制冷剂R290的研究及应用现状

赵文祥孟 皓陈 霏

（1红苏省环境经济技术国际合作中心 江苏南京 210036 2扬州市环境监测中心站 江苏扬州 225009）

引言

制冷剂由来已久，据J.M.Calm[1,2]描述，其发展可分为4个阶段：第一阶段[3,4]（1830-1930）的制冷剂原则上是能用即可，主要有醚类、CO2、NH3等溶剂和挥发性介质，大多可燃，有毒或二者兼有，且有些具有强腐蚀性和不稳定性，常发生事故。第二阶段[1,4]（1931-1990）人们追求安全耐久的制冷剂，主要包括氟氯烃（CFCs）、含氢氯氟烃（HCFCs）等，如 CFC-12、HCFC-22（R22）等。虽具有热力性能优良、无毒、不燃、能适应不同温度区域等特点，但CFCs类制冷剂消耗臭氧潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）较高，会导致臭氧层破坏，增加温室效应；作为CFCs替代品的HCFCs虽有所改进，但仍属于消耗臭氧层物质，会给地球环境和人类健康造成严重影响。为此，国际社会于1987年签署《蒙特利尔议定书》，先后制定了CFCs与HCFCs淘汰条款。第三阶段[1-2]（1991-2010）出现了以氢氟碳化物（HFCs）等为主的替代制冷剂，虽然对臭氧层无害，但仍具有较强的温室效应，已于2016年10月被纳入《蒙特利尔议定书》基加利修正案，进行相应的削减限控。第四阶段[1,2]（2010年之后）主要研发应用零ODP、低GWP的第四代天然制冷剂，碳氢类物质，如丙烷（R290）等为当前主要候选物质。R290作为我国空调行业制冷剂HCFC-22的主要替代品之一，许多国内外学者对其在空调中的替代应用，包括系统改良以及防火防爆等方面开展了大量研究。本文将对这些研究分析总结，旨在说明R290在制冷领域的研究进展与替代可行性，并为后续研究及推广应用提供参考。

1 物性研究

1.1 基本热力学性质

此前空调行业主要采用R22为制冷剂，其热力性能优良，但ODP为0.055，GWP为1700，不仅对臭氧层有很强的破坏作用，且属于超级温室气体，对环境的破坏作用极大。因此，根据《蒙特利尔议定书》的要求，到2030年，我国房间空调器行业将全面淘汰R22，仅保留少量用于维修。由表1可知，R290的基本热力学性质与R22很接近，且ODP为0，GWP只有3，是比较理想的R22替代物质，唯一缺点是燃爆性。

表1 R290与R22基本热力性质

1.2 燃爆性研究

童明伟等[6]通过研究发现R290发生爆炸危险需满足两个条件：与空气的混合浓度在2.5%-8.9%；温度在810℃以上。然而在实际过程中，这两种情况同时发生的几率极小。因此只要在设计和运行中做好相应的防备工作，在制冷机组中使用R290冷媒是安全可行的。张网等[7]通过20L球爆炸实验装置发现，R290在空气中体积分数为4%-6%时爆炸压力较大。

郭春辉等[8]通过模拟R290空调器的泄露发现，对于安装高度为2.8m、充注量为300g的壁挂式空调器，泄漏孔径在0.7mm以下时，使用空间的R290浓度是安全的；对于地面摆放的整体式空调器，泄漏孔径为0.2 mm及以上时，在高度0.75 m以下的局部空间会出现R290浓度超标。因此，限制R290充注量、减少制冷剂泄漏时浓度超限、隔绝火源以及提高泄漏后安全防控能力等措施，可保证R290在房间空调器的安全使用。

1.3 与制冷系统的兼容性

R290的基本热力性质决定其可以作为冷媒，而与目前制冷系统的兼容性则影响其快速推广应用。刘玉东等[10]参照相关标准，在试验温度（130±1）℃、压力（1.0-1.1）MPa的条件下对 R290与制冷系统材料相容性进行了试验研究，结果发现各试件颜色、形状、质量等各方面均无明显变化，表明R290与铜、铁、钢、漆包线、润滑油等材料有良好的相容性。

1.4 光化学烟雾反应

使用R290的另一个问题是存在光化学烟雾污染的环境风险。何国庚等[9]通过对光化学烟雾反应的机理研究发现，氮氧化物的存在及其分解产生原子氧是光化学烟雾化学反应的先决条件，碳氢化合物则是形成光化学烟雾污染的中间环节。R290在制冷系统中灌装量很小，且化学性质稳定，参与光化学烟雾形成的能力较弱，因此使用R290冷媒不会对光化学烟雾形成产生明显影响。

2 应用研究

2.1 制冷性能研究

张振亚等[11]分别对R22两种主要替代工质R32和R290在空调系统进行了综合性能测试，发现R32系统较R290系统具有较高的排气温度，压比高7%左右，整体能效比低约3.7%。R290绝热指数小，导热系数大，可降低能耗，提高输气系数，且R290系统换热器压降小于R32系统，有助于提高系统的效率。

肖友元等[12]对R290在家用空调器中的应用研究发现，R290分子量较小，粘度低，可大大减少系统回路的沿程阻力，且汽化潜热值约为R22的1.84倍，可使用紧凑式换热器，减少充注量，达到相关标准要求；R290绝热指数小，导热系数大，可降低能耗，相同配置的空调器能耗比，R290比R22高10%左右。

在大多数窗式空调中R290可以作为R22替代工质，Teng T P 等[13]在不同室外温度（26，29，32℃）及不同灌装量（25%-70%）条件下在一台制冷量为2.0KW的R22窗式空调中进行R290的替代试验研究。结果表明，R290冷媒的最佳灌装量在原R22空调系统的50%╞55%之间，且能效比提高约20%。用R290替代R22的窗式空调可有效提升能效比并减少碳排放。

2.2 灌注量研究

为保证R290空调系统的安全性，并达到相关标准要求，可减少R290的灌注量，保证即使发生制冷剂短时间全部泄露也不会发生事故。Corberán JM等[14]对R290充注量的优化研究表明，制冷剂主要存在于蒸发器和冷凝器中，部分存在压缩机部件里，极少部分在管路中。冷凝器与蒸发器的传热效果对空调系统性能影响很大。因此可减小换热器管径、优化换热器结构与流程组织，降低充注量，保证安全，提升能效。

贾庆贤等[15]分别对分体机充注R410A与R290进行性能实验，结果表明：采用4mm管换热器制冷量优于原5mm管换热器，且充注量减少约20%，具有明显的经济效益和安全效益。Cavallini A等[16]将采用微通道管壳式换热器的100KWR290热泵与传统的板式换热器进行能效和灌注量进行对比。研究表明，在不使用储液器情况下，采用微通道管壳式换热器可将R290的灌注量从3kg减少到2.2kg，而性能几乎不变。

平行流换热器是一种高效紧凑式微通道热交换器，外形紧凑、换热效率高。有研究表明，采用平行流换热器的系统比管带式换热器的系统，更能有效降低灌注量，并提高能效比[16-18]。

2.3 防火防爆

研究发现，在保证制冷性能的前提下，R290的灌注量较少，且其燃点较高（468℃），燃烧极限为2.1%-9.5%，同时满足爆炸条件的概率较低。为保证R290的制冷系统安全运行，可采用封闭的制冷系统；连接管路均采用焊接并改善管材及焊接工艺；减少灌注量；采用防爆电器；增加检测仪等方式来防范R290的爆炸事故[9]。

冼志健[20]在R290家用空调器可靠性设计研究中指出，空调器在非工作状态时，应通过结构与系统设计使制冷剂尽量贮存在室外机内，且只要在设计和生产时严格遵守相关安全标准，并在说明书等方面提示使用者注意按规范操作，R290作为家用空调器的制冷工质是安全的。

2.4 生产与应用现状

我国是空调生产大国，随着环保制冷剂的推广，近几年R290的应用逐渐增多，具体见表2。

在国际上，欧盟国家中，德国、瑞典等国家支持把R290作为房间空调器行业制冷剂替代方案，特别是欧洲F-gas法案的实施，使得欧洲在空气调节系统和制冷系统中大量采用R290；在亚洲，邻国印度也已经实现了R290空调的市场化，印度本土空调制造商Godrej公司已经累计销售了超过25万台R290空调。

表2 国内R290发展情况

结语

R290作为天然工质，基本热力学性质与R22十分接近，同时具有ODP为0，GWP很低的环保特性以及获取容易，成本低廉的市场优势。因此，可作为R22的替代工质。但由于其具有可燃性和爆炸性，发展受到限制。但通过大量研究发现：采用小管径换热器，优化制冷系统的结构和流程回路，有效减少R290的灌注量；或采用封闭的制冷系统，改善运行水平，开发匹配R290系统的专用电子元件及传感器，在安装、使用、维护过程中提升R290的检测水平，均能有效防止R290泄露燃烧爆炸。

随着人们环保意识不断提高，使用天然节能环保的制冷剂是必然趋势。未来应着眼于R290的相关标准和法规的制订以及包括运输和储存在内的安全性能研究。随着R290应用技术研究的不断深入，使用经验的不断积累以及相关标准和法规的完善，环保型制冷剂R290的前景十分广阔。