何四發(fā) 徐延輝 孫士杰 姚平靈
華意壓縮機(jī)股份有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333001
制冰機(jī)是一種將水通過(guò)蒸發(fā)器由制冷系統(tǒng)制冷劑冷卻后生成冰的制冷機(jī)械設(shè)備。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平不斷提高,用冰的行業(yè)越來(lái)越廣,對(duì)冰的質(zhì)量要求越來(lái)越高,對(duì)制冰機(jī)的“高性能”、“低故障率”、“衛(wèi)生性”等要求越來(lái)越迫切。2015年1月1日,歐盟正式實(shí)施關(guān)于氟化氣體(Fgas)的新法規(guī)Regulation(EU)No517/2014,商用制冷設(shè)備使用的制冷劑GWP>2500,將在2020年禁止使用,因此尋找一種新的替代制冷劑是當(dāng)務(wù)之急[1]。由于R290制冷劑ODP=0,GWP=3,且獲得美國(guó)EPA SNAP(環(huán)保署重大新替代品政策)的批準(zhǔn),列為全球制冷劑的理想替代品,因此R290為商用制冰機(jī)理想替代制冷劑。本文主要探討R290替代R134a在商用制冰機(jī)研究。
從表1輕型商用制冷劑特性重要性表述、表2輕型商用制冷劑特性綜合評(píng)價(jià)來(lái)看,目前來(lái)說(shuō)R290制冷劑已成為輕型商用制冷替代R134a、R404A的最佳選擇。R290工質(zhì)(丙烷)為碳?xì)浠衔?,由于是天然存在的物質(zhì),屬于自然制冷劑,該工質(zhì)的臭氧耗減潛能值ODP為0,全球暖化潛值GWP值很低,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害,是一種完全環(huán)保的制冷制,完全滿足歐盟關(guān)于氟化氣體(Fgas)的新法規(guī)。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,R290的單位容積制冷量較大,很適合于小型往復(fù)、旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)[2]。
目前商用制冰機(jī)大都使用R134a和R404A制冷劑,但由于歐盟新法規(guī)將實(shí)施,該2種制冷劑即將被淘汰。因此各大商用制冰機(jī)廠家都在研究R290替代R134a和R404A制冷劑,以一款ZB*-95制冰機(jī)為例,匹配相同制冷量R134a壓縮機(jī)A和R290壓縮機(jī)B制冰量對(duì)比見表3。從表3測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看:相同制冷量R290和R134a壓縮機(jī)匹配同一款制冰機(jī),壓縮機(jī)排氣量減少43.8%,制冷劑充注量減少65.2%,一個(gè)完整制冰周期時(shí)間減少18.8%,24h制冰量增加37.8%。這主要得益于R290制冷劑優(yōu)良特性,壓縮機(jī)排氣量減少,可靠性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。
通過(guò)該款制冰機(jī)的研究分析,制冷系統(tǒng)替換過(guò)程中相關(guān)制冷部件需做相應(yīng)調(diào)整:
(1)在冷凝面積方面,原R134a系統(tǒng)冷凝器的冷凝面積在性能上可以滿足R290系統(tǒng)冷凝面積要求,但推薦冷凝器散熱方式選用風(fēng)冷冷凝器;在蒸發(fā)面積方面,原R134a系統(tǒng)蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積在性能上可以滿足R290系統(tǒng)蒸發(fā)面積要求[3];
(2)R290單位質(zhì)量制冷量約為R134a的190%,因此在兩器及壓縮機(jī)參數(shù)基本相同的情況下,R290充注量要少的多;
(3)R290沸點(diǎn)低,替代R134a需要換小直徑毛細(xì)管或加長(zhǎng)毛細(xì)管,在相同制冷量情況下,系統(tǒng)的循環(huán)流量小,一般情況下R290和R134a系統(tǒng)可以使用同一規(guī)格毛細(xì)管,推薦長(zhǎng)度增加10%~20%,R290系統(tǒng)毛細(xì)管和回氣管回?zé)釗Q熱長(zhǎng)度應(yīng)不小于R134a系統(tǒng)回?zé)釗Q熱長(zhǎng)度[4];
(4)由于R290壓縮機(jī)潤(rùn)滑油為酯類油,且酯類油相比礦物油吸水性更強(qiáng),應(yīng)用于R290制冷系統(tǒng)時(shí)充注量相對(duì)較大,所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)過(guò)濾器分子篩充注量相應(yīng)增加[5];
(5)R290制冷劑是易燃易爆制冷劑,應(yīng)選用防爆型溫控器。
由于生產(chǎn)成本控制需要,制冰機(jī)脫冰主要采用熱氣除霜來(lái)實(shí)現(xiàn)脫冰,因此制冰機(jī)壓縮機(jī)可靠性也成為各大廠商共同關(guān)注焦點(diǎn)。熱氣除霜過(guò)程中由于壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸汽通過(guò)電磁閥直接進(jìn)入蒸發(fā)器再返回壓縮機(jī),因此壓縮機(jī)存在一定的液擊風(fēng)險(xiǎn)。液擊易導(dǎo)致制冰機(jī)壓縮機(jī)閥片破裂,對(duì)制冰機(jī)壓縮機(jī)產(chǎn)生不可修復(fù)的損壞。但在增加儲(chǔ)液器、壓縮機(jī)吸氣與工藝管互換、正確的壓縮機(jī)選型,以及準(zhǔn)確的制冷劑充注量,制冰機(jī)壓縮機(jī)液擊可以很大程度避免,可以保證利用熱氣除霜的制冰機(jī)性能可靠[6]。
B壓縮機(jī)匹配ZB*-95制冰機(jī)(吸氣管與工藝管互換),40℃環(huán)溫、35℃水溫經(jīng)過(guò)100天長(zhǎng)運(yùn),長(zhǎng)運(yùn)期間盡可能讓壓縮機(jī)不停機(jī)(等效工作壽命約為2400h×2.5×2=30000h≈3.42年),驗(yàn)證壓縮機(jī)在有液體制冷劑情況下,運(yùn)動(dòng)副潤(rùn)滑狀況變差及所受負(fù)載變大對(duì)壓縮機(jī)機(jī)械部件的損壞情況。長(zhǎng)運(yùn)試驗(yàn)結(jié)束后,開殼檢查B壓縮機(jī)零部件正常,從圖1來(lái)看,壓縮機(jī)吸、排氣閥片正常,未出現(xiàn)閥片破裂、閥口積炭等現(xiàn)象,其他主要零部件曲軸、活塞、電機(jī)絕緣層等也未見異常損壞,活塞與氣缸、曲拐與連桿大頭、活塞銷與連桿小頭等配合面磨損正常。
雖然制冰機(jī)利用熱氣除霜很容易導(dǎo)致壓縮機(jī)液擊,但在保證合適的制冷劑充注量、增加適當(dāng)?shù)膬?chǔ)液器(或吸氣管與工藝管互換)、正確的壓縮機(jī)選型等前提下,制冰機(jī)壓縮機(jī)液擊可以很大程度避免,可以保證利用熱氣除霜的制冰機(jī)性能可靠。
R290具有易燃易爆的特性。因此,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中采取相應(yīng)的保護(hù)措施,必須采用防爆電器。如采用非火花電器件,防爆風(fēng)扇電機(jī)、防爆電子膨脹閥和溫控器、防爆LED燈等電器件,外部接線方式,控制充注量(IEC要求最大充注量不能超過(guò)150g)等安全措施。為了避免制冷劑的泄漏現(xiàn)象,應(yīng)盡量減少焊點(diǎn)數(shù)量。確保壓縮機(jī)倉(cāng)通風(fēng)良好,防止風(fēng)機(jī)、冷凝器、壓縮機(jī)等部位的制冷劑泄漏,從而降低燃燒和爆炸的可能性。只要做到了以上幾點(diǎn)要求,可燃性的R290作為制冷劑的安全性就能大大提高,其可燃爆炸性便不會(huì)成為選擇替代工質(zhì)的障礙。R290的可爆性必須有2個(gè)條件疊加在一起,即810℃的起爆溫度和空氣的混合濃度在2.5%~8.9%,在現(xiàn)實(shí)使用中,2個(gè)小概率事件同時(shí)發(fā)生的概率幾乎為0,因此R290在系統(tǒng)中的循環(huán)是安全的。
表1 輕型商用制冷劑特性重要性表述
表2 輕型商用制冷劑特性綜合評(píng)價(jià)
表3 A和B制冰量對(duì)比
根據(jù)R290工質(zhì)的特性,在使用R290替代R134a時(shí),體現(xiàn)出比R134a更為優(yōu)越的性能和效率,而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小。在商用制冰機(jī)制冷系統(tǒng)匹配中,毛細(xì)管流量和系統(tǒng)制冷劑充注量需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,使R290能夠在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行,以滿足制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要。
本文從R290、R134a、R404A制冷劑特性,分析了R290制冷劑在商用制冰機(jī)使用替代趨勢(shì)。通過(guò)分析R290與R134a制冰機(jī)測(cè)試對(duì)比,論證了用R290替代R134a的可行性。在使用R290替代R134a時(shí),體現(xiàn)出R290比R134a更為優(yōu)越的性能和效率,對(duì)系統(tǒng)整體性能有提升。由于本文僅對(duì)目前部分在使用R290制冷劑壓縮機(jī)進(jìn)行針對(duì)性研究,旨在拋磚引玉,希望能夠引發(fā)行業(yè)內(nèi)更多的研討。