环保制冷剂R290的制冷技术综述

环保制冷剂R290的制冷技术综述
传统制冷剂引起的臭氧层耗损和温室效应等环境危害导致了制冷剂的替代问题成为当今制冷行业的共识，天然的环保制冷工质R290以优良的热物理性能及最重要的环境友好型特征脱颖而出。

本文针对使用R290环保工质的制冷技术进行了梳理与总结，重点分析了系统各部件的设计与优化进展。

标签：R290；压缩机；换热器；系统优化
1 前言
制冷剂于制冷机而言是循环得以进行的不可或缺的血液。

选择制冷剂时，对于环境可接受性因素，主要考虑对臭氧层耗损臭氧衰减指数ODP和大气温室效应温室指数GWP的两大影响指标【1】。

从长远来看，寻找高效、环保制冷剂成为制冷行业共同的目标。

碳氢化合物中的R290，其环保性能和热力学性能较好，并且其热力学性质与需淘汰的HCFCS 类工质R22非常相近，具备替代R22制冷剂应用于制冷系统的条件。

虽然R290具有易燃类安全性问题，但由于各自具有的优良的热物理性能以及最重要的环境友好型特征，从长远角度看，将会是舞台上的明星。

2 R290的热物性
R290其ODP、GWP为0，标准沸点、凝固点、临界点等基本物理性质与R22非常接近，具备替代R22的基本条件。

R290导热系数大、粘性系数及绝热指数小，可改善换热器传热效果、降低压缩机能耗及压缩机排气温度；R290分子量小、气化潜热大、定压比热高，可大大减少系统制冷剂灌注量【2】。

R290存在微弱的易燃易爆性问题，这是影响其快速发展的主要因素。

欧洲专门制订了相关标准限制易燃易爆型工质在系统中的充灌量，在IEC60335-2-40和EN378-1：2008中规定了最大安全充灌量为290克【3】。

因此减少R290在系统中的充灌量是发展R290的首要条件，但减少充灌量会造成整机性能尤其是制热能力的下降，因此如何保证既安全又达到正常的使用要求，还需要继续优化系统结构和研发新技术。

3 减少R290充注量措施
R290制冷剂主要集中在两器中，部分存在压缩机零部件里，极少部分存在管路中，因此可以通过减小换热器管径、采用微通道换热器及优化压缩机零部件、系统结构等措施，以减少R290充注量提高系统安全性。

3.1换热器优化
采用小管径换热器对室内机、室外机进行优化设计可提高制热量。

R290空
调器的冷凝器可采用小管径换热器，但冷凝器管径减小后，管内制冷剂的流动阻力会增大，导致制冷剂压降上升，使得冷凝器的换热性能下降，需要考虑多分路以缩短每个分路流程，保证制冷剂分流均匀。

在减少冷凝器换热管的管径，减少换热器尺寸达到降低充注量时，由于换热管换热面积减小，进而可以加密换热器翅片片距以保证换热效果。

除了减小换热管管径外，还可以采用平行流微通道冷凝器减少制冷剂充注量并提高能效。

3.2压缩机零部件优化
由于噪声低、零部件少、效率高、体积小及重量轻等优点，滚动转子式压缩机已基本取代活塞式压缩机广泛应用于小型家用空调系统中，而变频式滚动转子压缩机还具有启动电流小、节能效果显著等优点。

但滚动转子式压缩机采取直接吸气、间接排气的方式，压缩机机壳内充满排气压力下的R290蒸气，因此需要根据R290制冷剂的特性，进一步研究滚动转子式压缩机的结构、内置电机的结构以及它们之间的配合关系，尽量缩小压缩机机壳内的空腔容积以及电机等直径。

润滑油与制冷剂的互溶性关系到压缩机能否顺利回油以及系统安全性，现有空调系统中的压缩机所用机油都是矿物油，普通矿物油在低温下粘度会急剧增加，同时R290冷媒因安全性考虑充注量较少因此系统压力也较小，因此会造成粘度比较大的油堵塞管径较小的毛细管，导致R290冷媒无法参与循环工作，压缩机空转，可以向磁悬浮离心压缩机无油化设计。

3.3系统优化
根据R290的特性寻找与其匹配的制冷系统，主要应从毛细管的长度和个数，系统回热器的选取以及回热器的形式等几个方面进行突破性的研究，另外应着重从压缩机和换热器方面实现质的突破以达到整体的匹配。

合适的毛细管长度和毛细管个数可以大幅减少充注量，并能改善系统运行性能。

R290空调系统采用回热循环有利于降低充注量、提高COP。

通过使液体侧连接管变细，可以使要充入系统的致冷剂数量减少，而不引起空调器容量和效率的降低；将液体侧连接管为毛细管，以及膨胀装置为膨胀活门，膨胀活门的开口可以根据液体侧连接管子的长度或直径或制冷循环的状态由膨胀活门来调节。

因此，有可能减少液体侧连接管的直径，以及由于膨胀活门可以调节扼流程度，使直径适当地减小，可以减少装入制冷剂的数量而又不降低容量。

当然R290通常是在密闭的制冷系统中循环，在发生重大事故时才可能大量漏入室内。

可以采用以下对策加以防范：改进系统运行水平；改善管材和焊接工艺；采用防爆电器等；增加检测仪，测定R290在空气中的浓度，避免R290在空气中达到最低闪亮浓度，并设定切断空调器电源的危险浓度值；发出报警信号、增强室内通风。

R290中加入阻燃剂或一定量非可燃制冷剂，可以间接减少R290
的充注量，还可以抑制和减缓R290的燃烧化学反应，缩小爆炸极限，降低发生爆炸和燃烧的可能性，提高R290制冷系统的安全性。

4总结
随着人们对环境的关注，消减超级温室气体HFC，各国制冷剂的工业和消费转型之路都在变得日渐清晰，我国是能源消耗大国，制冷设备的更新替代势在必行。

从R22到R410a等过渡性制冷剂，并不是制冷剂取代历程的终止，最终还会是环保制冷剂的天下。

天然的环保制冷工质R290以优良的热物理性能及最重要的环境友好型特征脱颖而出，先已成为研究的热点。

随着标准的制订与完善，家电行业定能规避外资企业的专利门，找出适合中国国情的、有自主知识产權的无氟制冷设备。

参考文献：
[1] 吴业正，韩宝琦.制冷原理及设备【M】.西安：西安交通大学出版社，1997.
[2] 宁静红.R290制冷空调系统的现状与未来发展[J].流体机械，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.。