新型碳氢制冷剂HCR22在R600a食品制冷系统的应用

刘金光 熊旭波 王世清

栾明川4 张 岩1,2 姜文利1,2

(1. 青岛农业大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266109；2. 青岛市现代农业质量与安全工程重点实验室，山东 青岛 266109；3. 青岛澳维康生物科技工程有限公司，山东 青岛 266071；4. 青岛农业大学建筑工程学院，山东 青岛 266109)

新型碳氢制冷剂HCR22在R600a食品制冷系统的应用

刘金光1,2熊旭波3王世清1,2

栾明川4张 岩1,2姜文利1,2

(1. 青岛农业大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266109；2. 青岛市现代农业质量与安全工程重点实验室，山东 青岛 266109；3. 青岛澳维康生物科技工程有限公司，山东 青岛 266071；4. 青岛农业大学建筑工程学院，山东 青岛 266109)

为探讨新型碳氢制冷剂在食品制冷系统应用的可行性，基于R600a制冷系统，设计一套制冷系统测试装置，主要由制冷系统、温度监测系统和压力检测器等组成；用环境友好型碳氢制冷剂HCR22替代制冷剂R600a，以制冷系数和制冷量为指标，对比了2种制冷剂的制冷效果。结果表明：HCR22用于R600a系统，相比R600a，充注量减少13.33%，制冷系数提高10.53%，系统节能3.16%；系统运行12 h，HCR22和R600a的制冷量分别为7 306.64，6 796.68 kJ。该研究结果为新型制冷剂HCR22替代R600a提供了依据和支持。

HCR22；R600a；制冷系统；制冷

制冷剂的发展，主要经历了3个阶段：19世纪中期，首台机械制冷装置诞生，使用二乙醚作为制冷剂，之后，二氧化碳、氨等尝试用作制冷剂[1]；20世纪初，氟利昂制冷剂的诞生被认为是完美的制冷剂，因其价格适中、无毒不燃和良好的热力学特性，被广泛用于制冷系统[2]；但后续研究[3]发现，HCFC和CFC分子上升至臭氧层后，能够对臭氧层造成破坏形成臭氧层空洞，此外，《蒙特利尔议定书》中也限制了CFC和HCFC类氟利昂制冷剂的使用[4]。《蒙特利尔公约》和《京都协议书》签订后，碳氢制冷剂作为一种环保、高效、节能型制冷剂成为氟利昂制冷剂的新型替代冷剂[5-6]。与氟利昂制冷剂不同，碳氢制冷剂属于天然冷剂，完全环保：只含有碳元素和氢元素，对臭氧层无损伤，对气候变暖影响极小；制冷更快：分子量小，冷凝传热系数更高；用量少：充注量仅为氟利昂制冷剂的30%～45%；但碳氢制冷剂有易燃性，在运输及使用中需避免明火和强烈碰撞[7-10]。

现阶段，氟利昂制冷剂的替代冷剂主要有碳氢制冷剂(R600a、R290)和过渡型制冷剂(R134a、R407C和R410A)[11]。德国等欧洲国家用R600a取代R12，中国冰箱大部分用R600a作为制冷剂[12]。但家用冰箱R600a的充注量不能超过150 g[13]，因此，美国和日本使用R134a替代R12，R134a特性与R12相近，但对系统干燥和清洁要求极高[14]。

HCR22是一种新型碳氢制冷剂，是丙烷和丁烷的混合烷烃，可直接用于已有的制冷设备，无需更换压缩机、管道和冷冻润滑油[15]，相比R600a，HCR22更安全：分子量小，运输及维修中气压更低；噪声更小：等熵压缩比功小，减小了压缩机的负载[16]；制冷更迅速：凝固点低、蒸发潜热更大。HCR22在欧洲国家已初步试用：取代制冷剂R22用于空调制冷；取代制冷剂R404a和R410A用于低温冷藏库等。吴青松[17]研究发现HCR22可直接用于制冷空调且运行负荷更低。因此，本研究尝试使用新型碳氢制冷剂HCR22替换现有的碳氢制冷剂R600a用于R600a制冷系统，通过对比2种碳氢制冷剂的制冷效果，以期验证HCR22制冷剂可直接用于R600a制冷系统，且制冷更安全、高效，并为HCR22制冷剂替代R600a制冷剂提供技术支持。

1 试验装置及试验设计

1.1 试验装置

本试验装置由制冷系统、温度监测系统和压力检测器等组成，见图1。制冷系统包括蓄水池、压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等结构，压缩机工艺管口处焊接制冷剂充注阀；高压传感器安装于干燥过滤器与膨胀阀连接处，测量压缩机排气压力，低压传感器安装于压缩机工艺管口处，测量压缩机吸气压力；此外，系统中接入功率记录仪采集系统实时功率。蒸发器置于蓄水池中，蓄水池内蓄水200 L。

R600a制冷系统：澳柯玛BC/BD-203HN(内部尺寸：946 mm×577 mm×841 mm，有效容积：200 L，压缩机型号：PZ99H1C，制冷剂：R600a)。

1. 计算机 2. 数据记录仪 3. 膨胀阀 4. 压力传感器A 5. 干燥过滤器 6. 冷凝器 7. 压缩机 8. 压力传感器B 9. 集液管 10. 蒸发器 11. 功率记录仪

1.2 制冷剂供给

新型碳氢制冷剂：仁天和HCR22，惠州仁天和节能环保科技有限公司；

普通碳氢制冷剂：金莱尔R600a，襄阳金莱尔制冷化工有限公司。

1.3 温度测试点分布

试验设施测温点布置见图2，蓄水池内安装1～9号测温点，压缩机低压管口和高压管口分别布置10和11号测温点，测试压缩机的吸气和排气温度，12号测温点显示室内温度。各温度测试点的实时温度由TP-1000 64路温度记录仪收集、记录，精度为0.2℃，采集间隔为5 s，试验周期为12 h。试验期间室内温度保持在(15.0±0.5)℃。

1～9表示安装在蓄水池内的测温点

1.4 试验原理

制冷系统中充入制冷剂后，蒸发器中低压液体工质吸收蓄水池中水的热量汽化，饱和工质蒸气经压缩机吸入后压缩成高温高压气体，进入冷凝器液化并释放出潜热，高压液体经毛细管节流降压后流入蒸发器。制冷系统利用电能，借助制冷剂的物态变化，将蒸发器周围的热量搬运到冷凝器并释放出来，伴随着制冷剂不断的蒸发吸热、液化放热两个过程达到制冷的目的。

本试验使用R600a制冷系统，选用HCR22和R600a新旧2种碳氢制冷剂，制冷系统压缩机最大功率运行，蓄水池内水从室温(15℃)开始蓄冷。

1.5 试验测试

试验装置置于室温(15℃)环境，对本试验制冷系统不同充注量制冷效果试验，获得系统最佳制冷效果时的充注量；比较2种制冷剂最佳充液时的降温曲线，分析其制冷效果的差异。

制冷剂选用R600a，充注量选择60，65，70，75，80 g；制冷剂选用HCR22，充注量选择；50，55，60，65，70 g。记录系统运行12 h蓄水池的实时水温和系统压力、功率等数据。

1.6 测试指标

1.6.1 充注量 制冷剂充注过少，蒸发器的传热面积得不到充分利用，压缩机持续运转，能耗增加；制冷剂充注过多，冷凝温度持续升高，威胁电机运行[18]。

1.6.2 压缩机吸气和排气压力 制冷循环中，压缩机对制冷剂进行抽吸、压缩和排出工作，吸气压力和排气压力值及比值大小是压缩机性能的重要参数；吸气压力还直接影响制冷剂的比容以及压缩机工作电流和输入功率[19]。

1.6.3 制冷量 本试验制冷系统测试装置工作12 h的制冷量可由式(1)计算：

Q0=C0M0ΔT，

(1)

式中：

Q0——制冷量，kJ；

C0——常压水的比热容(15℃)，4.18 kJ/(kg•℃)；

M0——常压水的质量，kg；

ΔT——降温温差，℃。

1.6.4 制冷系数 制冷性能系数(COP)指单位功耗所能获得的冷量，制冷系数越大，表示制冷系统能源利用效率越高[20]。本试验中用式(2)表示制冷系数ε。

(2)

式中：

ε——制冷系数；

W0——制冷系统做功，kJ。

同一制冷剂，不同工况下制冷量换算见式(3)。

(3)

式中：

Q0(A)——压缩机在A工况时的制冷量，kW；

ηv(A)——压缩机在A工况时的容积效率；

qv(A)——压缩机在A工况时的单位容积制冷量，kJ/m3；

Q0(B)——压缩机在B工况时的制冷量，kW；

ηv(B)——压缩机在B工况时的容积效率；

qV(B)——压缩机在B工况时的单位容积制冷量，kJ/m3。

1.6.5 统计与分析 试验均重复3次，取平均值，试验数据统计分析采用SPSS统计软件，差异显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 制冷剂充注量对制冷效果的影响

由图3(a)可知，R600a为制冷剂，试验的前4 h，充注量为70，75，80 g时蓄水池温度相差甚微，在此阶段系统制冷量无显著差异(P>0.05)，系统运行4 h后，充注量为75 g时蓄水池温度显著低于其他充注量时的温度(P<0.05)，因此，本系统R600a的最佳充注量为75 g；系统运行12 h，充注量为60，65，70，75，80 g时蓄水池的水温分别降低了6.26，6.74，7.06，8.13，7.42℃，制冷量分别为5 233.36，5 634.64，5 902.16，6 796.68，6 203.12 kJ。

由图3(b)可知，HCR22为制冷剂，系统运行4 h后，充注量为65 g时蓄水池温度显著低于其他充注量时的温度(P<0.05)，系统运行12 h，65 g充注量时蓄水池温度降低最大，为8.74℃；因此，HCR22用于R600a制冷系统的最佳充注量为65 g，12 h时的制冷量为7 306.64 kJ。

2.2 制冷系统压缩机吸气和排气压力

表1和表2为制冷系统使用R600a和HCR22制冷剂的运行参数，表1数据显示，制冷剂为R600a，压缩机吸气温度为0.68～0.72℃，排气温度为55.40～56.20℃，吸气压力为-0.02～-0.01 MPa，排气压力为0.46～0.51 MPa；由表2可知，制冷剂为HCR22，压缩机吸气温度为0.67～0.72℃，排气温度为59.80～62.30℃，吸气压力为-0.02～-0.01 MPa，排气压力为0.35～0.40 MPa。

图3 R600a制冷系统冷剂充注量对制冷效果的影响Figure 3 Cooling effect of refrigerant filling quantity in R600a refrigeration system

表1 制冷系统使用R600a制冷剂的运行参数Table 1 Operating parameters of R600a in refrigeration system

表2 制冷系统使用HCR22制冷剂的运行参数Table 2 Operating parameters of HCR22 in refrigeration system

对比表1和表2，HCR22作为制冷剂，相比R600a，压缩机吸气温度近似，排气温度高6.40～6.90℃，吸气压力相同，排气压力低0.06～0.16 MPa，最佳制冷效果时HCR22的系统能耗比R600a低3.16%。

2.3 HCR22和R600a最佳制冷效果对比

图4为HCR22和R600a最佳制冷效果对比。由图4可知，HCR22和R600a最佳制冷效果对应的蓄水池温度分别降低了8.74，8.13℃，制冷量分别为7 306.64，6 796.68 kJ。对比2条温度变化曲线可以看出，两者变化趋势近乎相同，均未出现温差的骤变，可见，HCR22用于R600a制冷系统与R600a有同样的制冷稳定性，且HCR22的制冷量优于R600a。R600a制冷系统使用HCR22和R600a最佳制冷效果时的相关参数见表3。

图4 HCR22和R600a最佳制冷效果对比Figure 4 Comparison of the best cooling effect of HCR22 and R600a

表3 HCR22和R600a最佳制冷效果的相关参数Table 3 The relevant parameters of the best cooling effect of HCR22 and R600a

由表3可知，R600a制冷系统，HCR22的制冷系数比R600a制冷剂高10.52%，且HCR22最佳充注量比R600a最佳充注量少13.33%，此外，制冷剂为HCR22时蓄水池温度低0.61℃。

综上所述：在制冷量和制冷稳定性方面，HCR22制冷剂可以替代R600a制冷剂直接用于R600a制冷系统，且系统压力更低、制冷系数更高，充注量更少，制冷量更大。

3 结论

本试验将新型碳氢制冷剂(HCR22)应用于食品制冷系统，实现了制冷的环保、高效和节能。研究结果表明：

(1) HCR22用于R600a制冷系统，相比R600a，HCR22制冷剂的制冷系数高10.53%，且充注量减少13.33%，节能3.16%；系统运行12 h，HCR22和R600a使蓄水池的温度分别降低了8.74，8.13℃，制冷量分别为7 306.64，6 796.68 kJ。

(2) 试验装置置于室温(15℃)环境试验，压缩机达到制冷指定温度之后的情况如何，待后续研究。

HCR22制冷剂能够弥补氟利昂类制冷剂对臭氧层破坏和引起气候变暖的缺陷，相比R600a，HCR22更安全，充注量更少，制冷系数更高。试验证明HCR22可直接替换R600a用于制冷系统，在碳氢制冷剂的运输和使用时，应远离明火、避免碰撞，此外，今后试验需对HCR22制冷剂的其他性质进行研究以实现在其他制冷系统的替代，以期用新型碳氢制冷剂(HCR22)完全替代传统卤代烃制冷剂和现有的碳氢制冷剂。

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Application of a new type of fluorine free refrigerant HCR22 in food refrigeration system

LIU Jin-guang1,2XIONGXu-bo3WANGShi-qing1,2

LUANMing-chuan4ZHANGYan1,2JIANGWen-li1,2

(1.FoodScienceandEngineeringCollege,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingda,Shandong266109,China; 2.QingdaoKeyLabofModernAgriculturalQualityandSafetyEngineering,Qingdao,Shandong266109,China; 3.QingdaoAoweikangBiologicalEngineeringTechnologyCo.Ltd.,Qingdao,Shandong266071,China; 4.ArchitectureandEngineeringCollege,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao,Shandong266109,China)

In order to explore the feasibility of the application of new fluorine free refrigerant in the existing refrigeration system, a traditional one based on R600a refrigeration, a testing equipment of new refrigeration system was designed. This new testing equipment was dominated by a cooling equipment, temperature tester and pressure detector. In this study, the refrigerant R600a replaced by a new type of fluorine free refrigerant HCR22, and the coefficient of performance and cold storage capacity were taken as indexes, and conducted an experiment for 12 h, the refrigerating capacity of two refrigerants in different quantity of charging ratio was studied. The results indicated that compared to R600a, the best filling ratio of HCR22 was less 13.33%, but the refrigeration coefficient was higher 10.53%, and the system energy was less 3.16%. When the refrigeration system was run for 12 h, the refrigeration ability of HCR22 was found better, and the cooling ability of HCR22 and R600a were 7 306.64 kJ and 6 796.68 kJ, respectively. This study provided evidences and technical support for the new type refrigerant HCR22 replacing the R600a refrigerant.

HCR22; R600a; R12; refrigeration system; cold accumulation

国家自然基金项目(编号：31271963)

刘金光，男，青岛农业大学在读硕士研究生。

王世清(1961—)，男，青岛农业大学教授，博士。 E-mail：wangshiqing@126.com

2016—10—21

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.031