環(huán)保制冷劑R290的制冷技術(shù)綜述

朱麗霞

摘 要：傳統(tǒng)制冷劑引起的臭氧層耗損和溫室效應(yīng)等環(huán)境危害導(dǎo)致了制冷劑的替代問題成為當(dāng)今制冷行業(yè)的共識，天然的環(huán)保制冷工質(zhì)R290以優(yōu)良的熱物理性能及最重要的環(huán)境友好型特征脫穎而出。本文針對使用R290環(huán)保工質(zhì)的制冷技術(shù)進行了梳理與總結(jié)，重點分析了系統(tǒng)各部件的設(shè)計與優(yōu)化進展。

關(guān)鍵詞：R290；壓縮機；換熱器；系統(tǒng)優(yōu)化

1 前言

制冷劑于制冷機而言是循環(huán)得以進行的不可或缺的血液。選擇制冷劑時，對于環(huán)境可接受性因素，主要考慮對臭氧層耗損臭氧衰減指數(shù)ODP和大氣溫室效應(yīng)溫室指數(shù)GWP的兩大影響指標【1】。從長遠來看，尋找高效、環(huán)保制冷劑成為制冷行業(yè)共同的目標。

碳氫化合物中的R290，其環(huán)保性能和熱力學(xué)性能較好，并且其熱力學(xué)性質(zhì)與需淘汰的HCFCS 類工質(zhì)R22非常相近，具備替代R22制冷劑應(yīng)用于制冷系統(tǒng)的條件。雖然 R290具有易燃類安全性問題，但由于各自具有的優(yōu)良的熱物理性能以及最重要的環(huán)境友好型特征，從長遠角度看，將會是舞臺上的明星。

2 R290的熱物性

R290其ODP、GWP為0，標準沸點、凝固點、臨界點等基本物理性質(zhì)與R22非常接近，具備替代R22的基本條件。R290導(dǎo)熱系數(shù)大、粘性系數(shù)及絕熱指數(shù)小，可改善換熱器傳熱效果、降低壓縮機能耗及壓縮機排氣溫度；R290分子量小、氣化潛熱大、定壓比熱高，可大大減少系統(tǒng)制冷劑灌注量【2】。R290存在微弱的易燃易爆性問題，這是影響其快速發(fā)展的主要因素。歐洲專門制訂了相關(guān)標準限制易燃易爆型工質(zhì)在系統(tǒng)中的充灌量，在IEC60335-2-40和EN378-1：2008中規(guī)定了最大安全充灌量為290克【3】。因此減少R290在系統(tǒng)中的充灌量是發(fā)展R290的首要條件，但減少充灌量會造成整機性能尤其是制熱能力的下降，因此如何保證既安全又達到正常的使用要求，還需要繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和研發(fā)新技術(shù)。

3 減少R290充注量措施

R290制冷劑主要集中在兩器中，部分存在壓縮機零部件里，極少部分存在管路中，因此可以通過減小換熱器管徑、采用微通道換熱器及優(yōu)化壓縮機零部件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等措施，以減少R290充注量提高系統(tǒng)安全性。

3.1換熱器優(yōu)化

采用小管徑換熱器對室內(nèi)機、室外機進行優(yōu)化設(shè)計可提高制熱量。R290空調(diào)器的冷凝器可采用小管徑換熱器，但冷凝器管徑減小后，管內(nèi)制冷劑的流動阻力會增大，導(dǎo)致制冷劑壓降上升，使得冷凝器的換熱性能下降，需要考慮多分路以縮短每個分路流程，保證制冷劑分流均勻。在減少冷凝器換熱管的管徑，減少換熱器尺寸達到降低充注量時，由于換熱管換熱面積減小，進而可以加密換熱器翅片片距以保證換熱效果。

除了減小換熱管管徑外，還可以采用平行流微通道冷凝器減少制冷劑充注量并提高能效。

3.2壓縮機零部件優(yōu)化

由于噪聲低、零部件少、效率高、體積小及重量輕等優(yōu)點，滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機已基本取代活塞式壓縮機廣泛應(yīng)用于小型家用空調(diào)系統(tǒng)中，而變頻式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機還具有啟動電流小、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點。但滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機采取直接吸氣、間接排氣的方式，壓縮機機殼內(nèi)充滿排氣壓力下的R290蒸氣，因此需要根據(jù)R290制冷劑的特性，進一步研究滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的結(jié)構(gòu)、內(nèi)置電機的結(jié)構(gòu)以及它們之間的配合關(guān)系，盡量縮小壓縮機機殼內(nèi)的空腔容積以及電機等直徑。

潤滑油與制冷劑的互溶性關(guān)系到壓縮機能否順利回油以及系統(tǒng)安全性，現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機所用機油都是礦物油，普通礦物油在低溫下粘度會急劇增加，同時R290冷媒因安全性考慮充注量較少因此系統(tǒng)壓力也較小，因此會造成粘度比較大的油堵塞管徑較小的毛細管，導(dǎo)致R290冷媒無法參與循環(huán)工作，壓縮機空轉(zhuǎn)，可以向磁懸浮離心壓縮機無油化設(shè)計。

3.3系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)R290的特性尋找與其匹配的制冷系統(tǒng)，主要應(yīng)從毛細管的長度和個數(shù)，系統(tǒng)回?zé)崞鞯倪x取以及回?zé)崞鞯男问降葞讉€方面進行突破性的研究，另外應(yīng)著重從壓縮機和換熱器方面實現(xiàn)質(zhì)的突破以達到整體的匹配。

合適的毛細管長度和毛細管個數(shù)可以大幅減少充注量，并能改善系統(tǒng)運行性能。R290空調(diào)系統(tǒng)采用回?zé)嵫h(huán)有利于降低充注量、提高COP。通過使液體側(cè)連接管變細，可以使要充入系統(tǒng)的致冷劑數(shù)量減少，而不引起空調(diào)器容量和效率的降低；將液體側(cè)連接管為毛細管，以及膨脹裝置為膨脹活門，膨脹活門的開口可以根據(jù)液體側(cè)連接管子的長度或直徑或制冷循環(huán)的狀態(tài)由膨脹活門來調(diào)節(jié)。因此，有可能減少液體側(cè)連接管的直徑，以及由于膨脹活門可以調(diào)節(jié)扼流程度，使直徑適當(dāng)?shù)販p小，可以減少裝入制冷劑的數(shù)量而又不降低容量。

當(dāng)然R290通常是在密閉的制冷系統(tǒng)中循環(huán)，在發(fā)生重大事故時才可能大量漏入室內(nèi)?？梢圆捎靡韵聦Σ呒右苑婪叮焊倪M系統(tǒng)運行水平；改善管材和焊接工藝；采用防爆電器等；增加檢測儀，測定R290在空氣中的濃度，避免R290在空氣中達到最低閃亮濃度，并設(shè)定切斷空調(diào)器電源的危險濃度值；發(fā)出報警信號、增強室內(nèi)通風(fēng)。R290中加入阻燃劑或一定量非可燃制冷劑，可以間接減少R290的充注量，還可以抑制和減緩R290的燃燒化學(xué)反應(yīng)，縮小爆炸極限，降低發(fā)生爆炸和燃燒的可能性，提高R290制冷系統(tǒng)的安全性。

4總結(jié)

隨著人們對環(huán)境的關(guān)注，消減超級溫室氣體HFC，各國制冷劑的工業(yè)和消費轉(zhuǎn)型之路都在變得日漸清晰，我國是能源消耗大國，制冷設(shè)備的更新替代勢在必行。從R22到R410a等過渡性制冷劑，并不是制冷劑取代歷程的終止，最終還會是環(huán)保制冷劑的天下。

天然的環(huán)保制冷工質(zhì)R290以優(yōu)良的熱物理性能及最重要的環(huán)境友好型特征脫穎而出，先已成為研究的熱點。隨著標準的制訂與完善，家電行業(yè)定能規(guī)避外資企業(yè)的專利門，找出適合中國國情的、有自主知識產(chǎn)權(quán)的無氟制冷設(shè)備。

參考文獻：

[1] 吳業(yè)正，韓寶琦.制冷原理及設(shè)備【M】.西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.

[2] 寧靜紅.R290制冷空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].流體機械，2012，40（7）：72-79.

[3] British Standards Institution.BS EN378-1：2008.Refrigerating systems and heat pumps-Safety and environmental requirements-Part1：Basic requirements，definitions，classification and selection criteria[S].London：BSI，2008.

（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心）