R290替代R134a在商用制冰機匹配研究

何四發 徐延輝 孫士杰 姚平靈

華意壓縮機股份有限公司 江西景德鎮 333001

1 引言

制冰機是一種將水通過蒸發器由制冷系統制冷劑冷卻后生成冰的制冷機械設備。隨著社會的發展和人民生活水平不斷提高，用冰的行業越來越廣，對冰的質量要求越來越高，對制冰機的“高性能”、“低故障率”、“衛生性”等要求越來越迫切。2015年1月1日，歐盟正式實施關于氟化氣體（Fgas）的新法規Regulation（EU）No517/2014，商用制冷設備使用的制冷劑GWP＞2500，將在2020年禁止使用，因此尋找一種新的替代制冷劑是當務之急[1]。由于R290制冷劑ODP=0，GWP=3，且獲得美國EPA SNAP（環保署重大新替代品政策）的批準，列為全球制冷劑的理想替代品，因此R290為商用制冰機理想替代制冷劑。本文主要探討R290替代R134a在商用制冰機研究。

2 制冷工質特性理論參數研究

從表1輕型商用制冷劑特性重要性表述、表2輕型商用制冷劑特性綜合評價來看，目前來說R290制冷劑已成為輕型商用制冷替代R134a、R404A的最佳選擇。R290工質（丙烷）為碳氫化合物，由于是天然存在的物質，屬于自然制冷劑，該工質的臭氧耗減潛能值ODP為0，全球暖化潛值GWP值很低，不會對環境造成危害，是一種完全環保的制冷制，完全滿足歐盟關于氟化氣體（Fgas）的新法規。而且R290與普通潤滑油和機械結構材料具有兼容性，R290的單位容積制冷量較大，很適合于小型往復、旋轉式壓縮機[2]。

3 R290與R134a制冰機測試對比

目前商用制冰機大都使用R134a和R404A制冷劑，但由于歐盟新法規將實施，該2種制冷劑即將被淘汰。因此各大商用制冰機廠家都在研究R290替代R134a和R404A制冷劑，以一款ZB*-95制冰機為例，匹配相同制冷量R134a壓縮機A和R290壓縮機B制冰量對比見表3。從表3測試數據來看：相同制冷量R290和R134a壓縮機匹配同一款制冰機，壓縮機排氣量減少43.8%，制冷劑充注量減少65.2%，一個完整制冰周期時間減少18.8%，24h制冰量增加37.8%。這主要得益于R290制冷劑優良特性，壓縮機排氣量減少，可靠性得到進一步加強。

通過該款制冰機的研究分析，制冷系統替換過程中相關制冷部件需做相應調整：

（1）在冷凝面積方面，原R134a系統冷凝器的冷凝面積在性能上可以滿足R290系統冷凝面積要求，但推薦冷凝器散熱方式選用風冷冷凝器；在蒸發面積方面，原R134a系統蒸發器的蒸發面積在性能上可以滿足R290系統蒸發面積要求[3]；

（2）R290單位質量制冷量約為R134a的190%，因此在兩器及壓縮機參數基本相同的情況下，R290充注量要少的多；

（3）R290沸點低，替代R134a需要換小直徑毛細管或加長毛細管，在相同制冷量情況下，系統的循環流量小，一般情況下R290和R134a系統可以使用同一規格毛細管，推薦長度增加10%～20%，R290系統毛細管和回氣管回熱換熱長度應不小于R134a系統回熱換熱長度[4]；

（4）由于R290壓縮機潤滑油為酯類油，且酯類油相比礦物油吸水性更強，應用于R290制冷系統時充注量相對較大，所以在產品設計時過濾器分子篩充注量相應增加[5]；

（5）R290制冷劑是易燃易爆制冷劑，應選用防爆型溫控器。

4 R290壓縮機在商用制冰機可靠性研究

由于生產成本控制需要，制冰機脫冰主要采用熱氣除霜來實現脫冰，因此制冰機壓縮機可靠性也成為各大廠商共同關注焦點。熱氣除霜過程中由于壓縮機排出的高溫高壓制冷劑蒸汽通過電磁閥直接進入蒸發器再返回壓縮機，因此壓縮機存在一定的液擊風險。液擊易導致制冰機壓縮機閥片破裂，對制冰機壓縮機產生不可修復的損壞。但在增加儲液器、壓縮機吸氣與工藝管互換、正確的壓縮機選型，以及準確的制冷劑充注量，制冰機壓縮機液擊可以很大程度避免，可以保證利用熱氣除霜的制冰機性能可靠[6]。

B壓縮機匹配ZB*-95制冰機（吸氣管與工藝管互換），40℃環溫、35℃水溫經過100天長運，長運期間盡可能讓壓縮機不停機（等效工作壽命約為2400h×2.5×2=30000h≈3.42年），驗證壓縮機在有液體制冷劑情況下，運動副潤滑狀況變差及所受負載變大對壓縮機機械部件的損壞情況。長運試驗結束后，開殼檢查B壓縮機零部件正常，從圖1來看，壓縮機吸、排氣閥片正常，未出現閥片破裂、閥口積炭等現象，其他主要零部件曲軸、活塞、電機絕緣層等也未見異常損壞，活塞與氣缸、曲拐與連桿大頭、活塞銷與連桿小頭等配合面磨損正常。

雖然制冰機利用熱氣除霜很容易導致壓縮機液擊，但在保證合適的制冷劑充注量、增加適當的儲液器（或吸氣管與工藝管互換）、正確的壓縮機選型等前提下，制冰機壓縮機液擊可以很大程度避免，可以保證利用熱氣除霜的制冰機性能可靠。

5 R290工質的爆炸性及其預防

R290具有易燃易爆的特性。因此，在系統的設計和運行中采取相應的保護措施，必須采用防爆電器。如采用非火花電器件，防爆風扇電機、防爆電子膨脹閥和溫控器、防爆LED燈等電器件，外部接線方式，控制充注量（IEC要求最大充注量不能超過150g）等安全措施。為了避免制冷劑的泄漏現象，應盡量減少焊點數量。確保壓縮機倉通風良好，防止風機、冷凝器、壓縮機等部位的制冷劑泄漏，從而降低燃燒和爆炸的可能性。只要做到了以上幾點要求，可燃性的R290作為制冷劑的安全性就能大大提高，其可燃爆炸性便不會成為選擇替代工質的障礙。R290的可爆性必須有2個條件疊加在一起，即810℃的起爆溫度和空氣的混合濃度在2.5%～8.9%，在現實使用中，2個小概率事件同時發生的概率幾乎為0，因此R290在系統中的循環是安全的。

表1 輕型商用制冷劑特性重要性表述

表2 輕型商用制冷劑特性綜合評價

表3 A和B制冰量對比

6 結論

根據R290工質的特性，在使用R290替代R134a時，體現出比R134a更為優越的性能和效率，而且產品結構改動較小。在商用制冰機制冷系統匹配中，毛細管流量和系統制冷劑充注量需要進行適當的調整，使R290能夠在設計工況下運行，以滿足制冷系統正常運行的需要。

本文從R290、R134a、R404A制冷劑特性，分析了R290制冷劑在商用制冰機使用替代趨勢。通過分析R290與R134a制冰機測試對比，論證了用R290替代R134a的可行性。在使用R290替代R134a時，體現出R290比R134a更為優越的性能和效率，對系統整體性能有提升。由于本文僅對目前部分在使用R290制冷劑壓縮機進行針對性研究，旨在拋磚引玉，希望能夠引發行業內更多的研討。