環(huán)保制冷劑R290的制冷技術(shù)綜述

朱麗霞

摘 要：傳統(tǒng)制冷劑引起的臭氧層耗損和溫室效應(yīng)等環(huán)境危害導(dǎo)致了制冷劑的替代問(wèn)題成為當(dāng)今制冷行業(yè)的共識(shí)，天然的環(huán)保制冷工質(zhì)R290以?xún)?yōu)良的熱物理性能及最重要的環(huán)境友好型特征脫穎而出。本文針對(duì)使用R290環(huán)保工質(zhì)的制冷技術(shù)進(jìn)行了梳理與總結(jié)，重點(diǎn)分析了系統(tǒng)各部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：R290；壓縮機(jī)；換熱器；系統(tǒng)優(yōu)化

1 前言

制冷劑于制冷機(jī)而言是循環(huán)得以進(jìn)行的不可或缺的血液。選擇制冷劑時(shí)，對(duì)于環(huán)境可接受性因素，主要考慮對(duì)臭氧層耗損臭氧衰減指數(shù)ODP和大氣溫室效應(yīng)溫室指數(shù)GWP的兩大影響指標(biāo)【1】。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，尋找高效、環(huán)保制冷劑成為制冷行業(yè)共同的目標(biāo)。

碳?xì)浠衔镏械腞290，其環(huán)保性能和熱力學(xué)性能較好，并且其熱力學(xué)性質(zhì)與需淘汰的HCFCS 類(lèi)工質(zhì)R22非常相近，具備替代R22制冷劑應(yīng)用于制冷系統(tǒng)的條件。雖然 R290具有易燃類(lèi)安全性問(wèn)題，但由于各自具有的優(yōu)良的熱物理性能以及最重要的環(huán)境友好型特征，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，將會(huì)是舞臺(tái)上的明星。

2 R290的熱物性

R290其ODP、GWP為0，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)、臨界點(diǎn)等基本物理性質(zhì)與R22非常接近，具備替代R22的基本條件。R290導(dǎo)熱系數(shù)大、粘性系數(shù)及絕熱指數(shù)小，可改善換熱器傳熱效果、降低壓縮機(jī)能耗及壓縮機(jī)排氣溫度；R290分子量小、氣化潛熱大、定壓比熱高，可大大減少系統(tǒng)制冷劑灌注量【2】。R290存在微弱的易燃易爆性問(wèn)題，這是影響其快速發(fā)展的主要因素。歐洲專(zhuān)門(mén)制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制易燃易爆型工質(zhì)在系統(tǒng)中的充灌量，在IEC60335-2-40和EN378-1：2008中規(guī)定了最大安全充灌量為290克【3】。因此減少R290在系統(tǒng)中的充灌量是發(fā)展R290的首要條件，但減少充灌量會(huì)造成整機(jī)性能尤其是制熱能力的下降，因此如何保證既安全又達(dá)到正常的使用要求，還需要繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和研發(fā)新技術(shù)。

3 減少R290充注量措施

R290制冷劑主要集中在兩器中，部分存在壓縮機(jī)零部件里，極少部分存在管路中，因此可以通過(guò)減小換熱器管徑、采用微通道換熱器及優(yōu)化壓縮機(jī)零部件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等措施，以減少R290充注量提高系統(tǒng)安全性。

3.1換熱器優(yōu)化

采用小管徑換熱器對(duì)室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高制熱量。R290空調(diào)器的冷凝器可采用小管徑換熱器，但冷凝器管徑減小后，管內(nèi)制冷劑的流動(dòng)阻力會(huì)增大，導(dǎo)致制冷劑壓降上升，使得冷凝器的換熱性能下降，需要考慮多分路以縮短每個(gè)分路流程，保證制冷劑分流均勻。在減少冷凝器換熱管的管徑，減少換熱器尺寸達(dá)到降低充注量時(shí)，由于換熱管換熱面積減小，進(jìn)而可以加密換熱器翅片片距以保證換熱效果。

除了減小換熱管管徑外，還可以采用平行流微通道冷凝器減少制冷劑充注量并提高能效。

3.2壓縮機(jī)零部件優(yōu)化

由于噪聲低、零部件少、效率高、體積小及重量輕等優(yōu)點(diǎn)，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)已基本取代活塞式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于小型家用空調(diào)系統(tǒng)中，而變頻式滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)還具有啟動(dòng)電流小、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。但滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)采取直接吸氣、間接排氣的方式，壓縮機(jī)機(jī)殼內(nèi)充滿排氣壓力下的R290蒸氣，因此需要根據(jù)R290制冷劑的特性，進(jìn)一步研究滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)置電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及它們之間的配合關(guān)系，盡量縮小壓縮機(jī)機(jī)殼內(nèi)的空腔容積以及電機(jī)等直徑。

潤(rùn)滑油與制冷劑的互溶性關(guān)系到壓縮機(jī)能否順利回油以及系統(tǒng)安全性，現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)所用機(jī)油都是礦物油，普通礦物油在低溫下粘度會(huì)急劇增加，同時(shí)R290冷媒因安全性考慮充注量較少因此系統(tǒng)壓力也較小，因此會(huì)造成粘度比較大的油堵塞管徑較小的毛細(xì)管，導(dǎo)致R290冷媒無(wú)法參與循環(huán)工作，壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)，可以向磁懸浮離心壓縮機(jī)無(wú)油化設(shè)計(jì)。

3.3系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)R290的特性尋找與其匹配的制冷系統(tǒng)，主要應(yīng)從毛細(xì)管的長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)，系統(tǒng)回?zé)崞鞯倪x取以及回?zé)崞鞯男问降葞讉€(gè)方面進(jìn)行突破性的研究，另外應(yīng)著重從壓縮機(jī)和換熱器方面實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破以達(dá)到整體的匹配。

合適的毛細(xì)管長(zhǎng)度和毛細(xì)管個(gè)數(shù)可以大幅減少充注量，并能改善系統(tǒng)運(yùn)行性能。R290空調(diào)系統(tǒng)采用回?zé)嵫h(huán)有利于降低充注量、提高COP。通過(guò)使液體側(cè)連接管變細(xì)，可以使要充入系統(tǒng)的致冷劑數(shù)量減少，而不引起空調(diào)器容量和效率的降低；將液體側(cè)連接管為毛細(xì)管，以及膨脹裝置為膨脹活門(mén)，膨脹活門(mén)的開(kāi)口可以根據(jù)液體側(cè)連接管子的長(zhǎng)度或直徑或制冷循環(huán)的狀態(tài)由膨脹活門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)。因此，有可能減少液體側(cè)連接管的直徑，以及由于膨脹活門(mén)可以調(diào)節(jié)扼流程度，使直徑適當(dāng)?shù)販p小，可以減少裝入制冷劑的數(shù)量而又不降低容量。

當(dāng)然R290通常是在密閉的制冷系統(tǒng)中循環(huán)，在發(fā)生重大事故時(shí)才可能大量漏入室內(nèi)。可以采用以下對(duì)策加以防范：改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行水平；改善管材和焊接工藝；采用防爆電器等；增加檢測(cè)儀，測(cè)定R290在空氣中的濃度，避免R290在空氣中達(dá)到最低閃亮濃度，并設(shè)定切斷空調(diào)器電源的危險(xiǎn)濃度值；發(fā)出報(bào)警信號(hào)、增強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)。R290中加入阻燃劑或一定量非可燃制冷劑，可以間接減少R290的充注量，還可以抑制和減緩R290的燃燒化學(xué)反應(yīng)，縮小爆炸極限，降低發(fā)生爆炸和燃燒的可能性，提高R290制冷系統(tǒng)的安全性。

4總結(jié)

隨著人們對(duì)環(huán)境的關(guān)注，消減超級(jí)溫室氣體HFC，各國(guó)制冷劑的工業(yè)和消費(fèi)轉(zhuǎn)型之路都在變得日漸清晰，我國(guó)是能源消耗大國(guó)，制冷設(shè)備的更新替代勢(shì)在必行。從R22到R410a等過(guò)渡性制冷劑，并不是制冷劑取代歷程的終止，最終還會(huì)是環(huán)保制冷劑的天下。

天然的環(huán)保制冷工質(zhì)R290以?xún)?yōu)良的熱物理性能及最重要的環(huán)境友好型特征脫穎而出，先已成為研究的熱點(diǎn)。隨著標(biāo)準(zhǔn)的制訂與完善，家電行業(yè)定能規(guī)避外資企業(yè)的專(zhuān)利門(mén)，找出適合中國(guó)國(guó)情的、有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)氟制冷設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳業(yè)正，韓寶琦.制冷原理及設(shè)備【M】.西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.

[2] 寧?kù)o紅.R290制冷空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展[J].流體機(jī)械，2012，40（7）：72-79.

[3] British Standards Institution.BS EN378-1：2008.Refrigerating systems and heat pumps-Safety and environmental requirements-Part1：Basic requirements，definitions，classification and selection criteria[S].London：BSI，2008.

（作者單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作江蘇中心）