關于R290制冷劑在制冷設備中的運用分析

曹慶霖

松下冷鏈（大連）有限公司 遼寧大連 116600

1 引言

制冷劑是制冷系統(tǒng)中的重要的工作介質，能夠通過化學反應與外界發(fā)生能量交換，為人民群眾日常生活帶來了極大的便利，但是傳統(tǒng)HCFCs型制冷劑所含有的氯、氟、碳、氫原子會嚴重破壞人類賴以生存的臭氧層，影響生態(tài)平衡。R290制冷劑作為一種新型環(huán)保制冷劑對抽象層的損害較小，不會產(chǎn)生大量的溫室氣體，符合《蒙特利爾議定書》協(xié)定的要求，已經(jīng)被逐步應用到空調、冰箱等制冷設備之中。

2 R290制冷劑的應用特性

2.1 使用條件與特性

對于R290制冷劑而言，其應用特性與其他的商用冷柜制冷劑相比具有一定的特殊性，在本文中主要與HFCs系列的R134a和R404A進行比較（表1），針對工作壓力而言，當處于-25℃的蒸發(fā)條件下，R290制冷劑面臨的的工作壓力約為R134a制冷劑的1.9倍，R404A制冷劑的0.8倍；在50℃的冷凝條件下，R290制冷劑的工作壓力約為R134a制冷劑的1.3倍，R404A制冷劑的0.7倍，因而，從整體上來說，R404A制冷劑的蒸發(fā)器和冷凝器與R290的匹配度較高。另外，從實踐經(jīng)驗上來看，直徑為8mm，壁厚為0.71mm的鍍鋅鋼管較符合滿足蒸發(fā)器的耐壓要求，Ф6×0.71mm的鍍鋅鋼管可以滿足冷凝器的耐壓要求[1]。

經(jīng)部分實驗證明R290爆炸和燃燒需要具備兩個條件，即R290與空氣的混合度在2.5%～8.9%之間，溫度達到810℃以上。實踐表明，如果在設備的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和儲運環(huán)節(jié)措施得當，R290制冷劑的安全風險是完全可控的。但因目前的國標對充注量的控制，難以生產(chǎn)1P功率以上的制冷設備，歐洲目前正在擬定開放充注量的最高標準。屆時在嘗試過大充注量后，我國能否開放高充注量的標準還是未知數(shù)。R290作為一種優(yōu)秀的替代品仍任重而道遠。

2.2 使用標準

在飽和液態(tài)時，R290的密度比R134a和R404A都要小，因而在相同容積下R290的灌注量更小，實驗證明，如果商用冷柜仍然采用原來的R134a和R404A制冷系統(tǒng)，在假設冷凝器與蒸發(fā)器未發(fā)生改變的前提條件下，只需要充注原制冷劑量的40%左右的R290制冷劑即可，國家標準已經(jīng)對R290作為空調制冷劑的灌注量給出明確限制，目前國家要求家用及類似用途冷柜的制冷循環(huán)系統(tǒng)中，最多只允許充注150g的R290制冷劑?；谶@樣的客觀條件，在設計適用R290制冷劑的商用冷柜系統(tǒng)時，可以適當?shù)臏p小冷凝管路的內徑、縮短冷凝器的長度、縮小蒸發(fā)器的容積，以減小冷劑循環(huán)量，提高制冷系統(tǒng)內部冷凝器和蒸發(fā)器的換熱效率，滿足實際應用需求。冷凝器和蒸發(fā)器中制冷劑質量的計算公式分別為：

表1 制冷劑參數(shù)比較

表2 R290材料兼容性

表3 R290制冷劑的易燃性

圖1 冷柜機艙布置圖（拆掉機艙格柵）

2.3 生產(chǎn)與運輸

目前高純度丙烷即R290的生產(chǎn)工藝主要包含去其他烷烴和脫硫、脫水。其中難點在產(chǎn)品的脫水，而從工藝角度來看對于制冷劑生產(chǎn)工藝的要求恰恰是含水量的要求。如果含水量不達標，其中含有的水分與潤滑劑在高溫狀況下反應產(chǎn)物對制冷系統(tǒng)的損害非常大。目前國內的生產(chǎn)工藝是與正常的液化石油氣分開生產(chǎn)的，但是其儲運環(huán)節(jié)已經(jīng)形成了非常可靠的、高安全性的流通通路。制冷劑為了與液化石油氣區(qū)分采用了類似傳統(tǒng)制冷劑的鋼瓶。

3 R290制冷系統(tǒng)設計

3.1 R290制冷劑的材料選擇

R290制冷劑具有良好的材料相容性，與銅、鋼、鑄鐵、潤滑油等均能良好相容，與礦物油的互溶性也很高，特別是與聚酯類的互溶性，并且其在制冷回路中為無活性化學物質，并不會在封閉系統(tǒng)中發(fā)生化學反應產(chǎn)生電能，直接的材料兼容性很少出現(xiàn)安全問題，但在材料的選擇過程中還是盡可能的避免與橡膠、塑料和特殊環(huán)保塑料相接觸，對于特定的臨界材料也要確保測驗結果有效且安全的前提下，才能夠投入使用，以有效規(guī)避意外風險（表2）。除此之外，對于使用R290制冷劑的商用冷柜，可以使用吸附能力高，熱穩(wěn)定性強的分子篩（Molecular sieve）作為干燥劑，并優(yōu)先選擇XH9、XH11、XH7等型號，保障分子篩的有效孔徑達到3?級別。

3.2 制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置的選用

對于應用R290制冷劑的商用冷柜，最經(jīng)濟可靠的就是參考R404A系統(tǒng)的具體結構，盡管R404A屬于HFCs系列，而R290屬于HC系列，但是毛細管流量、制冷特征和換熱效率都十分相近，在選用R290制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置時，R404A系統(tǒng)商用冷柜的主要零部件都是可以直接使用的。如果選擇R132a系統(tǒng)，則需要對相關制冷部件進行調整。例如，對于冰箱BCD-64WKGPZMA，將毛細管增加10%～20%的長度，以滿足R290制冷劑單位質量制冷需求；由于R290壓縮機普遍采用酯類油作為潤滑油，其吸水量要大于R134a的壓縮機，因而增加過濾器分子篩充注量；立足于對丙烷氣體易燃易爆性特征的考慮，在溫控器的選擇上應調整為R600a專用的防爆型溫控器，以保障制冷系統(tǒng)的安全性。調整后的R290冰箱，冰晶生成率較小，制冷性能大幅提升。

3.3 易燃性與安全性

R290制冷劑是一種十分優(yōu)質的制冷劑替代品，不含有氯原子且臭氧消耗潛值（Ozone Depletion Potential，ODP）為零，具有較高的應用潛能和安全級別，屬于低毒性制冷劑，但其可燃性和爆炸性的特征，一直是廠商望而卻步的原因，極大的限制了R290制冷劑的推廣和使用（表3）。因此，對商用冷柜本身以及冷柜生產(chǎn)者都要做好相應的防范措施，優(yōu)化結構設計和防爆設計，采用減小灌裝量、隔絕著火源、防止制冷劑泄露及提高泄漏后的安全防控能力等措施，提高安全防范意識，使R290遠離點火源和可燃源，以避免意外事故的發(fā)生。

4 在冷柜設計中采取的安全措施

4.1 減少制冷劑泄漏

商用冷柜制冷劑泄漏會導致制冷系統(tǒng)能耗增加，縮短設備的使用壽命。首先，在管路設計上，要減少其焊接點，并保障管路的抗壓能力和強度符合系統(tǒng)設計要求，高壓端能夠承受3.5倍的丙烷70℃飽和壓力，低壓端能夠承受5倍的丙烷20℃飽和壓力，降低制冷劑泄漏的幾率。與此同時，還要注意R290制冷劑的注充量，在單個系統(tǒng)內不應超過150g，如果制冷系統(tǒng)內極大，這可以分解為多個獨立的小系統(tǒng)，保障制冷劑的注充量位于安全閾限之內。除此之外，商業(yè)冷柜的蒸發(fā)器最好掩蓋在箱體內部，以減低制冷劑泄漏的危害性[2]。

4.2 避免泄漏的制冷劑聚集

商業(yè)冷柜的機艙主要由溫控器、指示燈、壓縮機、冷凝風機、冷凝器等結構組成，如圖1所示，其中，1-溫控器，2-指示燈，3-通風孔，4-壓縮機，5-冷凝風機，6-冷凝器。在安裝這些零部件的過程中，相關人員要注重對通風口的設置，充足的通風能夠有效避免泄漏的制冷劑聚集，消除安全隱患。一般來說，丙烷氣體的密度為1.83kg/m3，分子量為44.09562kg/kmol，空氣的平均密度為1.29kg/m3，平均分子量為29kg/kmol，在通常情況下，即20℃時，丙烷的密度要大于空氣，一旦在機艙內發(fā)生R290制冷劑泄漏，其丙烷氣體會由于重力的緣故從設備底部的通風口逸散，當冷凝風機運行時，會加速丙烷的泄漏速度，不再局限于封閉狹小的空間內，從而降低可燃氣體的濃度，遠離爆炸下限。

4.3 避免出現(xiàn)點火源

丙烷屬于可燃性氣體，遇火、受熱都會使其燃燒或爆炸，因而，在應用R290設計商用冷柜時，要保障系統(tǒng)內部的開關和啟動器的密封性，設置可控硅（Silicon Controlled Rectifier，簡稱SCR）等靈敏度高、響應速度快的半導體開關，強化對系統(tǒng)內部氧化還原反應的識別，避免電火花的產(chǎn)生。除此之外，相關設計人員還要注重對風機性能的篩選、處理和養(yǎng)護，確保其在系統(tǒng)發(fā)生電機負載過大、拖動的機械故障、軸承損壞掃堂等情況時，仍然處于無火花的安全狀態(tài)，另外，商用冷柜的電氣接頭和燈座必須符合中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會聯(lián)合發(fā)布的《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》中的相關規(guī)定，避免出現(xiàn)點火源，消除在使用和操作過程中的安全風險。

4.4 減少點火源和可燃源

減少點火源和可燃源對于保障商用冷柜電源線路完好，規(guī)避爆炸風險具有正向的積極作用。首先，在安裝制冷管路的密閉空間內，禁止設置帶有“觸電閉合-斷開”功能的系統(tǒng)開關，這種開關在通電后，能夠迅速的產(chǎn)生電流磁場，以控制接觸器點動作，但其本身并不具備的本身不具備短路保護和過載保護能力，因而在條件的允許的情況下，盡可能不要將此類開關放置在靠近制冷管的封閉空間內。其次，在制冷間室內，要將電器件放置于較高的位置，以避免丙烷泄漏后，兩者的相互接觸，從而使R290制冷劑的濃度原理爆炸下限。當然，將電器件放置在最高的地方并不能完全消除安全隱患，只要丙烷發(fā)生泄漏就會存在安全風險。

4.5 加強指導用戶的正確使用

合理編制商業(yè)冷柜的指導說明，能夠有效規(guī)范消費者的使用行為，以增強其安全防范意識。首先，要在使用說明中增加“不要用刀具對制冷間室除霜”的警告，以避免人工使用金屬制品清理時的管路誤損，從而導致制冷劑泄漏，引發(fā)安全隱患。其次，要在箱體位置較為明顯的部位增加提示標簽“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1m3的空間”，從而有效控制R290的灌注量，使丙烷濃度遠離爆炸下限[3]。最后，要在商用冷柜的箱體和壓縮機上貼上醒目的易燃黃色警告標貼，提醒消費者在使用冷柜時，要遠離火源和易燃物體，以降低商用冷柜爆炸幾率。

5 結論

綜上所述，優(yōu)化制冷系統(tǒng)設計，強化安全防護措施，減小泄露量及提高泄露檢測和應對能力，能夠有效促進R290新型制冷劑的應用。