R290制冷劑在商用冷柜上的應用研究

劉英志，劉業鳳，卞偉,2，王志海,2

(1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200031；2-青島海爾特種電冰柜有限公司，青島 266101)

0 前言

隨著《蒙特利爾議定書》的簽訂執行，破壞臭氧層的CFCS已被禁止，HCFCS也即將被禁止使用。隨著人們環保意識的增強，人們非常重視溫室效應對氣候、環境的影響，人們開始倡導用自然制冷劑替換溫室效應較大的HCFC。R290作為一種自然制冷劑在全球得到了推廣，海爾集團在 2004年研發成功使用R290制冷劑的商用冷柜，2005年開始批量生產，到目前已全流程掌握了它的使用。

1 制冷劑R290的應用特性

制冷劑R290的特性與其它小型全封閉系統中常用的制冷劑有差異，如表1所示。因此在許多情況下需要不同的細節設計。

1.1 工作壓力

-25℃蒸發時，R290的工作壓力約為R134a的190%，R404A的 81%。因此蒸發器的設計必須與R404A類似。50℃冷凝時，R290約為 R134a的130%，R404A的74%，因此原系統為R404A的，管路的耐壓能力完全滿足R290的要求。根據多年驗證，φ8壁厚0.71 mm的鍍鋅鋼管可以滿足蒸發器的耐壓要求（5倍的丙烷20℃飽和壓力，即36.8bar），φ6壁厚0.71 mm的鍍鋅鋼管可以滿足冷凝器的耐壓要求。

表1 幾種制冷劑的參數

1.2 制冷劑充注

對于原來使用R134a或R404A制冷劑的制冷系統，如果蒸發器、冷凝器沒變化，R290的充注量約為它們的40%（經過多年驗證）。

根據標準要求，單個制冷循環系統R290制冷劑的最大允許充注量為150g。為了符合這一標準，設計時可以采取一些措施：a) 適當減小冷凝管路的內徑；b) 提高冷凝器的換熱效率，縮短冷凝器的長度；c) 提高蒸發器的換熱效率，減小蒸發器的容積。通過以上措施曾經將同意型號商用冷柜的灌注量從200g降到了130g。

2 材料的選擇

制冷劑R290與礦物油的互溶性很高，與聚酯類油的互溶性也很高，在Danfoss、Embraco等公司生產的R290壓縮機中使用了與R134a、R404A壓縮機一樣的聚酯類油。（特別提醒：雖然 R290與R600a都屬于易燃易爆的HC制冷劑，但其壓縮機用的潤滑油不同，在冷柜生產、維修時一定注意。）R290在制冷回路中為無活性化學物質，不會發生特定問題。直接的材料兼容性很少有問題，但在有些橡膠、塑料和特殊環保塑料已經發現了問題，不過這些材料通常不會出現在小型全封閉系統中。有些材料被一些測試人員報告有問題，特將它們列在表2中。對于臨界材料，必須針對特定用途進行測試。

表2 R290材料兼容性

對于小型商用冷柜，常用的干燥劑是分子篩，對于R290，建議使用孔徑大小為3埃米的材料，與R134a類似，可以使用XH9、XH11、XH7型的制冷劑分子篩。用于R134a的筆形干燥過濾器只要符合GB4706.13的要求就可以用于R290系統。實踐證明這樣使用沒有問題。

3 制冷系統節流裝置的選用

對于小型的商用制冷設備——商用冷柜，采用毛細管節流是一種經濟、可靠的方式，對于性能、規格相同的商用冷柜，毛細管的流量與R404A系統一樣即可。

根據丙烷的制冷特性，回氣適當過熱會提高系統的制冷效率，因此毛細管與回氣管需進行換熱，具體結構可完全借用R404A相近系統的。

經過多年驗證，原來是 R404A系統的商用冷柜，如果改成R290系統，制冷系統的主要零部件可直接使用。

4 易燃性與安全性

制冷劑R290的安全分類屬于A3級，屬于低毒性（可以認為是無毒的），但其具有高度可燃性（易燃性見表3），這對使用帶來危險，這就要求謹慎的處理和安全的防范。

表3 制冷劑R290的易燃性

由表3可知R290在廣泛的濃度范圍內都具有可燃性，因此對冷柜本身及冷柜的生產廠都有必要進行安全預防。如果發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生。

4.1 在冷柜設計中采取的安全措施

對于使用 R290制冷劑的冷柜必須要通過GB4706.13的相關測試，在設計過程中有以下方面規避危險。

4.1.1 減少制冷劑泄漏的措施

1）管路必須滿足耐壓要求。系統的高壓端必須經受3.5倍的丙烷70℃飽和壓力即87bar的壓力，低壓端必須經受 5倍的丙烷 20℃飽和壓力，即36.8bar。

2）管路的設計還要盡量減少焊點，減少焊漏的概率。

3）使用1.2中提到的方法減少制冷劑的充注量。

4）如果制冷系統較大，灌注量要超過150g，可以將其分解成兩個獨立的小系統，使每個小系統的灌注量都小于150g。

5）蒸發器最好不要有裸露在發泡層外部（箱體內部間室）的部分。這樣即使管路發生泄漏，跑到外面的速度將會大大減慢，使丙烷的濃度遠離爆炸下限。

4.1.2 避免泄漏的制冷劑聚集的措施

在安裝壓縮機、強冷凝器、風機等部件的機艙內，在底部要布置盡量多的通風孔，如圖1中的3，由于丙烷的分子量為44.1 kg/kmol，而空氣的平均分子量是29 kg/kmol，因此在相同情況下，丙烷的密度比空氣大，萬一在此空間內出現丙烷泄漏，丙烷會由于重力原因通過機艙底部的透空跑到冷柜外面，當冷凝風機運行時，會加速丙烷跑到冷柜外面，由于外部空間較大，會大大降低丙烷的濃度，遠離爆炸下限。

4.1.3 避免出現點火源的措施

1）溫度控制器、開關、化霜定時器、壓縮機的啟動器、熱保護器、繼電器等具有觸點閉合——斷開功能的開關必須是密封的，這樣即使產生電火花也不會和萬一泄漏的丙烷接觸而發生燃燒。

2）在一些必須使用開關的場所，可以選擇可控硅等半導體開關，避免出現電火花。

3）與制冷系統在一起的風機即使發生堵轉也必須是安全的、無火花的。

4）電氣接頭、燈座必須符合GB4706.13的要求，避免在使用或操作過程中出現火花。

4.1.4 減少點火源和可燃源的措施

1）在一個有制冷管路封閉的空間內，例如制冷間室內，禁止安裝具有觸點閉合——斷開功能的開關。即使這種開關是密封的，也最好不要安裝到這里。

2）在一定的有制冷管路的空間內，電器件的安裝位置盡量高一些，如圖1所示，溫控器、指示燈、壓縮機附件的位置較高。由于丙烷的分子量為44.1 kg/kmol，而空氣的平均分子量是29 kg/kmol，因此在相同情況下，丙烷的密度比空氣大，位置越高丙烷的濃度越小，萬一丙烷泄漏時，此處的丙烷濃度越遠離爆炸下限。當然丙烷與空氣間還會相互擴散，千萬不要認為安裝位置高一點就絕對安全了。

4.1.5 加強指導用戶的正確使用

有關使用的說明增加一些信息和警告，以便提醒仔細處理。

1）增加“不要用刀具對制冷間室除霜”的提示，同時配上用刀具除霜將管路弄破后制冷劑泄漏遇火后發生火災的漫畫。

2）在箱體容易被人看到的部位增加提示標貼“對于每冷柜 8g的制冷劑灌注量，冷柜使用（存放）的環境提供至少 1立方米的空間”。如果保證這樣使用，即使制冷系統內的丙烷全部泄漏，丙烷在空氣中的濃度僅大約為爆炸下限的20%，保證使用的安全。

3）與箱體及壓縮機上加貼圖2所示的R290易燃黃色標貼警告，人們在使用冷柜時要遠離火源，同時不要將火源帶到冷柜附近。

圖1 冷柜機艙布置圖（拆掉機艙格柵）

圖2 R290易燃黃色標簽警告

5 結論

經過多年的實際應用，在同樣一臺冷柜上，更換成R290系統后，與原來的R134a系統相比，制冷深度降低約1度，耗電量降低約10 %。在安全方面，嚴格按照設計規范及工藝流程執行，未發生一起起火或爆炸事件。R290制冷劑可以廣泛推廣。

[1] 丁國良,張春路,趙力編著. 制冷空調新工質(第1版)[M].上海:上海交通大學出版社,2003.

[2] GB 4706.13-2004, 家用和類似用途電器的安全 制冷器具、冰淇淋機和制冰機的特殊要求 [S].