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碳氫制冷劑在小型商用冷柜上的應用分析
商用冷柜中的傳統制冷劑CFCs 制冷劑含有氯原子，會對大氣層中的臭氧層造成破壞。社會組織者強調要逐漸將消耗臭氧物質的制冷劑淘汰，并且使用其他制冷劑來替代傳統制冷劑。碳氫制冷劑具有良好的環保性能和熱物理性能，是一種天然制冷劑，受到了社會的廣泛關注。值得注意的是，碳氫類物質具有可燃性，在小型商用冷柜中用碳氫制冷劑的充注量雖然較小，但是在大規模應用之前還是應該進行相應的泄漏燃爆試驗，保障應用的安全性。
1 碳氫制冷劑及其熱力學循環性能
制冷劑中的氯原子對臭氧層的破壞引起的環境問題越來越嚴重，社會各界廣泛提出尋找具有良好的環保性能和性質優良的制冷機來替代傳統制冷劑，減少制冷劑對環境的破壞。當前主要產生了3種替代方案：
①天然制冷劑，包括HCs（碳氫）、R717、R744等。其中碳氫制冷劑具有良好的環保性能和熱物理性質，例如具有極低的變暖潛能值（R600a 的變暖潛能值不大于10、R290 的變暖潛能值為 3），而且消耗臭氧潛能值為0。碳氫制冷劑造價較低，和礦物油之間的互溶性良好。因此雖然碳氫制冷劑具有可燃性，但仍不失為一種的制冷劑[1]。當前的小型商業制冷應用場合中的島柜、生鮮柜、飲料自動售貨機、啤酒冷藏柜、冰激凌柜、瓶裝冷藏柜的制冷量不高于1.0 kW，使用的是碳氫制冷劑中的R600a、R1270、R290等，其中碳氫制冷劑中的R600a、R290已經在很多大型跨國集團的冰激凌柜、啤酒冷藏柜和瓶裝冷藏柜中得到了廣泛的應用。與氫氟烴相比，碳氫制冷劑能夠提高20%的系統能效，而且不會對臭氧層進行破壞。
②HFOs（氫氟烯烴），氫氟烯烴具有良好的熱物質性，變暖潛能值極低，消耗臭氧潛能值為零，但是其制備原料為HCFCs，價格比較昂貴。在制備的過程中由于HFO-1234yf，具有可燃性，經過燃燒之后會產生有毒物質，例如HF。
③HFCs（氫氟烴），應用較多的主要有R404A、R410A、R134a、R32等。氫氟烴是一種人造制冷劑，具有不可燃、無毒、熱物理性質優良的特點，消耗臭氧潛能值為零，然而由于具有較高的變暖潛能值，當前只作為過渡制冷劑使用。
2 碳氫制冷劑在小型商用冷柜中的具體應用
與傳統的小型商用制冷冷柜中的制冷劑相比，氫制冷劑具有良好的循環性能。在理論層面上，有學者對比了碳氫制冷劑和低溫冷柜中常用制冷劑之間的性能。在液體溫度38℃、吸氣溫度5℃、冷凝溫度43℃、蒸發溫度零下23℃的低溫工況Ⅰ中對R22和碳氫制冷劑工質的熱力學循環性能進行模擬計算，結果表明R290和R1270的系統性能系數高于R404A、R507A、R502排氣溫度和壓力比低于R22。因此有學者認為當前常用的小型商用冷柜中的低溫制冷劑R404A、R22*可以使用碳氫制冷劑中的R1270、R290來進行替代。
與此同時還有學者在變工況、實際工況、標準工況中對HCM2、HCM1、R134a、R600a、R290、R404A、R22的循環性能進行了對比，結果表明R290 的 COP比R134a略低，比R404A高，而且具有更大的單位質量制冷量和單位容積制冷量。盡管與R134a相比，R290具有更高的蒸發壓力和冷凝壓力，但其壓比仍然小于R134a，具有良好的性能[2]。
選取兩臺臥式冷柜作為實驗樣機，分別充注85gR290和200gR134a，對其進行耗電量測試和高溫儲藏溫度測試，R290 系統的冷凍能力明顯高于R134a 系統，而且COP有了將近25%的提高。
在噪聲水平、冷卻速度、能效和耗電量方面對兩種制冷劑進行對比可以發現，與R134a系統相比，R290 系統的耗電量降低5%、冷卻速度得到提高、噪音也降低了3dB（A），然而具有較高的充注量。對R290 系統進行雙毛細管優化之后，其噪聲大幅度降低，同時耗電量降低15%，冷卻速度減少1小時。
有學者對R290和R744在小型商用冷柜（冷凍食物或冰激凌）物業的性能差異進行了實驗對比，實驗中改進了R290冷柜的原系統，使用R744壓縮機替代了原系統中的原R290 封閉式壓縮機，并適當增加了一些原件。通過實驗發現與R290相比，R744在小型商用冷柜中的應用具有更高的設備成本、更低的能效和更高的運行壓力。盡管R290作為一種碳氫制冷劑具有可燃性，但是小型商用冷柜系統中的充注量不高于150g，因此仍然具有較高的安全性，在小型商用冷柜中應用碳氫制冷劑是*可行的[3]。
然而值得注意的是，在維修或者充注制冷劑時會有一些不凝性氣體混入制冷系統，一般為空氣。但是碳氫制冷劑具有可燃性，如果制冷系統中進入了一定量的空氣就會威脅系統安全運行，甚至對系統制冷的效果造成不利的影響。通過實驗發現，盡管制冷系統中混入空氣不會使碳氫制冷劑的濃度進入爆炸極限范圍，但是當吸氣側出現泄漏點位時，說明碳氫制冷劑已經出現泄漏，就可能會出現上述問題。制冷機中的換熱器傳熱也會受到不凝性氣體的影響混合氣體，飽和蒸汽壓增大，從而升高功耗、壓比和冷凝壓力。但是混入空氣之后也會減小摩擦損失、降低氣體粘度，對系統運行有利。這也是在小型商用冷柜中應用碳氫制冷劑需要注意的一個問題。
3 結語
本文簡要介紹了碳氫制冷劑及其熱力學循環性質，并對碳氫制冷劑的小型商用冷柜中的應用進行了簡要的分析。碳氫制冷劑具有良好的熱力學循環性質和環保性能，在當前技術上在小型商用冷柜中應用碳氫制冷劑來代替傳統制冷劑是*可行的。
