R290替代R134a在商用制冰机匹配研究

何四发 徐延辉 孙士杰 姚平灵

华意压缩机股份有限公司 江西景德镇 333001

1 引言

制冰机是一种将水通过蒸发器由制冷系统制冷剂冷却后生成冰的制冷机械设备。随着社会的发展和人民生活水平不断提高，用冰的行业越来越广，对冰的质量要求越来越高，对制冰机的“高性能”、“低故障率”、“卫生性”等要求越来越迫切。2015年1月1日，欧盟正式实施关于氟化气体（Fgas）的新法规Regulation（EU）No517/2014，商用制冷设备使用的制冷剂GWP＞2500，将在2020年禁止使用，因此寻找一种新的替代制冷剂是当务之急[1]。由于R290制冷剂ODP=0，GWP=3，且获得美国EPA SNAP（环保署重大新替代品政策）的批准，列为全球制冷剂的理想替代品，因此R290为商用制冰机理想替代制冷剂。本文主要探讨R290替代R134a在商用制冰机研究。

2 制冷工质特性理论参数研究

从表1轻型商用制冷剂特性重要性表述、表2轻型商用制冷剂特性综合评价来看，目前来说R290制冷剂已成为轻型商用制冷替代R134a、R404A的最佳选择。R290工质（丙烷）为碳氢化合物，由于是天然存在的物质，属于自然制冷剂，该工质的臭氧耗减潜能值ODP为0，全球暖化潜值GWP值很低，不会对环境造成危害，是一种完全环保的制冷制，完全满足欧盟关于氟化气体（Fgas）的新法规。而且R290与普通润滑油和机械结构材料具有兼容性，R290的单位容积制冷量较大，很适合于小型往复、旋转式压缩机[2]。

3 R290与R134a制冰机测试对比

目前商用制冰机大都使用R134a和R404A制冷剂，但由于欧盟新法规将实施，该2种制冷剂即将被淘汰。因此各大商用制冰机厂家都在研究R290替代R134a和R404A制冷剂，以一款ZB*-95制冰机为例，匹配相同制冷量R134a压缩机A和R290压缩机B制冰量对比见表3。从表3测试数据来看：相同制冷量R290和R134a压缩机匹配同一款制冰机，压缩机排气量减少43.8%，制冷剂充注量减少65.2%，一个完整制冰周期时间减少18.8%，24h制冰量增加37.8%。这主要得益于R290制冷剂优良特性，压缩机排气量减少，可靠性得到进一步加强。

通过该款制冰机的研究分析，制冷系统替换过程中相关制冷部件需做相应调整：

（1）在冷凝面积方面，原R134a系统冷凝器的冷凝面积在性能上可以满足R290系统冷凝面积要求，但推荐冷凝器散热方式选用风冷冷凝器；在蒸发面积方面，原R134a系统蒸发器的蒸发面积在性能上可以满足R290系统蒸发面积要求[3]；

（2）R290单位质量制冷量约为R134a的190%，因此在两器及压缩机参数基本相同的情况下，R290充注量要少的多；

（3）R290沸点低，替代R134a需要换小直径毛细管或加长毛细管，在相同制冷量情况下，系统的循环流量小，一般情况下R290和R134a系统可以使用同一规格毛细管，推荐长度增加10%～20%，R290系统毛细管和回气管回热换热长度应不小于R134a系统回热换热长度[4]；

（4）由于R290压缩机润滑油为酯类油，且酯类油相比矿物油吸水性更强，应用于R290制冷系统时充注量相对较大，所以在产品设计时过滤器分子筛充注量相应增加[5]；

（5）R290制冷剂是易燃易爆制冷剂，应选用防爆型温控器。

4 R290压缩机在商用制冰机可靠性研究

由于生产成本控制需要，制冰机脱冰主要采用热气除霜来实现脱冰，因此制冰机压缩机可靠性也成为各大厂商共同关注焦点。热气除霜过程中由于压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽通过电磁阀直接进入蒸发器再返回压缩机，因此压缩机存在一定的液击风险。液击易导致制冰机压缩机阀片破裂，对制冰机压缩机产生不可修复的损坏。但在增加储液器、压缩机吸气与工艺管互换、正确的压缩机选型，以及准确的制冷剂充注量，制冰机压缩机液击可以很大程度避免，可以保证利用热气除霜的制冰机性能可靠[6]。

B压缩机匹配ZB*-95制冰机（吸气管与工艺管互换），40℃环温、35℃水温经过100天长运，长运期间尽可能让压缩机不停机（等效工作寿命约为2400h×2.5×2=30000h≈3.42年），验证压缩机在有液体制冷剂情况下，运动副润滑状况变差及所受负载变大对压缩机机械部件的损坏情况。长运试验结束后，开壳检查B压缩机零部件正常，从图1来看，压缩机吸、排气阀片正常，未出现阀片破裂、阀口积炭等现象，其他主要零部件曲轴、活塞、电机绝缘层等也未见异常损坏，活塞与气缸、曲拐与连杆大头、活塞销与连杆小头等配合面磨损正常。

虽然制冰机利用热气除霜很容易导致压缩机液击，但在保证合适的制冷剂充注量、增加适当的储液器（或吸气管与工艺管互换）、正确的压缩机选型等前提下，制冰机压缩机液击可以很大程度避免，可以保证利用热气除霜的制冰机性能可靠。

5 R290工质的爆炸性及其预防

R290具有易燃易爆的特性。因此，在系统的设计和运行中采取相应的保护措施，必须采用防爆电器。如采用非火花电器件，防爆风扇电机、防爆电子膨胀阀和温控器、防爆LED灯等电器件，外部接线方式，控制充注量（IEC要求最大充注量不能超过150g）等安全措施。为了避免制冷剂的泄漏现象，应尽量减少焊点数量。确保压缩机仓通风良好，防止风机、冷凝器、压缩机等部位的制冷剂泄漏，从而降低燃烧和爆炸的可能性。只要做到了以上几点要求，可燃性的R290作为制冷剂的安全性就能大大提高，其可燃爆炸性便不会成为选择替代工质的障碍。R290的可爆性必须有2个条件叠加在一起，即810℃的起爆温度和空气的混合浓度在2.5%～8.9%，在现实使用中，2个小概率事件同时发生的概率几乎为0，因此R290在系统中的循环是安全的。

表1 轻型商用制冷剂特性重要性表述

表2 轻型商用制冷剂特性综合评价

表3 A和B制冰量对比

6 结论

根据R290工质的特性，在使用R290替代R134a时，体现出比R134a更为优越的性能和效率，而且产品结构改动较小。在商用制冰机制冷系统匹配中，毛细管流量和系统制冷剂充注量需要进行适当的调整，使R290能够在设计工况下运行，以满足制冷系统正常运行的需要。

本文从R290、R134a、R404A制冷剂特性，分析了R290制冷剂在商用制冰机使用替代趋势。通过分析R290与R134a制冰机测试对比，论证了用R290替代R134a的可行性。在使用R290替代R134a时，体现出R290比R134a更为优越的性能和效率，对系统整体性能有提升。由于本文仅对目前部分在使用R290制冷剂压缩机进行针对性研究，旨在抛砖引玉，希望能够引发行业内更多的研讨。