制冷劑R290的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

趙文祥孟 皓陳 霏

（1紅蘇省環(huán)境經(jīng)濟(jì)技術(shù)國際合作中心 江蘇南京 210036 2揚(yáng)州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 江蘇揚(yáng)州 225009）

引言

制冷劑由來已久，據(jù)J.M.Calm[1,2]描述，其發(fā)展可分為4個(gè)階段：第一階段[3,4]（1830-1930）的制冷劑原則上是能用即可，主要有醚類、CO2、NH3等溶劑和揮發(fā)性介質(zhì)，大多可燃，有毒或二者兼有，且有些具有強(qiáng)腐蝕性和不穩(wěn)定性，常發(fā)生事故。第二階段[1,4]（1931-1990）人們追求安全耐久的制冷劑，主要包括氟氯烴（CFCs）、含氫氯氟烴（HCFCs）等，如 CFC-12、HCFC-22（R22）等。雖具有熱力性能優(yōu)良、無毒、不燃、能適應(yīng)不同溫度區(qū)域等特點(diǎn)，但CFCs類制冷劑消耗臭氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）較高，會(huì)導(dǎo)致臭氧層破壞，增加溫室效應(yīng)；作為CFCs替代品的HCFCs雖有所改進(jìn)，但仍屬于消耗臭氧層物質(zhì)，會(huì)給地球環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重影響。為此，國際社會(huì)于1987年簽署《蒙特利爾議定書》，先后制定了CFCs與HCFCs淘汰條款。第三階段[1-2]（1991-2010）出現(xiàn)了以氫氟碳化物（HFCs）等為主的替代制冷劑，雖然對(duì)臭氧層無害，但仍具有較強(qiáng)的溫室效應(yīng)，已于2016年10月被納入《蒙特利爾議定書》基加利修正案，進(jìn)行相應(yīng)的削減限控。第四階段[1,2]（2010年之后）主要研發(fā)應(yīng)用零ODP、低GWP的第四代天然制冷劑，碳?xì)漕愇镔|(zhì)，如丙烷（R290）等為當(dāng)前主要候選物質(zhì)。R290作為我國空調(diào)行業(yè)制冷劑HCFC-22的主要替代品之一，許多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其在空調(diào)中的替代應(yīng)用，包括系統(tǒng)改良以及防火防爆等方面開展了大量研究。本文將對(duì)這些研究分析總結(jié)，旨在說明R290在制冷領(lǐng)域的研究進(jìn)展與替代可行性，并為后續(xù)研究及推廣應(yīng)用提供參考。

1 物性研究

1.1 基本熱力學(xué)性質(zhì)

此前空調(diào)行業(yè)主要采用R22為制冷劑，其熱力性能優(yōu)良，但ODP為0.055，GWP為1700，不僅對(duì)臭氧層有很強(qiáng)的破壞作用，且屬于超級(jí)溫室氣體，對(duì)環(huán)境的破壞作用極大。因此，根據(jù)《蒙特利爾議定書》的要求，到2030年，我國房間空調(diào)器行業(yè)將全面淘汰R22，僅保留少量用于維修。由表1可知，R290的基本熱力學(xué)性質(zhì)與R22很接近，且ODP為0，GWP只有3，是比較理想的R22替代物質(zhì)，唯一缺點(diǎn)是燃爆性。

表1 R290與R22基本熱力性質(zhì)

1.2 燃爆性研究

童明偉等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)R290發(fā)生爆炸危險(xiǎn)需滿足兩個(gè)條件：與空氣的混合濃度在2.5%-8.9%；溫度在810℃以上。然而在實(shí)際過程中，這兩種情況同時(shí)發(fā)生的幾率極小。因此只要在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中做好相應(yīng)的防備工作，在制冷機(jī)組中使用R290冷媒是安全可行的。張網(wǎng)等[7]通過20L球爆炸實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)現(xiàn)，R290在空氣中體積分?jǐn)?shù)為4%-6%時(shí)爆炸壓力較大。

郭春輝等[8]通過模擬R290空調(diào)器的泄露發(fā)現(xiàn)，對(duì)于安裝高度為2.8m、充注量為300g的壁掛式空調(diào)器，泄漏孔徑在0.7mm以下時(shí)，使用空間的R290濃度是安全的；對(duì)于地面擺放的整體式空調(diào)器，泄漏孔徑為0.2 mm及以上時(shí)，在高度0.75 m以下的局部空間會(huì)出現(xiàn)R290濃度超標(biāo)。因此，限制R290充注量、減少制冷劑泄漏時(shí)濃度超限、隔絕火源以及提高泄漏后安全防控能力等措施，可保證R290在房間空調(diào)器的安全使用。

1.3 與制冷系統(tǒng)的兼容性

R290的基本熱力性質(zhì)決定其可以作為冷媒，而與目前制冷系統(tǒng)的兼容性則影響其快速推廣應(yīng)用。劉玉東等[10]參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)溫度（130±1）℃、壓力（1.0-1.1）MPa的條件下對(duì) R290與制冷系統(tǒng)材料相容性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各試件顏色、形狀、質(zhì)量等各方面均無明顯變化，表明R290與銅、鐵、鋼、漆包線、潤滑油等材料有良好的相容性。

1.4 光化學(xué)煙霧反應(yīng)

使用R290的另一個(gè)問題是存在光化學(xué)煙霧污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。何國庚等[9]通過對(duì)光化學(xué)煙霧反應(yīng)的機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，氮氧化物的存在及其分解產(chǎn)生原子氧是光化學(xué)煙霧化學(xué)反應(yīng)的先決條件，碳?xì)浠衔飫t是形成光化學(xué)煙霧污染的中間環(huán)節(jié)。R290在制冷系統(tǒng)中灌裝量很小，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，參與光化學(xué)煙霧形成的能力較弱，因此使用R290冷媒不會(huì)對(duì)光化學(xué)煙霧形成產(chǎn)生明顯影響。

2 應(yīng)用研究

2.1 制冷性能研究

張振亞等[11]分別對(duì)R22兩種主要替代工質(zhì)R32和R290在空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)R32系統(tǒng)較R290系統(tǒng)具有較高的排氣溫度，壓比高7%左右，整體能效比低約3.7%。R290絕熱指數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大，可降低能耗，提高輸氣系數(shù)，且R290系統(tǒng)換熱器壓降小于R32系統(tǒng)，有助于提高系統(tǒng)的效率。

肖友元等[12]對(duì)R290在家用空調(diào)器中的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，R290分子量較小，粘度低，可大大減少系統(tǒng)回路的沿程阻力，且汽化潛熱值約為R22的1.84倍，可使用緊湊式換熱器，減少充注量，達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；R290絕熱指數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大，可降低能耗，相同配置的空調(diào)器能耗比，R290比R22高10%左右。

在大多數(shù)窗式空調(diào)中R290可以作為R22替代工質(zhì)，Teng T P 等[13]在不同室外溫度（26，29，32℃）及不同灌裝量（25%-70%）條件下在一臺(tái)制冷量為2.0KW的R22窗式空調(diào)中進(jìn)行R290的替代試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，R290冷媒的最佳灌裝量在原R22空調(diào)系統(tǒng)的50%╞55%之間，且能效比提高約20%。用R290替代R22的窗式空調(diào)可有效提升能效比并減少碳排放。

2.2 灌注量研究

為保證R290空調(diào)系統(tǒng)的安全性，并達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可減少R290的灌注量，保證即使發(fā)生制冷劑短時(shí)間全部泄露也不會(huì)發(fā)生事故。Corberán JM等[14]對(duì)R290充注量的優(yōu)化研究表明，制冷劑主要存在于蒸發(fā)器和冷凝器中，部分存在壓縮機(jī)部件里，極少部分在管路中。冷凝器與蒸發(fā)器的傳熱效果對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能影響很大。因此可減小換熱器管徑、優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)與流程組織，降低充注量，保證安全，提升能效。

賈慶賢等[15]分別對(duì)分體機(jī)充注R410A與R290進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用4mm管換熱器制冷量?jī)?yōu)于原5mm管換熱器，且充注量減少約20%，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。Cavallini A等[16]將采用微通道管殼式換熱器的100KWR290熱泵與傳統(tǒng)的板式換熱器進(jìn)行能效和灌注量進(jìn)行對(duì)比。研究表明，在不使用儲(chǔ)液器情況下，采用微通道管殼式換熱器可將R290的灌注量從3kg減少到2.2kg，而性能幾乎不變。

平行流換熱器是一種高效緊湊式微通道熱交換器，外形緊湊、換熱效率高。有研究表明，采用平行流換熱器的系統(tǒng)比管帶式換熱器的系統(tǒng)，更能有效降低灌注量，并提高能效比[16-18]。

2.3 防火防爆

研究發(fā)現(xiàn)，在保證制冷性能的前提下，R290的灌注量較少，且其燃點(diǎn)較高（468℃），燃燒極限為2.1%-9.5%，同時(shí)滿足爆炸條件的概率較低。為保證R290的制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行，可采用封閉的制冷系統(tǒng)；連接管路均采用焊接并改善管材及焊接工藝；減少灌注量；采用防爆電器；增加檢測(cè)儀等方式來防范R290的爆炸事故[9]。

冼志健[20]在R290家用空調(diào)器可靠性設(shè)計(jì)研究中指出，空調(diào)器在非工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)通過結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)使制冷劑盡量貯存在室外機(jī)內(nèi)，且只要在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格遵守相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，并在說明書等方面提示使用者注意按規(guī)范操作，R290作為家用空調(diào)器的制冷工質(zhì)是安全的。

2.4 生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀

我國是空調(diào)生產(chǎn)大國，隨著環(huán)保制冷劑的推廣，近幾年R290的應(yīng)用逐漸增多，具體見表2。

在國際上，歐盟國家中，德國、瑞典等國家支持把R290作為房間空調(diào)器行業(yè)制冷劑替代方案，特別是歐洲F-gas法案的實(shí)施，使得歐洲在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)中大量采用R290；在亞洲，鄰國印度也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了R290空調(diào)的市場(chǎng)化，印度本土空調(diào)制造商Godrej公司已經(jīng)累計(jì)銷售了超過25萬臺(tái)R290空調(diào)。

表2 國內(nèi)R290發(fā)展情況

結(jié)語

R290作為天然工質(zhì)，基本熱力學(xué)性質(zhì)與R22十分接近，同時(shí)具有ODP為0，GWP很低的環(huán)保特性以及獲取容易，成本低廉的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。因此，可作為R22的替代工質(zhì)。但由于其具有可燃性和爆炸性，發(fā)展受到限制。但通過大量研究發(fā)現(xiàn)：采用小管徑換熱器，優(yōu)化制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和流程回路，有效減少R290的灌注量；或采用封閉的制冷系統(tǒng)，改善運(yùn)行水平，開發(fā)匹配R290系統(tǒng)的專用電子元件及傳感器，在安裝、使用、維護(hù)過程中提升R290的檢測(cè)水平，均能有效防止R290泄露燃燒爆炸。

隨著人們環(huán)保意識(shí)不斷提高，使用天然節(jié)能環(huán)保的制冷劑是必然趨勢(shì)。未來應(yīng)著眼于R290的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的制訂以及包括運(yùn)輸和儲(chǔ)存在內(nèi)的安全性能研究。隨著R290應(yīng)用技術(shù)研究的不斷深入，使用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的完善，環(huán)保型制冷劑R290的前景十分廣闊。