新型碳氫制冷劑HCR22在R600a食品制冷系統(tǒng)的應(yīng)用

劉金光 熊旭波 王世清

欒明川4 張 巖1,2 姜文利1,2

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2. 青島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)質(zhì)量與安全工程重點實驗室，山東 青島 266109；3. 青島澳維康生物科技工程有限公司，山東 青島 266071；4. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 青島 266109)

新型碳氫制冷劑HCR22在R600a食品制冷系統(tǒng)的應(yīng)用

劉金光1,2熊旭波3王世清1,2

欒明川4張 巖1,2姜文利1,2

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2. 青島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)質(zhì)量與安全工程重點實驗室，山東 青島 266109；3. 青島澳維康生物科技工程有限公司，山東 青島 266071；4. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 青島 266109)

為探討新型碳氫制冷劑在食品制冷系統(tǒng)應(yīng)用的可行性，基于R600a制冷系統(tǒng)，設(shè)計一套制冷系統(tǒng)測試裝置，主要由制冷系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)和壓力檢測器等組成；用環(huán)境友好型碳氫制冷劑HCR22替代制冷劑R600a，以制冷系數(shù)和制冷量為指標(biāo)，對比了2種制冷劑的制冷效果。結(jié)果表明：HCR22用于R600a系統(tǒng)，相比R600a，充注量減少13.33%，制冷系數(shù)提高10.53%，系統(tǒng)節(jié)能3.16%；系統(tǒng)運行12 h，HCR22和R600a的制冷量分別為7 306.64，6 796.68 kJ。該研究結(jié)果為新型制冷劑HCR22替代R600a提供了依據(jù)和支持。

HCR22；R600a；制冷系統(tǒng)；制冷

制冷劑的發(fā)展，主要經(jīng)歷了3個階段：19世紀(jì)中期，首臺機械制冷裝置誕生，使用二乙醚作為制冷劑，之后，二氧化碳、氨等嘗試用作制冷劑[1]；20世紀(jì)初，氟利昂制冷劑的誕生被認為是完美的制冷劑，因其價格適中、無毒不燃和良好的熱力學(xué)特性，被廣泛用于制冷系統(tǒng)[2]；但后續(xù)研究[3]發(fā)現(xiàn)，HCFC和CFC分子上升至臭氧層后，能夠?qū)Τ粞鯇釉斐善茐男纬沙粞鯇涌斩?，此外，《蒙特利爾議定書》中也限制了CFC和HCFC類氟利昂制冷劑的使用[4]?！睹商乩麪柟s》和《京都協(xié)議書》簽訂后，碳氫制冷劑作為一種環(huán)保、高效、節(jié)能型制冷劑成為氟利昂制冷劑的新型替代冷劑[5-6]。與氟利昂制冷劑不同，碳氫制冷劑屬于天然冷劑，完全環(huán)保：只含有碳元素和氫元素，對臭氧層無損傷，對氣候變暖影響極小；制冷更快：分子量小，冷凝傳熱系數(shù)更高；用量少：充注量僅為氟利昂制冷劑的30%～45%；但碳氫制冷劑有易燃性，在運輸及使用中需避免明火和強烈碰撞[7-10]。

現(xiàn)階段，氟利昂制冷劑的替代冷劑主要有碳氫制冷劑(R600a、R290)和過渡型制冷劑(R134a、R407C和R410A)[11]。德國等歐洲國家用R600a取代R12，中國冰箱大部分用R600a作為制冷劑[12]。但家用冰箱R600a的充注量不能超過150 g[13]，因此，美國和日本使用R134a替代R12，R134a特性與R12相近，但對系統(tǒng)干燥和清潔要求極高[14]。

HCR22是一種新型碳氫制冷劑，是丙烷和丁烷的混合烷烴，可直接用于已有的制冷設(shè)備，無需更換壓縮機、管道和冷凍潤滑油[15]，相比R600a，HCR22更安全：分子量小，運輸及維修中氣壓更低；噪聲更小：等熵壓縮比功小，減小了壓縮機的負載[16]；制冷更迅速：凝固點低、蒸發(fā)潛熱更大。HCR22在歐洲國家已初步試用：取代制冷劑R22用于空調(diào)制冷；取代制冷劑R404a和R410A用于低溫冷藏庫等。吳青松[17]研究發(fā)現(xiàn)HCR22可直接用于制冷空調(diào)且運行負荷更低。因此，本研究嘗試使用新型碳氫制冷劑HCR22替換現(xiàn)有的碳氫制冷劑R600a用于R600a制冷系統(tǒng)，通過對比2種碳氫制冷劑的制冷效果，以期驗證HCR22制冷劑可直接用于R600a制冷系統(tǒng)，且制冷更安全、高效，并為HCR22制冷劑替代R600a制冷劑提供技術(shù)支持。

1 試驗裝置及試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置

本試驗裝置由制冷系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)和壓力檢測器等組成，見圖1。制冷系統(tǒng)包括蓄水池、壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等結(jié)構(gòu)，壓縮機工藝管口處焊接制冷劑充注閥；高壓傳感器安裝于干燥過濾器與膨脹閥連接處，測量壓縮機排氣壓力，低壓傳感器安裝于壓縮機工藝管口處，測量壓縮機吸氣壓力；此外，系統(tǒng)中接入功率記錄儀采集系統(tǒng)實時功率。蒸發(fā)器置于蓄水池中，蓄水池內(nèi)蓄水200 L。

R600a制冷系統(tǒng)：澳柯瑪BC/BD-203HN(內(nèi)部尺寸：946 mm×577 mm×841 mm，有效容積：200 L，壓縮機型號：PZ99H1C，制冷劑：R600a)。

1. 計算機 2. 數(shù)據(jù)記錄儀 3. 膨脹閥 4. 壓力傳感器A 5. 干燥過濾器 6. 冷凝器 7. 壓縮機 8. 壓力傳感器B 9. 集液管 10. 蒸發(fā)器 11. 功率記錄儀

1.2 制冷劑供給

新型碳氫制冷劑：仁天和HCR22，惠州仁天和節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?；

普通碳氫制冷劑：金萊爾R600a，襄陽金萊爾制冷化工有限公司。

1.3 溫度測試點分布

試驗設(shè)施測溫點布置見圖2，蓄水池內(nèi)安裝1～9號測溫點，壓縮機低壓管口和高壓管口分別布置10和11號測溫點，測試壓縮機的吸氣和排氣溫度，12號測溫點顯示室內(nèi)溫度。各溫度測試點的實時溫度由TP-1000 64路溫度記錄儀收集、記錄，精度為0.2℃，采集間隔為5 s，試驗周期為12 h。試驗期間室內(nèi)溫度保持在(15.0±0.5)℃。

1～9表示安裝在蓄水池內(nèi)的測溫點

1.4 試驗原理

制冷系統(tǒng)中充入制冷劑后，蒸發(fā)器中低壓液體工質(zhì)吸收蓄水池中水的熱量汽化，飽和工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機吸入后壓縮成高溫高壓氣體，進入冷凝器液化并釋放出潛熱，高壓液體經(jīng)毛細管節(jié)流降壓后流入蒸發(fā)器。制冷系統(tǒng)利用電能，借助制冷劑的物態(tài)變化，將蒸發(fā)器周圍的熱量搬運到冷凝器并釋放出來，伴隨著制冷劑不斷的蒸發(fā)吸熱、液化放熱兩個過程達到制冷的目的。

本試驗使用R600a制冷系統(tǒng)，選用HCR22和R600a新舊2種碳氫制冷劑，制冷系統(tǒng)壓縮機最大功率運行，蓄水池內(nèi)水從室溫(15℃)開始蓄冷。

1.5 試驗測試

試驗裝置置于室溫(15℃)環(huán)境，對本試驗制冷系統(tǒng)不同充注量制冷效果試驗，獲得系統(tǒng)最佳制冷效果時的充注量；比較2種制冷劑最佳充液時的降溫曲線，分析其制冷效果的差異。

制冷劑選用R600a，充注量選擇60，65，70，75，80 g；制冷劑選用HCR22，充注量選擇；50，55，60，65，70 g。記錄系統(tǒng)運行12 h蓄水池的實時水溫和系統(tǒng)壓力、功率等數(shù)據(jù)。

1.6 測試指標(biāo)

1.6.1 充注量 制冷劑充注過少，蒸發(fā)器的傳熱面積得不到充分利用，壓縮機持續(xù)運轉(zhuǎn)，能耗增加；制冷劑充注過多，冷凝溫度持續(xù)升高，威脅電機運行[18]。

1.6.2 壓縮機吸氣和排氣壓力 制冷循環(huán)中，壓縮機對制冷劑進行抽吸、壓縮和排出工作，吸氣壓力和排氣壓力值及比值大小是壓縮機性能的重要參數(shù)；吸氣壓力還直接影響制冷劑的比容以及壓縮機工作電流和輸入功率[19]。

1.6.3 制冷量 本試驗制冷系統(tǒng)測試裝置工作12 h的制冷量可由式(1)計算：

Q0=C0M0ΔT，

(1)

式中：

Q0——制冷量，kJ；

C0——常壓水的比熱容(15℃)，4.18 kJ/(kg?℃)；

M0——常壓水的質(zhì)量，kg；

ΔT——降溫溫差，℃。

1.6.4 制冷系數(shù) 制冷性能系數(shù)(COP)指單位功耗所能獲得的冷量，制冷系數(shù)越大，表示制冷系統(tǒng)能源利用效率越高[20]。本試驗中用式(2)表示制冷系數(shù)ε。

(2)

式中：

ε——制冷系數(shù)；

W0——制冷系統(tǒng)做功，kJ。

同一制冷劑，不同工況下制冷量換算見式(3)。

(3)

式中：

Q0(A)——壓縮機在A工況時的制冷量，kW；

ηv(A)——壓縮機在A工況時的容積效率；

qv(A)——壓縮機在A工況時的單位容積制冷量，kJ/m3；

Q0(B)——壓縮機在B工況時的制冷量，kW；

ηv(B)——壓縮機在B工況時的容積效率；

qV(B)——壓縮機在B工況時的單位容積制冷量，kJ/m3。

1.6.5 統(tǒng)計與分析 試驗均重復(fù)3次，取平均值，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS統(tǒng)計軟件，差異顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 制冷劑充注量對制冷效果的影響

由圖3(a)可知，R600a為制冷劑，試驗的前4 h，充注量為70，75，80 g時蓄水池溫度相差甚微，在此階段系統(tǒng)制冷量無顯著差異(P>0.05)，系統(tǒng)運行4 h后，充注量為75 g時蓄水池溫度顯著低于其他充注量時的溫度(P<0.05)，因此，本系統(tǒng)R600a的最佳充注量為75 g；系統(tǒng)運行12 h，充注量為60，65，70，75，80 g時蓄水池的水溫分別降低了6.26，6.74，7.06，8.13，7.42℃，制冷量分別為5 233.36，5 634.64，5 902.16，6 796.68，6 203.12 kJ。

由圖3(b)可知，HCR22為制冷劑，系統(tǒng)運行4 h后，充注量為65 g時蓄水池溫度顯著低于其他充注量時的溫度(P<0.05)，系統(tǒng)運行12 h，65 g充注量時蓄水池溫度降低最大，為8.74℃；因此，HCR22用于R600a制冷系統(tǒng)的最佳充注量為65 g，12 h時的制冷量為7 306.64 kJ。

2.2 制冷系統(tǒng)壓縮機吸氣和排氣壓力

表1和表2為制冷系統(tǒng)使用R600a和HCR22制冷劑的運行參數(shù)，表1數(shù)據(jù)顯示，制冷劑為R600a，壓縮機吸氣溫度為0.68～0.72℃，排氣溫度為55.40～56.20℃，吸氣壓力為-0.02～-0.01 MPa，排氣壓力為0.46～0.51 MPa；由表2可知，制冷劑為HCR22，壓縮機吸氣溫度為0.67～0.72℃，排氣溫度為59.80～62.30℃，吸氣壓力為-0.02～-0.01 MPa，排氣壓力為0.35～0.40 MPa。

圖3 R600a制冷系統(tǒng)冷劑充注量對制冷效果的影響Figure 3 Cooling effect of refrigerant filling quantity in R600a refrigeration system

表1 制冷系統(tǒng)使用R600a制冷劑的運行參數(shù)Table 1 Operating parameters of R600a in refrigeration system

表2 制冷系統(tǒng)使用HCR22制冷劑的運行參數(shù)Table 2 Operating parameters of HCR22 in refrigeration system

對比表1和表2，HCR22作為制冷劑，相比R600a，壓縮機吸氣溫度近似，排氣溫度高6.40～6.90℃，吸氣壓力相同，排氣壓力低0.06～0.16 MPa，最佳制冷效果時HCR22的系統(tǒng)能耗比R600a低3.16%。

2.3 HCR22和R600a最佳制冷效果對比

圖4為HCR22和R600a最佳制冷效果對比。由圖4可知，HCR22和R600a最佳制冷效果對應(yīng)的蓄水池溫度分別降低了8.74，8.13℃，制冷量分別為7 306.64，6 796.68 kJ。對比2條溫度變化曲線可以看出，兩者變化趨勢近乎相同，均未出現(xiàn)溫差的驟變，可見，HCR22用于R600a制冷系統(tǒng)與R600a有同樣的制冷穩(wěn)定性，且HCR22的制冷量優(yōu)于R600a。R600a制冷系統(tǒng)使用HCR22和R600a最佳制冷效果時的相關(guān)參數(shù)見表3。

圖4 HCR22和R600a最佳制冷效果對比Figure 4 Comparison of the best cooling effect of HCR22 and R600a

表3 HCR22和R600a最佳制冷效果的相關(guān)參數(shù)Table 3 The relevant parameters of the best cooling effect of HCR22 and R600a

由表3可知，R600a制冷系統(tǒng)，HCR22的制冷系數(shù)比R600a制冷劑高10.52%，且HCR22最佳充注量比R600a最佳充注量少13.33%，此外，制冷劑為HCR22時蓄水池溫度低0.61℃。

綜上所述：在制冷量和制冷穩(wěn)定性方面，HCR22制冷劑可以替代R600a制冷劑直接用于R600a制冷系統(tǒng)，且系統(tǒng)壓力更低、制冷系數(shù)更高，充注量更少，制冷量更大。

3 結(jié)論

本試驗將新型碳氫制冷劑(HCR22)應(yīng)用于食品制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)了制冷的環(huán)保、高效和節(jié)能。研究結(jié)果表明：

(1) HCR22用于R600a制冷系統(tǒng)，相比R600a，HCR22制冷劑的制冷系數(shù)高10.53%，且充注量減少13.33%，節(jié)能3.16%；系統(tǒng)運行12 h，HCR22和R600a使蓄水池的溫度分別降低了8.74，8.13℃，制冷量分別為7 306.64，6 796.68 kJ。

(2) 試驗裝置置于室溫(15℃)環(huán)境試驗，壓縮機達到制冷指定溫度之后的情況如何，待后續(xù)研究。

HCR22制冷劑能夠彌補氟利昂類制冷劑對臭氧層破壞和引起氣候變暖的缺陷，相比R600a，HCR22更安全，充注量更少，制冷系數(shù)更高。試驗證明HCR22可直接替換R600a用于制冷系統(tǒng)，在碳氫制冷劑的運輸和使用時，應(yīng)遠離明火、避免碰撞，此外，今后試驗需對HCR22制冷劑的其他性質(zhì)進行研究以實現(xiàn)在其他制冷系統(tǒng)的替代，以期用新型碳氫制冷劑(HCR22)完全替代傳統(tǒng)鹵代烴制冷劑和現(xiàn)有的碳氫制冷劑。

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Application of a new type of fluorine free refrigerant HCR22 in food refrigeration system

LIU Jin-guang1,2XIONGXu-bo3WANGShi-qing1,2

LUANMing-chuan4ZHANGYan1,2JIANGWen-li1,2

(1.FoodScienceandEngineeringCollege,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingda,Shandong266109,China; 2.QingdaoKeyLabofModernAgriculturalQualityandSafetyEngineering,Qingdao,Shandong266109,China; 3.QingdaoAoweikangBiologicalEngineeringTechnologyCo.Ltd.,Qingdao,Shandong266071,China; 4.ArchitectureandEngineeringCollege,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao,Shandong266109,China)

In order to explore the feasibility of the application of new fluorine free refrigerant in the existing refrigeration system, a traditional one based on R600a refrigeration, a testing equipment of new refrigeration system was designed. This new testing equipment was dominated by a cooling equipment, temperature tester and pressure detector. In this study, the refrigerant R600a replaced by a new type of fluorine free refrigerant HCR22, and the coefficient of performance and cold storage capacity were taken as indexes, and conducted an experiment for 12 h, the refrigerating capacity of two refrigerants in different quantity of charging ratio was studied. The results indicated that compared to R600a, the best filling ratio of HCR22 was less 13.33%, but the refrigeration coefficient was higher 10.53%, and the system energy was less 3.16%. When the refrigeration system was run for 12 h, the refrigeration ability of HCR22 was found better, and the cooling ability of HCR22 and R600a were 7 306.64 kJ and 6 796.68 kJ, respectively. This study provided evidences and technical support for the new type refrigerant HCR22 replacing the R600a refrigerant.

HCR22; R600a; R12; refrigeration system; cold accumulation

國家自然基金項目(編號：31271963)

劉金光，男，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

王世清(1961—)，男，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，博士。 E-mail：wangshiqing@126.com

2016—10—21

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.031