CO2和R290制冷系统在饮料现调机中的对比分析

葛住军，王培文，宋卫东，田立强

（康富（天津）有限公司，天津，300457）

自蒙特利尔议定书签订来，关于CFSs和HFCs替代物的广泛研究一直没有间断。虽然目前新的替代工质已经开始商业化生产，但人们发现新的替代工质并不能满足“长期”替代物的要求，大部分新工质都有较高的温室效应指数或者其它缺陷。因此，天然工质的应用引起了人们的重视，特别是对CO2（R744）制冷剂的利用。笔者公司作为饮料现调机行业的先行者，在战略合作伙伴可口可乐公司的倡导下，在饮料现调机中率先开发应用了CO2制冷剂系统，取得了良好的市场效应。然而采用CO2作为制冷剂也有缺点，CO2高的临界压力和低的临界温度也给它作为制冷剂带来了许多难题，无论亚临界循环还是跨临界循环，CO2作为制冷剂的主要缺点是其具有较低的临界温度(31.1℃)和较高的临界压力(7.37MPa)。特别是后者, 若采用跨临界循环，CO2制冷系统的工作压力最高可达10MPa，这给系统及部件的设计带来许多新的要求。虽然这些问题可通过在系统及部件的设计和生产工艺来解决，但是CO2系统零部件的成本，供应链问题以及应用中特殊的维修问题，使CO2作为制冷剂在饮料现调机行业中的推广应用受到限制。与此同时另一种自然工质R290在全球得到了推广应用，截至2015年底，中国房间空调器行业共完成19条R290房间空调器生产线和4条R290压缩机生产线的改造，并已在国内市场启动了R290空调的市场化进程，制订和修订了R290空调生产、安装、维修、运输方面行业标准，并建成21个R290空调产品安装维修培训中心［1］。现调机行业也需要考虑R290系统，本文将对当前使用的两种自然工质特性，系统应用的优缺点和实际生产维修应用进行分析。

1 CO2和R290特性对比

CO2早在二十世纪初就已使用在工业与渔业的冷冻系统中，冷媒代号为R744。作为制冷工质,CO2具有许多优势。首先，从环境保护的角度讲,CO2的ODP为0，GWP为1，远远小于CFCs和HFCs，是一种环境友好型工质。其次，从工质的热物理性质来看, CO2的蒸发潜热大，单位容积制冷量高(0℃时达到22.6MJ/m3)，约为传统制冷剂的58倍。CO2的运动黏度小，并且在低温时也非常小，导热系数高，液体密度和蒸气密度的比值小，节流后各回路间制冷剂能够分配得比较均匀。CO2这些优良的流动和传热性能，可显著缩小压缩机和系统的尺寸，使整个系统非常紧凑。另外，CO2化学稳定，无毒无害，不可燃，高温下也不会分解出有毒气体，并且CO2价格便宜，容易获取，使用成本上具有良好的经济性［2］。

CO2也有缺点，研究表明，空气中二氧化碳浓度低于2%时，对人没有明显的危害，超过这个浓度则可引起人体呼吸器官损坏，即一般情况下二氧化碳并不是有毒物质，但当空气中二氧化碳浓度超过一定限度时则会使肌体产生中毒现象，高浓度的二氧化碳则会让人窒息［3］。

R290即丙烷，属于碳氢制冷剂，分子式C3H8，冷媒代号为R290，外观无色的气体，纯品无臭，微溶于水，溶于乙醚、乙醇。R290是一种新型环保制冷剂，主要用于中央空调、热泵空调、家用空调和其它小型制冷设备。R290制冷剂导热系数高，分子量小，流动性好，输送压力更低，减小了压缩机的负载。使用R290制冷剂，节能率可达1530%。R290的最主要的缺点就是可燃性，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险，爆炸上限9.5%(V/V)，爆炸下限 2.1%(V/V)，引燃温度450～470℃ 。安全等级为A3［4］。两种自然工质的物性对比如表1所示。

表1 CO2和R290物性对比较［5］

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2 CO2和R290制冷系统设计差异

2.1 两种制冷系统的配置

饮料的冷却是通过独立的封闭式冷却盘管在低温水浴中换热实现。现调机一般都使用小容量制冷系统，通过一定时间的初次结冰过程，形成冰板。形成冰板以后，系统将由冰板控制器维持冰板重量，所以初次结冰重量和时间，是衡量现调机制冷系统的重要指标，初次结冰过程和初次结冰结束前的制冷系统参数是现调机制冷系统设计的要点。

当前CO2制冷的研究和应用主要集中于三个方面：一方面是汽车空调领域，由于制冷剂排放量大，对环境的危害也大，必须尽早采用对环境无危害的制冷剂；第二方面是热泵热水器，二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度

（65～95℃）；第三方面是考虑到二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性，采用它作为复叠制冷循环低温级制冷剂，可用于超市食品保鲜储存和冷藏以及低温冷冻冷藏（-25～-55℃）。应用到现调机制冷系统采用CO2单级跨临界制冷循环并使用套管式内部回热器，关于CO2和R290制冷系统已经有许多学者进行过研究并有大量文献，本文就已经设计匹配完成的两种系统进行对比。系统配置参数如表2所示。此次R290替代CO2制冷剂是在已经商业化的产品上做替代应用，考虑零部件共用化和市场现存零部件通用化，除了R290可燃性要求的特殊设计外，R290其他零部件均使用原CO2系统的零部件, 如：蒸发器共用，冷凝器使用原来的气体冷却器，连结铜管重新设计。

表2 系统配置参数

2.2 两种制冷系统在现调机中采取的安全措施

2.2.1 CO2制冷系统安全措施

CO2直接存在于人类的呼吸过程中，空气中浓度超过2%则可引起人体呼吸器官损坏，在实际应用时需要设置明显的警示标志以便使现场受过训练的工作人员能够随时意识到可能存在的安全性问题。目前，我国没有专门针对二氧化碳制冷系统的相关规定，从国家标准角度来讲，还处于缺失状态，只能参照类似压力级别，安全等级规范。同时二氧化碳系统对水的要求也较高，国际上推荐二氧化碳的纯度为99.9%以上，水含量小于0.1%。基于以上CO2的特点，CO2制冷系统设计时需要特别注意以下两点：

（1）针对跨临界单循环CO2制冷系统高压侧和低压侧压力，制冷循环系统换热器，连接管路，压力开关的选型要保证系统的高压设计压力；

（2）针对CO2跨临界制冷系统的高系统压力的工作特点，制冷系统的真空度和焊接工艺是保证系统安全可靠的前提。

2.2.2 R290制冷系统的安全措施

R290制冷剂的安全分类属于A3级，低毒性

（可以认为是无毒的），但其具有高度可燃性，这对使用带来危险，这就要求谨慎的处理和安全的防范。R290在广泛的浓度范围内都具有可燃性，因此对现调机本身及生产厂都有必要进行安全预防。如果发生事故必须同时满足两个基本条件，一是R290和空气形成易燃混合物（R290浓度比例在爆炸下限与爆炸上限之间），另一个是足够的能量级别或温度的燃烧源。这两个条件必须同时存在才能燃烧，因此必须确保这种组合不会发生。

对于使用R290制冷剂的现调机必须要通过IEC和GB的相关测试，在设计过程中注意以下几点预防潜在的安全风险：

（1）必须减少制冷剂的充注量，如果制冷系统较大，灌注量要超过150g，可以将其分解成两个独立的小系统，使每个小系统的灌注量都小于150g。笔者公司根据现调机特点，将R290充注量要求控制在100g以下。这样即使管路发生泄漏，扩散的到外部空间的R290将会减少，使R290的浓度远离爆炸下限。

（2）避免泄漏的制冷剂聚集的措施：在安装压缩机、冷凝器、风机等零件的机舱位置，在底部要尽量多的布置通风孔，由于R290的分子量为44.1，而空气的平均分子量约为29.0，因此在相同情况下，R290的密度比空气大，在使用中如果发生泄漏，R290会由于重力原因通过机舱底部的通风孔扩散到机器外部，当冷凝风机运行时，会加速R290的扩散，由于外部空间较大，会大大降低R290的浓度，远离爆炸下限。

（3）避免出现燃烧源的措施：开关、压缩机的启动器、热保护器、继电器等具有闭合和断开触点功能的开关必须是密封的，这样即使产生电火花也不会和泄漏的R290接触而发生燃烧。在一些必须使用开关的场所，可以选择可控硅等半导体开关，避免出现电火花。与制冷系统在一起的风机即使发生堵转也必须是安全的、无火花的。

为了避免这种危险，需要参照IEC 60335-2-24:2010标准（制冷器具、冰淇淋机和制冰机产品标准），对现调机内部电气元件部位布置测试点，考虑到风扇开启和堵转情况，分别在风机启停两种情况下进行测量，测量值不应超过规定的制冷剂爆炸下限LEL的75%（爆炸下限：Lower Explosive Limited），且其测量值超过规定的制冷剂爆炸下限50%的持续时间不应超过5分钟。［6］本文所述现调机各点测试结果如表3所示，各点都满足标准要求。

表3 R290冷媒泄漏浓度测试结果

3 两种制冷系统整机测试数据对比

本文研究的现调机对制冷系统的设计要求：设计工况为40℃环境温度，75%相对湿度，冰板重量12±0.5kg，初次结冰时间不超过10小时，水箱容积48L，使用制冷剂分别为CO2和R290。两种制冷系统在同样的测试环境下，整机性能和停机前制冷系统参数如表3和表4所示，使用消耗单位电量可形成冰板重量来衡量现调机制冷效率。

表4 两种系统整机测试数据对比

从表4中两种制冷系统在整机性能的测试结果来分析，R290系统单位电量冰板重量3.283 kg/kWh约为CO2系统的1.4倍。R290系统在初次结冰过程中最大输入功率较CO2系统高45W。从表5中可以看到，在初次结冰过程停机时R290系统的输入功率438W较CO2系统低约100W。初次结冰以后，水箱水温将会一直保持在0℃度左右，售卖饮料时，冰板逐渐融化以保证水箱温度，通过冰板控制器控制制冷系统周而复始的运行，系统参数基本维持在初次结冰过程停机时的状态参数附近，蒸发温度两种系统基本接近，但从高压侧压力和能耗方面，R290系统具有明显的优势。

表5 初次结冰停机前制冷系统主要参数

4 结束语

经过两年的实际应用，在同一平台的饮料现调机上，更换成R290系统后，与原来的CO2系统相比，单独对比制冷系统成本约有20% 的下降，并且单位电量可形成冰板重量比CO2系统高出40%以上，节能效果明显。

本文所对比的使用了R290制冷系统的饮料现调机在商业化两年后，制冷系统整体市场不良率和原有的R134a和CO2制冷系统具有相同水准。在安全性方面，严格按照设计规范及工艺流程执行，未发生过一起燃烧或爆炸事件。综上，相比于现有R134a和CO2制冷系统，R290制冷系统更适合应用于饮料现调机上，作为一种天然工质，不论从行业发展还是制造和供应链成本方面考虑，现调机行业使用R290制冷系统将是大势所趋。