēng)機等部件的機艙內(nèi)，在底部要布置盡量多的通風(fēng)孔，如圖1中的3，由于丙烷的分子量為44.1 kg/kmol，而空氣的平均分子量是29 kg/kmol，因此在相同情況下，丙烷的密度比空氣大，萬一在此空間內(nèi)出現(xiàn)丙烷泄漏，丙烷會由于重力原因通過機艙底部的透空跑到冷柜外面，當冷凝風(fēng)機運行時，會加速丙烷跑到冷柜外面，由于外部空間較大，會大大降低丙烷的濃度，遠離爆炸下限。

4.1.3 避免出現(xiàn)點火源的措施

1）溫度控制器、開關(guān)、化霜定時器、壓縮機的啟動器、熱保護器、繼電器等具有觸點閉合——斷開功能的開關(guān)必須是密封的，這樣即使產(chǎn)生電火花也不會和萬一泄漏的丙烷接觸而發(fā)生燃燒。

2）在一些必須使用開關(guān)的場所，可以選擇可控硅等半導(dǎo)體開關(guān)，避免出現(xiàn)電火花。

3）與制冷系統(tǒng)在一起的風(fēng)機即使發(fā)生堵轉(zhuǎn)也必須是安全的、無火花的。

4）電氣接頭、燈座必須符合GB4706.13的要求，避免在使用或操作過程中出現(xiàn)火花。

4.1.4 減少點火源和可燃源的措施

1）在一個有制冷管路封閉的空間內(nèi)，例如制冷間室內(nèi)，禁止安裝具有觸點閉合——斷開功能的開關(guān)。即使這種開關(guān)是密封的，也最好不要安裝到這里。

2）在一定的有制冷管路的空間內(nèi)，電器件的安裝位置盡量高一些，如圖1所示，溫控器、指示燈、壓縮機附件的位置較高。由于丙烷的分子量為44.1 kg/kmol，而空氣的平均分子量是29 kg/kmol，因此在相同情況下，丙烷的密度比空氣大，位置越高丙烷的濃度越小，萬一丙烷泄漏時，此處的丙烷濃度越遠離爆炸下限。當然丙烷與空氣間還會相互擴散，千萬不要認為安裝位置高一點就絕對安全了。

4.1.5 加強指導(dǎo)用戶的正確使用

有關(guān)使用的說明增加一些信息和警告，以便提醒仔細處理。

1）增加“不要用刀具對制冷間室除霜”的提示，同時配上用刀具除霜將管路弄破后制冷劑泄漏遇火后發(fā)生火災(zāi)的漫畫。

2）在箱體容易被人看到的部位增加提示標貼“對于每冷柜 8g的制冷劑灌注量，冷柜使用（存放）的環(huán)境提供至少 1立方米的空間”。如果保證這樣使用，即使制冷系統(tǒng)內(nèi)的丙烷全部泄漏，丙烷在空氣中的濃度僅大約為爆炸下限的20%，保證使用的安全。

3）與箱體及壓縮機上加貼圖2所示的R290易燃黃色標貼警告，人們在使用冷柜時要遠離火源，同時不要將火源帶到冷柜附近。

圖1 冷柜機艙布置圖（拆掉機艙格柵）

圖2 R290易燃黃色標簽警告

5 結(jié)論

經(jīng)過多年的實際應(yīng)用，在同樣一臺冷柜上，更換成R290系統(tǒng)后，與原來的R134a系統(tǒng)相比，制冷深度降低約1度，耗電量降低約10 %。在安全方面，嚴格按照設(shè)計規(guī)范及工藝流程執(zhí)行，未發(fā)生一起起火或爆炸事件。R290制冷劑可以廣泛推廣。

[1] 丁國良,張春路,趙力編著. 制冷空調(diào)新工質(zhì)(第1版)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003.

[2] GB 4706.13-2004, 家用和類似用途電器的安全 制冷器具、冰淇淋機和制冰機的特殊要求 [S].