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【華生環保制冷】關于R290制冷劑在制冷設備中的運用分析

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2021-9-7     瀏覽次數:    

摘要

隨著全球臭氧層破壞和氣候變暖問題的日益嚴峻,制冷技術的應用和發展越來越受到國際社會的關注,本文簡要介紹了R290制冷劑的應用特性,并分析了R290制冷系統設計,最后從減少制冷劑泄漏、避免泄漏的制冷劑聚集、易燃性與安全性、減少點火源和可燃源、加強指導用戶的正確使用等多個角度探討了在冷柜設計中采取的安全措施,希望這些觀點能夠為R290制冷劑的推廣和應用提供思路。

關鍵詞

制冷劑;制冷設備;冷凝器


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引言

制冷劑是制冷系統中的重要的工作介質,能夠通過化學反應與外界發生能量交換,為人民群眾日常生活帶來了極大的便利,但是傳統HCFCs型制冷劑所含有的氯、氟、碳、氫原子會嚴重破壞人類賴以生存的臭氧層,影響生態平衡。R290制冷劑作為一種新型環保制冷劑對抽象層的損害較小,不會產生大量的溫室氣體,符合《蒙特利爾議定書》協定的要求,已經被逐步應用到空調、冰箱等制冷設備之中。


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R290制冷劑的應用特性


2.1 使用條件與特性

對于R290制冷劑而言,其應用特性與其他的商用冷柜制冷劑相比具有一定的特殊性,在本文中主要與HFCs系列的R134a和R404A進行比較(表1),針對工作壓力而言,當處于-25℃的蒸發條件下,R290制冷劑面臨的的工作壓力約為R134a制冷劑的1.9倍,R404A制冷劑的0.8倍;在50℃的冷凝條件下,R290制冷劑的工作壓力約為R134a制冷劑的1.3倍,R404A制冷劑的0.7倍,因而,從整體上來說,R404A制冷劑的蒸發器和冷凝器與R290的匹配度較高。另外,從實踐經驗上來看,直徑為8mm,壁厚為0.71mm的鍍鋅鋼管較符合滿足蒸發器的耐壓要求,Ф6×0.71mm的鍍鋅鋼管可以滿足冷凝器的耐壓要求[1]


經部分實驗證明R290爆炸和燃燒需要具備兩個條件,即R290與空氣的混合度在2.5%~8.9%之間,溫度達到810℃以上。實踐表明,如果在設備的生產環節和儲運環節措施得當,R290制冷劑的安全風險是完全可控的。但因目前的國標對充注量的控制,難以生產1P功率以上的制冷設備,歐洲目前正在擬定開放充注量的最高標準。屆時在嘗試過大充注量后,我國能否開放高充注量的標準還是未知數。R290作為一種優秀的替代品仍任重而道遠。


2.2 使用標準

在飽和液態時,R290的密度比R134a和R404A都要小,因而在相同容積下R290的灌注量更小,實驗證明,如果商用冷柜仍然采用原來的R134a和R404A制冷系統,在假設冷凝器與蒸發器未發生改變的前提條件下,只需要充注原制冷劑量的40%左右的R290制冷劑即可,國家標準已經對R290作為空調制冷劑的灌注量給出明確限制,目前國家要求家用及類似用途冷柜的制冷循環系統中,最多只允許充注150g的R290制冷劑。基于這樣的客觀條件,在設計使用R290制冷劑的商用冷柜系統時,可以適當的減小冷凝管路的內徑、縮短冷凝器的長度、縮小蒸發器的容積,以減小冷劑循環量,提高制冷系統內部冷凝器和蒸發器的換熱效率,滿足實際應用需求。冷凝器和蒸發器中制冷劑質量的計算公式分別為:


2.3 生產與運輸

目前高純度丙烷即R290的生產工藝主要包含去其他烷烴和脫硫、脫水。其中難點在產品的脫水,而從工藝角度來看對于制冷劑生產工藝的要求恰恰是含水量的要求。如果含水量不達標,其中含有的水分與潤滑劑在高溫狀況下反應產物對制冷系統的損害非常大。目前國內的生產工藝是與正常的液化石油氣分開生產的,但是其儲運環節已經形成了非常可靠的、高安全性的流通通路。制冷劑為了與液化石油氣區分采用了類似傳統制冷劑的鋼瓶。


3

R290制冷系統設計


3.1 R290制冷劑的材料選擇

R290制冷劑具有良好的材料相容性,與銅、鋼、鑄鐵、潤滑油等均能良好相容,與礦物油的互溶性也很高,特別是與聚酯類的互溶性,并且其在制冷回路中為無活性化學物質,并不會在封閉系統中發生化學反應產生電能,直接的材料兼容性很少出現安全問題,但在材料的選擇過程中還是盡可能的避免與橡膠、塑料和特殊環保塑料相接觸,對于特定的臨界材料也要確保測驗結果有效且安全的前提下,才能夠投入使用,以有效規避意外風險(表2)。除此之外,對于使用R290制冷劑的商用冷柜,可以使用吸附能力高,熱穩定性強的分子篩(Molecular sieve)作為干燥劑,并優先選擇XH9、XH11、XH7等型號,保障分子篩的有效孔徑達到3?級別。



3.2 制冷系統節流裝置的選用

對于應用R290制冷劑的商用冷柜,最經濟可靠的就是參考R404A系統的具體結構,盡管R404A屬于HFCs系列,而R290屬于HC系列,但是毛細管流量、制冷特征和換熱效率都十分相近,在選用R290制冷系統節流裝置時,R404A系統商用冷柜的主要零部件都是可以直接使用的。如果選擇R132a系統,則需要對相關制冷部件進行調整。例如,對于冰箱BCD-64WKGPZMA,將毛細管增加10%~20%的長度,以滿足R290制冷劑單位質量制冷需求;由于R290壓縮機普遍采用酯類油作為潤滑油,其吸水量要大于R134a的壓縮機,因而增加過濾器分子篩充注量;立足于對丙烷氣體易燃易爆性特征的考慮,在溫控器的選擇上應調整為R600a專用的防爆型溫控器,以保障制冷系統的安全性。調整后的R290冰箱,冰晶生成率較小,制冷性能大幅提升。


3.3 易燃性與安全性

R290制冷劑是一種十分優質的制冷劑替代品,不含有氯原子且臭氧消耗潛值(Ozone Depletion Potential,ODP)為零,具有較高的應用潛能和安全級別,屬于低毒性制冷劑,但其可燃性和爆炸性的特征,一直是廠商望而卻步的原因,極大的限制了R290制冷劑的推廣和使用(表3)。因此,對商用冷柜本身以及冷柜生產者都要做好相應的防范措施,優化結構設計和防爆設計,采用減小灌裝量、隔絕著火源、防止制冷劑泄露及提高泄漏后的安全防控能力等措施,提高安全防范意識,使R290遠離點火源和可燃源,以避免意外事故的發生。



4

在冷柜設計中采取的安全措施

4.1 減少制冷劑泄漏

商用冷柜制冷劑泄漏會導致制冷系統能耗增加,縮短設備的使用壽命。首先,在管路設計上,要減少其焊接點,并保障管路的抗壓能力和強度符合系統設計要求,高壓端能夠承受3.5倍的丙烷70℃飽和壓力,低壓端能夠承受5倍的丙烷20℃飽和壓力,降低制冷劑泄漏的幾率。與此同時,還要注意R290制冷劑的注充量,在單個系統內不應超過150g,如果制冷系統內極大,這可以分解為多個獨立的小系統,保障制冷劑的注充量位于安全閾限之內。除此之外,商業冷柜的蒸發器最好掩蓋在箱體內部,以減低制冷劑泄漏的危害性[2]


4.2 避免泄漏的制冷劑聚集

商業冷柜的機艙主要由溫控器、指示燈、壓縮機、冷凝風機、冷凝器等結構組成,如圖1所示,其中,1-溫控器,2-指示燈,3-通風孔,4-壓縮機,5-冷凝風機,6-冷凝器。在安裝這些零部件的過程中,相關人員要注重對通風口的設置,充足的通風能夠有效避免泄漏的制冷劑聚集,消除安全隱患。一般來說,丙烷氣體的密度為1.83kg/m3,分子量為44.09562kg/kmol,空氣的平均密度為1.29kg/m3,平均分子量為29kg/kmol,在通常情況下,即20℃時,丙烷的密度要大于空氣,一旦在機艙內發生R290制冷劑泄漏,其丙烷氣體會由于重力的緣故從設備底部的通風口逸散,當冷凝風機運行時,會加速丙烷的泄漏速度,不再局限于封閉狹小的空間內,從而降低可燃氣體的濃度,遠離爆炸下限。


圖1 冷柜機艙布置圖(拆掉機艙格柵)


4.3 避免出現點火源

丙烷屬于可燃性氣體,遇火、受熱都會使其燃燒或爆炸,因而,在應用R290設計商用冷柜時,要保障系統內部的開關和啟動器的密封性,設置可控硅(Silicon Controlled Rectifier,簡稱SCR)等靈敏度高、響應速度快的半導體開關,強化對系統內部氧化還原反應的識別,避免電火花的產生。除此之外,相關設計人員還要注重對風機性能的篩選、處理和養護,確保其在系統發生電機負載過大、拖動的機械故障、軸承損壞掃堂等情況時,仍然處于無火花的安全狀態,另外,商用冷柜的電氣接頭和燈座必須符合中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會聯合發布的《家用和類似用途電器的安全 制冷器具、冰淇淋機和制冰機的特殊要求》中的相關規定,避免出現點火源,消除在使用和操作過程中的安全風險。


4.4 減少點火源和可燃源

減少點火源和可燃源對于保障商用冷柜電源線路完好,規避爆炸風險具有正向的積極作用。首先,在安裝制冷管路的密閉空間內,禁止設置帶有“觸電閉合-斷開”功能的系統開關,這種開關在通電后,能夠迅速的產生電流磁場,以控制接觸器點動作,但其本身并不具備的本身不具備短路保護和過載保護能力,因而在條件的允許的情況下,盡可能不要將此類開關放置在靠近制冷管的封閉空間內。其次,在制冷間室內,要將電器件放置于較高的位置,以避免丙烷泄漏后,兩者的相互接觸,從而使R290制冷劑的濃度原理爆炸下限。當然,將電器件放置在最高的地方并不能完全消除安全隱患,只要丙烷發生泄漏就會存在安全風險。


4.5 加強指導用戶的正確使用

合理編制商業冷柜的指導說明,能夠有效規范消費者的使用行為,以增強其安全防范意識。首先,要在使用說明中增加“不要用刀具對制冷間室除霜”的警告,以避免人工使用金屬制品清理時的管路誤損,從而導致制冷劑泄漏,引發安全隱患。其次,要在箱體位置較為明顯的部位增加提示標簽“對于每冷柜8g的制冷劑灌注量,冷柜使用(存放)的環境提供至少1m3的空間”,從而有效控制R290的灌注量,使丙烷濃度遠離爆炸下限[3]最后,要在商用冷柜的箱體和壓縮機上貼上醒目的易燃黃色警告標貼,提醒消費者在使用冷柜時,要遠離火源和易燃物體,以降低商用冷柜爆炸幾率。


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結論

綜上所述,優化制冷系統設計,強化安全防護措施,減小泄露量及提高泄露檢測和應對能力,能夠有效促進R290新型制冷劑的應用。

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