環(huán)保制冷劑R290在四級自動復疊制冷系統中的應用

趙 巍 張 華 肖傳晶 劉紅紹 劉瑞希

(1上海理工大學制冷及低溫工程研究所 上海 200093)

(2艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(蘇州)有限公司 蘇州 215021)

(3丹佛斯自動控制管理(上海)有限公司 上海 200233)

環(huán)保制冷劑R290在四級自動復疊制冷系統中的應用

趙 巍1張 華1肖傳晶2劉紅紹3劉瑞希1

(1上海理工大學制冷及低溫工程研究所 上海 200093)

(2艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(蘇州)有限公司 蘇州 215021)

(3丹佛斯自動控制管理(上海)有限公司 上海 200233)

采用環(huán)保制冷劑R290取代R22應用于四級自動復疊制冷系統，理論模擬計算表明，R290與R22有較相似的熱物理性質，并且相同溫度條件下R290有更低的飽和壓力;相同壓力條件下具有更大的汽化潛熱，與R23組成非共沸混合工質能夠獲得更低的蒸發(fā)溫度。采用混合制冷劑R290/R23/R14/R50進行試驗，獲取了-142℃的理想低溫，冷量達到105 W。

自動復疊 環(huán)保制冷劑 R290 熱物性 混合工質 降溫特性

1 引言

隨著地球表面溫度逐年上升，遏制全球變暖的呼聲不斷高漲。2007年的《蒙特利爾議定書》中明確規(guī)定了選擇HCFCs替代物的優(yōu)先考慮原則:首先淘汰ODP值較高的HCFCs，在選擇替代品時應考慮最大可能減少對環(huán)境的影響，特別是對氣候的影響，要選用GWP值最小的工質作替代品。2009年底的哥本哈根會議之后，新一代零消耗臭氧潛能值(ODP)、零全球變暖潛能值(GWP)環(huán)保制冷劑的研究已成為全球挑戰(zhàn)性的緊迫任務［1］。自動復疊制冷系統因其單機壓縮、結構簡單、緊湊、可靠性高、成本低，成為實現-40—-160℃溫區(qū)的主要方式之一:一般-40—-80℃采用雙級自動復疊制冷系統;-80—-120℃采用三級自動復疊制冷系統;-100—-160℃采用四級自動復疊制冷系統［2］。R22屬于HCFCs類制冷劑，由于其優(yōu)良的傳熱性能和流動性能，常被作為多級自動復疊制冷系統的高溫級制冷劑［3-4］。為了順應節(jié)能環(huán)保的全球形勢，本文采用ODP、GWP均為0的環(huán)保制冷劑R290取代R22應用于四級自動復疊制冷系統中。

2 R290和R22比較分析

2.1 R290和R22熱物性比較

如表1所示，從標準沸點、臨界溫度來看，R290與R22具有接近的熱物性，為R290的成功取代奠定了基礎。同時，R290的汽化潛熱比R22高一倍以上，所以在相同條件下R290的充注量遠遠小于R22，約為R22的43%左右［5］。另外由于R290具有低的動力粘性系數和高的傳熱系數，采用R290開發(fā)的空調器較目前常用制冷劑的空調器，系統能效比有10%左右的提高［6］。

表1 R290、R22的主要熱物性參數Table 1 Thermal and physical property parameters of R290 and R22

圖1為運用REFPROP軟件擬合的R290、R22隨溫度變化的飽和蒸氣壓力曲線圖。從圖1中可以看出，在低溫區(qū)區(qū)段，二者的壓力曲線幾乎重合，說明在相同的低壓下R290能獲得和R22同樣的低溫;在中、高溫區(qū)區(qū)段，飽和蒸氣壓力 R290低于R22，這有利于降低壓縮機壓比、當系統低壓一定時，有利于降低壓縮機排氣壓力和排氣溫度，保障系統安全穩(wěn)定運行。

圖1 R290，R22隨溫度變化的飽和蒸氣壓力曲線圖Fig.1 Saturation vapor pressure changing withtemperature curve for R290 and R22

2.2 非共沸混合制冷劑R290/R23和R22/R23最低蒸發(fā)溫度比較

針對本文的四級自動復疊系統，分別選用R290和R22作為高溫級制冷劑進行理論計算分析，運用REFPROP軟件擬合出第一級復疊中主要混合工質組分R290/R23和R22/R23的壓力溫度特性曲線，分別取具有代表性的充注質量比例7:3、5:5、3:7，在不同壓力下，可以得到不同的最低蒸發(fā)溫度［7］，如圖2、3、4所示。從圖2、3、4中可以看出，無論是哪一種質量比例，R290/R23組合的最低蒸發(fā)溫度均低于R22/R23組合，因此，R290與R23組成的混合制冷劑更有利于冷凝蒸發(fā)器E2中對下一級低溫制冷劑的冷凝，降低高溫級制冷劑的充注量，有利于整個系統壓力的降低，促進后續(xù)低溫級制冷劑的充注。

圖2 R290/R23與R22/R23質量比例7:3最低蒸發(fā)溫度隨壓力變化曲線圖Fig.2 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 7:3 of R290/R23 and R22/R23

圖3 R290/R23與R22/R23質量比例5:5最低蒸發(fā)溫度隨壓力變化曲線圖Fig.3 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 5:5 of R290/R23 and R22/R23

圖4 R290/R23與R22/R23質量比例3:7最低蒸發(fā)溫度隨壓力變化曲線圖Fig.4 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 3:7 of R290/R23 and R22/R23

3 實驗調試

實驗系統如圖5所示，針對四級自動復疊制冷系統和-140℃的目標溫度，研究選擇R290/R23/R14/R50組成非共沸混合制冷劑，主要熱物性參數見表2。這4種制冷劑滿足多級自動復疊制冷劑選配原則:各組元之間互溶，但不形成共沸混合工質;有一定的沸點間距，間距在40—80℃范圍內［8］。

圖5 單級壓縮四級自動復疊制冷循環(huán)系統圖A.壓縮機;B.緩沖器;C.冷凝器;D.回熱器;E1—E5.冷凝蒸發(fā)器;F1—F3.第1—3級氣液分離器;G.干燥過濾器;H1—H5.毛細管;I.壓力控制閥;J.氣體旁通閥;T.膨脹容器;K.蒸發(fā)器;1—23.溫度測點。Fig.5 Diagram of single-compressor four-stage auto-cascade cycle system

在設計工況下，系統高壓定為2 MPa，低壓定為0.2 MPa，環(huán)境溫度35℃左右，按照模擬比例先后充入 R290、R23、R14、R50，實驗經過多次調試后出現如下實驗結果。

表2 混合工質組分主要熱物性參數Table 2 Thermal and physical properties parameters of mixed refrigerant components

3.1 吸氣溫度、排氣溫度、柜內溫度變化情況

圖6為壓縮機吸、排氣溫度，柜內空氣溫度隨時間變化情況。實驗在環(huán)境溫度35℃的環(huán)境室內進行。從圖6中可以看出開機之后，吸氣溫度從35℃迅速下降，初期有些溫度波動，并且由于環(huán)境溫度在系統運行210 min至360 min期間在30—38℃之間波動，導致了吸氣溫度在此期間圍繞-13℃做上下1—2℃的波動，6 h之后在-13℃左右穩(wěn)定運行，溫度波動不超過0.5℃。排氣溫度開機之后也以較快的速度上升，最高溫度達到125℃，隨后隨環(huán)境溫度變化在117—125℃之間波動，6 h之后穩(wěn)定在120℃。由于是停機之后再開機測試，柜內溫度還沒來得及恢復到環(huán)境溫度，所以柜溫的起始溫度為-16℃，系統運行至195 min開始降溫，至255 min因受環(huán)境溫度影響降溫速度減慢，6 h之后，穩(wěn)定在-142℃。

圖6 壓縮機吸、排氣溫度，柜內溫度，環(huán)境溫度變化圖Fig.6 Suction temperature and discharge temperature of compressor，freezer internal temperature and ambient temperature

3.2 吸、排氣壓力變化情況

系統采用泰康低溫壓縮機，能夠很好的適應開機壓力較高的情況。從圖7可以看出，開機后，吸氣壓力迅速下降至0.15 MPa，隨后小范圍內波動，6 h之后，穩(wěn)定在0.19 MPa。排氣壓力開機后迅速升高，最高壓力2.8 MPa，150 min后開始下降，下降至2.0 MPa后又隨環(huán)境溫度變化波動，6 h后穩(wěn)定在2.1 MPa，壓比11，與設計工況吻合的較好。

3.3 各級毛細管節(jié)流后降溫特性

圖8為各級節(jié)流后溫度變化情況。隨著開機運行，各級節(jié)流后溫度均在平衡溫度點穩(wěn)定段時間后開始降溫，其中第一級節(jié)流后溫度(測點9)最先到達穩(wěn)定溫度-70℃，然后依次是第二級節(jié)流溫度(測點11)-100℃，第三級節(jié)流后溫度(測點17)-132℃，蒸發(fā)器出口溫度(測點21)-143℃，符合各級溫度變化規(guī)律，前級的穩(wěn)定制冷是后級溫度下降的前提。同時各級節(jié)流后溫度受到環(huán)境溫度較大的影響。

圖7 壓縮機吸排氣壓力變化圖Fig.7 Suction pressure and discharge pressure of compressor

圖8 各級毛細管節(jié)流后降溫特性曲線Fig.8 Decreasing temperature characteristic curves of each capillaries after throttling

4 結論

理論模擬計算表明，R290與R22有較相近的熱物性，相同溫度條件下R290有更低的飽和壓力，相同的壓力條件下有更大的汽化潛熱，與R23組成非共沸混合工質能夠獲得更低的蒸發(fā)溫度，這些特性均說明R290能夠替代R22用作多級自動復疊制冷系統的高溫級制冷劑，并能獲得更好的制冷效果和更有利于系統安全穩(wěn)定運行。

實驗方面，在35℃的環(huán)境溫度下，充入混合制冷劑R290/R23/R14/R50進行實驗，獲取了-142℃理想低溫，系統高壓穩(wěn)定在2.1 MPa，低壓穩(wěn)定在0.19 MPa，制冷量達到105 W，表明R290作為高溫級制冷劑能達到理想低溫，取得好的制冷效果。

由于在實驗調試過程中引起了環(huán)境溫度的變化，導致吸、排氣壓力，吸排氣溫度產生波動，改變了各級毛細管節(jié)流后的降溫特性，從而影響了系統的降溫速度，延長了系統到達穩(wěn)定運行的時間。穩(wěn)定后排氣溫度達到120℃，稍稍偏高，后續(xù)的實驗工作可以對混合工質的質量配比進行微調，在不影響系統低溫的前提下，盡量降低排氣溫度，使系統能夠更加安全穩(wěn)定的運行。

1 楊 昭，吳 曦，尹海蛟，等.低溫室效應HCFCS替代物性能分析［J］.制冷學報，2011，32(1):1-6.

2 Walker G.Cry coolers，Part1:Fundamentals［M］.NewYork:Plenum Press，1983.

3 陸向陽，黃 森，張 華，等.R22/R23自動復疊制冷循環(huán)的特性研究［J］.低溫工程，2004(6):38-42.

4 黃 森，陸向陽，劉訓海，等.R22/R23自動復疊低溫冷柜的分析［J］.低溫與超導，2004，32(3):53-57.

5 鄭賢德.制冷原理與裝置［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

6 陳 偉，祁影霞，張 華.HCFCs制冷劑替代物研究進展及性能分析［J］.低溫與超導，2011，39(12):41-44.

7 趙 巍，張海東，張 華.一種五級自動復疊制冷系統的初步試驗研究［J］. 制冷學報，2011，32(1):28-32.

8 陸向陽，張 華，黃 森，等.R134a/R23自動復疊制冷循環(huán)的試驗研究［J］.低溫與特氣，2004，22(5):26-30.

Application of environment friendly refrigerant R290 in a four-stage auto-cascade refrigeration system

Zhao Wei1Zhang Hua1Xiao Chuanjing2Liu Hongshao3Liu Ruixi1
(1Institute of Refrigeration and Cryogenic，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)
(2Emerson Climate Technologies Co.，Ltd，Suzhou 215021，China)
(3Danfoss automatic controls management(Shanghai)Co.，Ltd，Shanghai 200233，China)

The environment friendly refrigerant R290 was applied in a four-stage auto-cascade refrigeration system to replace R22.Theoretical simulation shows that the refrigerant R290 has similar thermo-physical properties with R22，a lower saturation pressure under the same temperature and larger latent heat of evaporation than R22.The non-azeotropic refrigerant mixtures R290 combine R23 can get a lower evaporation temperature than R22 combine R23.Using the mixed refrigerants R290/R23/R14/R50 to take experiment，the ideal low temperature of-142 ℃ was got，the refrigerating capacity reached 105 W.

auto-cascade;environment friendly refrigerants;R290;thermo-physical property;mixed refrigerants;ecreasing temperature characteristics

TB657

A

1000-6516(2013)01-0034-04

2012-11-20;

2013-01-31

國家自然科學基金項目(No.51176124)、曙光跟蹤計劃項目(No.10GG21)資助。

趙 巍，女，38歲，博士研究生。