制冷劑R290的研究及應用現狀

趙文祥孟 皓陳 霏

（1紅蘇省環境經濟技術國際合作中心 江蘇南京 210036 2揚州市環境監測中心站 江蘇揚州 225009）

引言

制冷劑由來已久，據J.M.Calm[1,2]描述，其發展可分為4個階段：第一階段[3,4]（1830-1930）的制冷劑原則上是能用即可，主要有醚類、CO2、NH3等溶劑和揮發性介質，大多可燃，有毒或二者兼有，且有些具有強腐蝕性和不穩定性，常發生事故。第二階段[1,4]（1931-1990）人們追求安全耐久的制冷劑，主要包括氟氯烴（CFCs）、含氫氯氟烴（HCFCs）等，如 CFC-12、HCFC-22（R22）等。雖具有熱力性能優良、無毒、不燃、能適應不同溫度區域等特點，但CFCs類制冷劑消耗臭氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）較高，會導致臭氧層破壞，增加溫室效應；作為CFCs替代品的HCFCs雖有所改進，但仍屬于消耗臭氧層物質，會給地球環境和人類健康造成嚴重影響。為此，國際社會于1987年簽署《蒙特利爾議定書》，先后制定了CFCs與HCFCs淘汰條款。第三階段[1-2]（1991-2010）出現了以氫氟碳化物（HFCs）等為主的替代制冷劑，雖然對臭氧層無害，但仍具有較強的溫室效應，已于2016年10月被納入《蒙特利爾議定書》基加利修正案，進行相應的削減限控。第四階段[1,2]（2010年之后）主要研發應用零ODP、低GWP的第四代天然制冷劑，碳氫類物質，如丙烷（R290）等為當前主要候選物質。R290作為我國空調行業制冷劑HCFC-22的主要替代品之一，許多國內外學者對其在空調中的替代應用，包括系統改良以及防火防爆等方面開展了大量研究。本文將對這些研究分析總結，旨在說明R290在制冷領域的研究進展與替代可行性，并為后續研究及推廣應用提供參考。

1 物性研究

1.1 基本熱力學性質

此前空調行業主要采用R22為制冷劑，其熱力性能優良，但ODP為0.055，GWP為1700，不僅對臭氧層有很強的破壞作用，且屬于超級溫室氣體，對環境的破壞作用極大。因此，根據《蒙特利爾議定書》的要求，到2030年，我國房間空調器行業將全面淘汰R22，僅保留少量用于維修。由表1可知，R290的基本熱力學性質與R22很接近，且ODP為0，GWP只有3，是比較理想的R22替代物質，唯一缺點是燃爆性。

表1 R290與R22基本熱力性質

1.2 燃爆性研究

童明偉等[6]通過研究發現R290發生爆炸危險需滿足兩個條件：與空氣的混合濃度在2.5%-8.9%；溫度在810℃以上。然而在實際過程中，這兩種情況同時發生的幾率極小。因此只要在設計和運行中做好相應的防備工作，在制冷機組中使用R290冷媒是安全可行的。張網等[7]通過20L球爆炸實驗裝置發現，R290在空氣中體積分數為4%-6%時爆炸壓力較大。

郭春輝等[8]通過模擬R290空調器的泄露發現，對于安裝高度為2.8m、充注量為300g的壁掛式空調器，泄漏孔徑在0.7mm以下時，使用空間的R290濃度是安全的；對于地面擺放的整體式空調器，泄漏孔徑為0.2 mm及以上時，在高度0.75 m以下的局部空間會出現R290濃度超標。因此，限制R290充注量、減少制冷劑泄漏時濃度超限、隔絕火源以及提高泄漏后安全防控能力等措施，可保證R290在房間空調器的安全使用。

1.3 與制冷系統的兼容性

R290的基本熱力性質決定其可以作為冷媒，而與目前制冷系統的兼容性則影響其快速推廣應用。劉玉東等[10]參照相關標準，在試驗溫度（130±1）℃、壓力（1.0-1.1）MPa的條件下對 R290與制冷系統材料相容性進行了試驗研究，結果發現各試件顏色、形狀、質量等各方面均無明顯變化，表明R290與銅、鐵、鋼、漆包線、潤滑油等材料有良好的相容性。

1.4 光化學煙霧反應

使用R290的另一個問題是存在光化學煙霧污染的環境風險。何國庚等[9]通過對光化學煙霧反應的機理研究發現，氮氧化物的存在及其分解產生原子氧是光化學煙霧化學反應的先決條件，碳氫化合物則是形成光化學煙霧污染的中間環節。R290在制冷系統中灌裝量很小，且化學性質穩定，參與光化學煙霧形成的能力較弱，因此使用R290冷媒不會對光化學煙霧形成產生明顯影響。

2 應用研究

2.1 制冷性能研究

張振亞等[11]分別對R22兩種主要替代工質R32和R290在空調系統進行了綜合性能測試，發現R32系統較R290系統具有較高的排氣溫度，壓比高7%左右，整體能效比低約3.7%。R290絕熱指數小，導熱系數大，可降低能耗，提高輸氣系數，且R290系統換熱器壓降小于R32系統，有助于提高系統的效率。

肖友元等[12]對R290在家用空調器中的應用研究發現，R290分子量較小，粘度低，可大大減少系統回路的沿程阻力，且汽化潛熱值約為R22的1.84倍，可使用緊湊式換熱器，減少充注量，達到相關標準要求；R290絕熱指數小，導熱系數大，可降低能耗，相同配置的空調器能耗比，R290比R22高10%左右。

在大多數窗式空調中R290可以作為R22替代工質，Teng T P 等[13]在不同室外溫度（26，29，32℃）及不同灌裝量（25%-70%）條件下在一臺制冷量為2.0KW的R22窗式空調中進行R290的替代試驗研究。結果表明，R290冷媒的最佳灌裝量在原R22空調系統的50%╞55%之間，且能效比提高約20%。用R290替代R22的窗式空調可有效提升能效比并減少碳排放。

2.2 灌注量研究

為保證R290空調系統的安全性，并達到相關標準要求，可減少R290的灌注量，保證即使發生制冷劑短時間全部泄露也不會發生事故。Corberán JM等[14]對R290充注量的優化研究表明，制冷劑主要存在于蒸發器和冷凝器中，部分存在壓縮機部件里，極少部分在管路中。冷凝器與蒸發器的傳熱效果對空調系統性能影響很大。因此可減小換熱器管徑、優化換熱器結構與流程組織，降低充注量，保證安全，提升能效。

賈慶賢等[15]分別對分體機充注R410A與R290進行性能實驗，結果表明：采用4mm管換熱器制冷量優于原5mm管換熱器，且充注量減少約20%，具有明顯的經濟效益和安全效益。Cavallini A等[16]將采用微通道管殼式換熱器的100KWR290熱泵與傳統的板式換熱器進行能效和灌注量進行對比。研究表明，在不使用儲液器情況下，采用微通道管殼式換熱器可將R290的灌注量從3kg減少到2.2kg，而性能幾乎不變。

平行流換熱器是一種高效緊湊式微通道熱交換器，外形緊湊、換熱效率高。有研究表明，采用平行流換熱器的系統比管帶式換熱器的系統，更能有效降低灌注量，并提高能效比[16-18]。

2.3 防火防爆

研究發現，在保證制冷性能的前提下，R290的灌注量較少，且其燃點較高（468℃），燃燒極限為2.1%-9.5%，同時滿足爆炸條件的概率較低。為保證R290的制冷系統安全運行，可采用封閉的制冷系統；連接管路均采用焊接并改善管材及焊接工藝；減少灌注量；采用防爆電器；增加檢測儀等方式來防范R290的爆炸事故[9]。

冼志健[20]在R290家用空調器可靠性設計研究中指出，空調器在非工作狀態時，應通過結構與系統設計使制冷劑盡量貯存在室外機內，且只要在設計和生產時嚴格遵守相關安全標準，并在說明書等方面提示使用者注意按規范操作，R290作為家用空調器的制冷工質是安全的。

2.4 生產與應用現狀

我國是空調生產大國，隨著環保制冷劑的推廣，近幾年R290的應用逐漸增多，具體見表2。

在國際上，歐盟國家中，德國、瑞典等國家支持把R290作為房間空調器行業制冷劑替代方案，特別是歐洲F-gas法案的實施，使得歐洲在空氣調節系統和制冷系統中大量采用R290；在亞洲，鄰國印度也已經實現了R290空調的市場化，印度本土空調制造商Godrej公司已經累計銷售了超過25萬臺R290空調。

表2 國內R290發展情況

結語

R290作為天然工質，基本熱力學性質與R22十分接近，同時具有ODP為0，GWP很低的環保特性以及獲取容易，成本低廉的市場優勢。因此，可作為R22的替代工質。但由于其具有可燃性和爆炸性，發展受到限制。但通過大量研究發現：采用小管徑換熱器，優化制冷系統的結構和流程回路，有效減少R290的灌注量；或采用封閉的制冷系統，改善運行水平，開發匹配R290系統的專用電子元件及傳感器，在安裝、使用、維護過程中提升R290的檢測水平，均能有效防止R290泄露燃燒爆炸。

隨著人們環保意識不斷提高，使用天然節能環保的制冷劑是必然趨勢。未來應著眼于R290的相關標準和法規的制訂以及包括運輸和儲存在內的安全性能研究。隨著R290應用技術研究的不斷深入，使用經驗的不斷積累以及相關標準和法規的完善，環保型制冷劑R290的前景十分廣闊。