碳氢化合物及其混合物应用于小型商业冷柜的实验研究

王玄坤，钱文波，晏刚

（1-北京市丰台区房屋经营管理中心供暖设备服务所，北京 100069；2-西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安 710049）

碳氢化合物及其混合物应用于小型商业冷柜的实验研究

王玄坤*1，钱文波2，晏刚2

（1-北京市丰台区房屋经营管理中心供暖设备服务所，北京 100069；2-西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安 710049）

为了解决目前应用于低温冷柜的制冷剂环保问题，本文对碳氢化合物应用于低温冷柜以替代R404A等传统的低温制冷剂进行了研究。本文编写了制冷剂循环性能程序，比较了R404A、R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）在低温工况下的热力学循环性能。基于商业冷柜SRL-CD2075HA，实验研究了R290及其二元混合物的最佳冲灌量和降温速度。结果表明：R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的循环性能系数优于R404A，其系统耗功也比R404A系统低；R404A、R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的最优充灌量分别为600 g、250 g、235 g和440 g。在同等条件下，R290及其二元混合工质完全可以达到R404A的制冷效果。

R290；循环性能；充灌量；低温工况

0 引言

目前，用于低温冷柜的制冷剂主要有R404A。R404A由于其温室效应潜能值比较高，不满足环保制冷剂的要求。因此，在低温冷柜中寻找一种合适的替代制冷剂是十分必要的。

碳氢制冷剂由于其无毒性、化学稳定性和环保特性，国内外很多学者对于碳氢化合物进行了相关的研究，主要侧重于在空调器和热泵中的使用。吴植华等[1]做了碳氢制冷剂R290在空调中替换R22的实验研究。张战等[2]在三种品牌的空调器上对比研究了R290与R22。陈永强等[3]研究了3种不同型号的空调器用碳氢制冷剂替代R22的性能变化。肖洪海等[4]比较全面地研究了R290在小型家用空调中应用的性能情况。王怀信等[5]在小型空调系统中进行了碳氢化合物替代R22的研究。JUNG D等[6]提到在家用空调器中用R1270替代R22。PARK K J等[7]考虑在家用空调中用R290、R1270和7组由R1270、R290、R152a和RE170（DME）所组成的混合物替代R22。RITTER T J[8]提出在空调器中用R290和R290/R170(CARE-50)对R22进行替代。PURKAYASTHA B[9]考虑在制冷系统和热泵系统中用碳氢制冷剂R290和LPG(液化石油气)替代R22。PARK K J等[10]提到在家用空调和热泵中替代R22，所用制冷剂为R433A（30%的R1270和70%的R290）。JABARAJ D B等[11]考虑在窗式空调器里面用碳氢制冷剂混合物（45.2%的R290和54.8%的R600a）加上R407C混合替代R22。DEVOTTA S等[12]考虑在窗式空调器里面用R290替代R22，测试工况主要分为三种，即国内测试工况（室内侧干球温度27℃，湿球温度19℃；室外侧干球温度35℃，湿球温度30℃）、出口测试工况A（室内侧干球温度27℃，湿球温度19℃；室外侧干球温度35℃，湿球温度24℃）和出口测试工况B（室内侧干球温度27℃，湿球温度19℃；室外侧干球温度46℃，湿球温度24℃）。CORBERAN J M等[13]主要讨论在水-水热泵里面用R290做工质时充灌量的问题，并对比分析了充灌量和过冷度对于COP和冷量的影响。FERNANDO P等[14]从降低热泵和制冷系统中的充灌量入手，介绍一个制热能力为5 kW左右的水-水热泵，通过设计微通道换热器来降低充灌量。CHANG Y S等[15]用碳氢工质R290、R600a、R600、R1270、R290/R600a和R290/R600与R22在热泵系统中做比较。PALM B[16]介绍了碳氢制冷剂用于小型热泵和制冷系统里的研究情况，比较了一些用在小型热泵和制冷系统的碳氢制冷剂的性能和物性。CORBERÁN J M等[17]介绍了目前国际上和欧盟对于碳氢工质的安全标准，并且提出一个非常重要的结论，即在密闭的制冷系统中，充灌量小于150 g时，用碳氢类制冷剂是安全的，这类系统主要侧重于冷柜、家用冰箱。王芳和邬志敏[18]讨论了成本因素对R22替代制冷剂在系统优选中的影响，指出R290的系统优成本比R22低4%～5%左右。吴植华等[19]通过实验手段证实R290可以在现有空调器中不作任何改动的情况下替代R22，并且R290与R22的能效高出15.47%。

以上研究主要集中在家用空调器和热泵系统中使用碳氢制冷剂，而碳氢制冷剂应用于低温冷柜中的研究非常少，国内几乎很少有相关文献公开。考虑到碳氢制冷剂具备可燃性，而在商业低温冷柜中由于其冷量需求要远远小于在空调器和热泵，碳氢制冷剂的充灌量也要小很多，因此碳氢制冷剂应用于商业冷柜领域将具备比家用空调、热泵领域更大的可行性。周彦红等[20]提出在低温工况下碳氢化合物替代R22，但仅从理论上分析了几种碳氢化合物在低温工况下的性能，并未实验验证和考虑安全性问题。本课题组对于碳氢工质应用于商业冷柜已经进行了相关的研究[21-22]。本文在低温工况下对比研究了R290及其两种混合制冷剂的循环性能，重点实验研究了R290在低温冷柜中的使用。

1 制冷剂的物性比较

由图1可以看出，所选替代制冷剂R290/R134A质量配比为50︰50时，R290/DME质量配比80︰20时，这两种混合物的气、液态饱和蒸气压曲线基本重合，为共沸混合物。R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的饱和蒸气压曲线与R404A的饱和蒸气压曲线非常接近，尤其在低于-20 ℃的温区，这三种R404A替代物的饱和蒸气压曲线和R404A重合度很高。表明在低温工况下，R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）理论上能够直接替代R404A。理论上，蒸气压曲线越靠上，表明其压缩机制冷能力的容积制冷量大，而相应的循环制冷系数值越小。

图1 R404A及其替代物的饱和压力曲线图

表1介绍了所研究的三种替代制冷剂和R404A的环保性能。从表中可见，所选三种新型替代制冷剂的环保性能很好，其ODP值为0，GWP值均小于R404A。其中R290和R290/DME（wt%：80/20）的GWP值只有20左右，而R290/R134A（wt%：50/50）的GWP略高，但绝对值仅相当于R404A的18.6%。

表1 三种替代制冷剂与R404A的环保性能比较

2 循环性能比较

2.1 计算工况

采用我国机械行业标准JBf 17666-1995《关于制冷空调设备名义工况的一般规定》中对R22等压缩机及机组名义工况的规定，选取低温工况Ⅰ作为比较工况，见表2。本文在REFPROP源程序的基础上，编写了制冷剂的循环性能程序。

表2 低温工况Ⅰ下的循环参数

2.2 计算结果

表3列出了在低温工况Ⅰ下四种制冷剂的循环性能参数。可以看出，所选择的三种替代制冷剂的COP较R404A有较大幅度的提高，R290和R290/DME（wt%：80/20）的COP较R404A分别提升了15.6%和16.0%，R290/R134A（wt%：50/50）也较R404A提高了9.8%；所选三种替代制冷剂的单位质量制冷量也较R404A提高显著，R290/DME（wt%：80/20）的单位质量制冷量最大，相比于R404A提升了162.3%，其次为R290和R290/R134A（wt%：50/50），分别提升了155.8%和74.8%，这表明在获取相同制冷量的情况下，所选替代制冷剂的充灌量大幅度降低；三种替代制冷剂的压力比也较R404A低，这对于压缩机的性能提高具有意义；R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的排气温度略高于R404A，但三者相差不大；所选三种替代制冷剂的单位容积制冷量与R404A接近，进一步验证了灌注式替代的可行性。理论循环性能表明，在低温工况Ⅰ下R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的综合性能相比于R404A有所提高。尤其是在能效比COP和充灌量方面相比于R404A具有很大优势。

表3 低温工况Ⅰ下R404A及其替代制冷剂的理论循环性能

图2～图6给出了冷凝温度为43 ℃，蒸发温度从-40 ℃变化到0 ℃时，所选这几组制冷剂的q0、qv、td、w和COP随蒸发温度的变化情况。从图中可以看出，随着蒸发温度的升高，q0、qv、COP均有升高趋势，td、w保持下降趋势。由图2知，R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的单位质量制冷量要远高于R404A，即获得相同制冷量所需要的制冷剂充灌量最小。其中以R290/DME（wt%：80/20）的单位质量制冷量最大，即其充灌量最小。图3表明，在蒸发温度较低时，三种替代制冷剂和R404A的单位容积制冷量qv很接近，这表明在低蒸发温度下，这三种制冷剂在使用原型号大小的压缩机时能够获得需要的冷量而不必更换较大型号的压缩机。

由图4可知，三种替代制冷剂R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的排气温度略高于R404A，其中R290/DME（wt%：80/20）最高，R290次之；理论计算表明，随着蒸发温度的升高，排气温度均降低，但三种替代制冷剂R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的排气温度降低趋势要强于R404A，这对于制冷系统的运行更为有利。

图5表明，在制冷系统中，R290/DME（wt%：80/20）、R290、R290/R134A（wt%：50/50）的系统单位质量耗功均高于R404A，其中R290/DME（wt%：80/20）最高，R290次之。且随蒸发温度的升高，R290/DME（wt%：80/20）、R290、R290/R134A（wt%：50/50）的单位质量耗功下降幅度更多。虽然所选三种替代制冷剂单位质量耗功较大，但其单位质量制冷量很大，在一定程度上弥补了这一不足之处。

图6表明，在制冷系统中，R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的系统理论能效均高于R404A，其中R290/DME（wt%：80/20）最高，R290次之。

综合这几种制冷剂在变蒸发温度情况下的性能来看，R290/DME（wt%：80/20）和R290在低蒸发温度下的综合性能最好，所选三种替代制冷剂均能够用于低温工况下替代R404A。

图2 单位质量制冷量随蒸发温度变化曲线

图3 单位容积制冷量随蒸发温度变化曲线

图4 排气温度随蒸发温度变化曲线

图5 单位质量耗功随蒸发温度变化曲线

图6 系统COP随蒸发温度变化曲线

3 实验研究

实验选用大连三洋冷链有限公司生产制造的商业冷柜SRL-CD2075HA，其设计标准为：在环境温度27 ℃、湿度60%的条件下，柜内温度控制范围为-25 ℃～-15 ℃。实验测试平台如图7所示。测试时环境温度维持27 ℃±0.5 ℃，相对湿度60%。测试所用压缩机为R404A TC4CL压缩机，节流装置为内平衡式热力膨胀阀，润滑油均用TC4CL酯类油。测试用压力传感器为YB-501，测试精度0.3级；温度测量采用Agilent34970A进行热电偶数据采集；流量计为DMF-1-2进行质量流量测量。测试过程中，通过对压缩机吸、排气口温度和蒸发器出、入口温度，以及冷凝器出、入口温度和柜内各点温度，对比不同充灌量时各点温度变化、压力变化和耗电量等数据，从而找出最佳充灌量。以下主要介绍R290充灌时的测试情况。

图7 商业冷柜制冷系统流路及测试实验台

从图8可以看出，在R290充灌量为250 g左右时，蒸发器出口温度略高于蒸发器中段温度，这表明蒸发器出口存在一定的过热情况。蒸发器进口温度要高于蒸发器中段温度，这主要是由于管路压降导致蒸发温度降低所产生的；而在充灌量小于190 g时，由于制冷剂严重不足，导致蒸发器偏大，使得制冷剂还未到蒸发器中段便已经处于过热状态，因此蒸发器中段温度要明显高于蒸发器进口温度。随着充灌量的变化，蒸发器进口、中段、出口温度以及柜内各点温度变化较明显，充灌量较多或较少，影响着制冷剂在蒸发器内的蒸发热交换，只有当制冷剂的充灌量达到一个最佳值，使得制冷剂在蒸发器内蒸发换热最充分，柜内各点温度也达到最低值。当制冷剂R290充灌量为250 g左右时，柜内温度及蒸发器温度最低，且此时蒸发器进出口温度均相近，表明制冷剂在蒸发器中刚好蒸发完全。因此，初步判定实验冷柜SRL-CD2075HA采用R290制冷剂时其最优充灌量为250 g。

图8 柜内及蒸发器管壁温度随制冷剂充灌量的变化

从图9可以看出，当选用R290作为制冷剂时，随着充灌量增大，排气温度、冷凝器内温度均有升高。压缩机排气温度在55 ℃～65 ℃之间，排气温度比较小，这样有利于防止制冷剂在高温下变质和润滑油炭化。制冷剂在250 g～270 g范围内压缩机的吸气温度达到最低值10 ℃左右，说明制冷剂此时蒸发比较充分，表明R290的最优充灌量在250 g～270 g。制冷剂的充灌量过多会造成压缩机排气压力过高，从而影响压缩机使用寿命及制冷效果，而充灌量过少会使得吸气压力低而造成压缩机负压过大，影响压缩机寿命。从图10中可以看出，当制冷剂充灌量在230 g～250 g时，压缩机排气压力和吸气压力都达到一个适中的水平。故从吸、排气压力情况来看，R290用于冷柜系统的最佳充灌量大概为230 g～250 g。

图11为冷柜系统稳定后，不同充灌量下的功率消耗图，即为稳定后单位时间的耗电量。如果仅考虑冷柜的节能效果的话，那么充灌量在210 g以下时消耗的功率较低，但是冷柜最主要的性能指标是其制冷能力，在210 g以下时，不能达到所需要的制冷效果。所以从冷柜耗功方面考虑，作为冷柜SRL-CD2075HA采用R290作为制冷剂时的最佳充灌量为250 g。

图9 吸排气及冷凝器管壁温度随充灌量的变化

图10 吸排气压力随充灌量的变化

图11 冷柜耗功率随充灌量的变化

综合上述，关于R290的充灌量实验，可以得出R290用于实验冷柜的最优充灌量在250g左右。同样通过实验得出在此冷柜中，R404A、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的最优充灌量分别为600g、235g、440g。其中，在本文所研究的三种替代制冷剂中，R290/DME（wt%：80/20）的最优充灌量最小，仅相当于R404A的39.2%，R290/R134A（wt%：50/50）的最优充灌量最大，相当于R404A的66.7%，R290适中，相当于R404A的41.7%。实验结果与低温工况下这几种制冷剂所计算得出的单位质量制冷量相耦合，也验证了实验的准确性。

图12为最佳充灌量情况下的降温速率情况。由柜内温度的变化曲线可以看出，从冷柜启动到稳定工作，柜内温度由环境温度27 ℃降至-20 ℃左右的降温过程中，R290/R134A（wt%：50/50）的降温速度最快，其次为R290，接下来是R404A，R290/DME（wt%：80/20）的降温速率最慢。当柜内间室温度降低至-15 ℃时，系统开始进入相对稳定的状态，制冷量与系统的漏热量趋于平衡。其稳定的时间大概在开机运行125 min～150 min左右。并且从图12中可以发现，R290和R290/R134A（wt%：50/50）无论从降温速率还是降温程度来说，都略强于R404A，而R290/DME（wt%：80/20）较R404A略有降低。在同等设备条件下，R290、R290/R134A（wt%：50/50）和R290/DME（wt%：80/20）完全可以达到R404A的制冷效果。

图12 制冷剂在冷柜内部温度随时间变化曲线

4 结论

本文对R290、R290/R134A（wt%：50/50）和R290/DME（wt%：80/20）制冷剂在小型商业冷柜中直接灌注式替代R404A的可行性进行了理论和实验研究，得出以下结论。

1）理论循环表明：在低温工况下R290、R290/DME（wt%：80/20）和R290/R134A（wt%：50/50）的综合性能相比于R404A有所提高。尤其是在能效比COP和充灌量方面相比于R404A具有很大优势；变工况条件下R290、R290/R134A（wt%：50/50）、R290/DME（wt%：80/20）的单位质量制冷量远高于R404A，在蒸发温度较低时，三种替代制冷剂和R404A的单位容积制冷量很接近。

2）实验表明R290、R290/DME（wt%：80/20）在耗电量方面较R404A极具优势，而R290/R134A（wt%：50/50）的耗电量较R404A略有增加，增幅仅为1.0%；R290、R290/R134A（wt%：50/50）的降温速率较R404A快，R290/DME（wt%：80/20）较R404A在降温速率方面略有降低。

3）在小型商业冷柜中，R290/DME（wt%：80/20）的最优充灌量最少，仅为R404A的39.2%，R290的最优充灌量为R404A的41.7%，R290/R134A（wt%：50/50）的最优充灌量为R404A的73.3%，实验结果与低温工况下这几种制冷剂所计算得出的单位质量制冷量相耦合。

[1] 吴植华, 阎琳. 在家用空调中用丙烷（R290）替代R22的研究（一）[J]. 制冷技术, 1996, 16(3): 37-40.

[2] 张战, 张舸, 王建栓, 等. R22与R290热物性对比分析与实验研究[J]. 天津城市建设学院学报, 2002, 8(4): 258-264.

[3] 陈永强, 刘金平, 张波. 新型制冷剂R290热物性分析及试验研究[J]. 环境技术, 2005, 22(6): 19-23.

[4] 肖洪海, 张桃, 胡艳. R290小型家用空调器的性能匹配研究[J]. 制冷学报, 2006, 27(1): 26-30.

[5] 王怀信, 李丽, 王康迪, 等. 小型空调系统中碳氢化合物替代HCHC22的研究[J]. 太阳能学报, 2002, 23(1): 11-16.

[6] JUNG D, SONG Y, PARK B. Performance des mélanges de frigorigènes utilisés pour R22[J]. International Journal of Refrigeration, 2000, 23(1): 466-474.

[7] PARK K J, JUNG D. Thermodynamic performance of HCFC22 alternative refrigerants for re-sidential airconditioning applications[J]. Energy and Buildings, 2007, 39(6): 675-680.

[8] RITTER T J. Experiences with hydrocarbon blends in the UK market, applications for natural refrigerants[J]. International Journal of Refrigeration, 1996, 21(1): 3-17.

[9] PURKAYASTHA B, BANASAL P K. An experimental study on HC290 and a commercial liquefied petroleum gas (LPG) mix as suitable replace for HCHC22[J]. International Journal of Refrigeration, 1998, 21(1): 3-17.

[10] PARK K J, SHIM Y B, JUNG D. Performance of R433A for replacing HCFC22 used in residential air-conditioners and heat pumps[J]. Applied Energy, 2008, 85(1): 896-900.

[11] JABARAJ D B, NARENDRAN A, MOHAN L D, et al. Evolving an optimal composition of HFC407C/HC290/ HC600a mixture as an alternative to HCFC22 in window air conditioners[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2007, 46(3): 276-283.

[12] DEVOTTA S, PADALKAR A S, SANE N K. Performance assessment of HC-290 as a drop-in substitute to HCFC-22 in a window air conditioner[J]. International Journal of Refrigeration, 2005, 28(4): 594-604.

[13] CORBERAN J M, MARTÍNEZ I O, GONZÁLVEZ J. Charge optimisation study of a reversible water-to-water propane heat pump[J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(4): 716-726.

[14] FERNANDO P, PALM B, LUNDQVIST P, et al. Propane heat pump with low refrigerant charge:design and laboratory tests[J]. International Journal of Refrigeration, 2004, 27(7): 761-773.

[15] CHANG Y S, KIM M S, RO S T. Performance and heat transfer characteristics of hydrocarbon refrigerants in a heat pump system[J]. International Journal of Refrigeration, 2000, 23(3): 232-242.

[16] PALM B. Hydrocarbons as refrigerants in small heat pump and refrigeration systems: a review[J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(4): 552-563.

[17] CORBERÁN J M, SEGURADO J, COLBOURNE D, et al. Review of standards for the use of hydrocarbon refrigerants in A/C, heat pump and refrigeration equipment[J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(4): 748-756.

[18] 王芳, 邬志敏. 成本因素对 R22 替代制冷剂在系统优选中的影响[J]. 制冷技术, 2006, 26(3): 34-37.

[19] 吴植华, 董天禄. 在家用空调中用丙烷 (R290) 替代 R22的研究 (二)[J]. 制冷技术, 1996, 16(4): 10-12.

[20] 周彦红, 郁中杰, 何绍书. 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): 26-29.

[21] 钱文波, 冯永斌, 杨一帆. 低温制冷剂应用于冷柜的综合分析[J]. 制冷与空调, 2009, 9(3): 50-52.

[22] 钱文波, 晏刚, 冯永斌, 等. 丙烷和丙烯用于低温冷柜的性能和充灌量研究[J]. 西安交通大学学报, 2009, 43(9): 104-108.

Experimental Study on Hydrocarbons and Their Mixtures Used in Small Commercial Cabinet Freezers

WANG Xuan-kun*1, QIAN Wen-bo2, YAN Gang2
(1-Heating Equipment Service Institute of Fengtai District Housing Management and Administration Centre of Beijing, Beijing 100069, China; 2-School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, Shanxi 710049, China)

To solve the environment issue of the refrigerant applied in low temperature cabinet freezers, the study was performed on the alternative refrigerants of R404A, such as hydrocarbons. A FORTRAN program for refrigeration cycle was proposed to obtain the thermodynamic cycle performance of R404A, R290, R290/DME (wt%: 80/20) and R290/R134A (wt%: 50/50) under low-temperature conditions. The optimal refrigerant charge amount and cooling rate of a SRL-CD2075HA commercial cabinet freezer were experimentally investigated The results show that the COP of R290, R290/DME (wt%: 80/20) and R290/R134A (wt%: 50/50) are better than that of R404A. Moreover, the power consumption is also lower. In addition, the optimal charge amount of R404A, R290, R290/DME (wt%: 80/20) and R290/R134A (wt%: 50/50) are about 600 g, 250 g, 235 g and 440 g, respectively. R290 and its binary refrigerant blends can achieve the same cooling effect of R404A under the same conditions.

R290; Cycle performance; Refrigerant charge; Low temperature conditions

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.108

*王玄坤（1978-），男，工程师，学士。研究方向：暖通空调。联系地址：北京市丰台区翠林小区3里9号楼供暖所，邮编：100069。联系电话：010-83980204。E-mail：292528357@qq.com。