R290應(yīng)用于家用冷柜制冷系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

張賽 李揚(yáng) 慶增武 張華偉

（美的冰箱事業(yè)部研發(fā)中心 安徽合肥 230601）

R290應(yīng)用于家用冷柜制冷系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

張賽 李揚(yáng) 慶增武 張華偉

（美的冰箱事業(yè)部研發(fā)中心 安徽合肥 230601）

大冷凍柜今后的發(fā)展趨勢(shì)是采用天然制冷劑，本文對(duì)比了R290與R134a、R600a的熱力學(xué)性質(zhì)，分析了R290替代R134a與R600a的可行性，并對(duì)R290應(yīng)用于大冷凍柜進(jìn)行了試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，降溫速度提高了一倍，冷凍能力是R600a的1.8倍。

R290；降溫速度；冷凍能力；大冷凍柜

1 引言

為保護(hù)人類(lèi)生態(tài)環(huán)境，制冷劑的發(fā)展經(jīng)歷了CFCs、HCFCs、HFCs及其他自然工質(zhì)的變化過(guò)程。目前，制冷劑的研究呈現(xiàn)多元化、區(qū)域化的發(fā)展趨勢(shì)。R290以其優(yōu)良的熱力性能、價(jià)格低廉、兼容性強(qiáng)、臭氧消耗潛值為0、全球變暖潛值很小的優(yōu)勢(shì)，受到制冷器具研發(fā)者越來(lái)越多的關(guān)注。

在中國(guó)市場(chǎng)，由于R600a工質(zhì)的出現(xiàn)，以節(jié)能為主題的家用冰箱冷柜上，R134a從2002年就逐漸讓位于R600a。R600a良好的熱力學(xué)性質(zhì)使R600a壓縮機(jī)的COP值達(dá)到目前的2.1，由于R600a的容積制冷量較小，冷量大于300W的壓縮機(jī)制造起來(lái)比較困難，在這種情況下，一些天然工質(zhì)，如R290、CO2等受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)家用空調(diào)器和熱泵中R22的替代物以R290為代表進(jìn)行了大量的研究[2]。國(guó)內(nèi)許多壓縮機(jī)廠家陸續(xù)推出了300～400W的R290壓縮機(jī)，一些知名制冷企業(yè)也對(duì)R290冷柜進(jìn)行了研究[3,4]。

2 R290、R134a和R600a的熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)比

近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)CFCs的替代工質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，主要集中在含氟不含氯物質(zhì)（HFCs），非完全鹵化物質(zhì)（HCFCs）及碳?xì)漕?lèi)物質(zhì)（HCs）。目前，研究的純工質(zhì)替代主要有HFC-134a、HFC-152a及碳?xì)浠衔颮600a等。1992年，在世界綠色和平組織的支持和倡導(dǎo)下，德國(guó)利勃海爾、DDK、西門(mén)子等幾家公司率先推出采用R600a或R600a/R290混合物為制冷劑的電冰箱，以碳?xì)浠衔锏囊撰@取、零ODP值和極低的GWP等優(yōu)勢(shì)成為眾家電廠家的研究熱點(diǎn)。

以R134a為冷媒的冷柜壓縮機(jī)潤(rùn)滑油為酯類(lèi)油，該類(lèi)油具有極強(qiáng)的吸水性，且R134a對(duì)雜質(zhì)有高度敏感性，使得R134a冷柜管路系統(tǒng)及壓縮機(jī)必須要保持干燥、清潔的生產(chǎn)條件，制造維修難度較大，所以?xún)H可作為過(guò)渡產(chǎn)品來(lái)使用。

R600a的全球變暖潛能值GWP為20（是R134a的GWP值的1.125%），臭氧層破壞潛能值ODP為0，無(wú)毒、制冷效率較高、與水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、與銅制管材和礦物潤(rùn)滑油完全兼容，維修過(guò)程與R12制冷劑基本相同。使用R600a作為制冷劑存在一旦制冷劑燃燒發(fā)生泄漏，且泄漏后的氣體遇火花會(huì)發(fā)生燃燒和爆炸的潛在危險(xiǎn)，因此對(duì)R600a引起的安全問(wèn)題必須予以特別的關(guān)注。而R600a從性能特性上占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)冷柜廠家已全部采用R600a，但其也存在致命的缺點(diǎn)：易燃易爆，其爆炸極限為1.8%～8.44%（容積比），遇明火極易引發(fā)事故。

R290制冷劑，又稱(chēng)丙烷，具有優(yōu)良的熱力性能，價(jià)格低廉，而且R290與普通潤(rùn)滑油和機(jī)械結(jié)構(gòu)材料具有兼容性，ODP=0，GWP很小，不需要合成，不改變自然界碳?xì)浠衔锏暮?，?duì)溫室效應(yīng)沒(méi)有直接影響。丙烷的單位容積制冷量很大，很適合小型化壓縮機(jī)，是目前較好的環(huán)保替代品。R290低燃燒極限體積分?jǐn)?shù)為2.1%，高燃燒極限體積分?jǐn)?shù)為9.5%，燃點(diǎn)466℃，屬A3等級(jí)易燃易爆的制冷劑。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN-378規(guī)定，當(dāng)碳?xì)渲评鋭┑某渥⒘啃∮?50g時(shí)，可安全應(yīng)用于任何密閉的制冷系統(tǒng)而無(wú)需采取任何安全措施[5]。

已有大量的研究證明了R290替代R134a具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，如R290冷凍能力是R134a的1.1倍，COP提高了24.7%[6]，因此本文主要研究R600a與R290在制冷系統(tǒng)中性能的差異。

3 R290和R600a制冷系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)比

3.1 R290制冷劑的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：R290具有優(yōu)良的熱力性能，單位質(zhì)量制冷量大，降溫速度快，有利于制冷器具系統(tǒng)的小型化；R290是一種綠色環(huán)保制冷劑，對(duì)于環(huán)境保護(hù)有著很好的應(yīng)用前景。

缺點(diǎn)：R290和R600a一樣易燃易爆，所以其充注量一般不超過(guò)150g；R290壓力較高，約是R600a的2.8倍，是R134a的1.5倍。因此，對(duì)于壓縮機(jī)可靠性和系統(tǒng)管路的強(qiáng)度要求較高，同時(shí)對(duì)于設(shè)備充注管路的建設(shè)也應(yīng)該進(jìn)行安全余量設(shè)計(jì)考慮。

由于目前R290壓縮機(jī)在冰箱冷柜行業(yè)中應(yīng)用屬于剛起步階段，對(duì)于壓縮機(jī)的可靠性以及壓縮機(jī)使用在整機(jī)上的可靠性方面需要進(jìn)行大量充分的驗(yàn)證。

表1 R290、R134a和R600a的熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)比

表2 R600a與R290試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 R600a與R290在環(huán)溫38℃的儲(chǔ)溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 R600a與R290在環(huán)溫16℃的儲(chǔ)溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室溫度和濕度均由計(jì)算機(jī)控制和采集，試驗(yàn)樣機(jī)采用本公司415L的大冷凍柜，試驗(yàn)測(cè)試所采用電器件如溫控器等均為防爆設(shè)計(jì)。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照最新國(guó)標(biāo)及企標(biāo)，測(cè)試項(xiàng)目包括冷卻速度、冷凍能力及耗電量等。冷卻速度按照T氣候類(lèi)型，要求環(huán)境溫度32℃、濕度60%，試驗(yàn)負(fù)載采用專(zhuān)用試驗(yàn)測(cè)試包，試驗(yàn)要求柜內(nèi)負(fù)載溫度在32±1℃，記錄柜內(nèi)最高溫度點(diǎn)達(dá)到-18℃的運(yùn)行時(shí)間，即為冷卻速度時(shí)間；冷凍能力要求環(huán)境溫度32℃、濕度60%，冷凍負(fù)載包從32℃降至-18℃的平均溫度所用時(shí)間；耗電量測(cè)試環(huán)境為溫度32℃、濕度60%，溫度運(yùn)行24小時(shí)消耗的電量即為其耗電量。為避免不同箱體的差異，采用統(tǒng)一箱體進(jìn)行測(cè)試，更換方案時(shí)為減小殘留制冷劑對(duì)系統(tǒng)的影響，要求每次更換方案時(shí)，用高純度氮?dú)獯迪聪到y(tǒng)30min，并嚴(yán)格控制真空度和充注量的精度。

3.3 試驗(yàn)裝置

R600a制冷系統(tǒng)如圖1所示，是由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管及蒸發(fā)器組成。試驗(yàn)中采用3臺(tái)415L型號(hào)的冷柜，R600a系統(tǒng)中直接更換R290制冷系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

從表2中可以觀察到，該大冷柜采用R600a制冷劑的灌注量為95g，而采用R290制冷劑的灌注量為90g，灌注量少于R600a；R600a制冷系統(tǒng)的冷凍降溫（32℃→﹣18℃）時(shí)間為89min左右，更換為R290制冷劑后，測(cè)試?yán)鋮s降溫時(shí)間為47min左右，是R600a降溫時(shí)間的0.5倍左右，這體現(xiàn)了R290制冷劑具有迅速降低溫度的能力；從箱內(nèi)溫度來(lái)看，采用R600a制冷劑可使箱內(nèi)溫度降低至-30℃左右，更換為R290后測(cè)試的箱內(nèi)溫度為-40℃左右，R290制冷系統(tǒng)比R600a制冷系統(tǒng)的溫度要低近10℃，這體現(xiàn)了R290較R600a具有深低溫制冷的特性；通過(guò)冷凍能力的對(duì)比，采用R600a制冷劑大冷凍柜的冷凍能力為28kg左右，更換為R290作為制冷劑時(shí)，該冷凍柜的冷凍能力為51kg左右，這顯示了R290制冷系統(tǒng)的冷凍能力是R600a制冷系統(tǒng)的1.8倍左右，該情況下耗電量幾乎沒(méi)有增加。

采用本公司某415L大冷凍柜作為測(cè)試對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析可知，采用R290作為制冷劑的制冷系統(tǒng)比采用R600a的制冷系統(tǒng)在耗電量相差不大的情況下具有快速冷凍、深低溫制冷以及超大冷凍能力的特點(diǎn)，如圖2所示。同時(shí)，表明R290制冷劑具有大制冷量、急速降溫以及深低溫制冷的優(yōu)點(diǎn)，該結(jié)論為具有速凍保鮮特點(diǎn)的R290大冷凍柜的發(fā)展提供了一定的理論指導(dǎo)和實(shí)際意義。

對(duì)該型號(hào)冷凍柜箱內(nèi)的儲(chǔ)藏溫度進(jìn)行測(cè)試，表3和表4分別是該冷凍柜環(huán)境溫度分別在38℃和16℃時(shí)的測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本公司某415型號(hào)大冷凍柜分別采用R600a和R290作為制冷劑，在環(huán)境溫度分38℃和16℃下對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，其箱內(nèi)儲(chǔ)藏溫度如表3和表4所示，可以明顯觀察到采用R290作為制冷劑，箱內(nèi)溫度更低，且更為均勻，這更有利于食品的保鮮，這一研究結(jié)果對(duì)深冷凍柜有一定的理論支持和實(shí)際價(jià)值。

圖1 R600a制冷系統(tǒng)

圖2 R600a與R290降溫速度及溫度曲線對(duì)比

4 結(jié)論及展望

對(duì)本公司某415型號(hào)大冷柜采用R600a和R290作為制冷劑的制冷系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析，可知：

（1）試驗(yàn)驗(yàn)證了R290綠色環(huán)保制冷劑應(yīng)用在大冷凍柜上的可行性，制冷系統(tǒng)達(dá)到甚至優(yōu)于R600a系統(tǒng)的。其中，其灌注量少于R600a的，采用防爆LED燈和控制制冷劑灌注量這些安全措施，R290在大冷凍柜上是有良好的應(yīng)用前景和較好的制冷性能。

（2）本文通過(guò)將R600a制冷系統(tǒng)與R290制冷系統(tǒng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用R290制冷系統(tǒng)灌注量低于R600a的，耗電量較高于R600a的，可忽略；冷凍能力是R600a的1.8倍，在冷凍能力方面具有較大的優(yōu)勢(shì)；降溫速度比R600a所用時(shí)間減小一倍，這體現(xiàn)了R290速凍的特點(diǎn)。

（3）大冷凍柜應(yīng)用R290作為制冷劑，不僅提高了大冷凍柜的制冷性能，同時(shí)還降低了大冷凍柜的成本，若R290壓縮機(jī)大規(guī)模開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，降低制造費(fèi)用，R290在大冷凍柜上將具有更大的優(yōu)勢(shì)。

[1] 錢(qián)文波等.小型低溫冷柜中替代制冷劑R290的實(shí)驗(yàn)研究[C].中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2009:1459-1462

[2] 周彥紅等.低溫工況下碳?xì)浠衔锾娲鶵22的制冷循環(huán)分析[J].制冷與空調(diào)，2001，1(6):25-28

[3] Rene Van Gerwan, Alan Gerrard, Fabio Robert i.Icecream cabinets using a hydrocarbon refrigerant: from technology concept to global rollout [C]. Interbational Institute of Refrigertion 8th Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids. Copenhagen,2008:103-110

[4] M.v.Beek, M.Janssen.R744 compared to R290 in small freezer application[C]. Interbational Institute of Refrigertion 8th Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids. Copenhagen,2008:944-971

[5] 寧?kù)o紅等.新型綠色環(huán)保制冷劑R290在電冰箱上的應(yīng)用[J].家電科技，2006,11:45-46

[6] 宋新洲等.R290在大容量臥式冷柜的性能試驗(yàn)研究[J].制冷技術(shù)，2001,4(31):10-15

Research on performance of the R290 cooling system in large volume cabinet freezer

ZHANG Sai LI Yang QING Zengwu ZHANG Huawei
(Refrigerator Division, Midea Refrigeration Group Hefei 230601)

Natural refrigerant is the future development trend for large volume cabinet freezer. Via comparisons of thermodynamic property of R290, R134a and R600a, we analyzed feasibility of substitution of R134a and R600a with R290. Performance test is also made on R290 in cabinet freezer, the rapid cooling rate is 2 times and the freezing capability is 1.8 times than R600a system.

R290; The rapid cooling rate; The freezing capability; Large volume cabinet freezer