吳曉麗 蔡寧 蔣皓靜

（中國(guó)家用電器研究院 北京 100053）

1 前言

隨著全球環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng),尋找新的環(huán)境友好型天然制冷劑,替代對(duì)臭氧層有破壞作用并能產(chǎn)生溫室效應(yīng)的CFCs、HCFCs制冷劑成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。CO2是一種天然工質(zhì)，既不破壞臭氧層，溫室效應(yīng)又低，而且無(wú)毒、不可燃，并具有單位容積制冷量高等優(yōu)點(diǎn)，隨著近幾年跨臨界制冷系統(tǒng)的發(fā)展，二氧化碳作為天然制冷劑又重新被應(yīng)用到制冷器具當(dāng)中。但由于CO2工質(zhì)的高臨界壓力和低臨界溫度特性，其運(yùn)行壓力將高于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和部件提出更高的要求來(lái)保證其安全運(yùn)行。

現(xiàn)行的GB 4706.13-2008《家用和類似用途電器的安全制冷器具、冰淇淋機(jī)和制冰機(jī)的特殊要求》標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有專門(mén)的內(nèi)容來(lái)考核跨臨界制冷系統(tǒng)的安全性能，考慮到這一點(diǎn)，我們?cè)谡谛抻喌腉B 4706.13-201X草案中增加了針對(duì)跨臨界制冷系統(tǒng)尤其是CO2跨臨界制冷系統(tǒng)的相應(yīng)考核內(nèi)容，來(lái)保證跨臨界制冷系統(tǒng)的安全性能。

2 標(biāo)準(zhǔn)制定原則及安全要求

2.1 標(biāo)準(zhǔn)制定原則

在跨臨界制冷系統(tǒng)滿足GB 4706.13現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)安全要求的同時(shí)，又針對(duì)跨臨界制冷系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，制定了一些特殊的要求。

跨臨界制冷系統(tǒng)與非跨臨界制冷系統(tǒng)相比，主要存在如下差異：

1）跨臨界循環(huán)。跨臨界制冷系統(tǒng)的高壓側(cè)處于超臨界狀態(tài)，低壓側(cè)處于亞臨界狀態(tài)，而常規(guī)的制冷系統(tǒng)高、低壓側(cè)均處于亞臨界狀態(tài)；

2）運(yùn)行壓力高。如表1所示，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)高壓側(cè)最高允許壓力可達(dá)14MPa，而非跨臨界制冷系統(tǒng)既使壓力較高的R410A，高壓側(cè)最高允許壓力一般不超過(guò)4.6MPa。運(yùn)行壓力過(guò)高，使得壓縮機(jī)、冷卻器、連接管路等部件要處于高壓下工作，而且加大了制冷劑外泄的可能性，因此，對(duì)設(shè)備的力學(xué)性能、制作工藝等都提出了更高的要求。

3）排氣溫度高?？缗R界制冷系統(tǒng)的排氣最高溫度范圍可達(dá)125℃-164℃，而非跨臨界制冷系統(tǒng)使用的壓縮機(jī)最高排氣允許溫度一般不高于125℃；

4）雙級(jí)壓縮系統(tǒng)。由于跨臨界制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力高，雖然壓縮比不大，但高、低壓側(cè)的壓力差較大，部分系統(tǒng)采用雙級(jí)壓縮措施。因此確定壓力安全措施時(shí)，需要考慮中壓側(cè)壓力安全問(wèn)題。

針對(duì)上述差異，在GB 4706.13的修訂稿中分別從定義、標(biāo)志和說(shuō)明、結(jié)構(gòu)、元件等章節(jié)增加了相應(yīng)的內(nèi)容來(lái)考核跨臨界制冷系統(tǒng)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)安全要求

2.2.1 定義

定義中給出了跨臨界制冷系統(tǒng)、氣體冷卻器、設(shè)計(jì)壓力、爆破片、壓力釋放裝置等一系列與跨臨界制冷系統(tǒng)相關(guān)的定義。

跨臨界制冷系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是工質(zhì)的吸、放熱過(guò)程分別在亞臨界區(qū)和超臨界區(qū)進(jìn)行。壓縮機(jī)的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度也低于臨界溫度，循環(huán)的吸熱過(guò)程仍在亞臨界條件進(jìn)行，換熱過(guò)程主要依靠潛熱來(lái)完成。但壓縮機(jī)的排氣壓力高于臨界壓力，工質(zhì)的冷凝過(guò)程與亞臨界狀態(tài)完全不同，換熱過(guò)程依靠顯熱來(lái)完成。因此高壓側(cè)的換熱器被稱作氣體冷卻器，在氣體冷卻器中，二氧化碳工作在超臨界狀態(tài)，始終處于氣態(tài)，并不發(fā)生一般冷凝器中的冷凝液化過(guò)程。受二氧化碳物性的制約，空氣冷卻器中制冷劑側(cè)壓力很高。設(shè)計(jì)壓力為制冷系統(tǒng)高壓側(cè)的儀表壓力；壓力釋放裝置是跨臨界制冷系統(tǒng)中當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)自動(dòng)釋放壓力的安全裝置，爆破片是壓力釋放裝置的一種。

表1 制冷劑高低壓側(cè)最大允許壓力及壓縮機(jī)最小試驗(yàn)壓力

2.2.2 標(biāo)志和說(shuō)明

清晰明了的標(biāo)志說(shuō)明對(duì)安全尤為重要，尤其對(duì)使用者或相關(guān)的安裝、維修人員可以起到提醒、警示的作用。因此，新的標(biāo)準(zhǔn)草案中針對(duì)跨臨界制冷系統(tǒng)的壓力過(guò)高的特點(diǎn)而要求在器具、銘牌和說(shuō)明書(shū)上提供相應(yīng)的警示語(yǔ)，具體如下：

1）對(duì)跨臨界制冷系統(tǒng)中使用R744的器具應(yīng)在器具上以及說(shuō)明書(shū)中標(biāo)明下述內(nèi)容：“警告：制冷系統(tǒng)包含高壓狀態(tài)的制冷劑。不得破壞制冷系統(tǒng)。系統(tǒng)的維修必須由專業(yè)人員來(lái)進(jìn)行?！?/p>

2.2.3 結(jié)構(gòu)

為了確?？缗R界制冷系統(tǒng)在系統(tǒng)出現(xiàn)異常高壓時(shí)能夠通過(guò)正常釋放二氧化碳來(lái)確保系統(tǒng)的安全，而對(duì)采用跨臨界制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)提出了新的要求。

表2 最小測(cè)試壓力

1）要求在制冷系統(tǒng)的高壓側(cè)，壓縮機(jī)上或壓縮機(jī)與氣體冷卻器之間應(yīng)裝有一個(gè)壓力釋放裝置，且在壓縮機(jī)與壓力釋放裝置之間除了管道外不應(yīng)有導(dǎo)致壓力降低的斷開(kāi)裝置或元件。

2）為保證壓力釋放裝置能夠正常工作，應(yīng)滿足如下條件：

a)壓力釋放裝置應(yīng)安裝在釋放制冷劑時(shí)不會(huì)對(duì)使用者造成危害的位置，孔徑應(yīng)確保正常使用中不被堵塞；

b)壓力釋放裝置不能被用戶設(shè)置；

c)壓力釋放裝置不應(yīng)高于高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力。（高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力應(yīng)≥14MPa）

3）制冷系統(tǒng)包括所有元件應(yīng)能經(jīng)受正常使用、非正常使用及靜止?fàn)顟B(tài)下可能產(chǎn)生的壓力。通過(guò)下述壓力試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足要求。

壓力試驗(yàn)：選擇一個(gè)完整的制冷系統(tǒng)，試驗(yàn)在高壓側(cè)和低壓側(cè)分別進(jìn)行。使壓力釋放裝置不工作，壓力逐漸升高至不小于表2的壓力，壓力持續(xù)1min，部件不應(yīng)泄漏。

注：對(duì)于在高低壓側(cè)之間中間壓力的制冷系統(tǒng)，所有部件承受的中間壓力被視為低壓側(cè)。

2.2.4 元件

1)增加了跨臨界制冷系統(tǒng)的壓力釋放裝置循環(huán)次數(shù)的要求：

a)爆破片式壓力釋放裝置，需提供3個(gè)單獨(dú)的樣品，且爆破片在每個(gè)樣品上都以相同的方式運(yùn)行，循環(huán)次數(shù)1次；

b)電子式壓力釋放裝置，若為自動(dòng)控制，則循環(huán)次數(shù)30000次；或?yàn)槭謩?dòng)復(fù)位，則循環(huán)次數(shù)300次。

2)電子式壓力釋放裝置應(yīng)滿足GB 14536.7且應(yīng)為2B（即要求該壓力釋放裝置為微斷開(kāi)操作，且規(guī)定了操作值、操作時(shí)間或操作程序的制造偏差和漂移）和2N型（要求該壓力釋放裝置對(duì)于敏感動(dòng)作，不應(yīng)有由于敏感元件本身或與其相連的分?jǐn)嘌b置部件泄漏而引起的操作值的增加）；應(yīng)有一個(gè)2E型自由托扣裝置（即在故障條件下，不會(huì)阻礙觸頭打開(kāi)，也不會(huì)保持觸頭閉合，以防止故障持續(xù)的自由托扣機(jī)構(gòu)）；不應(yīng)有正向偏差和漂移。

3)不屬于GB 14536.7范圍的機(jī)械式壓力釋放裝置運(yùn)行壓力不應(yīng)超過(guò)裝置設(shè)定值的+10%。

4)沒(méi)有通過(guò)ISO 4126-2認(rèn)證的爆破片式壓力釋放裝置，應(yīng)隨整機(jī)進(jìn)行ISO 4126-2中14.3.4的試驗(yàn)。即將爆破片式壓力釋放裝置安裝在位，使入口壓力增加至最小爆破壓力的90%并維持至少5s，然后在不超過(guò)120s的時(shí)間里線形增加入口壓力直至爆破片式壓力釋放裝置爆破。

5)所有壓力釋放裝置元件上應(yīng)標(biāo)注制造商或責(zé)任承銷商的名稱、商標(biāo)或識(shí)別標(biāo)志以及型號(hào)名稱或系列號(hào)。

6)壓力釋放裝置應(yīng)能釋放足夠量的制冷劑，使得釋放制冷劑時(shí)的壓力即使在壓縮機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)也不會(huì)增大到超出壓力釋放裝置設(shè)定壓力值。

3 小結(jié)

CO2制冷劑的應(yīng)用前景是十分樂(lè)觀的?？煽诳蓸?lè)公司目前已經(jīng)在花巨資研制以CO2為制冷劑的零售冷藏設(shè)備，隨著技術(shù)的不斷提高，相信不久的將來(lái)CO2制冷系統(tǒng)將會(huì)更廣泛的應(yīng)用在家用制冷器具上。

此次標(biāo)準(zhǔn)修訂，增加對(duì)跨臨界制冷系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和元件安全性的特殊要求，通過(guò)進(jìn)行相應(yīng)的安全性檢驗(yàn)，使器具在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)也保證使用者的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

希望通過(guò)本文的介紹，使生產(chǎn)跨臨界制冷系統(tǒng)的電冰箱企業(yè)了解新版標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)階段就考慮標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求，為將來(lái)順利通過(guò)CCC認(rèn)證做好準(zhǔn)備。

[1]GB 4706.13-201X《家用和類似用途電器的安全 制冷器具、冰淇淋機(jī)和制冰機(jī)的特殊要求》

[2]GB 4706.17-2010《家用和類似用途電器的安全 電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)特殊要求》

[3]丁國(guó)良，黃冬平.二氧化碳制冷技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版