碳氢制冷剂在小型商用冷柜上应用分析

钟志锋胡杰浩冯卉李丽吴建华

(1环境保护部环境保护对外合作中心 北京 100035;2西安交通大学能源与动力工程学院 西安 710049)

碳氢制冷剂在小型商用冷柜上应用分析

钟志锋1胡杰浩2冯卉1李丽1吴建华2

(1环境保护部环境保护对外合作中心 北京 100035;2西安交通大学能源与动力工程学院 西安 710049)

碳氢制冷剂作为天然制冷剂的一种，因其热物理性质与环保性能(ODP为0，GWP极低)俱佳而受到国内外学者的广泛关注。本文从碳氢制冷剂的循环热力学性能出发，对碳氢制冷剂应用于小型商用冷柜的理论和实验进展进行论述，并介绍了压缩机、润滑油以及其他相关方面的研究进展。研究表明，相比于小型商用冷柜中使用的传统制冷剂，碳氢制冷剂的单位制冷量和性能系数较高，排气温度较低，实际运行时冷却速度和噪声水平都有较大改善。然而，碳氢类物质具有可燃性。虽然小型商用冷柜中碳氢制冷剂充注量较小，但要使得碳氢制冷剂在小型商用冷柜中大规模应用，需要做相应的泄漏燃爆实验。

制冷剂替代；小型商用冷柜；碳氢制冷剂；综述

自从1974年美国加利福尼亚州立大学的M.J. Molina和F.S.Rowland提出CFCs制冷剂中的氯原子会破坏臭氧层后，制冷系统中所用的制冷剂的环保性能开始受到人们的普遍关注。国际社会组织相关会议并进行多边磋商加速淘汰消耗臭氧物质，相继签订了《保护臭氧层维也纳公约》、《蒙特利尔议定书》、《京都议定书》，给出了淘汰CFCs、HCFCs的时间表。与此同时，国内外学者及相关企业也都积极寻找各方面性质优良的制冷剂来代替CFCs和HCFCs。

目前主要有三种替代方案，一种是氢氟烃(以下简称HFCs)，主要代表有R32、R134a、R410A以及R404A等，它们都属于人造制冷剂，具有优良的热物理性质，无毒、不可燃，ODP(消耗臭氧潜能值)为零，但GWP(全球变暖潜能值)值较高，所以只能作为过渡制冷剂。第二种为氢氟烯烃(以下简称HFOs)，如HFO-1234yf，严格意义上讲也是属于HFCs，最早由美国杜邦公司制备出来，其ODP为零，GWP极低，热物性质优良，但价格昂贵，且制备原材料为HCFCs[1]，此外，制备过程中产生的副产品仍未知，而且HFO-1234yf可燃，燃烧后会产生HF等有毒物质[2]。第三种替代方案为天然制冷剂，主要有R744、R717以及碳氢(Hydrocarbons，以下简称HCs)。其中HCs制冷剂热物理性质与环保性能(ODP＝0，GWP极低，如R290的GWP值为3，R600a的GWP值小于10)均优良，与矿物油也有很好的互溶性，并且价格低廉，唯一需要注意的是其可燃性。

HCs诸如R290、R1270、R600a等，在小型商用制冷的应用场合有瓶装冷藏柜、冰激凌柜、啤酒冷藏柜、饮料自动售货机、生鲜柜、岛柜等，它们的制冷量一般低于1.0 kW。大型跨国集团如联合利华、百事可乐、红牛、喜力啤酒已经在自家生产的瓶装冷藏柜、啤酒冷藏柜、冰激凌柜中使用HCs制冷剂R290、R600a，相比于传统的 HFCs系统能效一般提高20%以上[3－5]。以下从HCs制冷剂循环热力学性能出发，对目前国内外学者的研究现状进行详细介绍。

1 热力学循环性能及替代比较

国内外学者主要从理论和实验两个角度对HCs制冷剂的循环性能进行研究，并与小型商用制冷冷柜中传统制冷剂进行了性能比较。

西安交通大学的钱文波等[6]从理论上对低温冷柜上常用的制冷剂与HCs制冷剂的性能表现进行比较。分别在低温工况Ⅰ(蒸发温度为－23℃，冷凝温度为43℃，吸气温度为5℃，液体温度为38℃)以及变工况下(冷凝温度为43℃，蒸发温度分别为－10℃、－20℃、－0℃、－40℃)对HCs工质和R22热力学循环性能进行了模拟计算，结果如表1所示(变工况结果由于篇幅原因略去)。计算表明R1270和R290的压力比、排气温度比R22低，系统的性能系数比R502、R507A、R404A高。此外，作者建立某型号冷柜充灌量模型，计算得出R290和R1270充注量均小于150 g，满足EN-378标准。所以，钱文波等[6]认为R290和R1270可以在小型低温冷柜中替代R22、R404A等现有的低温制冷剂。然而，该研究只是对能效、排气温度等进行比较，实际运行中还需要考虑冷却速度、储藏温度及噪声水平等因素，而这些因素的测试需要进行相关的实验。

表1 低温工况下的性能参数Tab·1 The performance parameters under lowtemperature conditions

另外，宋新洲[7]也从理论的角度，分别在标准工况、实际工况和变工况下，计算比较了R22、R404A、R290、R600a、R134a、HCM1(50%R290，50%R600)、HCM2(80%R290，20%R600)制冷剂应用于冷柜上的循环性能，结果如表2和表3所示(变工况结果由于篇幅原因略去)。

表2 标准工况下制冷剂的主要制冷性能Tab·2 main performance parameters of refrigerants under standard condition

可以看出R290表现出优良的性能，R290的COP高于R404A，略低于R134a，然而单位容积制冷量和单位质量制冷量要比 R134a大得多。另外，虽然R290冷凝、蒸发压力高于R134a，但压比要远低于R134a。此外，采用两台BC/BD625卧式冷柜为实验样机，分别充注R134a(200 g)和R290(85 g)，进行高温储藏温度测试(38℃)和耗电量测试(25℃)后，发现R290系统相比于R134a系统，其冷冻能力约提高10%，并且其COP提高了24.7%。所以，宋新洲[7]认为大容积冷柜的应用场合下R290制冷剂的性能比要R134a更优，虽然R290可燃，但考虑到R600a的成功推广，在满足相关标准的前提下，是可以在大容积商用冷柜上推广应用的。

表3 实际工况下制冷剂的主要制冷性能Tab·3 Main performance parameters of refrigerants under the actual conditions

对于商用冷柜来说，除了耗电量、能效，其冷却速度及噪声水平也是极其重要的，也应该进行测试。魏华锋等[8]通过实验对R290和R134a在商用大容积陈列柜上的性能进行了对比分析。以科龙牌760 L商用大容积陈列柜为实验样机，从冷却速度、耗电量、噪声水平三个方面对R290和R134a进行比较后，发现R290系统较 R134a冷却速度更快，耗电量降低5%，噪音降低3 dB(A)，但充注量为180 g，大于欧盟EN-378标准。在使用小管径冷凝器并进行最佳充注量测试后得到最佳充注量为135 g，并采用了双毛细管对R290系统优化，结果发现冷却速度达到16 h (R134a系统为17 h)，耗电量较R134a降低15%，噪音也大幅降低。

刘全义等[9]也通过直接灌注原商用冷柜的方式对R134a和R290的性能进行了对比。该研究以市场上某款388 L使用R134a制冷剂的商用冷冻展示柜为实验样机，不改变原系统而直接将R134a换为R290，对比前后二者性能。结果表明，同等测试条件下，R290系统能耗降低30%，并且可获得更低的储藏温度，刘全义等[9]认为，这分别是由于R290压缩机效率更高和标准沸点更低所造成的。此外，由于R290系统内运行压力高于R134a系统，需进行相关的耐压测试。

另外，V Beek M等[10]则通过实验比较了R744 和R290分别应用在小冷量冷柜(冷冻冰激凌或食物)的性能差异。以市场上出售的R290冷柜为实验平台，对原系统做了必要的改进，将原R290封闭式压缩机(ACCNL80FB)改为R744压缩机(Danfoss TN 1410)，并增加一些必要原件。实验及模拟发现，在小冷量冷柜中使用R744作为的制冷剂相对于R290，其运行压力过高、能效低、设备成本高。虽然R290具有可燃性，但小型冷柜此类小型商用系统的充注量一般小于150 g，符合相关的ISO及EN标准，可以生产销售。

2 压缩机及润滑油

小型商用冷柜中主要采用全封闭往复式压缩机和滚动活塞式压缩机，HCs的排气温度、排气压力较低，有利于压缩机的长期安全运行。然而，由于HCs制冷剂具有可燃性，故压缩机需要额外设计相应的安全防护措施。国内外有部分压缩机制造商目前可以批量供应R600a、R290压缩机，但种类较少，而且国内外HCs专用压缩机相应的研究也很少。

黄石东贝公司的彭惠兰等[11]分别对R290工质大规格节能型冷柜压缩机进行了性能实验、可靠性实验及材料相容性实验。研究表明，压缩机在使用R290制冷剂后，压缩机制冷量及COP均比使用R22有较大提升。在一定条件下，分别对R290压缩机做500 h的寿命实验和20万次开停机实验，表明使用R290工质，压缩机可以安全平稳运行。此外，R290与冷冻油及电机漆包线进行相容性也符合要求。然而，作者并没有做相关的噪声实验，在设计制造压缩机时，其噪声水平也是应该重点考量的参数。冯键等[12]也对冷冻箱用R290压缩机进行了开发，相比于原R12压缩机，性能均有较大提升，虽R290冷凝压力高，但噪声与原R12机相当。

Navarro E等[13－14]提出了一种新的全封闭往复式压缩机模型，该模型可预测压缩机效率及容积效率，并根据自己开发的压缩机模型分析了不同制冷量及尺寸的全封闭R290压缩机。实验得出的容积比要比预测数值大，这可能是因为模型中少考虑了一个会造成压缩机质量流量减小的额外损失，而这个损失可能是由于在活塞里面的冷凝效应引起的。根据模型，机械损失和电损失在所有测试情形下占比最大，占压缩机总效率损失75%，容积效率损失的55%。在低压比(1.5～2.5)时，压力损失显著(占压缩机效率损失的15%以上，容积效率损失的25%以上)，高压比(5～7)时，泄漏损失影响显著(占压缩机效率和容积效率损失的10%以上)。此外，作者还根据模型比较了使用R290和R407C压缩机的性能差异。

管志俊[15]虽然对R600a家用冰箱用全封闭式往复压缩机噪声进行研究，但其研究方法及减小噪声的措施同样可应用在同类型的小型商用冷柜的压缩机上。R600a压缩机与相同冷量的R134a压缩机相比，噪声和振动均小，作者认为这是因为R600a压缩机排气温度低且压比小，而且由于其汽化潜热大，同样制冷量时功耗小，所以摩擦噪声也小。此外，R600a压缩机噪声主要是机械噪声、电磁噪声以及气流噪声，针对各种噪声，管志俊分别提出了降低噪声的相应措施。

随着使用R600a制冷剂的广泛应用，越来越多压缩机厂商寻找性能优良、价格低廉的矿物型全封闭冷冻机油代替昂贵的进口冷冻机油或合成型冷冻机油。中国石油克拉玛依石化分公司炼油化工研究院的刘燕等[16]对R600a用Kr10全封闭冷冻机油进行了研制。根据Kr10全封闭冷冻机油的研制指标看，作者认为该冷冻机油具有高苯胺点的特点，需选择合适基础油来提高苯胺点。此外，从节能角度出发，要求冷冻油的运动粘度低，需加入相应添加剂保证其抗磨、抗氧化和抗泡性能。由于冷冻机油不同于其他润滑油，需要随制冷剂从高温区的压缩机到低温区的蒸发器之间连续循环，因此，对其在大的温度范围内与制冷剂的溶解性及适应性也有要求。

毛水林等[17]比较了POE油、PAG油、AB油以及MO油的特性，如表4所示，比较发现AB油为最适合R290的冷冻机油。作者对AB油在R290压缩机中的性质进行了实验研究，研究表明R290与AB油的互溶性、性能特性、对材料的兼容性以及耐磨性各项性能良好，是R290压缩机的理性的冷冻机油。然而，实验都是在空调工况下所进行的，至于商用冷柜使用条件下还需再做相关实验来具体分析。

表4 冷冻机油特性Tab·4 Characteristics of refrigerator oil

3 其他相关研究

刘英志等[18]根据多年设计及实际应用经验，对R290商用冷柜在设计时应注意的事项进行介绍。作者给出了减少充注量的措施:1)减小冷凝管路内径；2)提高换热器换热效率。在材料的选择方面，R290材料兼容性很好，虽与有些橡胶、塑料不太兼容，如表5所示，但这些材料通常不会出现在小型全封闭系统。根据R290特性，回气适当过热可以提高制冷效率，为此，刘英志等[18]建议将毛细管与回气管进行换热。特别应注意R290的可燃性及安全性问题，冷柜设计安装维修使用过程中应该采取相应安全措施。

表5 R290材料兼容性Tab·5 R290 material compatibility

在使用混合工质作为冷柜的替代制冷剂时，由于换热器内的温度是逐步变化的，换热特性与纯组分制冷剂有很大的不同，需要对其在换热器内部的流动换热特性进行深入了解。天津商学院的毛力等[19]对R290/R600a(1/1)混合工质在冷柜蒸发器的换热特性及对柜内温度分布的影响进行了实验研究。以BD-150型冷柜为实验对象，从蒸发器进口至出口布置了1-15号康-铜热电偶以研究其换热特性，在冷柜内部相应位置布置了铁丝网，网上布置一定数目的热电偶以研究柜内温度分布，维持环境温度(19℃)和湿度(28%)，结果显示从蒸发器进口到出口温度滑移6.6℃，而温度滑移越大，将对柜内温度分布影响越大，柜内温度分布测试结果也反映了这一点，高度方向上温度分布不均匀性较为严重。然而，作者只是在冷柜空载时进行实验，另外也没有与其他冷柜常用制冷剂做对比分析。

由于HCs制冷剂具有可燃性，所以要在小型商用冷柜中得到推广应用需要对其可燃性进行风险评估。Colbourne D等[20]对卧式冰激凌柜使用HCs制冷剂的可燃性风险进行了量化分析，从泄漏制冷剂泄漏着火概率以及后果的严重性两个方面对压缩机室和房间内可燃性风险进行评估，建立了风险评估模型，对于事故的后果主要分析热辐射伤害和爆炸超压。依据相关数据，作者计算得出每年的着火概率2× 10－13～1×10－8，相比于其他参照值是可以忽略的。另外，房间内的最大超压为3 kPa，热强度为200 s· (kW/m2)4/3，压缩机室的最大超压为6.5kPa，热强度为200 s·(kW/m2)4/3，也不会造成太大伤害。需要指出的是，要想提高风险评估的质量需要对模型进行优化及获取更多相关的数据。

在充注制冷剂或者维修过程中，制冷系统会混入不凝性气体，通常为空气，由于HCs制冷剂易燃，因此一定量空气进入制冷系统中会对系统的安全运行带来威胁，此外还会影响制冷系统的制冷效果，所以宋传友[21]分析了空气作为不凝性气体对R290制冷系统的影响。研究发现，多数情况下空气混入制冷系统很难导致R290浓度进入爆炸极限范围内，但如泄漏点位于吸气侧，且R290已经在该点大量泄漏时，则会出现上述情况。此外，不凝性气体会影响制冷剂在换热器中的传热，增大混合气体的饱和蒸气压，进而导致冷凝压力升高，压比增大，功耗增加。空气混入后气体粘度降低，摩擦损失减小，这可能是其有利的一面。

4 结论

HCs热物理性质与环保性能优良，兼容性良好，并且由以上国内外近期对于HCs工质在小型商用冷柜的研究可以得出，HCs制冷剂在小型商用冷柜中替代R134a、R22、R404A技术上完全可行，替代成本较低，替代后系统的总体性能要优于原制冷剂系统。对于HCs工质的可燃性问题，由于小型商用冷柜的制冷剂充注量较低，如R290的充注量一般不超过150 g，符合欧洲标准的要求，可以生产销售，而且通过量化风险评估，其着火概率可忽略，也不会造成太大伤害，但在设计时应该注意采用相应的防火防爆元器件。虽然与使用HCs制冷剂的压缩机种类较少，但随着各国对HFCs管控的更为严厉，相信会有更多的压缩机生产厂商投入HCs压缩机的研发与生产中，对于相应压缩机使用的润滑油需要做相关的性能实验来对其互溶性、兼容性、耐磨性等性能做评估。

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About the corresponding author

Wu Jianhua，male，associate professor，Institute of compressor，Xi’an Jiaotong University，＋86 29-82663786，E-mail:jhwu＠mail.xjtu.edu.cn.Research fields:small refrigeration and air conditioning compressor；environmental protection，energy saving and reliability research for small refrigeration system.

The Application Analysis of Hydrocarbons as Refrigerants on Small Commercial Freezers

Zhong Zhifeng1Hu Jiehao2Feng Hui1Li Li1Wu Jianhua2

(1.Foreign EconomiCCooperation Office，Ministry of Environmental Protection of PRC，Beijing，100035，China；2. School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China)

Hydrocarbons as one of the natural refrigerants have drawnmuch attention for their excellent thermophysical properties and environmental performance(ODP＝0，GWPis extremely low).This paper compares the operational performances of HCs with several conventional refrigerants，discusses the research progress of the application of HCs on small commercial freezers fromthe point of theory and tests，and expounds the progress on compressor，lubricating oil and other relevantaspects.Compared to the traditional refrigerantused in small commercial freezers，hydrocarbons havemuch higher unitmass refrigerating capacity and COP，lower exhaust temperature.Moreover，in actual operation，their cooling rate is faster and noise level is lower.However，hydrocarbons are flammable.Although the refrigerant charge of small commercial freezers is small，relevant fire or explosion experiments should be done when hydrocarbons leak froma small commercial freezer.

refrigerant substitution；small commercial freezers；HCs；review

TB61＋2；TB657.4

A

0253－4339(2015)02－0008－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.008

简介

吴建华，男，副教授，西安交通大学压缩机研究所，(029) 82663786，E-mail:jhwu＠mail.xjtu.edu.cn。研究方向:小型制冷空调压缩机及其系统的环保、节能与可靠性。

2014年6月13日