R290制冷剂在商用冷柜上的应用研究

2012-11-23刘英志刘业凤卞伟王志海

制冷技术 2012年1期

刘英志，刘业凤，卞伟,2，王志海,2

(1-上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200031；2-青岛海尔特种电冰柜有限公司，青岛 266101)

0 前言

随着《蒙特利尔议定书》的签订执行，破坏臭氧层的CFCS已被禁止，HCFCS也即将被禁止使用。随着人们环保意识的增强，人们非常重视温室效应对气候、环境的影响，人们开始倡导用自然制冷剂替换温室效应较大的HCFC。R290作为一种自然制冷剂在全球得到了推广，海尔集团在 2004年研发成功使用R290制冷剂的商用冷柜，2005年开始批量生产，到目前已全流程掌握了它的使用。

1 制冷剂R290的应用特性

制冷剂R290的特性与其它小型全封闭系统中常用的制冷剂有差异，如表1所示。因此在许多情况下需要不同的细节设计。

1.1 工作压力

-25℃蒸发时，R290的工作压力约为R134a的190%，R404A的 81%。因此蒸发器的设计必须与R404A类似。50℃冷凝时，R290约为 R134a的130%，R404A的74%，因此原系统为R404A的，管路的耐压能力完全满足R290的要求。根据多年验证，φ8壁厚0.71 mm的镀锌钢管可以满足蒸发器的耐压要求（5倍的丙烷20℃饱和压力，即36.8bar），φ6壁厚0.71 mm的镀锌钢管可以满足冷凝器的耐压要求。

表1 几种制冷剂的参数

1.2 制冷剂充注

对于原来使用R134a或R404A制冷剂的制冷系统，如果蒸发器、冷凝器没变化，R290的充注量约为它们的40%（经过多年验证）。

根据标准要求，单个制冷循环系统R290制冷剂的最大允许充注量为150g。为了符合这一标准，设计时可以采取一些措施：a) 适当减小冷凝管路的内径；b) 提高冷凝器的换热效率，缩短冷凝器的长度；c) 提高蒸发器的换热效率，减小蒸发器的容积。通过以上措施曾经将同意型号商用冷柜的灌注量从200g降到了130g。

2 材料的选择

制冷剂R290与矿物油的互溶性很高，与聚酯类油的互溶性也很高，在Danfoss、Embraco等公司生产的R290压缩机中使用了与R134a、R404A压缩机一样的聚酯类油。（特别提醒：虽然 R290与R600a都属于易燃易爆的HC制冷剂，但其压缩机用的润滑油不同，在冷柜生产、维修时一定注意。）R290在制冷回路中为无活性化学物质，不会发生特定问题。直接的材料兼容性很少有问题，但在有些橡胶、塑料和特殊环保塑料已经发现了问题，不过这些材料通常不会出现在小型全封闭系统中。有些材料被一些测试人员报告有问题，特将它们列在表2中。对于临界材料，必须针对特定用途进行测试。

表2 R290材料兼容性

对于小型商用冷柜，常用的干燥剂是分子筛，对于R290，建议使用孔径大小为3埃米的材料，与R134a类似，可以使用XH9、XH11、XH7型的制冷剂分子筛。用于R134a的笔形干燥过滤器只要符合GB4706.13的要求就可以用于R290系统。实践证明这样使用没有问题。

3 制冷系统节流装置的选用

对于小型的商用制冷设备——商用冷柜，采用毛细管节流是一种经济、可靠的方式，对于性能、规格相同的商用冷柜，毛细管的流量与R404A系统一样即可。

根据丙烷的制冷特性，回气适当过热会提高系统的制冷效率，因此毛细管与回气管需进行换热，具体结构可完全借用R404A相近系统的。

经过多年验证，原来是 R404A系统的商用冷柜，如果改成R290系统，制冷系统的主要零部件可直接使用。

4 易燃性与安全性

制冷剂R290的安全分类属于A3级，属于低毒性（可以认为是无毒的），但其具有高度可燃性（易燃性见表3），这对使用带来危险，这就要求谨慎的处理和安全的防范。

表3 制冷剂R290的易燃性

由表3可知R290在广泛的浓度范围内都具有可燃性，因此对冷柜本身及冷柜的生产厂都有必要进行安全预防。如果发生事故必须同时满足两个基本条件，一是R290和空气形成易燃混合物（R290浓度比例在爆炸下限与爆炸上限之间），另一个是足够的能量级别或温度的燃烧源。这两个条件必须同时存在才能燃烧，因此必须确保这种组合不会发生。

4.1 在冷柜设计中采取的安全措施

对于使用 R290制冷剂的冷柜必须要通过GB4706.13的相关测试，在设计过程中有以下方面规避危险。

4.1.1 减少制冷剂泄漏的措施

1）管路必须满足耐压要求。系统的高压端必须经受3.5倍的丙烷70℃饱和压力即87bar的压力，低压端必须经受 5倍的丙烷 20℃饱和压力，即36.8bar。

2）管路的设计还要尽量减少焊点，减少焊漏的概率。

3）使用1.2中提到的方法减少制冷剂的充注量。

4）如果制冷系统较大，灌注量要超过150g，可以将其分解成两个独立的小系统，使每个小系统的灌注量都小于150g。

5）蒸发器最好不要有裸露在发泡层外部（箱体内部间室）的部分。这样即使管路发生泄漏，跑到外面的速度将会大大减慢，使丙烷的浓度远离爆炸下限。

4.1.2 避免泄漏的制冷剂聚集的措施

在安装压缩机、强冷凝器、风机等部件的机舱内，在底部要布置尽量多的通风孔，如图1中的3，由于丙烷的分子量为44.1 kg/kmol，而空气的平均分子量是29 kg/kmol，因此在相同情况下，丙烷的密度比空气大，万一在此空间内出现丙烷泄漏，丙烷会由于重力原因通过机舱底部的透空跑到冷柜外面，当冷凝风机运行时，会加速丙烷跑到冷柜外面，由于外部空间较大，会大大降低丙烷的浓度，远离爆炸下限。

4.1.3 避免出现点火源的措施

1）温度控制器、开关、化霜定时器、压缩机的启动器、热保护器、继电器等具有触点闭合——断开功能的开关必须是密封的，这样即使产生电火花也不会和万一泄漏的丙烷接触而发生燃烧。

2）在一些必须使用开关的场所，可以选择可控硅等半导体开关，避免出现电火花。

3）与制冷系统在一起的风机即使发生堵转也必须是安全的、无火花的。

4）电气接头、灯座必须符合GB4706.13的要求，避免在使用或操作过程中出现火花。

4.1.4 减少点火源和可燃源的措施

1）在一个有制冷管路封闭的空间内，例如制冷间室内，禁止安装具有触点闭合——断开功能的开关。即使这种开关是密封的，也最好不要安装到这里。

2）在一定的有制冷管路的空间内，电器件的安装位置尽量高一些，如图1所示，温控器、指示灯、压缩机附件的位置较高。由于丙烷的分子量为44.1 kg/kmol，而空气的平均分子量是29 kg/kmol，因此在相同情况下，丙烷的密度比空气大，位置越高丙烷的浓度越小，万一丙烷泄漏时，此处的丙烷浓度越远离爆炸下限。当然丙烷与空气间还会相互扩散，千万不要认为安装位置高一点就绝对安全了。

4.1.5 加强指导用户的正确使用

有关使用的说明增加一些信息和警告，以便提醒仔细处理。

1）增加“不要用刀具对制冷间室除霜”的提示，同时配上用刀具除霜将管路弄破后制冷剂泄漏遇火后发生火灾的漫画。

2）在箱体容易被人看到的部位增加提示标贴“对于每冷柜 8g的制冷剂灌注量，冷柜使用（存放）的环境提供至少 1立方米的空间”。如果保证这样使用，即使制冷系统内的丙烷全部泄漏，丙烷在空气中的浓度仅大约为爆炸下限的20%，保证使用的安全。

3）与箱体及压缩机上加贴图2所示的R290易燃黄色标贴警告，人们在使用冷柜时要远离火源，同时不要将火源带到冷柜附近。