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碳氢制冷剂在小型商用冷柜上的应用分析

点击次数:682 发布时间:2016-06-29

商用冷柜中的传统制冷剂CFCs 制冷剂含有氯原子,会对大气层中的臭氧层造成破坏。国际社会组织者强调要逐渐将消耗臭氧物质的制冷剂淘汰,并且使用其他制冷剂来替代传统制冷剂。碳氢制冷剂具有良好的环保性能和热物理性能,是一种天然制冷剂,受到了社会的广泛关注。值得注意的是,碳氢类物质具有可燃性,在小型商用冷柜中用碳氢制冷剂的充注量虽然较小,但是在大规模应用之前还是应该进行相应的泄漏燃爆试验,保障应用的安全性。 
  1 碳氢制冷剂及其热力学循环性能 
  制冷剂中的氯原子对臭氧层的破坏引起的环境问题越来越严重,社会各界广泛提出寻找具有良好的环保性能和性质优良的制冷机来替代传统制冷剂,减少制冷剂对环境的破坏。当前主要产生了3种替代方案: 
  ①天然制冷剂,包括HCs(碳氢)、R717、R744等。其中碳氢制冷剂具有良好的环保性能和热物理性质,例如具有极低的全球变暖潜能值(R600a 的全球变暖潜能值不大于10、R290 的全球变暖潜能值为 3),而且消耗臭氧潜能值为0。碳氢制冷剂造价较低,和矿物油之间的互溶性良好。因此虽然碳氢制冷剂具有可燃性,但仍不失为一种理想的制冷剂[1]。当前的小型商业制冷应用场合中的岛柜、生鲜柜、饮料自动售货机、啤酒冷藏柜、冰激凌柜、瓶装冷藏柜的制冷量不高于1.0 kW,使用的是碳氢制冷剂中的R600a、R1270、R290等,其中碳氢制冷剂中的R600a、R290已经在很多大型跨国集团的冰激凌柜、啤酒冷藏柜和瓶装冷藏柜中得到了广泛的应用。与氢氟烃相比,碳氢制冷剂能够提高20%的系统能效,而且不会对臭氧层进行破坏。 
  ②HFOs(氢氟烯烃),氢氟烯烃具有良好的热物质性,全球变暖潜能值极低,消耗臭氧潜能值为零,但是其制备原料为HCFCs,价格比较昂贵。在制备的过程中由于HFO-1234yf,具有可燃性,经过燃烧之后会产生有毒物质,例如HF。 
  ③HFCs(氢氟烃),应用较多的主要有R404A、R410A、R134a、R32等。氢氟烃是一种人造制冷剂,具有不可燃、无毒、热物理性质优良的特点,消耗臭氧潜能值为零,然而由于具有较高的全球变暖潜能值,当前只作为过渡制冷剂使用。 
  2 碳氢制冷剂在小型商用冷柜中的具体应用 
  与传统的小型商用制冷冷柜中的制冷剂相比,氢制冷剂具有良好的循环性能。在理论层面上,有专家学者对比了碳氢制冷剂和低温冷柜中常用制冷剂之间的性能。在液体温度38℃、吸气温度5℃、冷凝温度43℃、蒸发温度零下23℃的低温工况Ⅰ中对R22和碳氢制冷剂工质的热力学循环性能进行模拟计算,结果表明R290和R1270的系统性能系数高于R404A、R507A、R502排气温度和压力比低于R22。因此有学者认为当前常用的小型商用冷柜中的低温制冷剂R404A、R22完全可以使用碳氢制冷剂中的R1270、R290来进行替代。 
  与此同时还有学者在变工况、实际工况、标准工况中对HCM2、HCM1、R134a、R600a、R290、R404A、R22的循环性能进行了对比,结果表明R290 的 COP比R134a略低,比R404A高,而且具有更大的单位质量制冷量和单位容积制冷量。尽管与R134a相比,R290具有更高的蒸发压力和冷凝压力,但其压比仍然小于R134a,具有良好的性能[2]。 
  选取两台卧式冷柜作为实验样机,分别充注85gR290和200gR134a,对其进行耗电量测试和高温储藏温度测试,R290 系统的冷冻能力明显高于R134a 系统,而且COP有了将近25%的提高。 
  在噪声水平、冷却速度、能效和耗电量方面对两种制冷剂进行对比可以发现,与R134a系统相比,R290 系统的耗电量降低5%、冷却速度得到提高、噪音也降低了3dB(A),然而具有较高的充注量。对R290 系统进行双毛细管优化之后,其噪声大幅度降低,同时耗电量降低15%,冷却速度减少1小时。 
  有学者对R290和R744在小型商用冷柜(冷冻食物或冰激凌)物业的性能差异进行了实验对比,实验中改进了R290冷柜的原系统,使用R744压缩机替代了原系统中的原R290 封闭式压缩机,并适当增加了一些原件。通过实验发现与R290相比,R744在小型商用冷柜中的应用具有更高的设备成本、更低的能效和更高的运行压力。尽管R290作为一种碳氢制冷剂具有可燃性,但是小型商用冷柜系统中的充注量不高于150g,因此仍然具有较高的安全性,在小型商用冷柜中应用碳氢制冷剂是完全可行的[3]。 
  然而值得注意的是,在维修或者充注制冷剂时会有一些不凝性气体混入制冷系统,一般为空气。但是碳氢制冷剂具有可燃性,如果制冷系统中进入了一定量的空气就会威胁系统安全运行,甚至对系统制冷的效果造成不利的影响。通过实验发现,尽管制冷系统中混入空气不会使碳氢制冷剂的浓度进入爆炸极限范围,但是当吸气侧出现泄漏点位时,说明碳氢制冷剂已经出现大量泄漏,就可能会出现上述问题。制冷机中的换热器传热也会受到不凝性气体的影响混合气体,饱和蒸汽压增大,从而升高功耗、压比和冷凝压力。但是混入空气之后也会减小摩擦损失、降低气体粘度,对系统运行有利。这也是在小型商用冷柜中应用碳氢制冷剂需要注意的一个问题。 
  3 结语 
  本文简要介绍了碳氢制冷剂及其热力学循环性质,并对碳氢制冷剂的小型商用冷柜中的应用进行了简要的分析。碳氢制冷剂具有良好的热力学循环性质和环保性能,在当前技术上在小型商用冷柜中应用碳氢制冷剂来代替传统制冷剂是完全可行的。 

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