新型碳氫制冷劑HCR22在R600a食品制冷系統的應用

劉金光 熊旭波 王世清

欒明川4 張 巖1,2 姜文利1,2

(1. 青島農業大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109；2. 青島市現代農業質量與安全工程重點實驗室，山東 青島 266109；3. 青島澳維康生物科技工程有限公司，山東 青島 266071；4. 青島農業大學建筑工程學院，山東 青島 266109)

新型碳氫制冷劑HCR22在R600a食品制冷系統的應用

劉金光1,2熊旭波3王世清1,2

欒明川4張 巖1,2姜文利1,2

(1. 青島農業大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109；2. 青島市現代農業質量與安全工程重點實驗室，山東 青島 266109；3. 青島澳維康生物科技工程有限公司，山東 青島 266071；4. 青島農業大學建筑工程學院，山東 青島 266109)

為探討新型碳氫制冷劑在食品制冷系統應用的可行性，基于R600a制冷系統，設計一套制冷系統測試裝置，主要由制冷系統、溫度監測系統和壓力檢測器等組成；用環境友好型碳氫制冷劑HCR22替代制冷劑R600a，以制冷系數和制冷量為指標，對比了2種制冷劑的制冷效果。結果表明：HCR22用于R600a系統，相比R600a，充注量減少13.33%，制冷系數提高10.53%，系統節能3.16%；系統運行12 h，HCR22和R600a的制冷量分別為7 306.64，6 796.68 kJ。該研究結果為新型制冷劑HCR22替代R600a提供了依據和支持。

HCR22；R600a；制冷系統；制冷

制冷劑的發展，主要經歷了3個階段：19世紀中期，首臺機械制冷裝置誕生，使用二乙醚作為制冷劑，之后，二氧化碳、氨等嘗試用作制冷劑[1]；20世紀初，氟利昂制冷劑的誕生被認為是完美的制冷劑，因其價格適中、無毒不燃和良好的熱力學特性，被廣泛用于制冷系統[2]；但后續研究[3]發現，HCFC和CFC分子上升至臭氧層后，能夠對臭氧層造成破壞形成臭氧層空洞，此外，《蒙特利爾議定書》中也限制了CFC和HCFC類氟利昂制冷劑的使用[4]。《蒙特利爾公約》和《京都協議書》簽訂后，碳氫制冷劑作為一種環保、高效、節能型制冷劑成為氟利昂制冷劑的新型替代冷劑[5-6]。與氟利昂制冷劑不同，碳氫制冷劑屬于天然冷劑，完全環保：只含有碳元素和氫元素，對臭氧層無損傷，對氣候變暖影響極小；制冷更快：分子量小，冷凝傳熱系數更高；用量少：充注量僅為氟利昂制冷劑的30%～45%；但碳氫制冷劑有易燃性，在運輸及使用中需避免明火和強烈碰撞[7-10]。

現階段，氟利昂制冷劑的替代冷劑主要有碳氫制冷劑(R600a、R290)和過渡型制冷劑(R134a、R407C和R410A)[11]。德國等歐洲國家用R600a取代R12，中國冰箱大部分用R600a作為制冷劑[12]。但家用冰箱R600a的充注量不能超過150 g[13]，因此，美國和日本使用R134a替代R12，R134a特性與R12相近，但對系統干燥和清潔要求極高[14]。

HCR22是一種新型碳氫制冷劑，是丙烷和丁烷的混合烷烴，可直接用于已有的制冷設備，無需更換壓縮機、管道和冷凍潤滑油[15]，相比R600a，HCR22更安全：分子量小，運輸及維修中氣壓更低；噪聲更小：等熵壓縮比功小，減小了壓縮機的負載[16]；制冷更迅速：凝固點低、蒸發潛熱更大。HCR22在歐洲國家已初步試用：取代制冷劑R22用于空調制冷；取代制冷劑R404a和R410A用于低溫冷藏庫等。吳青松[17]研究發現HCR22可直接用于制冷空調且運行負荷更低。因此，本研究嘗試使用新型碳氫制冷劑HCR22替換現有的碳氫制冷劑R600a用于R600a制冷系統，通過對比2種碳氫制冷劑的制冷效果，以期驗證HCR22制冷劑可直接用于R600a制冷系統，且制冷更安全、高效，并為HCR22制冷劑替代R600a制冷劑提供技術支持。

1 試驗裝置及試驗設計

1.1 試驗裝置

本試驗裝置由制冷系統、溫度監測系統和壓力檢測器等組成，見圖1。制冷系統包括蓄水池、壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等結構，壓縮機工藝管口處焊接制冷劑充注閥；高壓傳感器安裝于干燥過濾器與膨脹閥連接處，測量壓縮機排氣壓力，低壓傳感器安裝于壓縮機工藝管口處，測量壓縮機吸氣壓力；此外，系統中接入功率記錄儀采集系統實時功率。蒸發器置于蓄水池中，蓄水池內蓄水200 L。

R600a制冷系統：澳柯瑪BC/BD-203HN(內部尺寸：946 mm×577 mm×841 mm，有效容積：200 L，壓縮機型號：PZ99H1C，制冷劑：R600a)。

1. 計算機 2. 數據記錄儀 3. 膨脹閥 4. 壓力傳感器A 5. 干燥過濾器 6. 冷凝器 7. 壓縮機 8. 壓力傳感器B 9. 集液管 10. 蒸發器 11. 功率記錄儀

1.2 制冷劑供給

新型碳氫制冷劑：仁天和HCR22，惠州仁天和節能環保科技有限公司；

普通碳氫制冷劑：金萊爾R600a，襄陽金萊爾制冷化工有限公司。

1.3 溫度測試點分布

試驗設施測溫點布置見圖2，蓄水池內安裝1～9號測溫點，壓縮機低壓管口和高壓管口分別布置10和11號測溫點，測試壓縮機的吸氣和排氣溫度，12號測溫點顯示室內溫度。各溫度測試點的實時溫度由TP-1000 64路溫度記錄儀收集、記錄，精度為0.2℃，采集間隔為5 s，試驗周期為12 h。試驗期間室內溫度保持在(15.0±0.5)℃。

1～9表示安裝在蓄水池內的測溫點

1.4 試驗原理

制冷系統中充入制冷劑后，蒸發器中低壓液體工質吸收蓄水池中水的熱量汽化，飽和工質蒸氣經壓縮機吸入后壓縮成高溫高壓氣體，進入冷凝器液化并釋放出潛熱，高壓液體經毛細管節流降壓后流入蒸發器。制冷系統利用電能，借助制冷劑的物態變化，將蒸發器周圍的熱量搬運到冷凝器并釋放出來，伴隨著制冷劑不斷的蒸發吸熱、液化放熱兩個過程達到制冷的目的。

本試驗使用R600a制冷系統，選用HCR22和R600a新舊2種碳氫制冷劑，制冷系統壓縮機最大功率運行，蓄水池內水從室溫(15℃)開始蓄冷。

1.5 試驗測試

試驗裝置置于室溫(15℃)環境，對本試驗制冷系統不同充注量制冷效果試驗，獲得系統最佳制冷效果時的充注量；比較2種制冷劑最佳充液時的降溫曲線，分析其制冷效果的差異。

制冷劑選用R600a，充注量選擇60，65，70，75，80 g；制冷劑選用HCR22，充注量選擇；50，55，60，65，70 g。記錄系統運行12 h蓄水池的實時水溫和系統壓力、功率等數據。

1.6 測試指標

1.6.1 充注量 制冷劑充注過少，蒸發器的傳熱面積得不到充分利用，壓縮機持續運轉，能耗增加；制冷劑充注過多，冷凝溫度持續升高，威脅電機運行[18]。

1.6.2 壓縮機吸氣和排氣壓力 制冷循環中，壓縮機對制冷劑進行抽吸、壓縮和排出工作，吸氣壓力和排氣壓力值及比值大小是壓縮機性能的重要參數；吸氣壓力還直接影響制冷劑的比容以及壓縮機工作電流和輸入功率[19]。

1.6.3 制冷量 本試驗制冷系統測試裝置工作12 h的制冷量可由式(1)計算：

Q0=C0M0ΔT，

(1)

式中：

Q0——制冷量，kJ；

C0——常壓水的比熱容(15℃)，4.18 kJ/(kg?℃)；

M0——常壓水的質量，kg；

ΔT——降溫溫差，℃。

1.6.4 制冷系數 制冷性能系數(COP)指單位功耗所能獲得的冷量，制冷系數越大，表示制冷系統能源利用效率越高[20]。本試驗中用式(2)表示制冷系數ε。

(2)

式中：

ε——制冷系數；

W0——制冷系統做功，kJ。

同一制冷劑，不同工況下制冷量換算見式(3)。

(3)

式中：

Q0(A)——壓縮機在A工況時的制冷量，kW；

ηv(A)——壓縮機在A工況時的容積效率；

qv(A)——壓縮機在A工況時的單位容積制冷量，kJ/m3；

Q0(B)——壓縮機在B工況時的制冷量，kW；

ηv(B)——壓縮機在B工況時的容積效率；

qV(B)——壓縮機在B工況時的單位容積制冷量，kJ/m3。

1.6.5 統計與分析 試驗均重復3次，取平均值，試驗數據統計分析采用SPSS統計軟件，差異顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 制冷劑充注量對制冷效果的影響

由圖3(a)可知，R600a為制冷劑，試驗的前4 h，充注量為70，75，80 g時蓄水池溫度相差甚微，在此階段系統制冷量無顯著差異(P>0.05)，系統運行4 h后，充注量為75 g時蓄水池溫度顯著低于其他充注量時的溫度(P<0.05)，因此，本系統R600a的最佳充注量為75 g；系統運行12 h，充注量為60，65，70，75，80 g時蓄水池的水溫分別降低了6.26，6.74，7.06，8.13，7.42℃，制冷量分別為5 233.36，5 634.64，5 902.16，6 796.68，6 203.12 kJ。

由圖3(b)可知，HCR22為制冷劑，系統運行4 h后，充注量為65 g時蓄水池溫度顯著低于其他充注量時的溫度(P<0.05)，系統運行12 h，65 g充注量時蓄水池溫度降低最大，為8.74℃；因此，HCR22用于R600a制冷系統的最佳充注量為65 g，12 h時的制冷量為7 306.64 kJ。

2.2 制冷系統壓縮機吸氣和排氣壓力

表1和表2為制冷系統使用R600a和HCR22制冷劑的運行參數，表1數據顯示，制冷劑為R600a，壓縮機吸氣溫度為0.68～0.72℃，排氣溫度為55.40～56.20℃，吸氣壓力為-0.02～-0.01 MPa，排氣壓力為0.46～0.51 MPa；由表2可知，制冷劑為HCR22，壓縮機吸氣溫度為0.67～0.72℃，排氣溫度為59.80～62.30℃，吸氣壓力為-0.02～-0.01 MPa，排氣壓力為0.35～0.40 MPa。

圖3 R600a制冷系統冷劑充注量對制冷效果的影響Figure 3 Cooling effect of refrigerant filling quantity in R600a refrigeration system

表1 制冷系統使用R600a制冷劑的運行參數Table 1 Operating parameters of R600a in refrigeration system

表2 制冷系統使用HCR22制冷劑的運行參數Table 2 Operating parameters of HCR22 in refrigeration system

對比表1和表2，HCR22作為制冷劑，相比R600a，壓縮機吸氣溫度近似，排氣溫度高6.40～6.90℃，吸氣壓力相同，排氣壓力低0.06～0.16 MPa，最佳制冷效果時HCR22的系統能耗比R600a低3.16%。

2.3 HCR22和R600a最佳制冷效果對比

圖4為HCR22和R600a最佳制冷效果對比。由圖4可知，HCR22和R600a最佳制冷效果對應的蓄水池溫度分別降低了8.74，8.13℃，制冷量分別為7 306.64，6 796.68 kJ。對比2條溫度變化曲線可以看出，兩者變化趨勢近乎相同，均未出現溫差的驟變，可見，HCR22用于R600a制冷系統與R600a有同樣的制冷穩定性，且HCR22的制冷量優于R600a。R600a制冷系統使用HCR22和R600a最佳制冷效果時的相關參數見表3。

圖4 HCR22和R600a最佳制冷效果對比Figure 4 Comparison of the best cooling effect of HCR22 and R600a

表3 HCR22和R600a最佳制冷效果的相關參數Table 3 The relevant parameters of the best cooling effect of HCR22 and R600a

由表3可知，R600a制冷系統，HCR22的制冷系數比R600a制冷劑高10.52%，且HCR22最佳充注量比R600a最佳充注量少13.33%，此外，制冷劑為HCR22時蓄水池溫度低0.61℃。

綜上所述：在制冷量和制冷穩定性方面，HCR22制冷劑可以替代R600a制冷劑直接用于R600a制冷系統，且系統壓力更低、制冷系數更高，充注量更少，制冷量更大。

3 結論

本試驗將新型碳氫制冷劑(HCR22)應用于食品制冷系統，實現了制冷的環保、高效和節能。研究結果表明：

(1) HCR22用于R600a制冷系統，相比R600a，HCR22制冷劑的制冷系數高10.53%，且充注量減少13.33%，節能3.16%；系統運行12 h，HCR22和R600a使蓄水池的溫度分別降低了8.74，8.13℃，制冷量分別為7 306.64，6 796.68 kJ。

(2) 試驗裝置置于室溫(15℃)環境試驗，壓縮機達到制冷指定溫度之后的情況如何，待后續研究。

HCR22制冷劑能夠彌補氟利昂類制冷劑對臭氧層破壞和引起氣候變暖的缺陷，相比R600a，HCR22更安全，充注量更少，制冷系數更高。試驗證明HCR22可直接替換R600a用于制冷系統，在碳氫制冷劑的運輸和使用時，應遠離明火、避免碰撞，此外，今后試驗需對HCR22制冷劑的其他性質進行研究以實現在其他制冷系統的替代，以期用新型碳氫制冷劑(HCR22)完全替代傳統鹵代烴制冷劑和現有的碳氫制冷劑。

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Application of a new type of fluorine free refrigerant HCR22 in food refrigeration system

LIU Jin-guang1,2XIONGXu-bo3WANGShi-qing1,2

LUANMing-chuan4ZHANGYan1,2JIANGWen-li1,2

(1.FoodScienceandEngineeringCollege,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingda,Shandong266109,China; 2.QingdaoKeyLabofModernAgriculturalQualityandSafetyEngineering,Qingdao,Shandong266109,China; 3.QingdaoAoweikangBiologicalEngineeringTechnologyCo.Ltd.,Qingdao,Shandong266071,China; 4.ArchitectureandEngineeringCollege,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao,Shandong266109,China)

In order to explore the feasibility of the application of new fluorine free refrigerant in the existing refrigeration system, a traditional one based on R600a refrigeration, a testing equipment of new refrigeration system was designed. This new testing equipment was dominated by a cooling equipment, temperature tester and pressure detector. In this study, the refrigerant R600a replaced by a new type of fluorine free refrigerant HCR22, and the coefficient of performance and cold storage capacity were taken as indexes, and conducted an experiment for 12 h, the refrigerating capacity of two refrigerants in different quantity of charging ratio was studied. The results indicated that compared to R600a, the best filling ratio of HCR22 was less 13.33%, but the refrigeration coefficient was higher 10.53%, and the system energy was less 3.16%. When the refrigeration system was run for 12 h, the refrigeration ability of HCR22 was found better, and the cooling ability of HCR22 and R600a were 7 306.64 kJ and 6 796.68 kJ, respectively. This study provided evidences and technical support for the new type refrigerant HCR22 replacing the R600a refrigerant.

HCR22; R600a; R12; refrigeration system; cold accumulation

國家自然基金項目(編號：31271963)

劉金光，男，青島農業大學在讀碩士研究生。

王世清(1961—)，男，青島農業大學教授，博士。 E-mail：wangshiqing@126.com

2016—10—21

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.031