R290在冰箱冷柜中的冷媒替代研究

程 璨 柯俊景 蓝启航 曹端泉

（广州擎天电器工业有限公司 广州 510800）

引言

近年来，随着环保要求迅速提高，人们也越来越重视新型替代制冷剂的研究。当前冰箱行业广泛应用的R600a 虽然满足环保要求，但其单位容积制冷量相对较低，在大负荷产品上具有局限性。随着人们生活水平的提高，用户对冰箱冷柜的容积和降温速度的需求迅速提高，也直接导致产品的负荷增大。在大负荷产品中目前广泛应用的是R134a，但其属于HFC 类制冷剂，面临着逐步被淘汰的局面。第四代环保制冷剂R290，因其零ODP、低GWP、高单位容积制冷量的性能特性成为冰箱冷柜产品的主要候选物质。

1 R290 与常用冷媒的物性对比

R290 与目前冰箱冷柜常用的R600a 和R134a 的主要物性参数对比[1,2]如表1。本文基于ASHRAE 标准工况对三种冷媒的的制冷循环性能进行了计算[3]，主要参数对比如表2。对比可知R290 具有如下特点：

表1 冷媒物性对比

表2 标准工况下制冷性能对比

1）R290 沸点温度低至-42.09 ℃，远低于R600a 和R134a，适用于低温产品。

2）R290 的沸点潜热和单位质量制冷量高于其他冷媒，使得其灌注量相对其他冷媒可以减少。因为R290的易燃特性，一些地区对其使用量做了限制，而相对较少的冷媒量也有利于达到标准要求。

3）R290 的单位容积制冷量远高于其他冷媒，使其能够满足冷量需求大的大容积冰箱、商用柜等产品。

2 在大容积风冷冰箱的应用——对R600a 的替代

本文对一款使用R600a 的475 L 双门风冷冰箱进行了冷媒替代研究。两种冷媒所选压缩机配置对比如表3。基于两种冷媒的物理性质，在进行替代优化时对毛细管流量进行调整，对R290 冷媒采用大流量毛细管，以减少高低压端的压差。同时对R290 冷媒进行冷媒量调试，较R600a 系统减少冷媒。基于此对样机进行43 ℃下拉测试和25 ℃冷冻能力对比，结果如表4所示。可知采用同样冷量的压缩机，R290 相对R600a 下拉速度、冷冻能力均有明显提升。因此可得出结论：对已匹配R600a 冷媒的系统改造为R290 时，需要加大毛细管流量并减少系统冷媒，可明显加快系统降温速度并提升冷冻能力。在此基础上，基于R290 压缩机需配置冷凝风扇的特性，可以将冷凝器由直冷式改为风冷式，由此可进一步提升系统制冷性能。

表3 R290 替代R600a 压缩机参数对比

表4 R290 替代R600a 整机性能对比

3 在直冷卧柜的应用——对R134a 的替代

R134a 冷媒的单位质量制冷量偏低，因此往往需要大灌注量才能满足制冷需求。在小冷量需求的产品和高效产品中，R134a 目前已普遍被R600a 冷媒代替。受R600a 压缩机的冷量限制，在冷量需求较大的轻商用的产品中，R134a 仍在使用。本文对一款应用R134a的750 L 双门卧式冷柜进行冷媒替代研究。比对R290 和R134a 的物理特性可知，R290 的单位质量制冷量相对大，压差相对小。对于已经匹配R134a 的系统，可参考R600a 的替代方案，加大毛细管流量并减少冷媒量。针对本产品，所选配的压缩机参数对比为表5。本产品为ST 型气候类型，因此进行32 ℃下拉测试和25 ℃冷冻能力测试，测试结果对比如表6。可见此产品替代为R290后，下拉速度和冷冻能力均有明显提升。

表6 R290 替代R134a 整机性能对比

4 结论

通过热力计算比对标准制冷工况下各冷媒的性能参数，并选择典型产品进行替代验证，得出R290 的基本替代方案：

1）由于R290 在标准工况下的工作压力相对高、压比偏小，因此对R134a 和R600a 替代时需要加大毛细管流量。

2）由于R290 的单位质量制冷量较其他冷媒明显偏大，因此都需要减少冷媒充注量；

3）减少冷媒充注量的同时建议同步减少换热器的管路内容积。结合R290 压缩机需要配置风扇强制散热，可以将冷凝器替代为内容积小但换热效率高的微通道形式，共用冷凝风扇。

4）R290 冷媒的工作时的高压压力相对高，在替代R600a 冷媒时要注意校核高压端管路材料强度。