R290应用于家用冷柜制冷系统的试验研究

张赛 李扬 庆增武 张华伟

（美的冰箱事业部研发中心 安徽合肥 230601）

R290应用于家用冷柜制冷系统的试验研究

张赛 李扬 庆增武 张华伟

（美的冰箱事业部研发中心 安徽合肥 230601）

大冷冻柜今后的发展趋势是采用天然制冷剂，本文对比了R290与R134a、R600a的热力学性质，分析了R290替代R134a与R600a的可行性，并对R290应用于大冷冻柜进行了试验研究发现，降温速度提高了一倍，冷冻能力是R600a的1.8倍。

R290；降温速度；冷冻能力；大冷冻柜

1 引言

为保护人类生态环境，制冷剂的发展经历了CFCs、HCFCs、HFCs及其他自然工质的变化过程。目前，制冷剂的研究呈现多元化、区域化的发展趋势。R290以其优良的热力性能、价格低廉、兼容性强、臭氧消耗潜值为0、全球变暖潜值很小的优势，受到制冷器具研发者越来越多的关注。

在中国市场，由于R600a工质的出现，以节能为主题的家用冰箱冷柜上，R134a从2002年就逐渐让位于R600a。R600a良好的热力学性质使R600a压缩机的COP值达到目前的2.1，由于R600a的容积制冷量较小，冷量大于300W的压缩机制造起来比较困难，在这种情况下，一些天然工质，如R290、CO2等受到越来越多的关注[1]。国内外主要针对家用空调器和热泵中R22的替代物以R290为代表进行了大量的研究[2]。国内许多压缩机厂家陆续推出了300～400W的R290压缩机，一些知名制冷企业也对R290冷柜进行了研究[3,4]。

2 R290、R134a和R600a的热力学性质对比

近十几年来，国内外对CFCs的替代工质进行了大量的研究，主要集中在含氟不含氯物质（HFCs），非完全卤化物质（HCFCs）及碳氢类物质（HCs）。目前，研究的纯工质替代主要有HFC-134a、HFC-152a及碳氢化合物R600a等。1992年，在世界绿色和平组织的支持和倡导下，德国利勃海尔、DDK、西门子等几家公司率先推出采用R600a或R600a/R290混合物为制冷剂的电冰箱，以碳氢化合物的易获取、零ODP值和极低的GWP等优势成为众家电厂家的研究热点。

以R134a为冷媒的冷柜压缩机润滑油为酯类油，该类油具有极强的吸水性，且R134a对杂质有高度敏感性，使得R134a冷柜管路系统及压缩机必须要保持干燥、清洁的生产条件，制造维修难度较大，所以仅可作为过渡产品来使用。

R600a的全球变暖潜能值GWP为20（是R134a的GWP值的1.125%），臭氧层破坏潜能值ODP为0，无毒、制冷效率较高、与水不发生化学反应、与铜制管材和矿物润滑油完全兼容，维修过程与R12制冷剂基本相同。使用R600a作为制冷剂存在一旦制冷剂燃烧发生泄漏，且泄漏后的气体遇火花会发生燃烧和爆炸的潜在危险，因此对R600a引起的安全问题必须予以特别的关注。而R600a从性能特性上占据很大优势，目前国内冷柜厂家已全部采用R600a，但其也存在致命的缺点：易燃易爆，其爆炸极限为1.8%～8.44%（容积比），遇明火极易引发事故。

R290制冷剂，又称丙烷，具有优良的热力性能，价格低廉，而且R290与普通润滑油和机械结构材料具有兼容性，ODP=0，GWP很小，不需要合成，不改变自然界碳氢化合物的含量，对温室效应没有直接影响。丙烷的单位容积制冷量很大，很适合小型化压缩机，是目前较好的环保替代品。R290低燃烧极限体积分数为2.1%，高燃烧极限体积分数为9.5%，燃点466℃，属A3等级易燃易爆的制冷剂。欧洲标准EN-378规定，当碳氢制冷剂的充注量小于150g时，可安全应用于任何密闭的制冷系统而无需采取任何安全措施[5]。

已有大量的研究证明了R290替代R134a具有非常明显的优势，如R290冷冻能力是R134a的1.1倍，COP提高了24.7%[6]，因此本文主要研究R600a与R290在制冷系统中性能的差异。

3 R290和R600a制冷系统试验对比

3.1 R290制冷剂的优缺点

优点：R290具有优良的热力性能，单位质量制冷量大，降温速度快，有利于制冷器具系统的小型化；R290是一种绿色环保制冷剂，对于环境保护有着很好的应用前景。

缺点：R290和R600a一样易燃易爆，所以其充注量一般不超过150g；R290压力较高，约是R600a的2.8倍，是R134a的1.5倍。因此，对于压缩机可靠性和系统管路的强度要求较高，同时对于设备充注管路的建设也应该进行安全余量设计考虑。

由于目前R290压缩机在冰箱冷柜行业中应用属于刚起步阶段，对于压缩机的可靠性以及压缩机使用在整机上的可靠性方面需要进行大量充分的验证。

表1 R290、R134a和R600a的热力学性质对比

表2 R600a与R290试验数据

表3 R600a与R290在环温38℃的储温试验数据

表4 R600a与R290在环温16℃的储温试验数据

3.2 试验系统

实验室温度和湿度均由计算机控制和采集，试验样机采用本公司415L的大冷冻柜，试验测试所采用电器件如温控器等均为防爆设计。测试标准参照最新国标及企标，测试项目包括冷却速度、冷冻能力及耗电量等。冷却速度按照T气候类型，要求环境温度32℃、湿度60%，试验负载采用专用试验测试包，试验要求柜内负载温度在32±1℃，记录柜内最高温度点达到-18℃的运行时间，即为冷却速度时间；冷冻能力要求环境温度32℃、湿度60%，冷冻负载包从32℃降至-18℃的平均温度所用时间；耗电量测试环境为温度32℃、湿度60%，温度运行24小时消耗的电量即为其耗电量。为避免不同箱体的差异，采用统一箱体进行测试，更换方案时为减小残留制冷剂对系统的影响，要求每次更换方案时，用高纯度氮气吹洗系统30min，并严格控制真空度和充注量的精度。

3.3 试验装置

R600a制冷系统如图1所示，是由压缩机、冷凝器、毛细管及蒸发器组成。试验中采用3台415L型号的冷柜，R600a系统中直接更换R290制冷系统，进行对比试验分析，测试数据如表2所示。

3.4 试验结果及对比分析

从表2中可以观察到，该大冷柜采用R600a制冷剂的灌注量为95g，而采用R290制冷剂的灌注量为90g，灌注量少于R600a；R600a制冷系统的冷冻降温（32℃→﹣18℃）时间为89min左右，更换为R290制冷剂后，测试冷却降温时间为47min左右，是R600a降温时间的0.5倍左右，这体现了R290制冷剂具有迅速降低温度的能力；从箱内温度来看，采用R600a制冷剂可使箱内温度降低至-30℃左右，更换为R290后测试的箱内温度为-40℃左右，R290制冷系统比R600a制冷系统的温度要低近10℃，这体现了R290较R600a具有深低温制冷的特性；通过冷冻能力的对比，采用R600a制冷剂大冷冻柜的冷冻能力为28kg左右，更换为R290作为制冷剂时，该冷冻柜的冷冻能力为51kg左右，这显示了R290制冷系统的冷冻能力是R600a制冷系统的1.8倍左右，该情况下耗电量几乎没有增加。

采用本公司某415L大冷冻柜作为测试对象，通过试验对比分析可知，采用R290作为制冷剂的制冷系统比采用R600a的制冷系统在耗电量相差不大的情况下具有快速冷冻、深低温制冷以及超大冷冻能力的特点，如图2所示。同时，表明R290制冷剂具有大制冷量、急速降温以及深低温制冷的优点，该结论为具有速冻保鲜特点的R290大冷冻柜的发展提供了一定的理论指导和实际意义。

对该型号冷冻柜箱内的储藏温度进行测试，表3和表4分别是该冷冻柜环境温度分别在38℃和16℃时的测试试验数据。

本公司某415型号大冷冻柜分别采用R600a和R290作为制冷剂，在环境温度分38℃和16℃下对其进行试验测试，其箱内储藏温度如表3和表4所示，可以明显观察到采用R290作为制冷剂，箱内温度更低，且更为均匀，这更有利于食品的保鲜，这一研究结果对深冷冻柜有一定的理论支持和实际价值。

图1 R600a制冷系统

图2 R600a与R290降温速度及温度曲线对比

4 结论及展望

对本公司某415型号大冷柜采用R600a和R290作为制冷剂的制冷系统进行了试验测试对比分析，可知：

（1）试验验证了R290绿色环保制冷剂应用在大冷冻柜上的可行性，制冷系统达到甚至优于R600a系统的。其中，其灌注量少于R600a的，采用防爆LED灯和控制制冷剂灌注量这些安全措施，R290在大冷冻柜上是有良好的应用前景和较好的制冷性能。

（2）本文通过将R600a制冷系统与R290制冷系统对比，发现采用R290制冷系统灌注量低于R600a的，耗电量较高于R600a的，可忽略；冷冻能力是R600a的1.8倍，在冷冻能力方面具有较大的优势；降温速度比R600a所用时间减小一倍，这体现了R290速冻的特点。

（3）大冷冻柜应用R290作为制冷剂，不仅提高了大冷冻柜的制冷性能，同时还降低了大冷冻柜的成本，若R290压缩机大规模开发生产，降低制造费用，R290在大冷冻柜上将具有更大的优势。

[1] 钱文波等.小型低温冷柜中替代制冷剂R290的实验研究[C].中国制冷学会2009年学术年会论文集，2009:1459-1462

[2] 周彦红等.低温工况下碳氢化合物替代R22的制冷循环分析[J].制冷与空调，2001，1(6):25-28

[3] Rene Van Gerwan, Alan Gerrard, Fabio Robert i.Icecream cabinets using a hydrocarbon refrigerant: from technology concept to global rollout [C]. Interbational Institute of Refrigertion 8th Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids. Copenhagen,2008:103-110

[4] M.v.Beek, M.Janssen.R744 compared to R290 in small freezer application[C]. Interbational Institute of Refrigertion 8th Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids. Copenhagen,2008:944-971

[5] 宁静红等.新型绿色环保制冷剂R290在电冰箱上的应用[J].家电科技，2006,11:45-46

[6] 宋新洲等.R290在大容量卧式冷柜的性能试验研究[J].制冷技术，2001,4(31):10-15

Research on performance of the R290 cooling system in large volume cabinet freezer

ZHANG Sai LI Yang QING Zengwu ZHANG Huawei
(Refrigerator Division, Midea Refrigeration Group Hefei 230601)

Natural refrigerant is the future development trend for large volume cabinet freezer. Via comparisons of thermodynamic property of R290, R134a and R600a, we analyzed feasibility of substitution of R134a and R600a with R290. Performance test is also made on R290 in cabinet freezer, the rapid cooling rate is 2 times and the freezing capability is 1.8 times than R600a system.

R290; The rapid cooling rate; The freezing capability; Large volume cabinet freezer