商用自携式制冷陈列柜中R290制冷系统的设计分析

马秋阳

（江苏星星冷链科技有限公司，徐州 221200）

当前商用自携式制冷陈列柜中，氟利昂22（R22）制冷剂的使用量逐步减少，多使用R404A和R134a制冷剂。虽然R404A和R134a制冷剂的消耗臭氧潜能值（Ozne Depleting Potential，ODP）为0，但全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）较大。如表1所示，R290制冷剂成分为丙烷，作为自然工质，在温室效应方面具有明显优势。因该制冷剂具有较强的易燃性，需要在限定充注量的前提下对制冷系统部件进行更加合理的选型，从而优化制冷系统的性能[1-2]。

表1 制冷剂ODP和GWP值对比

1 R290制冷剂的应用特性

1.1 工作压力

R290制冷剂在50 ℃的饱和冷凝温度下，工作压强为R404A的74%，但比R134a高30%。在-35 ℃的饱和蒸发温度下，工作压强为R404A的58%，如表2所示。因此，在对制冷系统的管路耐压设计方面，可以直接借用R404A制冷系统的设计经验，而不能借用R134a制冷系统。

表2 制冷剂饱和压强对比

1.2 充注量

R290制冷剂的充注量为R404A制冷剂充注量的40%左右[3]。独立制冷系统中，R290制冷剂的充注量上限为150 g。因此，在应用过程中需要根据这种制冷剂的应用特点，从减小制冷系统内容积和提高换热效率方面入手，对制冷系统的设计进行适当调整。

1.3 材料兼容性

R290制冷剂与矿物油和脂类油均具有较好的互溶性。目前，R290压缩机多与R404A制冷剂使用的脂类油通用。相关研究表明，POE油更适合R290制冷系统[4]。除部分橡胶、塑料外，小型制冷系统中很少有和R290制冷剂不兼容的材料。因此，R290制冷剂可直接使用R404A制冷系统的润滑油和零部件[5]。

2 商用制冷陈列柜R290制冷系统设计

2.1 设计环境工况

通过分析目标应用场景，可把环境工况分为标准工况、恶劣工况和低温工况3种。其中：标准工况为制冷系统正常使用时的环境工况，主要在该工况下进行制冷系统的标准匹配设计；恶劣工况为验证工况，主要验证环境温湿度升高、制冷系统热负荷变大、散热变差等情况下制冷系统的运行状态；低温工况同样为验证工况，主要验证环境温湿度降低、制冷系统热负荷变小等情况下制冷系统的运行状态。

制冷系统经过标准工况调试和验证工况考核后，可一定程度上满足不同环境工况运行下的适应性和稳定性要求。

2.2 压缩机选型

因R290制冷剂的充注量受限，制冷系统的制冷量较小，因此R290制冷剂更多地应用于小型商用自携式制冷陈列柜。目前，商用自携式制冷陈列柜上使用的压缩机多为活塞式压缩机。同压缩机排量下，R290压缩机与R404A压缩机的制冷量接近，同时压缩机的制冷系数（Coefficient of Performance，COP）值更高。因此，在进行R290压缩机选型时，可参考R404A制冷系统压缩机的排量参数。

2.3 冷凝器选型

因R290制冷剂的充注量受限，冷凝器如直接参考R404A制冷系统，容易造成充注量过高。因此，在冷凝器选型时，主要考虑减少冷凝器的内容积和增加冷凝器的换热效率。

减少冷凝器内容积的方式主要有两种：一是使用小管径铜管铝翅片冷凝器，如将铜管铝翅片的冷凝器管径由9.52 mm 更换为7.00 mm甚至是5.00 mm，在结构优化后会达到较好的冷凝效果；二是使用内容积较小的冷凝器，如采用钢丝冷凝器替代铜管铝翅片冷凝器。此外，使用微通道冷凝器也可得到较好的冷凝效果。

增加冷凝器换热效率的方式主要有两种：一是增大冷凝器散热风量，如增加散热风机、提高散热风机转速以及增大散热风机扇叶角度等；二是增加冷凝器辅助散热，如在压缩机排气和冷凝器进管之间增加水盘管，利用蒸发器化霜水冷却盘管。

2.4 节流装置选型

小型商用自携式制冷陈列柜多使用热力膨胀阀和毛细管作为制冷系统的节流装置。考虑到制冷系统的制冷量和经济性，毛细管的应用更广泛。同制冷量前提下，R290制冷系统毛细管的长度略长于R404A制冷系统，因此不能直接借用。

2.5 蒸发器选型

同冷凝器选型，在蒸发器选型时主要考虑减少蒸发器的内容积和增加蒸发器的换热效率。减少蒸发器内容积的方式主要是将铜管铝翅片的蒸发器铜管由12.7 mm更换为9.52 mm或7.00 mm。因为制冷陈列柜柜内风量需要精确设计和控制，因此不能通过大幅增加蒸发风机风量的方式增加蒸发器的换热效率。增加蒸发器换热效率的方式主要是增大蒸发器翅片的换热面积，如将冷冻柜铜管铝翅片的翅片间距由10 mm减小为8 mm，冷藏柜铜管铝翅片的翅片间距由6.35 mm减小为4.23 mm。但是，减小翅片间距会增大蒸发器风阻和增加霜堵的风险，因此在减小翅片间距后需要重新进行风量匹配和控制参数调整。

2.6 制冷系统安全措施

因为R290制冷剂与R404A制冷剂物性差异较大，所以R290制冷系统在安全措施方面有别于R404A制冷系统，主要表现在压缩机排气温度、制冷系统冷凝压力和制冷机组通风方面。

2.6.1 压缩机排气温度

在制冷系统中，压缩机排气温度会影响润滑油的粘度。排气温度过高会导致润滑油碳化变质，降低润滑性能。对于R290压缩机，压缩机温度需控制在130 ℃以下，同时需要在制冷系统极端恶劣工况下保证压缩机的排气温度处于合理范围。极端恶劣工况主要包括高冷凝进风温度、冷凝器脏堵状态等不利于冷凝器散热的工况。

2.6.2 制冷系统冷凝压力

在R404A制冷系统中，冷凝压强的高压保护值可放宽到2 800 kPa。由于R290的压强低于R404A，因此不能采用R404A系统的高压保护设定。对于常规R290压缩机，上限压强一般在1 800 kPa。因此，在制冷系统设计过程中，冷凝压强保护的触发值要控制在1 800 kPa以内。

2.6.3 制冷机组通风

因为R290制冷剂属于A3级，易燃性强，所以在系统泄漏方面需要进行严格控制。除了电气件灭电弧、电气件隔离的措施外，减少泄漏制冷剂的浓度是保证安全性的有效措施。部分R404A制冷机组在运行过程中冷凝风机和压缩机同开停，停机时如发生制冷剂泄漏，容易导致机箱内制冷剂浓度的增加。因此，对于R290制冷机组，需要将冷凝风机的控制更改为持续运行，确保在发生制冷剂泄漏时可以及时将漏出的制冷剂吹出机箱，从而降低R290机箱内制冷剂的浓度。

3 结语

在进行R290制冷系统设计时，可直接借用R404A的系统材料。R290制冷剂具有易燃性，因此在系统运行设计时应考虑通过冷凝风机持续运行方式降低机箱内制冷剂密度。在制冷系统选型方面，两器和管路的设计主要考虑减少系统内容积和提高两器的换热效率，毛细管选型则不能直接借用R404A的参数。因R290工质物性与R404A差异较大，在压缩机保护、系统运行压力保护等方面需要另行设计，不能直接套用R404A制冷系统。根据R290制冷剂特性对制冷系统进行优化设计后，可应用于小型商用自携式制冷陈列柜。