商用冷柜制冷系統(tǒng)換裝環(huán)保冷媒及制冷循環(huán)特性分析

摘 要：減少溫室氣體排放使得替代冷媒R134a也將受到管制或禁用。本文以R600a/R290混合比例各為50%的碳?xì)淅涿教娲鷤鹘y(tǒng)的R134a冷媒，重點(diǎn)討論換裝碳?xì)淅涿皆谏逃美涔裰评湎到y(tǒng)中的循環(huán)過程，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析商用冷柜在使用R600a/R290碳?xì)淅涿胶蟮男阅堋?/p>

關(guān)鍵詞：碳?xì)淅涿剑簧逃美涔瘢恢评湎到y(tǒng)；溫室氣體排放

根據(jù)蒙特利爾協(xié)議氫氟碳化合物（HFC）將在2030年禁止生產(chǎn)，以避免全球變暖現(xiàn)象的持續(xù)惡化。目前冷媒的選用逐步向不破壞環(huán)境的自然冷媒方向發(fā)展，積極尋找合適的替代冷媒及相關(guān)置換技術(shù)已成為現(xiàn)今冷凍行業(yè)發(fā)展中不可或缺的一環(huán)。目前商用冷柜使用的冷媒大部分以氫氟碳化合物（HFC）為主，雖然其不含破壞臭氧層成份，但卻因冷媒含氟分子吸收地表釋放出的紅外線而使得氣溫逐年上升，對(duì)全球氣候環(huán)境造成升溫及溫室效應(yīng)等影響。

1 自然冷媒性質(zhì)分析

1.1 丙烷R290基本性質(zhì)

丙烷R290在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，沸點(diǎn)-4207℃、凝固點(diǎn)-1877℃，臨界溫度96.8℃，臨界壓力4.254MPa，潛熱值427.8 kJ/kg，屬于碳?xì)浠衔锏囊环N，其分子式是C3H8，分子量為44且不含氯原子。丙烷的ODP值為零，且不含氟原子，其GWP潛能值小于0.01，但是丙烷有易燃、易爆炸得性質(zhì)，并具有麻醉的作用，所以是一種微毒冷媒。丙烷能吸收少量的水蒸汽，因此如果系統(tǒng)中含有水蒸汽，則以自由水分的形式出現(xiàn)并在濃度，控制元件上出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。為維持系統(tǒng)正常運(yùn)行須將系統(tǒng)中的水蒸氣除去，系統(tǒng)也不存在水汽腐蝕問題。

1.2 異丁烷R600a基本性質(zhì)

異丁烷R600a，沸點(diǎn)-11.73℃、凝固點(diǎn)-160℃，屬于碳?xì)浠衔锏囊环N，分子式為C4H10且不含氯原子。故即使不慎泄露于大氣中也不會(huì)破壞臭氧層，且其GWP值非常小，符合環(huán)保要求。異丁烷有較低的飽和壓力和較小的壓縮前后壓差，如果更改壓縮機(jī)尺寸，則R600a系統(tǒng)將有更高的能源效率與較低的噪音，并可取代R12系統(tǒng)。

1.3 碳?xì)淅涿交拘再|(zhì)

在商用冷柜方面，碳?xì)淅涿絼t以異丁烷R600a、丙烷R290最為普遍也較為成熟，特別是冷柜以R600a/ R290混合的碳?xì)浠衔餅槔涿剑渲评湫时绕渌細(xì)浠衔镆咴S多。R600a/ R290混合碳?xì)淅涿讲⒎腔瘜W(xué)合成，是自然界中存在的天然物質(zhì)高度提煉而成，以異丁烷和丙烷各占約50%的碳?xì)浠衔餅槔渚哂幸韵绿匦裕海?）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)約為-34℃；（2）工作壓力與R134a接近，冷凍性能優(yōu)異；（3）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不產(chǎn)生酸化、碳化；（4）ODP=0不破壞臭氧層，GWP≤3溫室效應(yīng)極低；（5）燃點(diǎn)460℃～470℃，燃燒后氣體無(wú)毒性可與大自然結(jié)合；（6）無(wú)色、無(wú)毒，充注量為CFC的1/3。

1.4 非共沸冷媒特性

非共沸冷媒由多種純質(zhì)冷媒按固定比例混合而成，目前應(yīng)用最多的混合方式為二元混合及三元混合。混合后冷媒成份具有相同沸點(diǎn)的稱為共沸冷媒，混合后冷媒成份沸點(diǎn)相近的稱為近共沸冷媒；如果混合后冷媒成份沸點(diǎn)相異的新冷媒則稱為非共沸冷媒。碳?xì)淅涿街饕糜谔娲鷮?duì)環(huán)境具有破壞性的舊冷媒，所以其功能主要是臭氧層破壞指數(shù)為零，以安全冷媒稀釋危險(xiǎn)性冷媒以降低碳?xì)淅涿降奈ｋU(xiǎn)性。非共沸冷媒有兩個(gè)不同于純質(zhì)冷媒且影響系統(tǒng)性能的特性：（1）溫度滑移：指非共沸冷媒在等壓條件下蒸發(fā)或冷凝與純質(zhì)冷媒不同的是其溫度會(huì)有所變化，也即蒸發(fā)或冷凝過程中溫度并不是保持定值；（2）分餾：指非共沸冷媒各組份分子以當(dāng)時(shí)溫度所對(duì)應(yīng)的正常速度彼此碰撞，飽和蒸汽壓力較高的成份比飽和壓蒸汽壓力較低成份轉(zhuǎn)換較多的分子到氣態(tài)，所以氣態(tài)中壓力較高的冷媒成份和另一成份相比它將會(huì)大于原有成份比，而成份的差異取決于各種冷媒的飽和壓力，此氣態(tài)成份的差異將使碳?xì)淅涿桨l(fā)生分餾現(xiàn)象。

2 制冷循環(huán)及特性分析

2.1 制冷循環(huán)

制冷循環(huán)可分為以下四個(gè)過程（1）絕熱壓縮過程：碳?xì)淅涿皆趬嚎s機(jī)中從低溫低壓的飽和蒸汽狀態(tài)提升到高溫高壓的過熱蒸汽狀態(tài)；（2）等壓放熱過程：高溫高壓過熱蒸汽進(jìn)入冷凝器將能量以對(duì)流的方式傳遞給空氣媒介，使碳?xì)淅涿降葔悍艧嶂溜柡蜖顟B(tài)或過冷的高壓常溫飽和液態(tài)冷媒；（3）等焓絕熱膨脹過程：常溫高壓冷媒經(jīng)節(jié)流結(jié)構(gòu)后壓力迅速降低，少量液態(tài)冷媒因壓力驟降而閃蒸為氣態(tài)，最后冷媒以氣液兩相離開節(jié)流機(jī)構(gòu)；（4）等壓吸熱過程：低溫低壓碳?xì)淅涿竭M(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，利用冷媒相變過程高潛熱值特性吸收蒸發(fā)器外介質(zhì)熱量，實(shí)現(xiàn)冷卻的效果。

2.2 特性分析

冷媒充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響：當(dāng)冷凝溫度為40℃時(shí)，（1）碳?xì)淅涿皆诓煌舭l(fā)溫度下的壓縮比較R134a低約39%，且隨著蒸發(fā)溫度越低差距越大；（2）改變蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)的制冷效果影響不大，其趨勢(shì)是隨著蒸發(fā)溫度降低系統(tǒng)制冷效果變差，而碳?xì)淅涿降男Ч萊134a冷媒效果高出約46%；（3）隨著蒸發(fā)溫度的降低冷凍效果降低，壓縮機(jī)溫度升高，整體COP降低，當(dāng)蒸發(fā)溫度為30℃時(shí)，R12冷媒COP最高，R134a次之，碳?xì)淅涿阶畈睿唬?）當(dāng)工況一定時(shí)，碳?xì)淅涿降木C合性能較R134a和R12冷媒性能優(yōu)良。

箱內(nèi)最低溫性能比較：當(dāng)環(huán)境溫度為30℃±1℃時(shí)，（1）碳?xì)淅涿降奈艢鉁囟容^R134a冷媒高，且開始運(yùn)行時(shí)因系統(tǒng)負(fù)載過高排氣溫度可達(dá)82℃；（2）碳?xì)淅涿降睦淠郎囟容^R134a高，系統(tǒng)穩(wěn)定后冷凝器出口溫度較R134a高19.2%；（3）碳?xì)淅涿皆谡舭l(fā)器出口溫度的拉低速率與最低溫度方面均優(yōu)于R134a冷媒，系統(tǒng)穩(wěn)定后蒸發(fā)器出入口溫度較R134a冷媒低約14.8%和14.5%。

3 結(jié)論

本文對(duì)商用冷柜使用R134a冷媒和R600a/R290混合冷媒時(shí)的冷媒特性、制冷循環(huán)過程及性能特性進(jìn)行了分析，所得結(jié)論可為后期新冷媒的研發(fā)提供依據(jù)。

作者簡(jiǎn)介：黃葉輝（1975-），男，中專生，研究方向：制冷與低溫工程。