碳?xì)渲评鋭┰诖笾行蜕逃迷O(shè)備的研究現(xiàn)狀

鐘志鋒 胡杰浩 李小燕 馮 卉 吳建華

(1 環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對外合作中心 北京 100035; 2西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049)

碳?xì)渲评鋭┰诖笾行蜕逃迷O(shè)備的研究現(xiàn)狀

鐘志鋒1胡杰浩2李小燕1馮 卉1吳建華2

(1 環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對外合作中心 北京 100035; 2西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049)

碳?xì)渲评鋭┑腛DP=0，GWP極低，環(huán)保性能優(yōu)良，熱物理性質(zhì)良好，可以作為未來制冷劑的備選方案。主要從商用熱泵、超市復(fù)疊系統(tǒng)以及其他商用設(shè)備幾個方面對碳?xì)鋺?yīng)用于大中型商用設(shè)備的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。研究表明：碳?xì)渲评鋭┰谙到y(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中總體性能表現(xiàn)優(yōu)良，對于其可燃性，國內(nèi)外學(xué)者采取了減少充注量的措施，如采用微通道換熱器、板式換熱器等緊湊式換熱器，采用間接式制冷系統(tǒng)，以確保碳?xì)渲评湎到y(tǒng)的安全運(yùn)行。

制冷劑替代；大中型商用設(shè)備；碳?xì)渲评鋭?；降低充注?/p>

1987年國際社會簽訂了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，首次定量的提出了淘汰CFCs制冷劑計劃。2007年，《蒙特利爾議定書》又進(jìn)一步的提出加速淘汰HCFCs制冷劑，對于發(fā)展中國家，2013年HCFCs消費(fèi)和生產(chǎn)水平凍結(jié)在2010年的平均水平基準(zhǔn)線上，削減進(jìn)度為：2015年累計削減10%，2020年累計削減35%，2025年累計削減67.5%，2030年實(shí)現(xiàn)完全淘汰，僅保留2.5%的維修量[1]，為此國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)從業(yè)人員加緊尋求更加環(huán)保的制冷劑替代品。

有學(xué)者提出采用氫氟烴(以下簡稱HFCs)，如R134a、R410A等，作為R22替代制冷劑，雖然它們的熱物理性質(zhì)良好，ODP(消耗臭氧潛能值)為0，然而其GWP(溫室效應(yīng)潛能值)較高，只能作為過渡制冷劑。天然制冷劑如R744、R717以及碳?xì)?Hydrocarbons，以下簡稱HCs)，由于優(yōu)良的環(huán)保性能重新受到人們的關(guān)注，其中HCs制冷劑，包括R290、R1270、R600a等，熱力學(xué)特性優(yōu)良，ODP=0，GWP極低(如R290只有3，R600a小于10[2])，唯一需要注意的是可燃性，但可以通過采取相關(guān)措施減小風(fēng)險。

本文對HCs應(yīng)用于大中型商用設(shè)備的現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，主要從幾個應(yīng)用場合如商用熱泵、超市復(fù)疊式制冷系統(tǒng)以及其他商用設(shè)備進(jìn)行論述，著重對制冷劑充注量減少措施和制冷劑性能對比進(jìn)行介紹。

1 HCs應(yīng)用于商用熱泵

商用熱泵相對于家用熱泵，其功率、體積均較大，所以商用熱泵的制冷劑充注量要比家用熱泵大得多。國內(nèi)對HCs商用熱泵鮮有研究，而國外學(xué)者將其與其他制冷劑進(jìn)行了性能對比實(shí)驗(yàn)[3-5]，對HCs熱泵的研究多集中上在如何減少充注量上[6-8]。

B Purkayastha等[3]做了R290以及LPG(液化石油氣)(98.95%的R290，1.007%的R170，0.0397%的R600a)對R22熱泵替代性實(shí)驗(yàn)研究。以一臺最大制熱量為15 kW的熱泵為實(shí)驗(yàn)平臺，在一定條件下(冷凝溫度分別維持在35 ℃、45 ℃和55 ℃，蒸發(fā)溫度在-15～15 ℃的范圍內(nèi)變化，過熱度為1 ℃，過冷度為8 ℃)測試充注各工質(zhì)時系統(tǒng)的COP、制熱量、排氣溫度以及質(zhì)量流量。對比后發(fā)現(xiàn)HCs制冷劑總體性能優(yōu)于R22，制熱量略微小于R22，而且HCs制冷劑的質(zhì)量流量及壓縮機(jī)排氣溫度要比R22低得多。雖然LPG工質(zhì)系統(tǒng)性能要略優(yōu)于純R290，但由于LPG中還含有硫或其他腐蝕性物質(zhì)，對系統(tǒng)各個原件的影響還需要進(jìn)一步研究。

此外，J M Corberán等[4-5]開發(fā)了一臺名義制冷量為16 kW(制熱模式為20 kW)的R290可逆水-水熱泵并與R407C單元進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。開發(fā)的原型機(jī)采用板式換熱器來減少制冷劑充注量，最后獲取制熱量為17 kW左右，而充注量只有550 g。通過對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該R290熱泵系統(tǒng)不管在制熱還是制冷模式，COP均優(yōu)于R407C單元。由于R290低壓比的性質(zhì)，如采用渦旋式壓縮機(jī)系統(tǒng)可能獲得更優(yōu)的性能。J M Corberán等[5]指出系統(tǒng)的最佳充注量取決于換熱器設(shè)計、液相管線容積、潤滑油的量及種類等因素，還與蒸發(fā)器中制冷劑的密度密切相關(guān)，即取決于蒸發(fā)器水溫及過熱。

由于熱泵系統(tǒng)的制冷劑充注量較大，如采用HCs制冷劑，考慮到安全性應(yīng)該減少其充注量，因此，如何減少HCs充注量是值得研究的課題。瑞典皇家理工學(xué)院的Primal Fernando等[6-7]對低R290充注量的熱泵進(jìn)行了開發(fā)研究。建立實(shí)驗(yàn)平臺來模擬制熱量為5 kW的水-水熱泵系統(tǒng)，采用自己開發(fā)設(shè)計的微通道換熱器來減小制冷劑的充注量。研究表明，使用微通道換熱器后系統(tǒng)充注量只有201 g(瑞典氣候條件下)，而且其換熱效率很高，不會造成COP損失。由于制冷劑主要集中在冷凝器和壓縮機(jī)中，故可以通過選擇合適的壓縮機(jī)潤滑油或者使用少油量的壓縮機(jī)可進(jìn)一步減少制冷劑的充注量。Bjorn Palm[6]又對設(shè)計的微通道換熱器做進(jìn)一步介紹，給出其具體結(jié)構(gòu)。Bjorn Palm還指出在系統(tǒng)的熱端和冷端均使用二次制冷劑的間接式系統(tǒng)可以大大減少充注量，但可能會導(dǎo)致系統(tǒng)性能稍有降低。

意大利的Alberto Cavallini等[8]也對100 kW低R290充注量水-水熱泵系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和性能研究。系統(tǒng)設(shè)備如圖1，1臺半封閉式壓縮機(jī)，5臺換熱器，3臺微管徑(內(nèi)徑2 mm)殼管式換熱器(1臺蒸發(fā)器，1臺冷凝器，1臺回?zé)崞?，2臺板式換熱器(1臺蒸發(fā)器，1臺冷凝器)，通過開合手動閥，可以實(shí)現(xiàn)多種組合，本實(shí)驗(yàn)始終以板式換熱器作為蒸發(fā)器，研究冷凝器不同形式時(板式或殼管式)以及回?zé)崞鞯挠袩o對系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用微管徑殼管式換熱器COP略微減少(大約2%)，制冷劑側(cè)體積有很大減少，使用回?zé)崞骱驝OP略有增加，作者指出使用回?zé)崞髦饕菫榱藴p少R290在潤滑油內(nèi)的溶解度以及避免因潤滑油粘度降低導(dǎo)致的問題。去除貯液器并縮短管長后，使用板式換熱器作為冷凝器時，充注量為3 kg，而使用微管徑換熱器充注量為2.4 kg。

為減少制冷劑充注量，各國學(xué)者采用微通道換熱器、板式換熱器以及微管徑殼管式換熱器等緊湊式換熱器，HCs制冷劑充注量有很大的減少，與其他工質(zhì)對比，發(fā)現(xiàn)使用HCs制冷劑后系統(tǒng)總體性能更優(yōu)。

2 HCs應(yīng)用于超市復(fù)疊制冷系統(tǒng)

傳統(tǒng)超市復(fù)疊系統(tǒng)中常采用R22/R13，由于R22、R13均已被限制使用，所以應(yīng)尋求新的制冷劑替代系統(tǒng)。王亮等[9]介紹了NH3/CO2和R290/CO2新型環(huán)保復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，二者都以CO2作為低溫級，另一制冷劑作為高溫級制冷劑，對兩個系統(tǒng)在不同蒸發(fā)溫度、不同冷凝溫度、不同傳熱溫差下的COP進(jìn)行理論計算后，發(fā)現(xiàn)NH3/CO2系統(tǒng)的COP最高，R290/CO2系統(tǒng)的COP與傳統(tǒng)R22/R13系統(tǒng)相當(dāng)。然而，作者并沒有對超市復(fù)疊式系統(tǒng)做詳細(xì)介紹。

寧靜紅等[10-12]進(jìn)一步介紹了R290/CO2復(fù)疊式超市制冷系統(tǒng)，如圖2所示：該系統(tǒng)中R290為高溫循環(huán)，CO2為低溫循環(huán)，用于超市食品冷凍柜和冷凍間，鹽水在板式換熱器中與R290換熱后，被輸送到食品冷藏展示柜和冷藏間。在對該復(fù)疊式制冷系統(tǒng)各部分的能量損失做理論分析后，發(fā)現(xiàn)R290高溫循環(huán)壓縮機(jī)所占能量損失比例最大，并隨低溫循環(huán)冷凝溫度升高而降低，據(jù)此，提出各環(huán)節(jié)的節(jié)能途徑。另外，對該系統(tǒng)做了性能實(shí)驗(yàn)，高溫循環(huán)分別采用R22和R290，低溫循環(huán)采用CO2，發(fā)現(xiàn)隨著高溫循環(huán)壓縮機(jī)入口溫度的升高，R290壓縮機(jī)功耗略高于R22，但R22的COPh要低于R290。所以，寧靜紅等[10-12]指出可將傳統(tǒng)的復(fù)疊式系統(tǒng)中的R22高溫循環(huán)直接灌注R290，不僅安全上沒問題，而且性能略有提高。

此外，寧靜紅等[13]還在該R290/CO2超市制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計出冷熱組合型超市系統(tǒng)?，F(xiàn)有的超市通常采用冷水機(jī)組作為夏季供冷，鍋爐作為冬季供暖，單獨(dú)的制冷系統(tǒng)用于食品保鮮儲存，而該研究利用CO2跨臨界循環(huán)為超市空間夏季供冷和冬季供暖，采用R290/CO2復(fù)疊式循環(huán)對食品冷凍冷藏，并吸收CO2跨臨界循環(huán)的冷凝熱及復(fù)疊系統(tǒng)中R290的冷凝熱。

Kauffeld M[14]在介紹超市制冷發(fā)展趨勢時，提到為減少制冷劑充注量可采用間接式制冷系統(tǒng)，如圖3所示，MT主制冷系統(tǒng)封閉在機(jī)房中，而LT系統(tǒng)使用通常的直接蒸發(fā)技術(shù)，所以MT制冷系統(tǒng)可以采用HCs或R717等易燃或有毒的制冷劑。

3 其他商用設(shè)備研究進(jìn)展

新西蘭的D J Cleland等[15]對新西蘭農(nóng)場牛奶冷卻系統(tǒng)常用的R22采用HCs做了替代性實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)如圖4所示，包括帶有攪拌器的標(biāo)準(zhǔn)4500 L奶桶，空冷器，封閉式壓縮機(jī)等。為模擬HCs直接灌注實(shí)驗(yàn)，除了做必要的防護(hù)措施外，系統(tǒng)不做任何改變，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，丙烷乙烷混合物(Care-50)相比于R22，耗能減少6%～8%，系統(tǒng)制冷量與其相當(dāng)；丙烷(Care-40)耗能減少5%，但制冷量低9%。對于HCs做為牛奶廠制冷系統(tǒng)制冷劑的可燃性問題，作者指出，新西蘭奶牛場制冷系統(tǒng)通常HCs少于5 kg，而且該系統(tǒng)往往放置于戶外或者被圍欄圍住限制進(jìn)入，所以滿足新西蘭相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

印度尼西亞萬隆技術(shù)研究所的Aryadi Suwono[16]也對幾種R22系統(tǒng)向HCs轉(zhuǎn)換后的性能做了比較分析，發(fā)現(xiàn)Tanjungsari和Cikajang合作社的牛奶冷卻系統(tǒng)使用R290后，壓縮機(jī)電流降低，排氣溫度降低，能耗降低，制冷量有所提高。雅加達(dá)的Grand Melia旅館420 kW大型冷水機(jī)組的能耗對比實(shí)驗(yàn)顯示，R290耗能161.82 kW，R22耗能194.40 kW，顯然R290系統(tǒng)的能耗更低。另外，HCs對已有系統(tǒng)來說是一種直接灌注(drop-in)替代物，對于其可燃性，需重新設(shè)計電機(jī)，而且潤滑油可能需更換粘度更高的油，尤其是在壓縮機(jī)低溫運(yùn)行的條件下。

對于大型碳?xì)淅渌畽C(jī)組，蒸發(fā)器一般采用殼管滿液式蒸發(fā)器，制冷劑充注量往往超過1000 kg，所以對于其可燃性風(fēng)險絕對不能忽略。澳大利亞的Amir Tadros等[17]對于冷水機(jī)組機(jī)房安全問題進(jìn)行了分析。從制冷劑處理方式、泄露最小化、混合稀釋以及發(fā)生火災(zāi)后的超壓和排氣等幾個方面來減小制冷劑泄漏和起火風(fēng)險，并給出一些新的建議，諸如：防火墻和蒸汽防滲墻將冷水機(jī)組和鍋爐與其它機(jī)房設(shè)備隔離；如果環(huán)境最小設(shè)計溫度不超過制冷劑沸點(diǎn)溫度5 ℃，隔離區(qū)地板應(yīng)該形成一個能容納兩倍于制冷劑液體容量的水池。此外，作者給出了通風(fēng)區(qū)域與最大升壓的關(guān)系式：

(1)

據(jù)此，已知通風(fēng)區(qū)域，可以預(yù)測出最大升壓。

Ladas Taylor等[18]也對新加坡大型冷水機(jī)組HCs制冷劑替代案例進(jìn)行研究，冷水機(jī)組的名義制冷量為700 kW，對于HCs制冷劑充注量，可由原始R22充注量除以3，再乘以90%，充注后再進(jìn)行微調(diào)如每次增加5～10 g，直到獲得最佳性能為止。最后改造的系統(tǒng)能耗降低16.1%，冷卻效率提高16.88%。可見碳?xì)渲评鋭┑闹评錂C(jī)可以降低能耗并提高制冷效率，冷卻速度通常更快且排氣壓力更低。

4 結(jié)論

隨著制冷劑使用量的不斷增加，HCFCs和HFCs等破壞臭氧層和加劇全球變暖的副作用越來越受到人們的重視，此類制冷劑的替代已刻不容緩。HCs類制冷劑由于其良好的環(huán)保性能以及熱力學(xué)性能而重新受到人們的關(guān)注，唯一需要注意的是其易燃易爆性。對于大中型上用HCs制冷系統(tǒng)而言，國內(nèi)外研究均表明使用HCs制冷劑后系統(tǒng)性能得到提升，但大中型商用設(shè)備充注量較大，需采取一定措施減少其充注量，主要從兩個方面：1)原器件方面，使用緊湊式換熱器如微通道換熱器、板式換熱器等，使用優(yōu)化過的壓縮機(jī)，并減少壓縮機(jī)的含油量。2)系統(tǒng)方面，使用二次回路(secondary loop)系統(tǒng)，也稱間接式系統(tǒng)，不僅可以減少充注量，還可以將制冷系統(tǒng)與使用區(qū)域隔離開，可有效降低危險性?？偠灾琀Cs制冷劑可以在大中型商業(yè)制冷中應(yīng)用，但在設(shè)計、安裝、維修以及回收過程中需要特別注意其可燃性。

[1] Khalid G, Miroslav S. Decisions adopted by the nineteenth meeting of the partiesto the montreal protocol on substances that deplete theozone layer[EB/OL].(2010-02)[2014-04]. http://www.ozone.unep.org/.

[2] Chen X, Omer S, Worall M, et al. Recent developments in ejector refrigeration technologies[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 19: 629-651.

[3] Purkayastha B, Bansal P K. An experimental study on HC290 and a comercial liquefied petroleum gas (LPG) mix as suitable replacements for HCFC22[J]. International Journal of Refrigeration,1998,21(1): 3-17.

[4] Corberán J M,Gonzálvez J,Martínez I O,et al. Development and performance characterisation of a water to water reversible heat pump working with propane[C]//Eighth IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids. Copenhagen, 2008.

[5] Corberán J M, Martínez I O, Gonzálvez J. Charge optimisation study of a reversible water-to-water propane heat pump[J].International Journal of Refrigeration, 2008, 31(4): 716-726.

[6] Fernando P, Palm B, Lundqvist P, et al. Propane heat pump with low refrigerant charge: design and laboratory tests[J].International Journal of Refrigeration, 2004, 27(7): 761-773.

[7] Palm B. Refrigeration systems with minimum charge of refrigerant[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(10): 1693-1701.

[8] Cavallini A, Da Riva E, Del Col D. Performance of a large capacity propane heat pump with low charge heat exchangers[J].International Journal of Refrigeration, 2010, 33(2): 242-250.

[9] 王亮, 劉妮. 自然工質(zhì)在小型超市制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的理論分析[J]. 制冷技術(shù), 2008，28(4): 58-60. (Wang Liang,Liu Ni.Theoretical analysis of natural refrigerants used in small supermarket refrigeration systems[J]. Refrigeration Technology, 2008, 28(4): 58-60.)

[10] 寧靜紅, 彭苗, 李慧宇. 新型環(huán)保超市制冷系統(tǒng)[J]. 制冷, 2006, 25(1): 57-59.(Ning Jinghong, Peng Miao,Li Huiyu.The new supermarket refrigeration system of environmental protecting[J]. Refrigeration, 2006, 25(1): 57-59.)

[11] 寧靜紅, 馬一太. R290/CO2制冷循環(huán)的能效分析與節(jié)能探討[J]. 流體機(jī)械, 2006, 33(7): 70-72. (Ning Jinghong,Ma Yitai. Energy efficiency analysis and energy-saving discussion of R290/CO2refrigeration cycle[J]. Fluid Machinery, 2006, 33(7): 70-72.)

[12] 寧靜紅, 李惠宇, 彭苗. R290/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的性能實(shí)驗(yàn)[J]. 制冷學(xué)報, 2008, 28(6): 57-60. (Ning Jinghong, Li Huiyu, Peng Miao. Performance experiment of R290/CO2cascade refrigeration system[J]. Journal of Refrigeration, 2008, 28(6): 57-60.)

[13] 寧靜紅, 李惠宇, 彭苗. 冷熱組合型超市系統(tǒng)的設(shè)計與經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 上海節(jié)能, 2007(4): 16-20. (Ning Jinghong, Li Huiyu, Pengmiao. Design and economics analysis on CCHHR system in supermarket[J]. Shanghai Energy Conservation, 2007(4): 16-20.)

[14] Kauffeld M. Trends and perspectives in supermarket refrigeration[C]//Natural refrigerants sustain-able ozone-and climate-friendly alter-natives to HCFCs. Germany: GTZ, 2008: 161-172.

[15] Cleland D J, Keedwell R W, Adams S R. Use of hydrocarbons as drop-in replacements for HCFC-22 in on-farm milk cooling equipment[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(6): 1403-1411.

[16] Suwono A. Experience in conversion of various HCFC22 systems to hydrocarbon[C]//Documents of the 28th Open-Ended Working Group Meeting of the Parties. Thailand: UNEP, 2008.

[17] Tadros A, Maclaine-cross I L, Leonardi E. Safe plant rooms for large hydrocarbon chillers[C]//Natural Refrigerants Sustainable Ozone and Climate Friendly Alternatives to HCFCs, GTZ Prokli-ma, Eschborn, Germany, 2008.

[18] Taylor L,Ong J.Application of hydrocarbon refrigerants in existing large systems[C]//Natural refrigerants sustain-able ozone-and climate-friendly alter-natives to HCFCs. Germany: GTZ, 2008: 343-354.

About the corresponding author

Wu Jianhua, male, associate professor, Institute of Compressor, Xi’an Jiaotong University, +86 29-82663786, E-mail: jhwu@mail.xjtu.edu.cn. Research fields: small refrigeration and air conditioning compressor, environmental protection, energy saving and reliability research for small refrigeration system.

Research Status of Hydrocarbons as Refrigerants on Large and Medium-sized Commercial Equipment

Zhong Zhifeng1Hu Jiehao2Li Xiaoyan1Feng Hui1Wu Jianhua2

(1. Foreign Economic Cooperation Office, Ministry of Environmental Protection, Beijing, 100035, China; 2. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China)

Hydrocarbons, whose environmental performance (ODP=0, GWP is extremely low) and thermophysical properties is excellent, can be selected as future alternative refrigerants. The research status of the application of HCs on large and medium-sized commercial equipment is introduced from aspects of commercial heat pumps, cascade system for supermarkets and other commercial equipment. Researches indicate that hydrocarbons behave well in the actual operation of the refrigeration system. Measures of reducing the refrigerant charge due to flammability, such as using micro-channel, plate heat exchanger, adopting indirect systems, are taken to make sure safe operation of refrigeration system.

refrigerant substitution; large and medium-sized commercial equipment; HCs; reducing refrigerant charge

0253- 4339(2015) 01- 0030- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.030

2014年6月13日

TB64； TB657.2

A

吳建華，男，副教授，西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所，(029)82663786，E-mail：jhwu@mail.xjtu.edu.cn。研究方向：小型制冷空調(diào)壓縮機(jī)及其系統(tǒng)的環(huán)保、節(jié)能與可靠性。