关于R290制冷剂在制冷设备中的运用分析

2018-12-03曹庆霖

家电科技 2018年11期

曹庆霖

松下冷链（大连）有限公司辽宁大连 116600

1 引言

制冷剂是制冷系统中的重要的工作介质，能够通过化学反应与外界发生能量交换，为人民群众日常生活带来了极大的便利，但是传统HCFCs型制冷剂所含有的氯、氟、碳、氢原子会严重破坏人类赖以生存的臭氧层，影响生态平衡。R290制冷剂作为一种新型环保制冷剂对抽象层的损害较小，不会产生大量的温室气体，符合《蒙特利尔议定书》协定的要求，已经被逐步应用到空调、冰箱等制冷设备之中。

2 R290制冷剂的应用特性

2.1 使用条件与特性

对于R290制冷剂而言，其应用特性与其他的商用冷柜制冷剂相比具有一定的特殊性，在本文中主要与HFCs系列的R134a和R404A进行比较（表1），针对工作压力而言，当处于-25℃的蒸发条件下，R290制冷剂面临的的工作压力约为R134a制冷剂的1.9倍，R404A制冷剂的0.8倍；在50℃的冷凝条件下，R290制冷剂的工作压力约为R134a制冷剂的1.3倍，R404A制冷剂的0.7倍，因而，从整体上来说，R404A制冷剂的蒸发器和冷凝器与R290的匹配度较高。另外，从实践经验上来看，直径为8mm，壁厚为0.71mm的镀锌钢管较符合满足蒸发器的耐压要求，Ф6×0.71mm的镀锌钢管可以满足冷凝器的耐压要求[1]。

经部分实验证明R290爆炸和燃烧需要具备两个条件，即R290与空气的混合度在2.5%～8.9%之间，温度达到810℃以上。实践表明，如果在设备的生产环节和储运环节措施得当，R290制冷剂的安全风险是完全可控的。但因目前的国标对充注量的控制，难以生产1P功率以上的制冷设备，欧洲目前正在拟定开放充注量的最高标准。届时在尝试过大充注量后，我国能否开放高充注量的标准还是未知数。R290作为一种优秀的替代品仍任重而道远。

2.2 使用标准

在饱和液态时，R290的密度比R134a和R404A都要小，因而在相同容积下R290的灌注量更小，实验证明，如果商用冷柜仍然采用原来的R134a和R404A制冷系统，在假设冷凝器与蒸发器未发生改变的前提条件下，只需要充注原制冷剂量的40%左右的R290制冷剂即可，国家标准已经对R290作为空调制冷剂的灌注量给出明确限制，目前国家要求家用及类似用途冷柜的制冷循环系统中，最多只允许充注150g的R290制冷剂。基于这样的客观条件，在设计适用R290制冷剂的商用冷柜系统时，可以适当的减小冷凝管路的内径、缩短冷凝器的长度、缩小蒸发器的容积，以减小冷剂循环量，提高制冷系统内部冷凝器和蒸发器的换热效率，满足实际应用需求。冷凝器和蒸发器中制冷剂质量的计算公式分别为：

表1 制冷剂参数比较

表2 R290材料兼容性

表3 R290制冷剂的易燃性

图1 冷柜机舱布置图（拆掉机舱格栅）

2.3 生产与运输

目前高纯度丙烷即R290的生产工艺主要包含去其他烷烃和脱硫、脱水。其中难点在产品的脱水，而从工艺角度来看对于制冷剂生产工艺的要求恰恰是含水量的要求。如果含水量不达标，其中含有的水分与润滑剂在高温状况下反应产物对制冷系统的损害非常大。目前国内的生产工艺是与正常的液化石油气分开生产的，但是其储运环节已经形成了非常可靠的、高安全性的流通通路。制冷剂为了与液化石油气区分采用了类似传统制冷剂的钢瓶。

3 R290制冷系统设计

3.1 R290制冷剂的材料选择

R290制冷剂具有良好的材料相容性，与铜、钢、铸铁、润滑油等均能良好相容，与矿物油的互溶性也很高，特别是与聚酯类的互溶性，并且其在制冷回路中为无活性化学物质，并不会在封闭系统中发生化学反应产生电能，直接的材料兼容性很少出现安全问题，但在材料的选择过程中还是尽可能的避免与橡胶、塑料和特殊环保塑料相接触，对于特定的临界材料也要确保测验结果有效且安全的前提下，才能够投入使用，以有效规避意外风险（表2）。除此之外，对于使用R290制冷剂的商用冷柜，可以使用吸附能力高，热稳定性强的分子筛（Molecular sieve）作为干燥剂，并优先选择XH9、XH11、XH7等型号，保障分子筛的有效孔径达到3Å级别。

3.2 制冷系统节流装置的选用

对于应用R290制冷剂的商用冷柜，最经济可靠的就是参考R404A系统的具体结构，尽管R404A属于HFCs系列，而R290属于HC系列，但是毛细管流量、制冷特征和换热效率都十分相近，在选用R290制冷系统节流装置时，R404A系统商用冷柜的主要零部件都是可以直接使用的。如果选择R132a系统，则需要对相关制冷部件进行调整。例如，对于冰箱BCD-64WKGPZMA，将毛细管增加10%～20%的长度，以满足R290制冷剂单位质量制冷需求；由于R290压缩机普遍采用酯类油作为润滑油，其吸水量要大于R134a的压缩机，因而增加过滤器分子筛充注量；立足于对丙烷气体易燃易爆性特征的考虑，在温控器的选择上应调整为R600a专用的防爆型温控器，以保障制冷系统的安全性。调整后的R290冰箱，冰晶生成率较小，制冷性能大幅提升。

3.3 易燃性与安全性

R290制冷剂是一种十分优质的制冷剂替代品，不含有氯原子且臭氧消耗潜值（Ozone Depletion Potential，ODP）为零，具有较高的应用潜能和安全级别，属于低毒性制冷剂，但其可燃性和爆炸性的特征，一直是厂商望而却步的原因，极大的限制了R290制冷剂的推广和使用（表3）。因此，对商用冷柜本身以及冷柜生产者都要做好相应的防范措施，优化结构设计和防爆设计，采用减小灌装量、隔绝着火源、防止制冷剂泄露及提高泄漏后的安全防控能力等措施，提高安全防范意识，使R290远离点火源和可燃源，以避免意外事故的发生。

4 在冷柜设计中采取的安全措施

4.1 减少制冷剂泄漏

商用冷柜制冷剂泄漏会导致制冷系统能耗增加，缩短设备的使用寿命。首先，在管路设计上，要减少其焊接点，并保障管路的抗压能力和强度符合系统设计要求，高压端能够承受3.5倍的丙烷70℃饱和压力，低压端能够承受5倍的丙烷20℃饱和压力，降低制冷剂泄漏的几率。与此同时，还要注意R290制冷剂的注充量，在单个系统内不应超过150g，如果制冷系统内极大，这可以分解为多个独立的小系统，保障制冷剂的注充量位于安全阈限之内。除此之外，商业冷柜的蒸发器最好掩盖在箱体内部，以减低制冷剂泄漏的危害性[2]。

4.2 避免泄漏的制冷剂聚集

商业冷柜的机舱主要由温控器、指示灯、压缩机、冷凝风机、冷凝器等结构组成，如图1所示，其中，1-温控器，2-指示灯，3-通风孔，4-压缩机，5-冷凝风机，6-冷凝器。在安装这些零部件的过程中，相关人员要注重对通风口的设置，充足的通风能够有效避免泄漏的制冷剂聚集，消除安全隐患。一般来说，丙烷气体的密度为1.83kg/m3，分子量为44.09562kg/kmol，空气的平均密度为1.29kg/m3，平均分子量为29kg/kmol，在通常情况下，即20℃时，丙烷的密度要大于空气，一旦在机舱内发生R290制冷剂泄漏，其丙烷气体会由于重力的缘故从设备底部的通风口逸散，当冷凝风机运行时，会加速丙烷的泄漏速度，不再局限于封闭狭小的空间内，从而降低可燃气体的浓度，远离爆炸下限。

4.3 避免出现点火源

丙烷属于可燃性气体，遇火、受热都会使其燃烧或爆炸，因而，在应用R290设计商用冷柜时，要保障系统内部的开关和启动器的密封性，设置可控硅（Silicon Controlled Rectifier，简称SCR）等灵敏度高、响应速度快的半导体开关，强化对系统内部氧化还原反应的识别，避免电火花的产生。除此之外，相关设计人员还要注重对风机性能的筛选、处理和养护，确保其在系统发生电机负载过大、拖动的机械故障、轴承损坏扫堂等情况时，仍然处于无火花的安全状态，另外，商用冷柜的电气接头和灯座必须符合中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布的《家用和类似用途电器的安全制冷器具、冰淇淋机和制冰机的特殊要求》中的相关规定，避免出现点火源，消除在使用和操作过程中的安全风险。

4.4 减少点火源和可燃源

减少点火源和可燃源对于保障商用冷柜电源线路完好，规避爆炸风险具有正向的积极作用。首先，在安装制冷管路的密闭空间内，禁止设置带有“触电闭合-断开”功能的系统开关，这种开关在通电后，能够迅速的产生电流磁场，以控制接触器点动作，但其本身并不具备的本身不具备短路保护和过载保护能力，因而在条件的允许的情况下，尽可能不要将此类开关放置在靠近制冷管的封闭空间内。其次，在制冷间室内，要将电器件放置于较高的位置，以避免丙烷泄漏后，两者的相互接触，从而使R290制冷剂的浓度原理爆炸下限。当然，将电器件放置在最高的地方并不能完全消除安全隐患，只要丙烷发生泄漏就会存在安全风险。

4.5 加强指导用户的正确使用

合理编制商业冷柜的指导说明，能够有效规范消费者的使用行为，以增强其安全防范意识。首先，要在使用说明中增加“不要用刀具对制冷间室除霜”的警告，以避免人工使用金属制品清理时的管路误损，从而导致制冷剂泄漏，引发安全隐患。其次，要在箱体位置较为明显的部位增加提示标签“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1m3的空间”，从而有效控制R290的灌注量，使丙烷浓度远离爆炸下限[3]。最后，要在商用冷柜的箱体和压缩机上贴上醒目的易燃黄色警告标贴，提醒消费者在使用冷柜时，要远离火源和易燃物体，以降低商用冷柜爆炸几率。