環保制冷劑R290的制冷技術綜述

朱麗霞

摘 要：傳統制冷劑引起的臭氧層耗損和溫室效應等環境危害導致了制冷劑的替代問題成為當今制冷行業的共識，天然的環保制冷工質R290以優良的熱物理性能及最重要的環境友好型特征脫穎而出。本文針對使用R290環保工質的制冷技術進行了梳理與總結，重點分析了系統各部件的設計與優化進展。

關鍵詞：R290；壓縮機；換熱器；系統優化

1 前言

制冷劑于制冷機而言是循環得以進行的不可或缺的血液。選擇制冷劑時，對于環境可接受性因素，主要考慮對臭氧層耗損臭氧衰減指數ODP和大氣溫室效應溫室指數GWP的兩大影響指標【1】。從長遠來看，尋找高效、環保制冷劑成為制冷行業共同的目標。

碳氫化合物中的R290，其環保性能和熱力學性能較好，并且其熱力學性質與需淘汰的HCFCS 類工質R22非常相近，具備替代R22制冷劑應用于制冷系統的條件。雖然 R290具有易燃類安全性問題，但由于各自具有的優良的熱物理性能以及最重要的環境友好型特征，從長遠角度看，將會是舞臺上的明星。

2 R290的熱物性

R290其ODP、GWP為0，標準沸點、凝固點、臨界點等基本物理性質與R22非常接近，具備替代R22的基本條件。R290導熱系數大、粘性系數及絕熱指數小，可改善換熱器傳熱效果、降低壓縮機能耗及壓縮機排氣溫度；R290分子量小、氣化潛熱大、定壓比熱高，可大大減少系統制冷劑灌注量【2】。R290存在微弱的易燃易爆性問題，這是影響其快速發展的主要因素。歐洲專門制訂了相關標準限制易燃易爆型工質在系統中的充灌量，在IEC60335-2-40和EN378-1：2008中規定了最大安全充灌量為290克【3】。因此減少R290在系統中的充灌量是發展R290的首要條件，但減少充灌量會造成整機性能尤其是制熱能力的下降，因此如何保證既安全又達到正常的使用要求，還需要繼續優化系統結構和研發新技術。

3 減少R290充注量措施

R290制冷劑主要集中在兩器中，部分存在壓縮機零部件里，極少部分存在管路中，因此可以通過減小換熱器管徑、采用微通道換熱器及優化壓縮機零部件、系統結構等措施，以減少R290充注量提高系統安全性。

3.1換熱器優化

采用小管徑換熱器對室內機、室外機進行優化設計可提高制熱量。R290空調器的冷凝器可采用小管徑換熱器，但冷凝器管徑減小后，管內制冷劑的流動阻力會增大，導致制冷劑壓降上升，使得冷凝器的換熱性能下降，需要考慮多分路以縮短每個分路流程，保證制冷劑分流均勻。在減少冷凝器換熱管的管徑，減少換熱器尺寸達到降低充注量時，由于換熱管換熱面積減小，進而可以加密換熱器翅片片距以保證換熱效果。

除了減小換熱管管徑外，還可以采用平行流微通道冷凝器減少制冷劑充注量并提高能效。

3.2壓縮機零部件優化

由于噪聲低、零部件少、效率高、體積小及重量輕等優點，滾動轉子式壓縮機已基本取代活塞式壓縮機廣泛應用于小型家用空調系統中，而變頻式滾動轉子壓縮機還具有啟動電流小、節能效果顯著等優點。但滾動轉子式壓縮機采取直接吸氣、間接排氣的方式，壓縮機機殼內充滿排氣壓力下的R290蒸氣，因此需要根據R290制冷劑的特性，進一步研究滾動轉子式壓縮機的結構、內置電機的結構以及它們之間的配合關系，盡量縮小壓縮機機殼內的空腔容積以及電機等直徑。

潤滑油與制冷劑的互溶性關系到壓縮機能否順利回油以及系統安全性，現有空調系統中的壓縮機所用機油都是礦物油，普通礦物油在低溫下粘度會急劇增加，同時R290冷媒因安全性考慮充注量較少因此系統壓力也較小，因此會造成粘度比較大的油堵塞管徑較小的毛細管，導致R290冷媒無法參與循環工作，壓縮機空轉，可以向磁懸浮離心壓縮機無油化設計。

3.3系統優化

根據R290的特性尋找與其匹配的制冷系統，主要應從毛細管的長度和個數，系統回熱器的選取以及回熱器的形式等幾個方面進行突破性的研究，另外應著重從壓縮機和換熱器方面實現質的突破以達到整體的匹配。

合適的毛細管長度和毛細管個數可以大幅減少充注量，并能改善系統運行性能。R290空調系統采用回熱循環有利于降低充注量、提高COP。通過使液體側連接管變細，可以使要充入系統的致冷劑數量減少，而不引起空調器容量和效率的降低；將液體側連接管為毛細管，以及膨脹裝置為膨脹活門，膨脹活門的開口可以根據液體側連接管子的長度或直徑或制冷循環的狀態由膨脹活門來調節。因此，有可能減少液體側連接管的直徑，以及由于膨脹活門可以調節扼流程度，使直徑適當地減小，可以減少裝入制冷劑的數量而又不降低容量。

當然R290通常是在密閉的制冷系統中循環，在發生重大事故時才可能大量漏入室內。可以采用以下對策加以防范：改進系統運行水平；改善管材和焊接工藝；采用防爆電器等；增加檢測儀，測定R290在空氣中的濃度，避免R290在空氣中達到最低閃亮濃度，并設定切斷空調器電源的危險濃度值；發出報警信號、增強室內通風。R290中加入阻燃劑或一定量非可燃制冷劑，可以間接減少R290的充注量，還可以抑制和減緩R290的燃燒化學反應，縮小爆炸極限，降低發生爆炸和燃燒的可能性，提高R290制冷系統的安全性。

4總結

隨著人們對環境的關注，消減超級溫室氣體HFC，各國制冷劑的工業和消費轉型之路都在變得日漸清晰，我國是能源消耗大國，制冷設備的更新替代勢在必行。從R22到R410a等過渡性制冷劑，并不是制冷劑取代歷程的終止，最終還會是環保制冷劑的天下。

天然的環保制冷工質R290以優良的熱物理性能及最重要的環境友好型特征脫穎而出，先已成為研究的熱點。隨著標準的制訂與完善，家電行業定能規避外資企業的專利門，找出適合中國國情的、有自主知識產權的無氟制冷設備。

參考文獻：

[1] 吳業正，韓寶琦.制冷原理及設備【M】.西安：西安交通大學出版社，1997.

[2] 寧靜紅.R290制冷空調系統的現狀與未來發展[J].流體機械，2012，40（7）：72-79.

[3] British Standards Institution.BS EN378-1：2008.Refrigerating systems and heat pumps-Safety and environmental requirements-Part1：Basic requirements，definitions，classification and selection criteria[S].London：BSI，2008.

（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心）