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1、R290制 冷 剂 在 商 用 冷 柜 上 的 应 用 研 究 刘英志 1,2，刘业凤1，卞伟1,2，王志海1,2 (1-上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200031；2-青岛海尔特种电冰柜有限公司，青岛 266101) 摘要 制冷剂 R290 作为一种环保制冷剂，已在小型全封闭系统中逐渐推广应用。R290 作为一种可行 的制冷剂用在商用冷柜上具有良好的能效，但对于丙烷的易燃性必须采取切实可行的措施。本文根据长期 的设计和应用经验，在分析了 R290 制冷剂应用特性的基础上，给出了 R290 的工作压力、充注量等应用特 性，给出了与之匹配的材料选择、系统节流装置的选用，在冷柜系统及结构设
2、计方面给出了控制制冷剂泄 漏量、避免泄露的制冷剂聚集、避免出现点火源、避免点火源与可燃源共同存在等安全措施。 关键词 环保制冷剂；R290；材料；安全；节能 Refrigerant Performance Study on R290 Used in Commercial Refrigerators LIU Ying-zhi*1,2, LIUYe-feng1, BIAN Wei1,2, WANG Zhi-hai1,2 (1-College of Energy andPower Engineering,Universityof Shanghai for Science and Technology
3、, Shanghai200093, China; 2-Qingdao Haier Special Freezer Co., Ltd., Qingdao 266101, China) Abstract Refrigerant R290 isa possible replacement for other refrigerant in small hermetic systems, like factory made commercial refrigerators and freezers. R290 is a possible refrigerant for commercial refrig
4、erators and freezers, with good energy efficiency, but special care has to be taken to the flammability of propane. Based on our years of experience, we analyze its applicable characteristics of its working pressure, charging amount and chosen of the matched materials, selection of the expansion dev
5、ices and other applications, and give out how to control the refrigerant leakage avoid of the refrigerant accumulation and ignition sparks, and coexist of the ignition sparks andflammable sources. In the paper, safety measures are introduced. Keywords friendly with environment; R290; materials; safe
6、ty; save energy *刘英志（1975- ） ，男，高级工程师，工学硕士。长期从事商用冷柜的设计和制造。通讯地址：青岛市海尔路 1 号，青岛海 尔特种电冰柜有限公司开发部，邮编：266101。电子邮箱：，电话：0532-88936638。 0 前言 随着蒙特利尔议定书的签订执行，破坏臭 氧层的 CFCS已被禁止， HCFCS也即将被禁止使用。 随着人们环保意识的增强，人们非常重视温室效应 对气候、环境的影响，人们开始倡导用自然制冷剂 替换温室效应较大的 HCFC。 R290 作为一种自然制 冷剂在全球得到了推广，海尔集团在 2004 年研发 成功使用 R290 制冷剂的商用冷柜，2
7、005 年开始批 量生产，到目前已全流程掌握了它的使用。 1 制冷剂 R290 的应用特性 制冷剂 R290 的特性与其它小型全封闭系统中 常用的制冷剂有差异，如表 1 所示。因此在许多情 况下需要不同的细节设计。 1.1 工作压力 -25蒸发时，R290 的工作压力约为 R134a 的 190%，R404A 的 81%。因此蒸发器的设计必须与 R404A 类似。50冷凝时，R290 约为 R134a 的 - 表 1 几种制冷剂的参数 参数R290R134aR404A 分子量(kg/mol)44.110297.6 临界温度()96.7101.172.5 临界压力(bar)42.540.636.
8、8 一个标准大气压下的沸点()-42.0-26.3-46.45 -25时饱和绝对压力(bar)2.031.072.5 -25时的蒸发潜热(kJ/kg)406216186 50时饱和绝对压力(bar)13.217.223.1 OPD 值000 GWP 值(100 年)312003800 安全分类A3A1A1 130%，R404A 的 74%，因此原系统为 R404A 的， 管路的耐压能力完全满足 R290 的要求。根据多年 验证， 8 壁厚 0.71 mm 的镀锌钢管可以满足蒸发器 的耐压要求 （5倍的丙烷20饱和压力， 即36.8bar） ， 6 壁厚 0.71 mm 的镀锌钢管可以满足冷凝器
9、的耐 压要求。 1.2 制冷剂充注 对于原来使用 R134a 或 R404A 制冷剂的制冷 第32卷第1期制 冷 技 术 Chi nese Journal of Refri gerat i on V ol . 32 N o. 1 M ar. 2012 系统，如果蒸发器、冷凝器没变化，R290 的充注量 约为它们的 40%（经过多年验证） 。 根据标准要求，单个制冷循环系统 R290 制冷 剂的最大允许充注量为 150g。为了符合这一标准， 设计时可以采取一些措施： a) 适当减小冷凝管路的 内径； b) 提高冷凝器的换热效率，缩短冷凝器的长 度； c) 提高蒸发器的换热效率， 减小蒸发器的容积
10、。 通过以上措施曾经将同意型号商用冷柜的灌注量 从 200g降到了 130g。 2 材料的选择 制冷剂 R290 与矿物油的互溶性很高，与聚酯 类油的互溶性也很高， 在 Danfoss、 Embraco 等公司 生产的 R290 压缩机中使用了与 R134a、R404A 压 缩机一样的聚酯类油。 （特别提醒：虽然 R290 与 R600a 都属于易燃易爆的 HC 制冷剂，但其压缩机 用的润滑油不同，在冷柜生产、维修时一定注意。 ） R290 在制冷回路中为无活性化学物质， 不会发生特 定问题。直接的材料兼容性很少有问题，但在有些 橡胶、塑料和特殊环保塑料已经发现了问题，不过 这些材料通常不会出
11、现在小型全封闭系统中。有些 材料被一些测试人员报告有问题，特将它们列在表 2 中。对于临界材料，必须针对特定用途进行测试。 表 2R290 材料兼容性 材料兼容性 丁基橡胶否 自然橡胶否 聚乙烯视情况而定 PP 否 PVC 否 PVDF 否 EPDM 否 CSM 否 对于小型商用冷柜，常用的干燥剂是分子筛， 对于 R290， 建议使用孔径大小为 3 埃米的材料， 与 R134a 类似，可以使用 XH9、XH11、XH7 型的制 冷剂分子筛。用于 R134a 的笔形干燥过滤器只要符 合 GB4706.13 的要求就可以用于 R290 系统。实践 证明这样使用没有问题。 3 制冷系统节流装置的选用
12、 对于小型的商用制冷设备商用冷柜，采用 毛细管节流是一种经济、可靠的方式，对于性能、 规格相同的商用冷柜， 毛细管的流量与 R404A 系统 一样即可。 根据丙烷的制冷特性，回气适当过热会提高系 统的制冷效率，因此毛细管与回气管需进行换热， 具体结构可完全借用 R404A 相近系统的。 经过多年验证，原来是 R404A 系统的商用冷 柜，如果改成 R290 系统，制冷系统的主要零部件 可直接使用。 4 易燃性与安全性 制冷剂 R290 的安全分类属于 A3 级， 属于低毒 性（可以认为是无毒的） ， 但其具有高度可燃性（易 燃性见表 3） ，这对使用带来危险，这就要求谨慎的 处理和安全的防范。
13、 表 3 制冷剂 R290 的易燃性 爆炸下限 2.1% 约 39g/m3 爆炸上限9.5%约 177g/m3 最低着火点470 由表 3 可知 R290 在广泛的浓度范围内都具有 可燃性，因此对冷柜本身及冷柜的生产厂都有必要 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。 4.1 在冷柜设计中采取的安全措施 对于使用 R290 制冷剂 的冷柜必须要通过 GB4706.13 的相关测试，在设计过程
14、中有以下方面 规避危险。 4.1.1 减少制冷剂泄漏的措施 1）管路必须满足耐压要求。系统的高压端必须 经受 3.5 倍的丙烷 70饱和压力即 87bar 的压力， 低压端必须经受 5 倍的丙烷 20饱和压力，即 36.8bar。 2）管路的设计还要尽量减少焊点，减少焊漏的 概率。 3） 使用 1.2 中提到的方法减少制冷剂的充注量。 4）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。 5）蒸发器最好不要有裸露在发泡层外部（箱体 内部间室）的部分。这样即使管路发生泄漏，跑到 外面的速度将会大大减慢，使丙烷的浓度远离爆炸 下限
15、。 4.1.2 避免泄漏的制冷剂聚集的措施 在安装压缩机、强冷凝器、风机等部件的机舱 内，在底部要布置尽量多的通风孔，如图 1 中的 3， 由于丙烷的分子量为 44.1 kg/kmol，而空气的平均 分子量是 29 kg/kmol，因此在相同情况下，丙烷的 密度比空气大，一在此空间内出现丙烷泄漏，丙 烷会由于重力原因通过机舱底部的透空跑到冷柜 第1期刘英志 等：R290制冷剂在商用冷柜上的应用研究第1期59刘英志 等：R290制冷剂在商用冷柜上的应用研究第1期 外面，当冷凝风机运行时，会加速丙烷跑到冷柜外 面，由于外部空间较大，会大大降低丙烷的浓度， 远离爆炸下限。 4.1.3 避免出现点火源
16、的措施 1）温度控制器、开关、化霜定时器、压缩机的 启动器、热保护器、继电器等具有触点闭合断 开功能的开关必须是密封的，这样即使产生电火花 也不会和万一泄漏的丙烷接触而发生燃烧。 2）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。 3）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。 4） 电气接头、 灯座必须符合 GB4706.13 的要求， 避免在使用或操作过程中出现火花。 4.1.4 减少点火源和可燃源的措施 1）在一个有制冷管路封闭的空间内，例如制冷 间室内，禁止安装具有触点闭合断开功能的开 关。即使这种开关是密封的，也最好不要安装到这 里。 2
17、）在一定的有制冷管路的空间内，电器件的安 装位置尽量高一些， 如图 1 所示， 温控器、 指示灯、 压缩机附件的位置较高。由于丙烷的分子量为 44.1 kg/kmol，而空气的平均分子量是 29 kg/kmol，因此 在相同情况下，丙烷的密度比空气大，位置越高丙 烷的浓度越小，万一丙烷泄漏时，此处的丙烷浓度 越远离爆炸下限。当然丙烷与空气间还会相互扩 散，千万不要认为安装位置高一点就绝对安全了。 4.1.5 加强指导用户的正确使用 有关使用的说明增加一些信息和警告，以便提 醒仔细处理。 1） 增加 “不要用刀具对制冷间室除霜” 的提示， 同时配上用刀具除霜将管路弄破后制冷剂泄漏遇 火后发生火灾
18、的漫画。 2）在箱体容易被人看到的部位增加提示标贴 “对于每冷柜 8g 的制冷剂灌注量，冷柜使用（存 放）的环境提供至少 1 立方米的空间” 。如果保证 这样使用，即使制冷系统内的丙烷全部泄漏，丙烷 在空气中的浓度仅大约为爆炸下限的 20%，保证使 用的安全。 3）与箱体及压缩机上加贴图 2 所示的 R290 易 燃黄色标贴警告，人们在使用冷柜时要远离火源， 同时不要将火源带到冷柜附近。 1-温控器,2-指示灯,3-通风孔,4-压缩机,5-冷凝风机,6-冷凝器 图 1 冷柜机舱布置图（拆掉机舱格栅） 图 2 R290易燃黄色标签警告 5 结论 经过多年的实际应用，在同样一台冷柜上，更 换成 R290 系统后，与原来的 R134a 系统相比，制 冷深度降低约 1 度，耗电量降低约 10%。在安全方 面，严格按照设计规范及工艺流程执行，未发生一 起起火或爆炸事件。R290 制冷剂可以广泛推广。 参考文献 1丁国良,张春路,赵力编著. 制冷空调新工质(第 1版)M. 上海:上海交通大学出版社,2003. 2GB 4706.13-2004, 家用和类似用途电器的安全 制冷 器具、冰淇淋机和制冰机的特殊要求 S. 4 1 3 2 5 6 沟通信息 交流经验 60制 冷 技 术