R290替代R134a在商用制冰機(jī)匹配研究

何四發(fā) 徐延輝 孫士杰 姚平靈

華意壓縮機(jī)股份有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333001

1 引言

制冰機(jī)是一種將水通過蒸發(fā)器由制冷系統(tǒng)制冷劑冷卻后生成冰的制冷機(jī)械設(shè)備。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平不斷提高，用冰的行業(yè)越來越廣，對(duì)冰的質(zhì)量要求越來越高，對(duì)制冰機(jī)的“高性能”、“低故障率”、“衛(wèi)生性”等要求越來越迫切。2015年1月1日，歐盟正式實(shí)施關(guān)于氟化氣體（Fgas）的新法規(guī)Regulation（EU）No517/2014，商用制冷設(shè)備使用的制冷劑GWP＞2500，將在2020年禁止使用，因此尋找一種新的替代制冷劑是當(dāng)務(wù)之急[1]。由于R290制冷劑ODP=0，GWP=3，且獲得美國(guó)EPA SNAP（環(huán)保署重大新替代品政策）的批準(zhǔn)，列為全球制冷劑的理想替代品，因此R290為商用制冰機(jī)理想替代制冷劑。本文主要探討R290替代R134a在商用制冰機(jī)研究。

2 制冷工質(zhì)特性理論參數(shù)研究

從表1輕型商用制冷劑特性重要性表述、表2輕型商用制冷劑特性綜合評(píng)價(jià)來看，目前來說R290制冷劑已成為輕型商用制冷替代R134a、R404A的最佳選擇。R290工質(zhì)（丙烷）為碳?xì)浠衔铮捎谑翘烊淮嬖诘奈镔|(zhì)，屬于自然制冷劑，該工質(zhì)的臭氧耗減潛能值ODP為0，全球暖化潛值GWP值很低，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，是一種完全環(huán)保的制冷制，完全滿足歐盟關(guān)于氟化氣體（Fgas）的新法規(guī)。而且R290與普通潤(rùn)滑油和機(jī)械結(jié)構(gòu)材料具有兼容性，R290的單位容積制冷量較大，很適合于小型往復(fù)、旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)[2]。

3 R290與R134a制冰機(jī)測(cè)試對(duì)比

目前商用制冰機(jī)大都使用R134a和R404A制冷劑，但由于歐盟新法規(guī)將實(shí)施，該2種制冷劑即將被淘汰。因此各大商用制冰機(jī)廠家都在研究R290替代R134a和R404A制冷劑，以一款ZB*-95制冰機(jī)為例，匹配相同制冷量R134a壓縮機(jī)A和R290壓縮機(jī)B制冰量對(duì)比見表3。從表3測(cè)試數(shù)據(jù)來看：相同制冷量R290和R134a壓縮機(jī)匹配同一款制冰機(jī)，壓縮機(jī)排氣量減少43.8%，制冷劑充注量減少65.2%，一個(gè)完整制冰周期時(shí)間減少18.8%，24h制冰量增加37.8%。這主要得益于R290制冷劑優(yōu)良特性，壓縮機(jī)排氣量減少，可靠性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

通過該款制冰機(jī)的研究分析，制冷系統(tǒng)替換過程中相關(guān)制冷部件需做相應(yīng)調(diào)整：

（1）在冷凝面積方面，原R134a系統(tǒng)冷凝器的冷凝面積在性能上可以滿足R290系統(tǒng)冷凝面積要求，但推薦冷凝器散熱方式選用風(fēng)冷冷凝器；在蒸發(fā)面積方面，原R134a系統(tǒng)蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積在性能上可以滿足R290系統(tǒng)蒸發(fā)面積要求[3]；

（2）R290單位質(zhì)量制冷量約為R134a的190%，因此在兩器及壓縮機(jī)參數(shù)基本相同的情況下，R290充注量要少的多；

（3）R290沸點(diǎn)低，替代R134a需要換小直徑毛細(xì)管或加長(zhǎng)毛細(xì)管，在相同制冷量情況下，系統(tǒng)的循環(huán)流量小，一般情況下R290和R134a系統(tǒng)可以使用同一規(guī)格毛細(xì)管，推薦長(zhǎng)度增加10%～20%，R290系統(tǒng)毛細(xì)管和回氣管回?zé)釗Q熱長(zhǎng)度應(yīng)不小于R134a系統(tǒng)回?zé)釗Q熱長(zhǎng)度[4]；

（4）由于R290壓縮機(jī)潤(rùn)滑油為酯類油，且酯類油相比礦物油吸水性更強(qiáng)，應(yīng)用于R290制冷系統(tǒng)時(shí)充注量相對(duì)較大，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)過濾器分子篩充注量相應(yīng)增加[5]；

（5）R290制冷劑是易燃易爆制冷劑，應(yīng)選用防爆型溫控器。

4 R290壓縮機(jī)在商用制冰機(jī)可靠性研究

由于生產(chǎn)成本控制需要，制冰機(jī)脫冰主要采用熱氣除霜來實(shí)現(xiàn)脫冰，因此制冰機(jī)壓縮機(jī)可靠性也成為各大廠商共同關(guān)注焦點(diǎn)。熱氣除霜過程中由于壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸汽通過電磁閥直接進(jìn)入蒸發(fā)器再返回壓縮機(jī)，因此壓縮機(jī)存在一定的液擊風(fēng)險(xiǎn)。液擊易導(dǎo)致制冰機(jī)壓縮機(jī)閥片破裂，對(duì)制冰機(jī)壓縮機(jī)產(chǎn)生不可修復(fù)的損壞。但在增加儲(chǔ)液器、壓縮機(jī)吸氣與工藝管互換、正確的壓縮機(jī)選型，以及準(zhǔn)確的制冷劑充注量，制冰機(jī)壓縮機(jī)液擊可以很大程度避免，可以保證利用熱氣除霜的制冰機(jī)性能可靠[6]。

B壓縮機(jī)匹配ZB*-95制冰機(jī)（吸氣管與工藝管互換），40℃環(huán)溫、35℃水溫經(jīng)過100天長(zhǎng)運(yùn)，長(zhǎng)運(yùn)期間盡可能讓壓縮機(jī)不停機(jī)（等效工作壽命約為2400h×2.5×2=30000h≈3.42年），驗(yàn)證壓縮機(jī)在有液體制冷劑情況下，運(yùn)動(dòng)副潤(rùn)滑狀況變差及所受負(fù)載變大對(duì)壓縮機(jī)機(jī)械部件的損壞情況。長(zhǎng)運(yùn)試驗(yàn)結(jié)束后，開殼檢查B壓縮機(jī)零部件正常，從圖1來看，壓縮機(jī)吸、排氣閥片正常，未出現(xiàn)閥片破裂、閥口積炭等現(xiàn)象，其他主要零部件曲軸、活塞、電機(jī)絕緣層等也未見異常損壞，活塞與氣缸、曲拐與連桿大頭、活塞銷與連桿小頭等配合面磨損正常。

雖然制冰機(jī)利用熱氣除霜很容易導(dǎo)致壓縮機(jī)液擊，但在保證合適的制冷劑充注量、增加適當(dāng)?shù)膬?chǔ)液器（或吸氣管與工藝管互換）、正確的壓縮機(jī)選型等前提下，制冰機(jī)壓縮機(jī)液擊可以很大程度避免，可以保證利用熱氣除霜的制冰機(jī)性能可靠。

5 R290工質(zhì)的爆炸性及其預(yù)防

R290具有易燃易爆的特性。因此，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中采取相應(yīng)的保護(hù)措施，必須采用防爆電器。如采用非火花電器件，防爆風(fēng)扇電機(jī)、防爆電子膨脹閥和溫控器、防爆LED燈等電器件，外部接線方式，控制充注量（IEC要求最大充注量不能超過150g）等安全措施。為了避免制冷劑的泄漏現(xiàn)象，應(yīng)盡量減少焊點(diǎn)數(shù)量。確保壓縮機(jī)倉通風(fēng)良好，防止風(fēng)機(jī)、冷凝器、壓縮機(jī)等部位的制冷劑泄漏，從而降低燃燒和爆炸的可能性。只要做到了以上幾點(diǎn)要求，可燃性的R290作為制冷劑的安全性就能大大提高，其可燃爆炸性便不會(huì)成為選擇替代工質(zhì)的障礙。R290的可爆性必須有2個(gè)條件疊加在一起，即810℃的起爆溫度和空氣的混合濃度在2.5%～8.9%，在現(xiàn)實(shí)使用中，2個(gè)小概率事件同時(shí)發(fā)生的概率幾乎為0，因此R290在系統(tǒng)中的循環(huán)是安全的。

表1 輕型商用制冷劑特性重要性表述

表2 輕型商用制冷劑特性綜合評(píng)價(jià)

表3 A和B制冰量對(duì)比

6 結(jié)論

根據(jù)R290工質(zhì)的特性，在使用R290替代R134a時(shí)，體現(xiàn)出比R134a更為優(yōu)越的性能和效率，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小。在商用制冰機(jī)制冷系統(tǒng)匹配中，毛細(xì)管流量和系統(tǒng)制冷劑充注量需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使R290能夠在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，以滿足制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要。

本文從R290、R134a、R404A制冷劑特性，分析了R290制冷劑在商用制冰機(jī)使用替代趨勢(shì)。通過分析R290與R134a制冰機(jī)測(cè)試對(duì)比，論證了用R290替代R134a的可行性。在使用R290替代R134a時(shí)，體現(xiàn)出R290比R134a更為優(yōu)越的性能和效率，對(duì)系統(tǒng)整體性能有提升。由于本文僅對(duì)目前部分在使用R290制冷劑壓縮機(jī)進(jìn)行針對(duì)性研究，旨在拋磚引玉，希望能夠引發(fā)行業(yè)內(nèi)更多的研討。