CO2和R290制冷系統在飲料現調機中的對比分析

葛住軍，王培文，宋衛東，田立強

（康富（天津）有限公司，天津，300457）

自蒙特利爾議定書簽訂來，關于CFSs和HFCs替代物的廣泛研究一直沒有間斷。雖然目前新的替代工質已經開始商業化生產，但人們發現新的替代工質并不能滿足“長期”替代物的要求，大部分新工質都有較高的溫室效應指數或者其它缺陷。因此，天然工質的應用引起了人們的重視，特別是對CO2（R744）制冷劑的利用。筆者公司作為飲料現調機行業的先行者，在戰略合作伙伴可口可樂公司的倡導下，在飲料現調機中率先開發應用了CO2制冷劑系統，取得了良好的市場效應。然而采用CO2作為制冷劑也有缺點，CO2高的臨界壓力和低的臨界溫度也給它作為制冷劑帶來了許多難題，無論亞臨界循環還是跨臨界循環，CO2作為制冷劑的主要缺點是其具有較低的臨界溫度(31.1℃)和較高的臨界壓力(7.37MPa)。特別是后者, 若采用跨臨界循環，CO2制冷系統的工作壓力最高可達10MPa，這給系統及部件的設計帶來許多新的要求。雖然這些問題可通過在系統及部件的設計和生產工藝來解決，但是CO2系統零部件的成本，供應鏈問題以及應用中特殊的維修問題，使CO2作為制冷劑在飲料現調機行業中的推廣應用受到限制。與此同時另一種自然工質R290在全球得到了推廣應用，截至2015年底，中國房間空調器行業共完成19條R290房間空調器生產線和4條R290壓縮機生產線的改造，并已在國內市場啟動了R290空調的市場化進程，制訂和修訂了R290空調生產、安裝、維修、運輸方面行業標準，并建成21個R290空調產品安裝維修培訓中心［1］。現調機行業也需要考慮R290系統，本文將對當前使用的兩種自然工質特性，系統應用的優缺點和實際生產維修應用進行分析。

1 CO2和R290特性對比

CO2早在二十世紀初就已使用在工業與漁業的冷凍系統中，冷媒代號為R744。作為制冷工質,CO2具有許多優勢。首先，從環境保護的角度講,CO2的ODP為0，GWP為1，遠遠小于CFCs和HFCs，是一種環境友好型工質。其次，從工質的熱物理性質來看, CO2的蒸發潛熱大，單位容積制冷量高(0℃時達到22.6MJ/m3)，約為傳統制冷劑的58倍。CO2的運動黏度小，并且在低溫時也非常小，導熱系數高，液體密度和蒸氣密度的比值小，節流后各回路間制冷劑能夠分配得比較均勻。CO2這些優良的流動和傳熱性能，可顯著縮小壓縮機和系統的尺寸，使整個系統非常緊湊。另外，CO2化學穩定，無毒無害，不可燃，高溫下也不會分解出有毒氣體，并且CO2價格便宜，容易獲取，使用成本上具有良好的經濟性［2］。

CO2也有缺點，研究表明，空氣中二氧化碳濃度低于2%時，對人沒有明顯的危害，超過這個濃度則可引起人體呼吸器官損壞，即一般情況下二氧化碳并不是有毒物質，但當空氣中二氧化碳濃度超過一定限度時則會使肌體產生中毒現象，高濃度的二氧化碳則會讓人窒息［3］。

R290即丙烷，屬于碳氫制冷劑，分子式C3H8，冷媒代號為R290，外觀無色的氣體，純品無臭，微溶于水，溶于乙醚、乙醇。R290是一種新型環保制冷劑，主要用于中央空調、熱泵空調、家用空調和其它小型制冷設備。R290制冷劑導熱系數高，分子量小，流動性好，輸送壓力更低，減小了壓縮機的負載。使用R290制冷劑，節能率可達1530%。R290的最主要的缺點就是可燃性，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險，爆炸上限9.5%(V/V)，爆炸下限 2.1%(V/V)，引燃溫度450～470℃ 。安全等級為A3［4］。兩種自然工質的物性對比如表1所示。

表1 CO2和R290物性對比較［5］

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2 CO2和R290制冷系統設計差異

2.1 兩種制冷系統的配置

飲料的冷卻是通過獨立的封閉式冷卻盤管在低溫水浴中換熱實現。現調機一般都使用小容量制冷系統，通過一定時間的初次結冰過程，形成冰板。形成冰板以后，系統將由冰板控制器維持冰板重量，所以初次結冰重量和時間，是衡量現調機制冷系統的重要指標，初次結冰過程和初次結冰結束前的制冷系統參數是現調機制冷系統設計的要點。

當前CO2制冷的研究和應用主要集中于三個方面：一方面是汽車空調領域，由于制冷劑排放量大，對環境的危害也大，必須盡早采用對環境無危害的制冷劑；第二方面是熱泵熱水器，二氧化碳在超臨界條件下放熱存在一個相當大的溫度滑移，有利于將熱水加熱到一個更高的溫度

（65～95℃）；第三方面是考慮到二氧化碳良好的低溫流動性能和換熱特性，采用它作為復疊制冷循環低溫級制冷劑，可用于超市食品保鮮儲存和冷藏以及低溫冷凍冷藏（-25～-55℃）。應用到現調機制冷系統采用CO2單級跨臨界制冷循環并使用套管式內部回熱器，關于CO2和R290制冷系統已經有許多學者進行過研究并有大量文獻，本文就已經設計匹配完成的兩種系統進行對比。系統配置參數如表2所示。此次R290替代CO2制冷劑是在已經商業化的產品上做替代應用，考慮零部件共用化和市場現存零部件通用化，除了R290可燃性要求的特殊設計外，R290其他零部件均使用原CO2系統的零部件, 如：蒸發器共用，冷凝器使用原來的氣體冷卻器，連結銅管重新設計。

表2 系統配置參數

2.2 兩種制冷系統在現調機中采取的安全措施

2.2.1 CO2制冷系統安全措施

CO2直接存在于人類的呼吸過程中，空氣中濃度超過2%則可引起人體呼吸器官損壞，在實際應用時需要設置明顯的警示標志以便使現場受過訓練的工作人員能夠隨時意識到可能存在的安全性問題。目前，我國沒有專門針對二氧化碳制冷系統的相關規定，從國家標準角度來講，還處于缺失狀態，只能參照類似壓力級別，安全等級規范。同時二氧化碳系統對水的要求也較高，國際上推薦二氧化碳的純度為99.9%以上，水含量小于0.1%。基于以上CO2的特點，CO2制冷系統設計時需要特別注意以下兩點：

（1）針對跨臨界單循環CO2制冷系統高壓側和低壓側壓力，制冷循環系統換熱器，連接管路，壓力開關的選型要保證系統的高壓設計壓力；

（2）針對CO2跨臨界制冷系統的高系統壓力的工作特點，制冷系統的真空度和焊接工藝是保證系統安全可靠的前提。

2.2.2 R290制冷系統的安全措施

R290制冷劑的安全分類屬于A3級，低毒性

（可以認為是無毒的），但其具有高度可燃性，這對使用帶來危險，這就要求謹慎的處理和安全的防范。R290在廣泛的濃度范圍內都具有可燃性，因此對現調機本身及生產廠都有必要進行安全預防。如果發生事故必須同時滿足兩個基本條件，一是R290和空氣形成易燃混合物（R290濃度比例在爆炸下限與爆炸上限之間），另一個是足夠的能量級別或溫度的燃燒源。這兩個條件必須同時存在才能燃燒，因此必須確保這種組合不會發生。

對于使用R290制冷劑的現調機必須要通過IEC和GB的相關測試，在設計過程中注意以下幾點預防潛在的安全風險：

（1）必須減少制冷劑的充注量，如果制冷系統較大，灌注量要超過150g，可以將其分解成兩個獨立的小系統，使每個小系統的灌注量都小于150g。筆者公司根據現調機特點，將R290充注量要求控制在100g以下。這樣即使管路發生泄漏，擴散的到外部空間的R290將會減少，使R290的濃度遠離爆炸下限。

（2）避免泄漏的制冷劑聚集的措施：在安裝壓縮機、冷凝器、風機等零件的機艙位置，在底部要盡量多的布置通風孔，由于R290的分子量為44.1，而空氣的平均分子量約為29.0，因此在相同情況下，R290的密度比空氣大，在使用中如果發生泄漏，R290會由于重力原因通過機艙底部的通風孔擴散到機器外部，當冷凝風機運行時，會加速R290的擴散，由于外部空間較大，會大大降低R290的濃度，遠離爆炸下限。

（3）避免出現燃燒源的措施：開關、壓縮機的啟動器、熱保護器、繼電器等具有閉合和斷開觸點功能的開關必須是密封的，這樣即使產生電火花也不會和泄漏的R290接觸而發生燃燒。在一些必須使用開關的場所，可以選擇可控硅等半導體開關，避免出現電火花。與制冷系統在一起的風機即使發生堵轉也必須是安全的、無火花的。

為了避免這種危險，需要參照IEC 60335-2-24:2010標準（制冷器具、冰淇淋機和制冰機產品標準），對現調機內部電氣元件部位布置測試點，考慮到風扇開啟和堵轉情況，分別在風機啟停兩種情況下進行測量，測量值不應超過規定的制冷劑爆炸下限LEL的75%（爆炸下限：Lower Explosive Limited），且其測量值超過規定的制冷劑爆炸下限50%的持續時間不應超過5分鐘。［6］本文所述現調機各點測試結果如表3所示，各點都滿足標準要求。

表3 R290冷媒泄漏濃度測試結果

3 兩種制冷系統整機測試數據對比

本文研究的現調機對制冷系統的設計要求：設計工況為40℃環境溫度，75%相對濕度，冰板重量12±0.5kg，初次結冰時間不超過10小時，水箱容積48L，使用制冷劑分別為CO2和R290。兩種制冷系統在同樣的測試環境下，整機性能和停機前制冷系統參數如表3和表4所示，使用消耗單位電量可形成冰板重量來衡量現調機制冷效率。

表4 兩種系統整機測試數據對比

從表4中兩種制冷系統在整機性能的測試結果來分析，R290系統單位電量冰板重量3.283 kg/kWh約為CO2系統的1.4倍。R290系統在初次結冰過程中最大輸入功率較CO2系統高45W。從表5中可以看到，在初次結冰過程停機時R290系統的輸入功率438W較CO2系統低約100W。初次結冰以后，水箱水溫將會一直保持在0℃度左右，售賣飲料時，冰板逐漸融化以保證水箱溫度，通過冰板控制器控制制冷系統周而復始的運行，系統參數基本維持在初次結冰過程停機時的狀態參數附近，蒸發溫度兩種系統基本接近，但從高壓側壓力和能耗方面，R290系統具有明顯的優勢。

表5 初次結冰停機前制冷系統主要參數

4 結束語

經過兩年的實際應用，在同一平臺的飲料現調機上，更換成R290系統后，與原來的CO2系統相比，單獨對比制冷系統成本約有20% 的下降，并且單位電量可形成冰板重量比CO2系統高出40%以上，節能效果明顯。

本文所對比的使用了R290制冷系統的飲料現調機在商業化兩年后，制冷系統整體市場不良率和原有的R134a和CO2制冷系統具有相同水準。在安全性方面，嚴格按照設計規范及工藝流程執行，未發生過一起燃燒或爆炸事件。綜上，相比于現有R134a和CO2制冷系統，R290制冷系統更適合應用于飲料現調機上，作為一種天然工質，不論從行業發展還是制造和供應鏈成本方面考慮，現調機行業使用R290制冷系統將是大勢所趨。