碳氫化合物及其混合物應用于小型商業冷柜的實驗研究

王玄坤，錢文波，晏剛

（1-北京市豐臺區房屋經營管理中心供暖設備服務所，北京 100069；2-西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安 710049）

碳氫化合物及其混合物應用于小型商業冷柜的實驗研究

王玄坤*1，錢文波2，晏剛2

（1-北京市豐臺區房屋經營管理中心供暖設備服務所，北京 100069；2-西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安 710049）

為了解決目前應用于低溫冷柜的制冷劑環保問題，本文對碳氫化合物應用于低溫冷柜以替代R404A等傳統的低溫制冷劑進行了研究。本文編寫了制冷劑循環性能程序，比較了R404A、R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）在低溫工況下的熱力學循環性能。基于商業冷柜SRL-CD2075HA，實驗研究了R290及其二元混合物的最佳沖灌量和降溫速度。結果表明：R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的循環性能系數優于R404A，其系統耗功也比R404A系統低；R404A、R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的最優充灌量分別為600 g、250 g、235 g和440 g。在同等條件下，R290及其二元混合工質完全可以達到R404A的制冷效果。

R290；循環性能；充灌量；低溫工況

0 引言

目前，用于低溫冷柜的制冷劑主要有R404A。R404A由于其溫室效應潛能值比較高，不滿足環保制冷劑的要求。因此，在低溫冷柜中尋找一種合適的替代制冷劑是十分必要的。

碳氫制冷劑由于其無毒性、化學穩定性和環保特性，國內外很多學者對于碳氫化合物進行了相關的研究，主要側重于在空調器和熱泵中的使用。吳植華等[1]做了碳氫制冷劑R290在空調中替換R22的實驗研究。張戰等[2]在三種品牌的空調器上對比研究了R290與R22。陳永強等[3]研究了3種不同型號的空調器用碳氫制冷劑替代R22的性能變化。肖洪海等[4]比較全面地研究了R290在小型家用空調中應用的性能情況。王懷信等[5]在小型空調系統中進行了碳氫化合物替代R22的研究。JUNG D等[6]提到在家用空調器中用R1270替代R22。PARK K J等[7]考慮在家用空調中用R290、R1270和7組由R1270、R290、R152a和RE170（DME）所組成的混合物替代R22。RITTER T J[8]提出在空調器中用R290和R290/R170(CARE-50)對R22進行替代。PURKAYASTHA B[9]考慮在制冷系統和熱泵系統中用碳氫制冷劑R290和LPG(液化石油氣)替代R22。PARK K J等[10]提到在家用空調和熱泵中替代R22，所用制冷劑為R433A（30%的R1270和70%的R290）。JABARAJ D B等[11]考慮在窗式空調器里面用碳氫制冷劑混合物（45.2%的R290和54.8%的R600a）加上R407C混合替代R22。DEVOTTA S等[12]考慮在窗式空調器里面用R290替代R22，測試工況主要分為三種，即國內測試工況（室內側干球溫度27℃，濕球溫度19℃；室外側干球溫度35℃，濕球溫度30℃）、出口測試工況A（室內側干球溫度27℃，濕球溫度19℃；室外側干球溫度35℃，濕球溫度24℃）和出口測試工況B（室內側干球溫度27℃，濕球溫度19℃；室外側干球溫度46℃，濕球溫度24℃）。CORBERAN J M等[13]主要討論在水-水熱泵里面用R290做工質時充灌量的問題，并對比分析了充灌量和過冷度對于COP和冷量的影響。FERNANDO P等[14]從降低熱泵和制冷系統中的充灌量入手，介紹一個制熱能力為5 kW左右的水-水熱泵，通過設計微通道換熱器來降低充灌量。CHANG Y S等[15]用碳氫工質R290、R600a、R600、R1270、R290/R600a和R290/R600與R22在熱泵系統中做比較。PALM B[16]介紹了碳氫制冷劑用于小型熱泵和制冷系統里的研究情況，比較了一些用在小型熱泵和制冷系統的碳氫制冷劑的性能和物性。CORBERáN J M等[17]介紹了目前國際上和歐盟對于碳氫工質的安全標準，并且提出一個非常重要的結論，即在密閉的制冷系統中，充灌量小于150 g時，用碳氫類制冷劑是安全的，這類系統主要側重于冷柜、家用冰箱。王芳和鄔志敏[18]討論了成本因素對R22替代制冷劑在系統優選中的影響，指出R290的系統優成本比R22低4%～5%左右。吳植華等[19]通過實驗手段證實R290可以在現有空調器中不作任何改動的情況下替代R22，并且R290與R22的能效高出15.47%。

以上研究主要集中在家用空調器和熱泵系統中使用碳氫制冷劑，而碳氫制冷劑應用于低溫冷柜中的研究非常少，國內幾乎很少有相關文獻公開。考慮到碳氫制冷劑具備可燃性，而在商業低溫冷柜中由于其冷量需求要遠遠小于在空調器和熱泵，碳氫制冷劑的充灌量也要小很多，因此碳氫制冷劑應用于商業冷柜領域將具備比家用空調、熱泵領域更大的可行性。周彥紅等[20]提出在低溫工況下碳氫化合物替代R22，但僅從理論上分析了幾種碳氫化合物在低溫工況下的性能，并未實驗驗證和考慮安全性問題。本課題組對于碳氫工質應用于商業冷柜已經進行了相關的研究[21-22]。本文在低溫工況下對比研究了R290及其兩種混合制冷劑的循環性能，重點實驗研究了R290在低溫冷柜中的使用。

1 制冷劑的物性比較

由圖1可以看出，所選替代制冷劑R290/R134A質量配比為50︰50時，R290/DME質量配比80︰20時，這兩種混合物的氣、液態飽和蒸氣壓曲線基本重合，為共沸混合物。R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的飽和蒸氣壓曲線與R404A的飽和蒸氣壓曲線非常接近，尤其在低于-20 ℃的溫區，這三種R404A替代物的飽和蒸氣壓曲線和R404A重合度很高。表明在低溫工況下，R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）理論上能夠直接替代R404A。理論上，蒸氣壓曲線越靠上，表明其壓縮機制冷能力的容積制冷量大，而相應的循環制冷系數值越小。

圖1 R404A及其替代物的飽和壓力曲線圖

表1介紹了所研究的三種替代制冷劑和R404A的環保性能。從表中可見，所選三種新型替代制冷劑的環保性能很好，其ODP值為0，GWP值均小于R404A。其中R290和R290/DME（wt%：80/20）的GWP值只有20左右，而R290/R134A（wt%：50/50）的GWP略高，但絕對值僅相當于R404A的18.6%。

表1 三種替代制冷劑與R404A的環保性能比較

2 循環性能比較

2.1 計算工況

采用我國機械行業標準JBf 17666-1995《關于制冷空調設備名義工況的一般規定》中對R22等壓縮機及機組名義工況的規定，選取低溫工況Ⅰ作為比較工況，見表2。本文在REFPROP源程序的基礎上，編寫了制冷劑的循環性能程序。

表2 低溫工況Ⅰ下的循環參數

2.2 計算結果

表3列出了在低溫工況Ⅰ下四種制冷劑的循環性能參數。可以看出，所選擇的三種替代制冷劑的COP較R404A有較大幅度的提高，R290和R290/DME（wt%：80/20）的COP較R404A分別提升了15.6%和16.0%，R290/R134A（wt%：50/50）也較R404A提高了9.8%；所選三種替代制冷劑的單位質量制冷量也較R404A提高顯著，R290/DME（wt%：80/20）的單位質量制冷量最大，相比于R404A提升了162.3%，其次為R290和R290/R134A（wt%：50/50），分別提升了155.8%和74.8%，這表明在獲取相同制冷量的情況下，所選替代制冷劑的充灌量大幅度降低；三種替代制冷劑的壓力比也較R404A低，這對于壓縮機的性能提高具有意義；R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的排氣溫度略高于R404A，但三者相差不大；所選三種替代制冷劑的單位容積制冷量與R404A接近，進一步驗證了灌注式替代的可行性。理論循環性能表明，在低溫工況Ⅰ下R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的綜合性能相比于R404A有所提高。尤其是在能效比COP和充灌量方面相比于R404A具有很大優勢。

表3 低溫工況Ⅰ下R404A及其替代制冷劑的理論循環性能

圖2～圖6給出了冷凝溫度為43 ℃，蒸發溫度從-40 ℃變化到0 ℃時，所選這幾組制冷劑的q0、qv、td、w和COP隨蒸發溫度的變化情況。從圖中可以看出，隨著蒸發溫度的升高，q0、qv、COP均有升高趨勢，td、w保持下降趨勢。由圖2知，R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的單位質量制冷量要遠高于R404A，即獲得相同制冷量所需要的制冷劑充灌量最小。其中以R290/DME（wt%：80/20）的單位質量制冷量最大，即其充灌量最小。圖3表明，在蒸發溫度較低時，三種替代制冷劑和R404A的單位容積制冷量qv很接近，這表明在低蒸發溫度下，這三種制冷劑在使用原型號大小的壓縮機時能夠獲得需要的冷量而不必更換較大型號的壓縮機。

由圖4可知，三種替代制冷劑R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的排氣溫度略高于R404A，其中R290/DME（wt%：80/20）最高，R290次之；理論計算表明，隨著蒸發溫度的升高，排氣溫度均降低，但三種替代制冷劑R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的排氣溫度降低趨勢要強于R404A，這對于制冷系統的運行更為有利。

圖5表明，在制冷系統中，R290/DME（wt%：80/20）、R290、R290/R134A（wt%：50/50）的系統單位質量耗功均高于R404A，其中R290/DME（wt%：80/20）最高，R290次之。且隨蒸發溫度的升高，R290/DME（wt%：80/20）、R290、R290/R134A（wt%：50/50）的單位質量耗功下降幅度更多。雖然所選三種替代制冷劑單位質量耗功較大，但其單位質量制冷量很大，在一定程度上彌補了這一不足之處。

圖6表明，在制冷系統中，R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的系統理論能效均高于R404A，其中R290/DME（wt%：80/20）最高，R290次之。

綜合這幾種制冷劑在變蒸發溫度情況下的性能來看，R290/DME（wt%：80/20）和R290在低蒸發溫度下的綜合性能最好，所選三種替代制冷劑均能夠用于低溫工況下替代R404A。

圖2 單位質量制冷量隨蒸發溫度變化曲線

圖3 單位容積制冷量隨蒸發溫度變化曲線

圖4 排氣溫度隨蒸發溫度變化曲線

圖5 單位質量耗功隨蒸發溫度變化曲線

圖6 系統COP隨蒸發溫度變化曲線

3 實驗研究

實驗選用大連三洋冷鏈有限公司生產制造的商業冷柜SRL-CD2075HA，其設計標準為：在環境溫度27 ℃、濕度60%的條件下，柜內溫度控制范圍為-25 ℃～-15 ℃。實驗測試平臺如圖7所示。測試時環境溫度維持27 ℃±0.5 ℃，相對濕度60%。測試所用壓縮機為R404A TC4CL壓縮機，節流裝置為內平衡式熱力膨脹閥，潤滑油均用TC4CL酯類油。測試用壓力傳感器為YB-501，測試精度0.3級；溫度測量采用Agilent34970A進行熱電偶數據采集；流量計為DMF-1-2進行質量流量測量。測試過程中，通過對壓縮機吸、排氣口溫度和蒸發器出、入口溫度，以及冷凝器出、入口溫度和柜內各點溫度，對比不同充灌量時各點溫度變化、壓力變化和耗電量等數據，從而找出最佳充灌量。以下主要介紹R290充灌時的測試情況。

圖7 商業冷柜制冷系統流路及測試實驗臺

從圖8可以看出，在R290充灌量為250 g左右時，蒸發器出口溫度略高于蒸發器中段溫度，這表明蒸發器出口存在一定的過熱情況。蒸發器進口溫度要高于蒸發器中段溫度，這主要是由于管路壓降導致蒸發溫度降低所產生的；而在充灌量小于190 g時，由于制冷劑嚴重不足，導致蒸發器偏大，使得制冷劑還未到蒸發器中段便已經處于過熱狀態，因此蒸發器中段溫度要明顯高于蒸發器進口溫度。隨著充灌量的變化，蒸發器進口、中段、出口溫度以及柜內各點溫度變化較明顯，充灌量較多或較少，影響著制冷劑在蒸發器內的蒸發熱交換，只有當制冷劑的充灌量達到一個最佳值，使得制冷劑在蒸發器內蒸發換熱最充分，柜內各點溫度也達到最低值。當制冷劑R290充灌量為250 g左右時，柜內溫度及蒸發器溫度最低，且此時蒸發器進出口溫度均相近，表明制冷劑在蒸發器中剛好蒸發完全。因此，初步判定實驗冷柜SRL-CD2075HA采用R290制冷劑時其最優充灌量為250 g。

圖8 柜內及蒸發器管壁溫度隨制冷劑充灌量的變化

從圖9可以看出，當選用R290作為制冷劑時，隨著充灌量增大，排氣溫度、冷凝器內溫度均有升高。壓縮機排氣溫度在55 ℃～65 ℃之間，排氣溫度比較小，這樣有利于防止制冷劑在高溫下變質和潤滑油炭化。制冷劑在250 g～270 g范圍內壓縮機的吸氣溫度達到最低值10 ℃左右，說明制冷劑此時蒸發比較充分，表明R290的最優充灌量在250 g～270 g。制冷劑的充灌量過多會造成壓縮機排氣壓力過高，從而影響壓縮機使用壽命及制冷效果，而充灌量過少會使得吸氣壓力低而造成壓縮機負壓過大，影響壓縮機壽命。從圖10中可以看出，當制冷劑充灌量在230 g～250 g時，壓縮機排氣壓力和吸氣壓力都達到一個適中的水平。故從吸、排氣壓力情況來看，R290用于冷柜系統的最佳充灌量大概為230 g～250 g。

圖11為冷柜系統穩定后，不同充灌量下的功率消耗圖，即為穩定后單位時間的耗電量。如果僅考慮冷柜的節能效果的話，那么充灌量在210 g以下時消耗的功率較低，但是冷柜最主要的性能指標是其制冷能力，在210 g以下時，不能達到所需要的制冷效果。所以從冷柜耗功方面考慮，作為冷柜SRL-CD2075HA采用R290作為制冷劑時的最佳充灌量為250 g。

圖9 吸排氣及冷凝器管壁溫度隨充灌量的變化

圖10 吸排氣壓力隨充灌量的變化

圖11 冷柜耗功率隨充灌量的變化

綜合上述，關于R290的充灌量實驗，可以得出R290用于實驗冷柜的最優充灌量在250g左右。同樣通過實驗得出在此冷柜中，R404A、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的最優充灌量分別為600g、235g、440g。其中，在本文所研究的三種替代制冷劑中，R290/DME（wt%：80/20）的最優充灌量最小，僅相當于R404A的39.2%，R290/R134A（wt%：50/50）的最優充灌量最大，相當于R404A的66.7%，R290適中，相當于R404A的41.7%。實驗結果與低溫工況下這幾種制冷劑所計算得出的單位質量制冷量相耦合，也驗證了實驗的準確性。

圖12為最佳充灌量情況下的降溫速率情況。由柜內溫度的變化曲線可以看出，從冷柜啟動到穩定工作，柜內溫度由環境溫度27 ℃降至-20 ℃左右的降溫過程中，R290/R134A（wt%：50/50）的降溫速度最快，其次為R290，接下來是R404A，R290/DME（wt%：80/20）的降溫速率最慢。當柜內間室溫度降低至-15 ℃時，系統開始進入相對穩定的狀態，制冷量與系統的漏熱量趨于平衡。其穩定的時間大概在開機運行125 min～150 min左右。并且從圖12中可以發現，R290和R290/R134A（wt%：50/50）無論從降溫速率還是降溫程度來說，都略強于R404A，而R290/DME（wt%：80/20）較R404A略有降低。在同等設備條件下，R290、R290/R134A（wt%：50/50）和R290/DME（wt%：80/20）完全可以達到R404A的制冷效果。

圖12 制冷劑在冷柜內部溫度隨時間變化曲線

4 結論

本文對R290、R290/R134A（wt%：50/50）和R290/DME（wt%：80/20）制冷劑在小型商業冷柜中直接灌注式替代R404A的可行性進行了理論和實驗研究，得出以下結論。

1）理論循環表明：在低溫工況下R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的綜合性能相比于R404A有所提高。尤其是在能效比COP和充灌量方面相比于R404A具有很大優勢；變工況條件下R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的單位質量制冷量遠高于R404A，在蒸發溫度較低時，三種替代制冷劑和R404A的單位容積制冷量很接近。

2）實驗表明R290、R290/DME（wt%：80/20）在耗電量方面較R404A極具優勢，而R290/R134A（wt%：50/50）的耗電量較R404A略有增加，增幅僅為1.0%；R290、R290/R134A（wt%：50/50）的降溫速率較R404A快，R290/DME（wt%：80/20）較R404A在降溫速率方面略有降低。

3）在小型商業冷柜中，R290/DME（wt%：80/20）的最優充灌量最少，僅為R404A的39.2%，R290的最優充灌量為R404A的41.7%，R290/R134A（wt%：50/50）的最優充灌量為R404A的73.3%，實驗結果與低溫工況下這幾種制冷劑所計算得出的單位質量制冷量相耦合。

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Experimental Study on Hydrocarbons and Their Mixtures Used in Small Commercial Cabinet Freezers

WANG Xuan-kun*1, QIAN Wen-bo2, YAN Gang2
(1-Heating Equipment Service Institute of Fengtai District Housing Management and Administration Centre of Beijing, Beijing 100069, China; 2-School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, Shanxi 710049, China)

To solve the environment issue of the refrigerant applied in low temperature cabinet freezers, the study was performed on the alternative refrigerants of R404A, such as hydrocarbons. A FORTRAN program for refrigeration cycle was proposed to obtain the thermodynamic cycle performance of R404A, R290, R290/DME (wt%: 80/20) and R290/R134A (wt%: 50/50) under low-temperature conditions. The optimal refrigerant charge amount and cooling rate of a SRL-CD2075HA commercial cabinet freezer were experimentally investigated The results show that the COP of R290, R290/DME (wt%: 80/20) and R290/R134A (wt%: 50/50) are better than that of R404A. Moreover, the power consumption is also lower. In addition, the optimal charge amount of R404A, R290, R290/DME (wt%: 80/20) and R290/R134A (wt%: 50/50) are about 600 g, 250 g, 235 g and 440 g, respectively. R290 and its binary refrigerant blends can achieve the same cooling effect of R404A under the same conditions.

R290; Cycle performance; Refrigerant charge; Low temperature conditions

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.108

*王玄坤（1978-），男，工程師，學士。研究方向：暖通空調。聯系地址：北京市豐臺區翠林小區3里9號樓供暖所，郵編：100069。聯系電話：010-83980204。E-mail：292528357@qq.com。