R290在冰箱冷柜中的冷媒替代研究

程 璨 柯俊景 藍啟航 曹端泉

（廣州擎天電器工業有限公司 廣州 510800）

引言

近年來，隨著環保要求迅速提高，人們也越來越重視新型替代制冷劑的研究。當前冰箱行業廣泛應用的R600a 雖然滿足環保要求，但其單位容積制冷量相對較低，在大負荷產品上具有局限性。隨著人們生活水平的提高，用戶對冰箱冷柜的容積和降溫速度的需求迅速提高，也直接導致產品的負荷增大。在大負荷產品中目前廣泛應用的是R134a，但其屬于HFC 類制冷劑，面臨著逐步被淘汰的局面。第四代環保制冷劑R290，因其零ODP、低GWP、高單位容積制冷量的性能特性成為冰箱冷柜產品的主要候選物質。

1 R290 與常用冷媒的物性對比

R290 與目前冰箱冷柜常用的R600a 和R134a 的主要物性參數對比[1,2]如表1。本文基于ASHRAE 標準工況對三種冷媒的的制冷循環性能進行了計算[3]，主要參數對比如表2。對比可知R290 具有如下特點：

表1 冷媒物性對比

表2 標準工況下制冷性能對比

1）R290 沸點溫度低至-42.09 ℃，遠低于R600a 和R134a，適用于低溫產品。

2）R290 的沸點潛熱和單位質量制冷量高于其他冷媒，使得其灌注量相對其他冷媒可以減少。因為R290的易燃特性，一些地區對其使用量做了限制，而相對較少的冷媒量也有利于達到標準要求。

3）R290 的單位容積制冷量遠高于其他冷媒，使其能夠滿足冷量需求大的大容積冰箱、商用柜等產品。

2 在大容積風冷冰箱的應用——對R600a 的替代

本文對一款使用R600a 的475 L 雙門風冷冰箱進行了冷媒替代研究。兩種冷媒所選壓縮機配置對比如表3。基于兩種冷媒的物理性質，在進行替代優化時對毛細管流量進行調整，對R290 冷媒采用大流量毛細管，以減少高低壓端的壓差。同時對R290 冷媒進行冷媒量調試，較R600a 系統減少冷媒。基于此對樣機進行43 ℃下拉測試和25 ℃冷凍能力對比，結果如表4所示。可知采用同樣冷量的壓縮機，R290 相對R600a 下拉速度、冷凍能力均有明顯提升。因此可得出結論：對已匹配R600a 冷媒的系統改造為R290 時，需要加大毛細管流量并減少系統冷媒，可明顯加快系統降溫速度并提升冷凍能力。在此基礎上，基于R290 壓縮機需配置冷凝風扇的特性，可以將冷凝器由直冷式改為風冷式，由此可進一步提升系統制冷性能。

表3 R290 替代R600a 壓縮機參數對比

表4 R290 替代R600a 整機性能對比

3 在直冷臥柜的應用——對R134a 的替代

R134a 冷媒的單位質量制冷量偏低，因此往往需要大灌注量才能滿足制冷需求。在小冷量需求的產品和高效產品中，R134a 目前已普遍被R600a 冷媒代替。受R600a 壓縮機的冷量限制，在冷量需求較大的輕商用的產品中，R134a 仍在使用。本文對一款應用R134a的750 L 雙門臥式冷柜進行冷媒替代研究。比對R290 和R134a 的物理特性可知，R290 的單位質量制冷量相對大，壓差相對小。對于已經匹配R134a 的系統，可參考R600a 的替代方案，加大毛細管流量并減少冷媒量。針對本產品，所選配的壓縮機參數對比為表5。本產品為ST 型氣候類型，因此進行32 ℃下拉測試和25 ℃冷凍能力測試，測試結果對比如表6。可見此產品替代為R290后，下拉速度和冷凍能力均有明顯提升。

表6 R290 替代R134a 整機性能對比

4 結論

通過熱力計算比對標準制冷工況下各冷媒的性能參數，并選擇典型產品進行替代驗證，得出R290 的基本替代方案：

1）由于R290 在標準工況下的工作壓力相對高、壓比偏小，因此對R134a 和R600a 替代時需要加大毛細管流量。

2）由于R290 的單位質量制冷量較其他冷媒明顯偏大，因此都需要減少冷媒充注量；

3）減少冷媒充注量的同時建議同步減少換熱器的管路內容積。結合R290 壓縮機需要配置風扇強制散熱，可以將冷凝器替代為內容積小但換熱效率高的微通道形式，共用冷凝風扇。

4）R290 冷媒的工作時的高壓壓力相對高，在替代R600a 冷媒時要注意校核高壓端管路材料強度。