碳氫制冷劑在小型商用冷柜上應(yīng)用分析

鐘志鋒胡杰浩馮卉李麗吳建華

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

碳氫制冷劑在小型商用冷柜上應(yīng)用分析

鐘志鋒1胡杰浩2馮卉1李麗1吳建華2

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

碳氫制冷劑作為天然制冷劑的一種，因其熱物理性質(zhì)與環(huán)保性能(ODP為0，GWP極低)俱佳而受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文從碳氫制冷劑的循環(huán)熱力學(xué)性能出發(fā)，對碳氫制冷劑應(yīng)用于小型商用冷柜的理論和實驗進展進行論述，并介紹了壓縮機、潤滑油以及其他相關(guān)方面的研究進展。研究表明，相比于小型商用冷柜中使用的傳統(tǒng)制冷劑，碳氫制冷劑的單位制冷量和性能系數(shù)較高，排氣溫度較低，實際運行時冷卻速度和噪聲水平都有較大改善。然而，碳氫類物質(zhì)具有可燃性。雖然小型商用冷柜中碳氫制冷劑充注量較小，但要使得碳氫制冷劑在小型商用冷柜中大規(guī)模應(yīng)用，需要做相應(yīng)的泄漏燃爆實驗。

制冷劑替代；小型商用冷柜；碳氫制冷劑；綜述

自從1974年美國加利福尼亞州立大學(xué)的M.J. Molina和F.S.Rowland提出CFCs制冷劑中的氯原子會破壞臭氧層后，制冷系統(tǒng)中所用的制冷劑的環(huán)保性能開始受到人們的普遍關(guān)注。國際社會組織相關(guān)會議并進行多邊磋商加速淘汰消耗臭氧物質(zhì)，相繼簽訂了《保護臭氧層維也納公約》、《蒙特利爾議定書》、《京都議定書》，給出了淘汰CFCs、HCFCs的時間表。與此同時，國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)企業(yè)也都積極尋找各方面性質(zhì)優(yōu)良的制冷劑來代替CFCs和HCFCs。

目前主要有三種替代方案，一種是氫氟烴(以下簡稱HFCs)，主要代表有R32、R134a、R410A以及R404A等，它們都屬于人造制冷劑，具有優(yōu)良的熱物理性質(zhì)，無毒、不可燃，ODP(消耗臭氧潛能值)為零，但GWP(全球變暖潛能值)值較高，所以只能作為過渡制冷劑。第二種為氫氟烯烴(以下簡稱HFOs)，如HFO-1234yf，嚴格意義上講也是屬于HFCs，最早由美國杜邦公司制備出來，其ODP為零，GWP極低，熱物性質(zhì)優(yōu)良，但價格昂貴，且制備原材料為HCFCs[1]，此外，制備過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品仍未知，而且HFO-1234yf可燃，燃燒后會產(chǎn)生HF等有毒物質(zhì)[2]。第三種替代方案為天然制冷劑，主要有R744、R717以及碳氫(Hydrocarbons，以下簡稱HCs)。其中HCs制冷劑熱物理性質(zhì)與環(huán)保性能(ODP＝0，GWP極低，如R290的GWP值為3，R600a的GWP值小于10)均優(yōu)良，與礦物油也有很好的互溶性，并且價格低廉，唯一需要注意的是其可燃性。

HCs諸如R290、R1270、R600a等，在小型商用制冷的應(yīng)用場合有瓶裝冷藏柜、冰激凌柜、啤酒冷藏柜、飲料自動售貨機、生鮮柜、島柜等，它們的制冷量一般低于1.0 kW。大型跨國集團如聯(lián)合利華、百事可樂、紅牛、喜力啤酒已經(jīng)在自家生產(chǎn)的瓶裝冷藏柜、啤酒冷藏柜、冰激凌柜中使用HCs制冷劑R290、R600a，相比于傳統(tǒng)的 HFCs系統(tǒng)能效一般提高20%以上[3－5]。以下從HCs制冷劑循環(huán)熱力學(xué)性能出發(fā)，對目前國內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀進行詳細介紹。

1 熱力學(xué)循環(huán)性能及替代比較

國內(nèi)外學(xué)者主要從理論和實驗兩個角度對HCs制冷劑的循環(huán)性能進行研究，并與小型商用制冷冷柜中傳統(tǒng)制冷劑進行了性能比較。

西安交通大學(xué)的錢文波等[6]從理論上對低溫冷柜上常用的制冷劑與HCs制冷劑的性能表現(xiàn)進行比較。分別在低溫工況Ⅰ(蒸發(fā)溫度為－23℃，冷凝溫度為43℃，吸氣溫度為5℃，液體溫度為38℃)以及變工況下(冷凝溫度為43℃，蒸發(fā)溫度分別為－10℃、－20℃、－0℃、－40℃)對HCs工質(zhì)和R22熱力學(xué)循環(huán)性能進行了模擬計算，結(jié)果如表1所示(變工況結(jié)果由于篇幅原因略去)。計算表明R1270和R290的壓力比、排氣溫度比R22低，系統(tǒng)的性能系數(shù)比R502、R507A、R404A高。此外，作者建立某型號冷柜充灌量模型，計算得出R290和R1270充注量均小于150 g，滿足EN-378標準。所以，錢文波等[6]認為R290和R1270可以在小型低溫冷柜中替代R22、R404A等現(xiàn)有的低溫制冷劑。然而，該研究只是對能效、排氣溫度等進行比較，實際運行中還需要考慮冷卻速度、儲藏溫度及噪聲水平等因素，而這些因素的測試需要進行相關(guān)的實驗。

表1 低溫工況下的性能參數(shù)Tab·1 The performance parameters under lowtemperature conditions

另外，宋新洲[7]也從理論的角度，分別在標準工況、實際工況和變工況下，計算比較了R22、R404A、R290、R600a、R134a、HCM1(50%R290，50%R600)、HCM2(80%R290，20%R600)制冷劑應(yīng)用于冷柜上的循環(huán)性能，結(jié)果如表2和表3所示(變工況結(jié)果由于篇幅原因略去)。

表2 標準工況下制冷劑的主要制冷性能Tab·2 main performance parameters of refrigerants under standard condition

可以看出R290表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，R290的COP高于R404A，略低于R134a，然而單位容積制冷量和單位質(zhì)量制冷量要比 R134a大得多。另外，雖然R290冷凝、蒸發(fā)壓力高于R134a，但壓比要遠低于R134a。此外，采用兩臺BC/BD625臥式冷柜為實驗樣機，分別充注R134a(200 g)和R290(85 g)，進行高溫儲藏溫度測試(38℃)和耗電量測試(25℃)后，發(fā)現(xiàn)R290系統(tǒng)相比于R134a系統(tǒng)，其冷凍能力約提高10%，并且其COP提高了24.7%。所以，宋新洲[7]認為大容積冷柜的應(yīng)用場合下R290制冷劑的性能比要R134a更優(yōu)，雖然R290可燃，但考慮到R600a的成功推廣，在滿足相關(guān)標準的前提下，是可以在大容積商用冷柜上推廣應(yīng)用的。

表3 實際工況下制冷劑的主要制冷性能Tab·3 Main performance parameters of refrigerants under the actual conditions

對于商用冷柜來說，除了耗電量、能效，其冷卻速度及噪聲水平也是極其重要的，也應(yīng)該進行測試。魏華鋒等[8]通過實驗對R290和R134a在商用大容積陳列柜上的性能進行了對比分析。以科龍牌760 L商用大容積陳列柜為實驗樣機，從冷卻速度、耗電量、噪聲水平三個方面對R290和R134a進行比較后，發(fā)現(xiàn)R290系統(tǒng)較 R134a冷卻速度更快，耗電量降低5%，噪音降低3 dB(A)，但充注量為180 g，大于歐盟EN-378標準。在使用小管徑冷凝器并進行最佳充注量測試后得到最佳充注量為135 g，并采用了雙毛細管對R290系統(tǒng)優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冷卻速度達到16 h (R134a系統(tǒng)為17 h)，耗電量較R134a降低15%，噪音也大幅降低。

劉全義等[9]也通過直接灌注原商用冷柜的方式對R134a和R290的性能進行了對比。該研究以市場上某款388 L使用R134a制冷劑的商用冷凍展示柜為實驗樣機，不改變原系統(tǒng)而直接將R134a換為R290，對比前后二者性能。結(jié)果表明，同等測試條件下，R290系統(tǒng)能耗降低30%，并且可獲得更低的儲藏溫度，劉全義等[9]認為，這分別是由于R290壓縮機效率更高和標準沸點更低所造成的。此外，由于R290系統(tǒng)內(nèi)運行壓力高于R134a系統(tǒng)，需進行相關(guān)的耐壓測試。

另外，V Beek M等[10]則通過實驗比較了R744 和R290分別應(yīng)用在小冷量冷柜(冷凍冰激凌或食物)的性能差異。以市場上出售的R290冷柜為實驗平臺，對原系統(tǒng)做了必要的改進，將原R290封閉式壓縮機(ACCNL80FB)改為R744壓縮機(Danfoss TN 1410)，并增加一些必要原件。實驗及模擬發(fā)現(xiàn)，在小冷量冷柜中使用R744作為的制冷劑相對于R290，其運行壓力過高、能效低、設(shè)備成本高。雖然R290具有可燃性，但小型冷柜此類小型商用系統(tǒng)的充注量一般小于150 g，符合相關(guān)的ISO及EN標準，可以生產(chǎn)銷售。

2 壓縮機及潤滑油

小型商用冷柜中主要采用全封閉往復(fù)式壓縮機和滾動活塞式壓縮機，HCs的排氣溫度、排氣壓力較低，有利于壓縮機的長期安全運行。然而，由于HCs制冷劑具有可燃性，故壓縮機需要額外設(shè)計相應(yīng)的安全防護措施。國內(nèi)外有部分壓縮機制造商目前可以批量供應(yīng)R600a、R290壓縮機，但種類較少，而且國內(nèi)外HCs專用壓縮機相應(yīng)的研究也很少。

黃石東貝公司的彭惠蘭等[11]分別對R290工質(zhì)大規(guī)格節(jié)能型冷柜壓縮機進行了性能實驗、可靠性實驗及材料相容性實驗。研究表明，壓縮機在使用R290制冷劑后，壓縮機制冷量及COP均比使用R22有較大提升。在一定條件下，分別對R290壓縮機做500 h的壽命實驗和20萬次開停機實驗，表明使用R290工質(zhì)，壓縮機可以安全平穩(wěn)運行。此外，R290與冷凍油及電機漆包線進行相容性也符合要求。然而，作者并沒有做相關(guān)的噪聲實驗，在設(shè)計制造壓縮機時，其噪聲水平也是應(yīng)該重點考量的參數(shù)。馮鍵等[12]也對冷凍箱用R290壓縮機進行了開發(fā)，相比于原R12壓縮機，性能均有較大提升，雖R290冷凝壓力高，但噪聲與原R12機相當(dāng)。

Navarro E等[13－14]提出了一種新的全封閉往復(fù)式壓縮機模型，該模型可預(yù)測壓縮機效率及容積效率，并根據(jù)自己開發(fā)的壓縮機模型分析了不同制冷量及尺寸的全封閉R290壓縮機。實驗得出的容積比要比預(yù)測數(shù)值大，這可能是因為模型中少考慮了一個會造成壓縮機質(zhì)量流量減小的額外損失，而這個損失可能是由于在活塞里面的冷凝效應(yīng)引起的。根據(jù)模型，機械損失和電損失在所有測試情形下占比最大，占壓縮機總效率損失75%，容積效率損失的55%。在低壓比(1.5～2.5)時，壓力損失顯著(占壓縮機效率損失的15%以上，容積效率損失的25%以上)，高壓比(5～7)時，泄漏損失影響顯著(占壓縮機效率和容積效率損失的10%以上)。此外，作者還根據(jù)模型比較了使用R290和R407C壓縮機的性能差異。

管志俊[15]雖然對R600a家用冰箱用全封閉式往復(fù)壓縮機噪聲進行研究，但其研究方法及減小噪聲的措施同樣可應(yīng)用在同類型的小型商用冷柜的壓縮機上。R600a壓縮機與相同冷量的R134a壓縮機相比，噪聲和振動均小，作者認為這是因為R600a壓縮機排氣溫度低且壓比小，而且由于其汽化潛熱大，同樣制冷量時功耗小，所以摩擦噪聲也小。此外，R600a壓縮機噪聲主要是機械噪聲、電磁噪聲以及氣流噪聲，針對各種噪聲，管志俊分別提出了降低噪聲的相應(yīng)措施。

隨著使用R600a制冷劑的廣泛應(yīng)用，越來越多壓縮機廠商尋找性能優(yōu)良、價格低廉的礦物型全封閉冷凍機油代替昂貴的進口冷凍機油或合成型冷凍機油。中國石油克拉瑪依石化分公司煉油化工研究院的劉燕等[16]對R600a用Kr10全封閉冷凍機油進行了研制。根據(jù)Kr10全封閉冷凍機油的研制指標看，作者認為該冷凍機油具有高苯胺點的特點，需選擇合適基礎(chǔ)油來提高苯胺點。此外，從節(jié)能角度出發(fā)，要求冷凍油的運動粘度低，需加入相應(yīng)添加劑保證其抗磨、抗氧化和抗泡性能。由于冷凍機油不同于其他潤滑油，需要隨制冷劑從高溫區(qū)的壓縮機到低溫區(qū)的蒸發(fā)器之間連續(xù)循環(huán)，因此，對其在大的溫度范圍內(nèi)與制冷劑的溶解性及適應(yīng)性也有要求。

毛水林等[17]比較了POE油、PAG油、AB油以及MO油的特性，如表4所示，比較發(fā)現(xiàn)AB油為最適合R290的冷凍機油。作者對AB油在R290壓縮機中的性質(zhì)進行了實驗研究，研究表明R290與AB油的互溶性、性能特性、對材料的兼容性以及耐磨性各項性能良好，是R290壓縮機的理性的冷凍機油。然而，實驗都是在空調(diào)工況下所進行的，至于商用冷柜使用條件下還需再做相關(guān)實驗來具體分析。

表4 冷凍機油特性Tab·4 Characteristics of refrigerator oil

3 其他相關(guān)研究

劉英志等[18]根據(jù)多年設(shè)計及實際應(yīng)用經(jīng)驗，對R290商用冷柜在設(shè)計時應(yīng)注意的事項進行介紹。作者給出了減少充注量的措施:1)減小冷凝管路內(nèi)徑；2)提高換熱器換熱效率。在材料的選擇方面，R290材料兼容性很好，雖與有些橡膠、塑料不太兼容，如表5所示，但這些材料通常不會出現(xiàn)在小型全封閉系統(tǒng)。根據(jù)R290特性，回氣適當(dāng)過熱可以提高制冷效率，為此，劉英志等[18]建議將毛細管與回氣管進行換熱。特別應(yīng)注意R290的可燃性及安全性問題，冷柜設(shè)計安裝維修使用過程中應(yīng)該采取相應(yīng)安全措施。

表5 R290材料兼容性Tab·5 R290 material compatibility

在使用混合工質(zhì)作為冷柜的替代制冷劑時，由于換熱器內(nèi)的溫度是逐步變化的，換熱特性與純組分制冷劑有很大的不同，需要對其在換熱器內(nèi)部的流動換熱特性進行深入了解。天津商學(xué)院的毛力等[19]對R290/R600a(1/1)混合工質(zhì)在冷柜蒸發(fā)器的換熱特性及對柜內(nèi)溫度分布的影響進行了實驗研究。以BD-150型冷柜為實驗對象，從蒸發(fā)器進口至出口布置了1-15號康-銅熱電偶以研究其換熱特性，在冷柜內(nèi)部相應(yīng)位置布置了鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)上布置一定數(shù)目的熱電偶以研究柜內(nèi)溫度分布，維持環(huán)境溫度(19℃)和濕度(28%)，結(jié)果顯示從蒸發(fā)器進口到出口溫度滑移6.6℃，而溫度滑移越大，將對柜內(nèi)溫度分布影響越大，柜內(nèi)溫度分布測試結(jié)果也反映了這一點，高度方向上溫度分布不均勻性較為嚴重。然而，作者只是在冷柜空載時進行實驗，另外也沒有與其他冷柜常用制冷劑做對比分析。

由于HCs制冷劑具有可燃性，所以要在小型商用冷柜中得到推廣應(yīng)用需要對其可燃性進行風(fēng)險評估。Colbourne D等[20]對臥式冰激凌柜使用HCs制冷劑的可燃性風(fēng)險進行了量化分析，從泄漏制冷劑泄漏著火概率以及后果的嚴重性兩個方面對壓縮機室和房間內(nèi)可燃性風(fēng)險進行評估，建立了風(fēng)險評估模型，對于事故的后果主要分析熱輻射傷害和爆炸超壓。依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，作者計算得出每年的著火概率2× 10－13～1×10－8，相比于其他參照值是可以忽略的。另外，房間內(nèi)的最大超壓為3 kPa，熱強度為200 s· (kW/m2)4/3，壓縮機室的最大超壓為6.5kPa，熱強度為200 s·(kW/m2)4/3，也不會造成太大傷害。需要指出的是，要想提高風(fēng)險評估的質(zhì)量需要對模型進行優(yōu)化及獲取更多相關(guān)的數(shù)據(jù)。

在充注制冷劑或者維修過程中，制冷系統(tǒng)會混入不凝性氣體，通常為空氣，由于HCs制冷劑易燃，因此一定量空氣進入制冷系統(tǒng)中會對系統(tǒng)的安全運行帶來威脅，此外還會影響制冷系統(tǒng)的制冷效果，所以宋傳友[21]分析了空氣作為不凝性氣體對R290制冷系統(tǒng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下空氣混入制冷系統(tǒng)很難導(dǎo)致R290濃度進入爆炸極限范圍內(nèi)，但如泄漏點位于吸氣側(cè)，且R290已經(jīng)在該點大量泄漏時，則會出現(xiàn)上述情況。此外，不凝性氣體會影響制冷劑在換熱器中的傳熱，增大混合氣體的飽和蒸氣壓，進而導(dǎo)致冷凝壓力升高，壓比增大，功耗增加?？諝饣烊牒髿怏w粘度降低，摩擦損失減小，這可能是其有利的一面。

4 結(jié)論

HCs熱物理性質(zhì)與環(huán)保性能優(yōu)良，兼容性良好，并且由以上國內(nèi)外近期對于HCs工質(zhì)在小型商用冷柜的研究可以得出，HCs制冷劑在小型商用冷柜中替代R134a、R22、R404A技術(shù)上完全可行，替代成本較低，替代后系統(tǒng)的總體性能要優(yōu)于原制冷劑系統(tǒng)。對于HCs工質(zhì)的可燃性問題，由于小型商用冷柜的制冷劑充注量較低，如R290的充注量一般不超過150 g，符合歐洲標準的要求，可以生產(chǎn)銷售，而且通過量化風(fēng)險評估，其著火概率可忽略，也不會造成太大傷害，但在設(shè)計時應(yīng)該注意采用相應(yīng)的防火防爆元器件。雖然與使用HCs制冷劑的壓縮機種類較少，但隨著各國對HFCs管控的更為嚴厲，相信會有更多的壓縮機生產(chǎn)廠商投入HCs壓縮機的研發(fā)與生產(chǎn)中，對于相應(yīng)壓縮機使用的潤滑油需要做相關(guān)的性能實驗來對其互溶性、兼容性、耐磨性等性能做評估。

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About the corresponding author

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

The Application Analysis of Hydrocarbons as Refrigerants on Small Commercial Freezers

Zhong Zhifeng1Hu Jiehao2Feng Hui1Li Li1Wu Jianhua2

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

Hydrocarbons as one of the natural refrigerants have drawnmuch attention for their excellent thermophysical properties and environmental performance(ODP＝0，GWPis extremely low).This paper compares the operational performances of HCs with several conventional refrigerants，discusses the research progress of the application of HCs on small commercial freezers fromthe point of theory and tests，and expounds the progress on compressor，lubricating oil and other relevantaspects.Compared to the traditional refrigerantused in small commercial freezers，hydrocarbons havemuch higher unitmass refrigerating capacity and COP，lower exhaust temperature.Moreover，in actual operation，their cooling rate is faster and noise level is lower.However，hydrocarbons are flammable.Although the refrigerant charge of small commercial freezers is small，relevant fire or explosion experiments should be done when hydrocarbons leak froma small commercial freezer.

refrigerant substitution；small commercial freezers；HCs；review

TB61＋2；TB657.4

A

0253－4339(2015)02－0008－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.008

簡介

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

2014年6月13日