葛住軍，王培文，宋衛(wèi)東，田立強

（康富（天津）有限公司，天津，300457）

自蒙特利爾議定書簽訂來，關(guān)于CFSs和HFCs替代物的廣泛研究一直沒有間斷。雖然目前新的替代工質(zhì)已經(jīng)開始商業(yè)化生產(chǎn)，但人們發(fā)現(xiàn)新的替代工質(zhì)并不能滿足“長期”替代物的要求，大部分新工質(zhì)都有較高的溫室效應(yīng)指數(shù)或者其它缺陷。因此，天然工質(zhì)的應(yīng)用引起了人們的重視，特別是對CO2（R744）制冷劑的利用。筆者公司作為飲料現(xiàn)調(diào)機行業(yè)的先行者，在戰(zhàn)略合作伙伴可口可樂公司的倡導下，在飲料現(xiàn)調(diào)機中率先開發(fā)應(yīng)用了CO2制冷劑系統(tǒng)，取得了良好的市場效應(yīng)。然而采用CO2作為制冷劑也有缺點，CO2高的臨界壓力和低的臨界溫度也給它作為制冷劑帶來了許多難題，無論亞臨界循環(huán)還是跨臨界循環(huán)，CO2作為制冷劑的主要缺點是其具有較低的臨界溫度(31.1℃)和較高的臨界壓力(7.37MPa)。特別是后者, 若采用跨臨界循環(huán)，CO2制冷系統(tǒng)的工作壓力最高可達10MPa，這給系統(tǒng)及部件的設(shè)計帶來許多新的要求。雖然這些問題可通過在系統(tǒng)及部件的設(shè)計和生產(chǎn)工藝來解決，但是CO2系統(tǒng)零部件的成本，供應(yīng)鏈問題以及應(yīng)用中特殊的維修問題，使CO2作為制冷劑在飲料現(xiàn)調(diào)機行業(yè)中的推廣應(yīng)用受到限制。與此同時另一種自然工質(zhì)R290在全球得到了推廣應(yīng)用，截至2015年底，中國房間空調(diào)器行業(yè)共完成19條R290房間空調(diào)器生產(chǎn)線和4條R290壓縮機生產(chǎn)線的改造，并已在國內(nèi)市場啟動了R290空調(diào)的市場化進程，制訂和修訂了R290空調(diào)生產(chǎn)、安裝、維修、運輸方面行業(yè)標準，并建成21個R290空調(diào)產(chǎn)品安裝維修培訓中心［1］。現(xiàn)調(diào)機行業(yè)也需要考慮R290系統(tǒng)，本文將對當前使用的兩種自然工質(zhì)特性，系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)缺點和實際生產(chǎn)維修應(yīng)用進行分析。

1 CO2和R290特性對比

CO2早在二十世紀初就已使用在工業(yè)與漁業(yè)的冷凍系統(tǒng)中，冷媒代號為R744。作為制冷工質(zhì),CO2具有許多優(yōu)勢。首先，從環(huán)境保護的角度講,CO2的ODP為0，GWP為1，遠遠小于CFCs和HFCs，是一種環(huán)境友好型工質(zhì)。其次，從工質(zhì)的熱物理性質(zhì)來看, CO2的蒸發(fā)潛熱大，單位容積制冷量高(0℃時達到22.6MJ/m3)，約為傳統(tǒng)制冷劑的58倍。CO2的運動黏度小，并且在低溫時也非常小，導熱系數(shù)高，液體密度和蒸氣密度的比值小，節(jié)流后各回路間制冷劑能夠分配得比較均勻。CO2這些優(yōu)良的流動和傳熱性能，可顯著縮小壓縮機和系統(tǒng)的尺寸，使整個系統(tǒng)非常緊湊。另外，CO2化學穩(wěn)定，無毒無害，不可燃，高溫下也不會分解出有毒氣體，并且CO2價格便宜，容易獲取，使用成本上具有良好的經(jīng)濟性［2］。

CO2也有缺點，研究表明，空氣中二氧化碳濃度低于2%時，對人沒有明顯的危害，超過這個濃度則可引起人體呼吸器官損壞，即一般情況下二氧化碳并不是有毒物質(zhì)，但當空氣中二氧化碳濃度超過一定限度時則會使肌體產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，高濃度的二氧化碳則會讓人窒息［3］。

R290即丙烷，屬于碳氫制冷劑，分子式C3H8，冷媒代號為R290，外觀無色的氣體，純品無臭，微溶于水，溶于乙醚、乙醇。R290是一種新型環(huán)保制冷劑，主要用于中央空調(diào)、熱泵空調(diào)、家用空調(diào)和其它小型制冷設(shè)備。R290制冷劑導熱系數(shù)高，分子量小，流動性好，輸送壓力更低，減小了壓縮機的負載。使用R290制冷劑，節(jié)能率可達1530%。R290的最主要的缺點就是可燃性，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險，爆炸上限9.5%(V/V)，爆炸下限 2.1%(V/V)，引燃溫度450～470℃ 。安全等級為A3［4］。兩種自然工質(zhì)的物性對比如表1所示。

表1 CO2和R290物性對比較［5］

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2 CO2和R290制冷系統(tǒng)設(shè)計差異

2.1 兩種制冷系統(tǒng)的配置

飲料的冷卻是通過獨立的封閉式冷卻盤管在低溫水浴中換熱實現(xiàn)?，F(xiàn)調(diào)機一般都使用小容量制冷系統(tǒng)，通過一定時間的初次結(jié)冰過程，形成冰板。形成冰板以后，系統(tǒng)將由冰板控制器維持冰板重量，所以初次結(jié)冰重量和時間，是衡量現(xiàn)調(diào)機制冷系統(tǒng)的重要指標，初次結(jié)冰過程和初次結(jié)冰結(jié)束前的制冷系統(tǒng)參數(shù)是現(xiàn)調(diào)機制冷系統(tǒng)設(shè)計的要點。

當前CO2制冷的研究和應(yīng)用主要集中于三個方面：一方面是汽車空調(diào)領(lǐng)域，由于制冷劑排放量大，對環(huán)境的危害也大，必須盡早采用對環(huán)境無危害的制冷劑；第二方面是熱泵熱水器，二氧化碳在超臨界條件下放熱存在一個相當大的溫度滑移，有利于將熱水加熱到一個更高的溫度

（65～95℃）；第三方面是考慮到二氧化碳良好的低溫流動性能和換熱特性，采用它作為復疊制冷循環(huán)低溫級制冷劑，可用于超市食品保鮮儲存和冷藏以及低溫冷凍冷藏（-25～-55℃）。應(yīng)用到現(xiàn)調(diào)機制冷系統(tǒng)采用CO2單級跨臨界制冷循環(huán)并使用套管式內(nèi)部回熱器，關(guān)于CO2和R290制冷系統(tǒng)已經(jīng)有許多學者進行過研究并有大量文獻，本文就已經(jīng)設(shè)計匹配完成的兩種系統(tǒng)進行對比。系統(tǒng)配置參數(shù)如表2所示。此次R290替代CO2制冷劑是在已經(jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品上做替代應(yīng)用，考慮零部件共用化和市場現(xiàn)存零部件通用化，除了R290可燃性要求的特殊設(shè)計外，R290其他零部件均使用原CO2系統(tǒng)的零部件, 如：蒸發(fā)器共用，冷凝器使用原來的氣體冷卻器，連結(jié)銅管重新設(shè)計。

表2 系統(tǒng)配置參數(shù)

2.2 兩種制冷系統(tǒng)在現(xiàn)調(diào)機中采取的安全措施

2.2.1 CO2制冷系統(tǒng)安全措施

CO2直接存在于人類的呼吸過程中，空氣中濃度超過2%則可引起人體呼吸器官損壞，在實際應(yīng)用時需要設(shè)置明顯的警示標志以便使現(xiàn)場受過訓練的工作人員能夠隨時意識到可能存在的安全性問題。目前，我國沒有專門針對二氧化碳制冷系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，從國家標準角度來講，還處于缺失狀態(tài)，只能參照類似壓力級別，安全等級規(guī)范。同時二氧化碳系統(tǒng)對水的要求也較高，國際上推薦二氧化碳的純度為99.9%以上，水含量小于0.1%?；谝陨螩O2的特點，CO2制冷系統(tǒng)設(shè)計時需要特別注意以下兩點：

（1）針對跨臨界單循環(huán)CO2制冷系統(tǒng)高壓側(cè)和低壓側(cè)壓力，制冷循環(huán)系統(tǒng)換熱器，連接管路，壓力開關(guān)的選型要保證系統(tǒng)的高壓設(shè)計壓力；

（2）針對CO2跨臨界制冷系統(tǒng)的高系統(tǒng)壓力的工作特點，制冷系統(tǒng)的真空度和焊接工藝是保證系統(tǒng)安全可靠的前提。

2.2.2 R290制冷系統(tǒng)的安全措施

R290制冷劑的安全分類屬于A3級，低毒性

（可以認為是無毒的），但其具有高度可燃性，這對使用帶來危險，這就要求謹慎的處理和安全的防范。R290在廣泛的濃度范圍內(nèi)都具有可燃性，因此對現(xiàn)調(diào)機本身及生產(chǎn)廠都有必要進行安全預防。如果發(fā)生事故必須同時滿足兩個基本條件，一是R290和空氣形成易燃混合物（R290濃度比例在爆炸下限與爆炸上限之間），另一個是足夠的能量級別或溫度的燃燒源。這兩個條件必須同時存在才能燃燒，因此必須確保這種組合不會發(fā)生。

對于使用R290制冷劑的現(xiàn)調(diào)機必須要通過IEC和GB的相關(guān)測試，在設(shè)計過程中注意以下幾點預防潛在的安全風險：

（1）必須減少制冷劑的充注量，如果制冷系統(tǒng)較大，灌注量要超過150g，可以將其分解成兩個獨立的小系統(tǒng)，使每個小系統(tǒng)的灌注量都小于150g。筆者公司根據(jù)現(xiàn)調(diào)機特點，將R290充注量要求控制在100g以下。這樣即使管路發(fā)生泄漏，擴散的到外部空間的R290將會減少，使R290的濃度遠離爆炸下限。

（2）避免泄漏的制冷劑聚集的措施：在安裝壓縮機、冷凝器、風機等零件的機艙位置，在底部要盡量多的布置通風孔，由于R290的分子量為44.1，而空氣的平均分子量約為29.0，因此在相同情況下，R290的密度比空氣大，在使用中如果發(fā)生泄漏，R290會由于重力原因通過機艙底部的通風孔擴散到機器外部，當冷凝風機運行時，會加速R290的擴散，由于外部空間較大，會大大降低R290的濃度，遠離爆炸下限。

（3）避免出現(xiàn)燃燒源的措施：開關(guān)、壓縮機的啟動器、熱保護器、繼電器等具有閉合和斷開觸點功能的開關(guān)必須是密封的，這樣即使產(chǎn)生電火花也不會和泄漏的R290接觸而發(fā)生燃燒。在一些必須使用開關(guān)的場所，可以選擇可控硅等半導體開關(guān)，避免出現(xiàn)電火花。與制冷系統(tǒng)在一起的風機即使發(fā)生堵轉(zhuǎn)也必須是安全的、無火花的。

為了避免這種危險，需要參照IEC 60335-2-24:2010標準（制冷器具、冰淇淋機和制冰機產(chǎn)品標準），對現(xiàn)調(diào)機內(nèi)部電氣元件部位布置測試點，考慮到風扇開啟和堵轉(zhuǎn)情況，分別在風機啟停兩種情況下進行測量，測量值不應(yīng)超過規(guī)定的制冷劑爆炸下限LEL的75%（爆炸下限：Lower Explosive Limited），且其測量值超過規(guī)定的制冷劑爆炸下限50%的持續(xù)時間不應(yīng)超過5分鐘。［6］本文所述現(xiàn)調(diào)機各點測試結(jié)果如表3所示，各點都滿足標準要求。

表3 R290冷媒泄漏濃度測試結(jié)果

3 兩種制冷系統(tǒng)整機測試數(shù)據(jù)對比

本文研究的現(xiàn)調(diào)機對制冷系統(tǒng)的設(shè)計要求：設(shè)計工況為40℃環(huán)境溫度，75%相對濕度，冰板重量12±0.5kg，初次結(jié)冰時間不超過10小時，水箱容積48L，使用制冷劑分別為CO2和R290。兩種制冷系統(tǒng)在同樣的測試環(huán)境下，整機性能和停機前制冷系統(tǒng)參數(shù)如表3和表4所示，使用消耗單位電量可形成冰板重量來衡量現(xiàn)調(diào)機制冷效率。

表4 兩種系統(tǒng)整機測試數(shù)據(jù)對比

從表4中兩種制冷系統(tǒng)在整機性能的測試結(jié)果來分析，R290系統(tǒng)單位電量冰板重量3.283 kg/kWh約為CO2系統(tǒng)的1.4倍。R290系統(tǒng)在初次結(jié)冰過程中最大輸入功率較CO2系統(tǒng)高45W。從表5中可以看到，在初次結(jié)冰過程停機時R290系統(tǒng)的輸入功率438W較CO2系統(tǒng)低約100W。初次結(jié)冰以后，水箱水溫將會一直保持在0℃度左右，售賣飲料時，冰板逐漸融化以保證水箱溫度，通過冰板控制器控制制冷系統(tǒng)周而復始的運行，系統(tǒng)參數(shù)基本維持在初次結(jié)冰過程停機時的狀態(tài)參數(shù)附近，蒸發(fā)溫度兩種系統(tǒng)基本接近，但從高壓側(cè)壓力和能耗方面，R290系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。

表5 初次結(jié)冰停機前制冷系統(tǒng)主要參數(shù)

4 結(jié)束語

經(jīng)過兩年的實際應(yīng)用，在同一平臺的飲料現(xiàn)調(diào)機上，更換成R290系統(tǒng)后，與原來的CO2系統(tǒng)相比，單獨對比制冷系統(tǒng)成本約有20% 的下降，并且單位電量可形成冰板重量比CO2系統(tǒng)高出40%以上，節(jié)能效果明顯。

本文所對比的使用了R290制冷系統(tǒng)的飲料現(xiàn)調(diào)機在商業(yè)化兩年后，制冷系統(tǒng)整體市場不良率和原有的R134a和CO2制冷系統(tǒng)具有相同水準。在安全性方面，嚴格按照設(shè)計規(guī)范及工藝流程執(zhí)行，未發(fā)生過一起燃燒或爆炸事件。綜上，相比于現(xiàn)有R134a和CO2制冷系統(tǒng)，R290制冷系統(tǒng)更適合應(yīng)用于飲料現(xiàn)調(diào)機上，作為一種天然工質(zhì)，不論從行業(yè)發(fā)展還是制造和供應(yīng)鏈成本方面考慮，現(xiàn)調(diào)機行業(yè)使用R290制冷系統(tǒng)將是大勢所趨。