摘 要：减少温室气体排放使得替代冷媒R134a也将受到管制或禁用。本文以R600a/R290混合比例各为50%的碳氢冷媒替代传统的R134a冷媒，重点讨论换装碳氢冷媒在商用冷柜制冷系统中的循环过程，并通过试验数据分析商用冷柜在使用R600a/R290碳氢冷媒后的性能。

关键词：碳氢冷媒；商用冷柜；制冷系统；温室气体排放

根据蒙特利尔协议氢氟碳化合物（HFC）将在2030年禁止生产，以避免全球变暖现象的持续恶化。目前冷媒的选用逐步向不破坏环境的自然冷媒方向发展，积极寻找合适的替代冷媒及相关置换技术已成为现今冷冻行业发展中不可或缺的一环。目前商用冷柜使用的冷媒大部分以氢氟碳化合物（HFC）为主，虽然其不含破坏臭氧层成份，但却因冷媒含氟分子吸收地表释放出的红外线而使得气温逐年上升，对全球气候环境造成升温及温室效应等影响。

1 自然冷媒性质分析

1.1 丙烷R290基本性质

丙烷R290在标准大气压力下，沸点-4207℃、凝固点-1877℃，临界温度96.8℃，临界压力4.254MPa，潜热值427.8 kJ/kg，属于碳氢化合物的一种，其分子式是C3H8，分子量为44且不含氯原子。丙烷的ODP值为零，且不含氟原子，其GWP潜能值小于0.01，但是丙烷有易燃、易爆炸得性质，并具有麻醉的作用，所以是一种微毒冷媒。丙烷能吸收少量的水蒸汽，因此如果系统中含有水蒸汽，则以自由水分的形式出现并在浓度，控制元件上出现结冰现象。为维持系统正常运行须将系统中的水蒸气除去，系统也不存在水汽腐蚀问题。

1.2 异丁烷R600a基本性质

异丁烷R600a，沸点-11.73℃、凝固点-160℃，属于碳氢化合物的一种，分子式为C4H10且不含氯原子。故即使不慎泄露于大气中也不会破壞臭氧层，且其GWP值非常小，符合环保要求。异丁烷有较低的饱和压力和较小的压缩前后压差，如果更改压缩机尺寸，则R600a系统将有更高的能源效率与较低的噪音，并可取代R12系统。

1.3 碳氢冷媒基本性质

在商用冷柜方面，碳氢冷媒则以异丁烷R600a、丙烷R290最为普遍也较为成熟，特别是冷柜以R600a/ R290混合的碳氢化合物为冷媒，其制冷效率比其他碳氢化合物要高许多。R600a/ R290混合碳氢冷媒并非化学合成，是自然界中存在的天然物质高度提炼而成，以异丁烷和丙烷各占约50%的碳氢化合物为例，其具有以下特性：（1）标准大气压下沸点约为-34℃；（2）工作压力与R134a接近，冷冻性能优异；（3）化学性质稳定，不产生酸化、碳化；（4）ODP=0不破坏臭氧层，GWP≤3温室效应极低；（5）燃点460℃～470℃，燃烧后气体无毒性可与大自然结合；（6）无色、无毒，充注量为CFC的1/3。

1.4 非共沸冷媒特性

非共沸冷媒由多种纯质冷媒按固定比例混合而成，目前应用最多的混合方式为二元混合及三元混合。混合后冷媒成份具有相同沸点的称为共沸冷媒，混合后冷媒成份沸点相近的称为近共沸冷媒；如果混合后冷媒成份沸点相异的新冷媒则称为非共沸冷媒。碳氢冷媒主要用于替代对环境具有破坏性的旧冷媒，所以其功能主要是臭氧层破坏指数为零，以安全冷媒稀释危险性冷媒以降低碳氢冷媒的危险性。非共沸冷媒有两个不同于纯质冷媒且影响系统性能的特性：（1）温度滑移：指非共沸冷媒在等压条件下蒸发或冷凝与纯质冷媒不同的是其温度会有所变化，也即蒸发或冷凝过程中温度并不是保持定值；（2）分馏：指非共沸冷媒各组份分子以当时温度所对应的正常速度彼此碰撞，饱和蒸汽压力较高的成份比饱和压蒸汽压力较低成份转换较多的分子到气态，所以气态中压力较高的冷媒成份和另一成份相比它将会大于原有成份比，而成份的差异取决于各种冷媒的饱和压力，此气态成份的差异将使碳氢冷媒发生分馏现象。

2 制冷循环及特性分析

2.1 制冷循环

制冷循环可分为以下四个过程（1）绝热压缩过程：碳氢冷媒在压缩机中从低温低压的饱和蒸汽状态提升到高温高压的过热蒸汽状态；（2）等压放热过程：高温高压过热蒸汽进入冷凝器将能量以对流的方式传递给空气媒介，使碳氢冷媒等压放热至饱和状态或过冷的高压常温饱和液态冷媒；（3）等焓绝热膨胀过程：常温高压冷媒经节流结构后压力迅速降低，少量液态冷媒因压力骤降而闪蒸为气态，最后冷媒以气液两相离开节流机构；（4）等压吸热过程：低温低压碳氢冷媒进入蒸发器时，利用冷媒相变过程高潜热值特性吸收蒸发器外介质热量，实现冷却的效果。

2.2 特性分析

冷媒充注量对系统性能的影响：当冷凝温度为40℃时，（1）碳氢冷媒在不同蒸发温度下的压缩比较R134a低约39%，且随着蒸发温度越低差距越大；（2）改变蒸发温度对系统的制冷效果影响不大，其趋势是随着蒸发温度降低系统制冷效果变差，而碳氢冷媒的效果比R134a冷媒效果高出约46%；（3）随着蒸发温度的降低冷冻效果降低，压缩机温度升高，整体COP降低，当蒸发温度为30℃时，R12冷媒COP最高，R134a次之，碳氢冷媒最差；（4）当工况一定时，碳氢冷媒的综合性能较R134a和R12冷媒性能优良。

箱内最低温性能比较：当环境温度为30℃±1℃时，（1）碳氢冷媒的吸排气温度较R134a冷媒高，且开始运行时因系统负载过高排气温度可达82℃；（2）碳氢冷媒的冷凝温度较R134a高，系统稳定后冷凝器出口温度较R134a高19.2%；（3）碳氢冷媒在蒸发器出口温度的拉低速率与最低温度方面均优于R134a冷媒，系统稳定后蒸发器出入口温度较R134a冷媒低约14.8%和14.5%。

3 结论

本文对商用冷柜使用R134a冷媒和R600a/R290混合冷媒时的冷媒特性、制冷循环过程及性能特性进行了分析，所得结论可为后期新冷媒的研发提供依据。

作者简介：黄叶辉（1975-），男，中专生，研究方向：制冷与低温工程。