張賽 李揚 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)的試驗研究

張賽 李揚 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)展趨勢是采用天然制冷劑，本文對比了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R290應(yīng)用于大冷凍柜進行了試驗研究發(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

為保護人類生態(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。R290以其優(yōu)良的熱力性能、價格低廉、兼容性強、臭氧消耗潛值為0、全球變暖潛值很小的優(yōu)勢，受到制冷器具研發(fā)者越來越多的關(guān)注。

在中國市場，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壓縮機的COP值達到目前的2.1，由于R600a的容積制冷量較小，冷量大于300W的壓縮機制造起來比較困難，在這種情況下，一些天然工質(zhì)，如R290、CO2等受到越來越多的關(guān)注[1]。國內(nèi)外主要針對家用空調(diào)器和熱泵中R22的替代物以R290為代表進行了大量的研究[2]。國內(nèi)許多壓縮機廠家陸續(xù)推出了300～400W的R290壓縮機，一些知名制冷企業(yè)也對R290冷柜進行了研究[3,4]。

2 R290、R134a和R600a的熱力學(xué)性質(zhì)對比

近十幾年來，國內(nèi)外對CFCs的替代工質(zhì)進行了大量的研究，主要集中在含氟不含氯物質(zhì)（HFCs），非完全鹵化物質(zhì)（HCFCs）及碳氫類物質(zhì)（HCs）。目前，研究的純工質(zhì)替代主要有HFC-134a、HFC-152a及碳氫化合物R600a等。1992年，在世界綠色和平組織的支持和倡導(dǎo)下，德國利勃海爾、DDK、西門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，以碳氫化合物的易獲取、零ODP值和極低的GWP等優(yōu)勢成為眾家電廠家的研究熱點。

以R134a為冷媒的冷柜壓縮機潤滑油為酯類油，該類油具有極強的吸水性，且R134a對雜質(zhì)有高度敏感性，使得R134a冷柜管路系統(tǒng)及壓縮機必須要保持干燥、清潔的生產(chǎn)條件，制造維修難度較大，所以僅可作為過渡產(chǎn)品來使用。

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滑油完全兼容，維修過程與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發(fā)生燃燒和爆炸的潛在危險，因此對R600a引起的安全問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，目前國內(nèi)冷柜廠家已全部采用R600a，但其也存在致命的缺點：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，又稱丙烷，具有優(yōu)良的熱力性能，價格低廉，而且R290與普通潤滑油和機械結(jié)構(gòu)材料具有兼容性，ODP=0，GWP很小，不需要合成，不改變自然界碳氫化合物的含量，對溫室效應(yīng)沒有直接影響。丙烷的單位容積制冷量很大，很適合小型化壓縮機，是目前較好的環(huán)保替代品。R290低燃燒極限體積分數(shù)為2.1%，高燃燒極限體積分數(shù)為9.5%，燃點466℃，屬A3等級易燃易爆的制冷劑。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN-378規(guī)定，當(dāng)碳氫制冷劑的充注量小于150g時，可安全應(yīng)用于任何密閉的制冷系統(tǒng)而無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，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)試驗對比

3.1 R290制冷劑的優(yōu)缺點

優(yōu)點：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，對于環(huán)境保護有著很好的應(yīng)用前景。

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

由于目前R290壓縮機在冰箱冷柜行業(yè)中應(yīng)用屬于剛起步階段，對于壓縮機的可靠性以及壓縮機使用在整機上的可靠性方面需要進行大量充分的驗證。

表1 R290、R134a和R600a的熱力學(xué)性質(zhì)對比

表2 R600a與R290試驗數(shù)據(jù)

表3 R600a與R290在環(huán)溫38℃的儲溫試驗數(shù)據(jù)

表4 R600a與R290在環(huán)溫16℃的儲溫試驗數(shù)據(jù)

3.2 試驗系統(tǒng)

實驗室溫度和濕度均由計算機控制和采集，試驗樣機采用本公司415L的大冷凍柜，試驗測試所采用電器件如溫控器等均為防爆設(shè)計。測試標(biāo)準(zhǔn)參照最新國標(biāo)及企標(biāo)，測試項目包括冷卻速度、冷凍能力及耗電量等。冷卻速度按照T氣候類型，要求環(huán)境溫度32℃、濕度60%，試驗負載采用專用試驗測試包，試驗要求柜內(nèi)負載溫度在32±1℃，記錄柜內(nèi)最高溫度點達到-18℃的運行時間，即為冷卻速度時間；冷凍能力要求環(huán)境溫度32℃、濕度60%，冷凍負載包從32℃降至-18℃的平均溫度所用時間；耗電量測試環(huán)境為溫度32℃、濕度60%，溫度運行24小時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)一箱體進行測試，更換方案時為減小殘留制冷劑對系統(tǒng)的影響，要求每次更換方案時，用高純度氮氣吹洗系統(tǒng)30min，并嚴(yán)格控制真空度和充注量的精度。

3.3 試驗裝置

R600a制冷系統(tǒng)如圖1所示，是由壓縮機、冷凝器、毛細管及蒸發(fā)器組成。試驗中采用3臺415L型號的冷柜，R600a系統(tǒng)中直接更換R290制冷系統(tǒng)，進行對比試驗分析，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

3.4 試驗結(jié)果及對比分析

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℃）時間為89min左右，更換為R290制冷劑后，測試?yán)鋮s降溫時間為47min左右，是R600a降溫時間的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；通過冷凍能力的對比，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，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有增加。

采用本公司某415L大冷凍柜作為測試對象，通過試驗對比分析可知，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，如圖2所示。同時，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，該結(jié)論為具有速凍保鮮特點的R290大冷凍柜的發(fā)展提供了一定的理論指導(dǎo)和實際意義。

對該型號冷凍柜箱內(nèi)的儲藏溫度進行測試，表3和表4分別是該冷凍柜環(huán)境溫度分別在38℃和16℃時的測試試驗數(shù)據(jù)。

本公司某415型號大冷凍柜分別采用R600a和R290作為制冷劑，在環(huán)境溫度分38℃和16℃下對其進行試驗測試，其箱內(nèi)儲藏溫度如表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)果對深冷凍柜有一定的理論支持和實際價值。

圖1 R600a制冷系統(tǒng)

圖2 R600a與R290降溫速度及溫度曲線對比

4 結(jié)論及展望

對本公司某415型號大冷柜采用R600a和R290作為制冷劑的制冷系統(tǒng)進行了試驗測試對比分析，可知：

（1）試驗驗證了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）本文通過將R600a制冷系統(tǒng)與R290制冷系統(tǒng)對比，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；降溫速度比R600a所用時間減小一倍，這體現(xiàn)了R290速凍的特點。

（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，同時還降低了大冷凍柜的成本，若R290壓縮機大規(guī)模開發(fā)生產(chǎn)，降低制造費用，R290在大冷凍柜上將具有更大的優(yōu)勢。

[1] 錢文波等.小型低溫冷柜中替代制冷劑R290的實驗研究[C].中國制冷學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集，2009:1459-1462

[2] 周彥紅等.低溫工況下碳氫化合物替代R22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] 寧靜紅等.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