商用冷柜制冷系統換裝環保冷媒及制冷循環特性分析

摘 要：減少溫室氣體排放使得替代冷媒R134a也將受到管制或禁用。本文以R600a/R290混合比例各為50%的碳氫冷媒替代傳統的R134a冷媒，重點討論換裝碳氫冷媒在商用冷柜制冷系統中的循環過程，并通過試驗數據分析商用冷柜在使用R600a/R290碳氫冷媒后的性能。

關鍵詞：碳氫冷媒；商用冷柜；制冷系統；溫室氣體排放

根據蒙特利爾協議氫氟碳化合物（HFC）將在2030年禁止生產，以避免全球變暖現象的持續惡化。目前冷媒的選用逐步向不破壞環境的自然冷媒方向發展，積極尋找合適的替代冷媒及相關置換技術已成為現今冷凍行業發展中不可或缺的一環。目前商用冷柜使用的冷媒大部分以氫氟碳化合物（HFC）為主，雖然其不含破壞臭氧層成份，但卻因冷媒含氟分子吸收地表釋放出的紅外線而使得氣溫逐年上升，對全球氣候環境造成升溫及溫室效應等影響。

1 自然冷媒性質分析

1.1 丙烷R290基本性質

丙烷R290在標準大氣壓力下，沸點-4207℃、凝固點-1877℃，臨界溫度96.8℃，臨界壓力4.254MPa，潛熱值427.8 kJ/kg，屬于碳氫化合物的一種，其分子式是C3H8，分子量為44且不含氯原子。丙烷的ODP值為零，且不含氟原子，其GWP潛能值小于0.01，但是丙烷有易燃、易爆炸得性質，并具有麻醉的作用，所以是一種微毒冷媒。丙烷能吸收少量的水蒸汽，因此如果系統中含有水蒸汽，則以自由水分的形式出現并在濃度，控制元件上出現結冰現象。為維持系統正常運行須將系統中的水蒸氣除去，系統也不存在水汽腐蝕問題。

1.2 異丁烷R600a基本性質

異丁烷R600a，沸點-11.73℃、凝固點-160℃，屬于碳氫化合物的一種，分子式為C4H10且不含氯原子。故即使不慎泄露于大氣中也不會破壞臭氧層，且其GWP值非常小，符合環保要求。異丁烷有較低的飽和壓力和較小的壓縮前后壓差，如果更改壓縮機尺寸，則R600a系統將有更高的能源效率與較低的噪音，并可取代R12系統。

1.3 碳氫冷媒基本性質

在商用冷柜方面，碳氫冷媒則以異丁烷R600a、丙烷R290最為普遍也較為成熟，特別是冷柜以R600a/ R290混合的碳氫化合物為冷媒，其制冷效率比其他碳氫化合物要高許多。R600a/ R290混合碳氫冷媒并非化學合成，是自然界中存在的天然物質高度提煉而成，以異丁烷和丙烷各占約50%的碳氫化合物為例，其具有以下特性：（1）標準大氣壓下沸點約為-34℃；（2）工作壓力與R134a接近，冷凍性能優異；（3）化學性質穩定，不產生酸化、碳化；（4）ODP=0不破壞臭氧層，GWP≤3溫室效應極低；（5）燃點460℃～470℃，燃燒后氣體無毒性可與大自然結合；（6）無色、無毒，充注量為CFC的1/3。

1.4 非共沸冷媒特性

非共沸冷媒由多種純質冷媒按固定比例混合而成，目前應用最多的混合方式為二元混合及三元混合。混合后冷媒成份具有相同沸點的稱為共沸冷媒，混合后冷媒成份沸點相近的稱為近共沸冷媒；如果混合后冷媒成份沸點相異的新冷媒則稱為非共沸冷媒。碳氫冷媒主要用于替代對環境具有破壞性的舊冷媒，所以其功能主要是臭氧層破壞指數為零，以安全冷媒稀釋危險性冷媒以降低碳氫冷媒的危險性。非共沸冷媒有兩個不同于純質冷媒且影響系統性能的特性：（1）溫度滑移：指非共沸冷媒在等壓條件下蒸發或冷凝與純質冷媒不同的是其溫度會有所變化，也即蒸發或冷凝過程中溫度并不是保持定值；（2）分餾：指非共沸冷媒各組份分子以當時溫度所對應的正常速度彼此碰撞，飽和蒸汽壓力較高的成份比飽和壓蒸汽壓力較低成份轉換較多的分子到氣態，所以氣態中壓力較高的冷媒成份和另一成份相比它將會大于原有成份比，而成份的差異取決于各種冷媒的飽和壓力，此氣態成份的差異將使碳氫冷媒發生分餾現象。

2 制冷循環及特性分析

2.1 制冷循環

制冷循環可分為以下四個過程（1）絕熱壓縮過程：碳氫冷媒在壓縮機中從低溫低壓的飽和蒸汽狀態提升到高溫高壓的過熱蒸汽狀態；（2）等壓放熱過程：高溫高壓過熱蒸汽進入冷凝器將能量以對流的方式傳遞給空氣媒介，使碳氫冷媒等壓放熱至飽和狀態或過冷的高壓常溫飽和液態冷媒；（3）等焓絕熱膨脹過程：常溫高壓冷媒經節流結構后壓力迅速降低，少量液態冷媒因壓力驟降而閃蒸為氣態，最后冷媒以氣液兩相離開節流機構；（4）等壓吸熱過程：低溫低壓碳氫冷媒進入蒸發器時，利用冷媒相變過程高潛熱值特性吸收蒸發器外介質熱量，實現冷卻的效果。

2.2 特性分析

冷媒充注量對系統性能的影響：當冷凝溫度為40℃時，（1）碳氫冷媒在不同蒸發溫度下的壓縮比較R134a低約39%，且隨著蒸發溫度越低差距越大；（2）改變蒸發溫度對系統的制冷效果影響不大，其趨勢是隨著蒸發溫度降低系統制冷效果變差，而碳氫冷媒的效果比R134a冷媒效果高出約46%；（3）隨著蒸發溫度的降低冷凍效果降低，壓縮機溫度升高，整體COP降低，當蒸發溫度為30℃時，R12冷媒COP最高，R134a次之，碳氫冷媒最差；（4）當工況一定時，碳氫冷媒的綜合性能較R134a和R12冷媒性能優良。

箱內最低溫性能比較：當環境溫度為30℃±1℃時，（1）碳氫冷媒的吸排氣溫度較R134a冷媒高，且開始運行時因系統負載過高排氣溫度可達82℃；（2）碳氫冷媒的冷凝溫度較R134a高，系統穩定后冷凝器出口溫度較R134a高19.2%；（3）碳氫冷媒在蒸發器出口溫度的拉低速率與最低溫度方面均優于R134a冷媒，系統穩定后蒸發器出入口溫度較R134a冷媒低約14.8%和14.5%。

3 結論

本文對商用冷柜使用R134a冷媒和R600a/R290混合冷媒時的冷媒特性、制冷循環過程及性能特性進行了分析，所得結論可為后期新冷媒的研發提供依據。

作者簡介：黃葉輝（1975-），男，中專生，研究方向：制冷與低溫工程。