劉英志,劉業(yè)鳳,卞偉,2,王志海,2
(1-上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200031;2-青島海爾特種電冰柜有限公司,青島 266101)
隨著《蒙特利爾議定書(shū)》的簽訂執(zhí)行,破壞臭氧層的CFCS已被禁止,HCFCS也即將被禁止使用。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),人們非常重視溫室效應(yīng)對(duì)氣候、環(huán)境的影響,人們開(kāi)始倡導(dǎo)用自然制冷劑替換溫室效應(yīng)較大的HCFC。R290作為一種自然制冷劑在全球得到了推廣,海爾集團(tuán)在 2004年研發(fā)成功使用R290制冷劑的商用冷柜,2005年開(kāi)始批量生產(chǎn),到目前已全流程掌握了它的使用。
制冷劑R290的特性與其它小型全封閉系統(tǒng)中常用的制冷劑有差異,如表1所示。因此在許多情況下需要不同的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。
-25℃蒸發(fā)時(shí),R290的工作壓力約為R134a的190%,R404A的 81%。因此蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)必須與R404A類似。50℃冷凝時(shí),R290約為 R134a的130%,R404A的74%,因此原系統(tǒng)為R404A的,管路的耐壓能力完全滿足R290的要求。根據(jù)多年驗(yàn)證,φ8壁厚0.71 mm的鍍鋅鋼管可以滿足蒸發(fā)器的耐壓要求(5倍的丙烷20℃飽和壓力,即36.8bar),φ6壁厚0.71 mm的鍍鋅鋼管可以滿足冷凝器的耐壓要求。
表1 幾種制冷劑的參數(shù)
對(duì)于原來(lái)使用R134a或R404A制冷劑的制冷系統(tǒng),如果蒸發(fā)器、冷凝器沒(méi)變化,R290的充注量約為它們的40%(經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證)。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,單個(gè)制冷循環(huán)系統(tǒng)R290制冷劑的最大允許充注量為150g。為了符合這一標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)可以采取一些措施:a) 適當(dāng)減小冷凝管路的內(nèi)徑;b) 提高冷凝器的換熱效率,縮短冷凝器的長(zhǎng)度;c) 提高蒸發(fā)器的換熱效率,減小蒸發(fā)器的容積。通過(guò)以上措施曾經(jīng)將同意型號(hào)商用冷柜的灌注量從200g降到了130g。
制冷劑R290與礦物油的互溶性很高,與聚酯類油的互溶性也很高,在Danfoss、Embraco等公司生產(chǎn)的R290壓縮機(jī)中使用了與R134a、R404A壓縮機(jī)一樣的聚酯類油。(特別提醒:雖然 R290與R600a都屬于易燃易爆的HC制冷劑,但其壓縮機(jī)用的潤(rùn)滑油不同,在冷柜生產(chǎn)、維修時(shí)一定注意。)R290在制冷回路中為無(wú)活性化學(xué)物質(zhì),不會(huì)發(fā)生特定問(wèn)題。直接的材料兼容性很少有問(wèn)題,但在有些橡膠、塑料和特殊環(huán)保塑料已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題,不過(guò)這些材料通常不會(huì)出現(xiàn)在小型全封閉系統(tǒng)中。有些材料被一些測(cè)試人員報(bào)告有問(wèn)題,特將它們列在表2中。對(duì)于臨界材料,必須針對(duì)特定用途進(jìn)行測(cè)試。
表2 R290材料兼容性
對(duì)于小型商用冷柜,常用的干燥劑是分子篩,對(duì)于R290,建議使用孔徑大小為3埃米的材料,與R134a類似,可以使用XH9、XH11、XH7型的制冷劑分子篩。用于R134a的筆形干燥過(guò)濾器只要符合GB4706.13的要求就可以用于R290系統(tǒng)。實(shí)踐證明這樣使用沒(méi)有問(wèn)題。
對(duì)于小型的商用制冷設(shè)備——商用冷柜,采用毛細(xì)管節(jié)流是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的方式,對(duì)于性能、規(guī)格相同的商用冷柜,毛細(xì)管的流量與R404A系統(tǒng)一樣即可。
根據(jù)丙烷的制冷特性,回氣適當(dāng)過(guò)熱會(huì)提高系統(tǒng)的制冷效率,因此毛細(xì)管與回氣管需進(jìn)行換熱,具體結(jié)構(gòu)可完全借用R404A相近系統(tǒng)的。
經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證,原來(lái)是 R404A系統(tǒng)的商用冷柜,如果改成R290系統(tǒng),制冷系統(tǒng)的主要零部件可直接使用。
制冷劑R290的安全分類屬于A3級(jí),屬于低毒性(可以認(rèn)為是無(wú)毒的),但其具有高度可燃性(易燃性見(jiàn)表3),這對(duì)使用帶來(lái)危險(xiǎn),這就要求謹(jǐn)慎的處理和安全的防范。
表3 制冷劑R290的易燃性
由表3可知R290在廣泛的濃度范圍內(nèi)都具有可燃性,因此對(duì)冷柜本身及冷柜的生產(chǎn)廠都有必要進(jìn)行安全預(yù)防。如果發(fā)生事故必須同時(shí)滿足兩個(gè)基本條件,一是R290和空氣形成易燃混合物(R290濃度比例在爆炸下限與爆炸上限之間),另一個(gè)是足夠的能量級(jí)別或溫度的燃燒源。這兩個(gè)條件必須同時(shí)存在才能燃燒,因此必須確保這種組合不會(huì)發(fā)生。
對(duì)于使用 R290制冷劑的冷柜必須要通過(guò)GB4706.13的相關(guān)測(cè)試,在設(shè)計(jì)過(guò)程中有以下方面規(guī)避危險(xiǎn)。
4.1.1 減少制冷劑泄漏的措施
1)管路必須滿足耐壓要求。系統(tǒng)的高壓端必須經(jīng)受3.5倍的丙烷70℃飽和壓力即87bar的壓力,低壓端必須經(jīng)受 5倍的丙烷 20℃飽和壓力,即36.8bar。
2)管路的設(shè)計(jì)還要盡量減少焊點(diǎn),減少焊漏的概率。
3)使用1.2中提到的方法減少制冷劑的充注量。
4)如果制冷系統(tǒng)較大,灌注量要超過(guò)150g,可以將其分解成兩個(gè)獨(dú)立的小系統(tǒng),使每個(gè)小系統(tǒng)的灌注量都小于150g。
5)蒸發(fā)器最好不要有裸露在發(fā)泡層外部(箱體內(nèi)部間室)的部分。這樣即使管路發(fā)生泄漏,跑到外面的速度將會(huì)大大減慢,使丙烷的濃度遠(yuǎn)離爆炸下限。
4.1.2 避免泄漏的制冷劑聚集的措施
在安裝壓縮機(jī)、強(qiáng)冷凝器、風(fēng)機(jī)等部件的機(jī)艙內(nèi),在底部要布置盡量多的通風(fēng)孔,如圖1中的3,由于丙烷的分子量為44.1 kg/kmol,而空氣的平均分子量是29 kg/kmol,因此在相同情況下,丙烷的密度比空氣大,萬(wàn)一在此空間內(nèi)出現(xiàn)丙烷泄漏,丙烷會(huì)由于重力原因通過(guò)機(jī)艙底部的透空跑到冷柜外面,當(dāng)冷凝風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),會(huì)加速丙烷跑到冷柜外面,由于外部空間較大,會(huì)大大降低丙烷的濃度,遠(yuǎn)離爆炸下限。
4.1.3 避免出現(xiàn)點(diǎn)火源的措施
1)溫度控制器、開(kāi)關(guān)、化霜定時(shí)器、壓縮機(jī)的啟動(dòng)器、熱保護(hù)器、繼電器等具有觸點(diǎn)閉合——斷開(kāi)功能的開(kāi)關(guān)必須是密封的,這樣即使產(chǎn)生電火花也不會(huì)和萬(wàn)一泄漏的丙烷接觸而發(fā)生燃燒。
2)在一些必須使用開(kāi)關(guān)的場(chǎng)所,可以選擇可控硅等半導(dǎo)體開(kāi)關(guān),避免出現(xiàn)電火花。
3)與制冷系統(tǒng)在一起的風(fēng)機(jī)即使發(fā)生堵轉(zhuǎn)也必須是安全的、無(wú)火花的。
4)電氣接頭、燈座必須符合GB4706.13的要求,避免在使用或操作過(guò)程中出現(xiàn)火花。
4.1.4 減少點(diǎn)火源和可燃源的措施
1)在一個(gè)有制冷管路封閉的空間內(nèi),例如制冷間室內(nèi),禁止安裝具有觸點(diǎn)閉合——斷開(kāi)功能的開(kāi)關(guān)。即使這種開(kāi)關(guān)是密封的,也最好不要安裝到這里。
2)在一定的有制冷管路的空間內(nèi),電器件的安裝位置盡量高一些,如圖1所示,溫控器、指示燈、壓縮機(jī)附件的位置較高。由于丙烷的分子量為44.1 kg/kmol,而空氣的平均分子量是29 kg/kmol,因此在相同情況下,丙烷的密度比空氣大,位置越高丙烷的濃度越小,萬(wàn)一丙烷泄漏時(shí),此處的丙烷濃度越遠(yuǎn)離爆炸下限。當(dāng)然丙烷與空氣間還會(huì)相互擴(kuò)散,千萬(wàn)不要認(rèn)為安裝位置高一點(diǎn)就絕對(duì)安全了。
4.1.5 加強(qiáng)指導(dǎo)用戶的正確使用
有關(guān)使用的說(shuō)明增加一些信息和警告,以便提醒仔細(xì)處理。
1)增加“不要用刀具對(duì)制冷間室除霜”的提示,同時(shí)配上用刀具除霜將管路弄破后制冷劑泄漏遇火后發(fā)生火災(zāi)的漫畫(huà)。
2)在箱體容易被人看到的部位增加提示標(biāo)貼“對(duì)于每冷柜 8g的制冷劑灌注量,冷柜使用(存放)的環(huán)境提供至少 1立方米的空間”。如果保證這樣使用,即使制冷系統(tǒng)內(nèi)的丙烷全部泄漏,丙烷在空氣中的濃度僅大約為爆炸下限的20%,保證使用的安全。
3)與箱體及壓縮機(jī)上加貼圖2所示的R290易燃黃色標(biāo)貼警告,人們?cè)谑褂美涔駮r(shí)要遠(yuǎn)離火源,同時(shí)不要將火源帶到冷柜附近。
圖1 冷柜機(jī)艙布置圖(拆掉機(jī)艙格柵)
圖2 R290易燃黃色標(biāo)簽警告
經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際應(yīng)用,在同樣一臺(tái)冷柜上,更換成R290系統(tǒng)后,與原來(lái)的R134a系統(tǒng)相比,制冷深度降低約1度,耗電量降低約10 %。在安全方面,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范及工藝流程執(zhí)行,未發(fā)生一起起火或爆炸事件。R290制冷劑可以廣泛推廣。
[1] 丁國(guó)良,張春路,趙力編著. 制冷空調(diào)新工質(zhì)(第1版)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003.
[2] GB 4706.13-2004, 家用和類似用途電器的安全 制冷器具、冰淇淋機(jī)和制冰機(jī)的特殊要求 [S].