赵 巍 张 华 肖传晶 刘红绍 刘瑞希

(1上海理工大学制冷及低温工程研究所 上海 200093)

(2艾默生环境优化技术(苏州)有限公司 苏州 215021)

(3丹佛斯自动控制管理(上海)有限公司 上海 200233)

环保制冷剂R290在四级自动复叠制冷系统中的应用

赵 巍1张 华1肖传晶2刘红绍3刘瑞希1

(1上海理工大学制冷及低温工程研究所 上海 200093)

(2艾默生环境优化技术(苏州)有限公司 苏州 215021)

(3丹佛斯自动控制管理(上海)有限公司 上海 200233)

采用环保制冷剂R290取代R22应用于四级自动复叠制冷系统，理论模拟计算表明，R290与R22有较相似的热物理性质，并且相同温度条件下R290有更低的饱和压力;相同压力条件下具有更大的汽化潜热，与R23组成非共沸混合工质能够获得更低的蒸发温度。采用混合制冷剂R290/R23/R14/R50进行试验，获取了-142℃的理想低温，冷量达到105 W。

自动复叠 环保制冷剂 R290 热物性 混合工质 降温特性

1 引言

随着地球表面温度逐年上升，遏制全球变暖的呼声不断高涨。2007年的《蒙特利尔议定书》中明确规定了选择HCFCs替代物的优先考虑原则:首先淘汰ODP值较高的HCFCs，在选择替代品时应考虑最大可能减少对环境的影响，特别是对气候的影响，要选用GWP值最小的工质作替代品。2009年底的哥本哈根会议之后，新一代零消耗臭氧潜能值(ODP)、零全球变暖潜能值(GWP)环保制冷剂的研究已成为全球挑战性的紧迫任务［1］。自动复叠制冷系统因其单机压缩、结构简单、紧凑、可靠性高、成本低，成为实现-40—-160℃温区的主要方式之一:一般-40—-80℃采用双级自动复叠制冷系统;-80—-120℃采用三级自动复叠制冷系统;-100—-160℃采用四级自动复叠制冷系统［2］。R22属于HCFCs类制冷剂，由于其优良的传热性能和流动性能，常被作为多级自动复叠制冷系统的高温级制冷剂［3-4］。为了顺应节能环保的全球形势，本文采用ODP、GWP均为0的环保制冷剂R290取代R22应用于四级自动复叠制冷系统中。

2 R290和R22比较分析

2.1 R290和R22热物性比较

如表1所示，从标准沸点、临界温度来看，R290与R22具有接近的热物性，为R290的成功取代奠定了基础。同时，R290的汽化潜热比R22高一倍以上，所以在相同条件下R290的充注量远远小于R22，约为R22的43%左右［5］。另外由于R290具有低的动力粘性系数和高的传热系数，采用R290开发的空调器较目前常用制冷剂的空调器，系统能效比有10%左右的提高［6］。

表1 R290、R22的主要热物性参数Table 1 Thermal and physical property parameters of R290 and R22

图1为运用REFPROP软件拟合的R290、R22随温度变化的饱和蒸气压力曲线图。从图1中可以看出，在低温区区段，二者的压力曲线几乎重合，说明在相同的低压下R290能获得和R22同样的低温;在中、高温区区段，饱和蒸气压力 R290低于R22，这有利于降低压缩机压比、当系统低压一定时，有利于降低压缩机排气压力和排气温度，保障系统安全稳定运行。

图1 R290，R22随温度变化的饱和蒸气压力曲线图Fig.1 Saturation vapor pressure changing withtemperature curve for R290 and R22

2.2 非共沸混合制冷剂R290/R23和R22/R23最低蒸发温度比较

针对本文的四级自动复叠系统，分别选用R290和R22作为高温级制冷剂进行理论计算分析，运用REFPROP软件拟合出第一级复叠中主要混合工质组分R290/R23和R22/R23的压力温度特性曲线，分别取具有代表性的充注质量比例7:3、5:5、3:7，在不同压力下，可以得到不同的最低蒸发温度［7］，如图2、3、4所示。从图2、3、4中可以看出，无论是哪一种质量比例，R290/R23组合的最低蒸发温度均低于R22/R23组合，因此，R290与R23组成的混合制冷剂更有利于冷凝蒸发器E2中对下一级低温制冷剂的冷凝，降低高温级制冷剂的充注量，有利于整个系统压力的降低，促进后续低温级制冷剂的充注。

图2 R290/R23与R22/R23质量比例7:3最低蒸发温度随压力变化曲线图Fig.2 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 7:3 of R290/R23 and R22/R23

图3 R290/R23与R22/R23质量比例5:5最低蒸发温度随压力变化曲线图Fig.3 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 5:5 of R290/R23 and R22/R23

图4 R290/R23与R22/R23质量比例3:7最低蒸发温度随压力变化曲线图Fig.4 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 3:7 of R290/R23 and R22/R23

3 实验调试

实验系统如图5所示，针对四级自动复叠制冷系统和-140℃的目标温度，研究选择R290/R23/R14/R50组成非共沸混合制冷剂，主要热物性参数见表2。这4种制冷剂满足多级自动复叠制冷剂选配原则:各组元之间互溶，但不形成共沸混合工质;有一定的沸点间距，间距在40—80℃范围内［8］。

图5 单级压缩四级自动复叠制冷循环系统图A.压缩机;B.缓冲器;C.冷凝器;D.回热器;E1—E5.冷凝蒸发器;F1—F3.第1—3级气液分离器;G.干燥过滤器;H1—H5.毛细管;I.压力控制阀;J.气体旁通阀;T.膨胀容器;K.蒸发器;1—23.温度测点。Fig.5 Diagram of single-compressor four-stage auto-cascade cycle system

在设计工况下，系统高压定为2 MPa，低压定为0.2 MPa，环境温度35℃左右，按照模拟比例先后充入 R290、R23、R14、R50，实验经过多次调试后出现如下实验结果。

表2 混合工质组分主要热物性参数Table 2 Thermal and physical properties parameters of mixed refrigerant components

3.1 吸气温度、排气温度、柜内温度变化情况

图6为压缩机吸、排气温度，柜内空气温度随时间变化情况。实验在环境温度35℃的环境室内进行。从图6中可以看出开机之后，吸气温度从35℃迅速下降，初期有些温度波动，并且由于环境温度在系统运行210 min至360 min期间在30—38℃之间波动，导致了吸气温度在此期间围绕-13℃做上下1—2℃的波动，6 h之后在-13℃左右稳定运行，温度波动不超过0.5℃。排气温度开机之后也以较快的速度上升，最高温度达到125℃，随后随环境温度变化在117—125℃之间波动，6 h之后稳定在120℃。由于是停机之后再开机测试，柜内温度还没来得及恢复到环境温度，所以柜温的起始温度为-16℃，系统运行至195 min开始降温，至255 min因受环境温度影响降温速度减慢，6 h之后，稳定在-142℃。

图6 压缩机吸、排气温度，柜内温度，环境温度变化图Fig.6 Suction temperature and discharge temperature of compressor，freezer internal temperature and ambient temperature

3.2 吸、排气压力变化情况

系统采用泰康低温压缩机，能够很好的适应开机压力较高的情况。从图7可以看出，开机后，吸气压力迅速下降至0.15 MPa，随后小范围内波动，6 h之后，稳定在0.19 MPa。排气压力开机后迅速升高，最高压力2.8 MPa，150 min后开始下降，下降至2.0 MPa后又随环境温度变化波动，6 h后稳定在2.1 MPa，压比11，与设计工况吻合的较好。

3.3 各级毛细管节流后降温特性

图8为各级节流后温度变化情况。随着开机运行，各级节流后温度均在平衡温度点稳定段时间后开始降温，其中第一级节流后温度(测点9)最先到达稳定温度-70℃，然后依次是第二级节流温度(测点11)-100℃，第三级节流后温度(测点17)-132℃，蒸发器出口温度(测点21)-143℃，符合各级温度变化规律，前级的稳定制冷是后级温度下降的前提。同时各级节流后温度受到环境温度较大的影响。

图7 压缩机吸排气压力变化图Fig.7 Suction pressure and discharge pressure of compressor

图8 各级毛细管节流后降温特性曲线Fig.8 Decreasing temperature characteristic curves of each capillaries after throttling

4 结论

理论模拟计算表明，R290与R22有较相近的热物性，相同温度条件下R290有更低的饱和压力，相同的压力条件下有更大的汽化潜热，与R23组成非共沸混合工质能够获得更低的蒸发温度，这些特性均说明R290能够替代R22用作多级自动复叠制冷系统的高温级制冷剂，并能获得更好的制冷效果和更有利于系统安全稳定运行。

实验方面，在35℃的环境温度下，充入混合制冷剂R290/R23/R14/R50进行实验，获取了-142℃理想低温，系统高压稳定在2.1 MPa，低压稳定在0.19 MPa，制冷量达到105 W，表明R290作为高温级制冷剂能达到理想低温，取得好的制冷效果。

由于在实验调试过程中引起了环境温度的变化，导致吸、排气压力，吸排气温度产生波动，改变了各级毛细管节流后的降温特性，从而影响了系统的降温速度，延长了系统到达稳定运行的时间。稳定后排气温度达到120℃，稍稍偏高，后续的实验工作可以对混合工质的质量配比进行微调，在不影响系统低温的前提下，尽量降低排气温度，使系统能够更加安全稳定的运行。

1 杨 昭，吴 曦，尹海蛟，等.低温室效应HCFCS替代物性能分析［J］.制冷学报，2011，32(1):1-6.

2 Walker G.Cry coolers，Part1:Fundamentals［M］.NewYork:Plenum Press，1983.

3 陆向阳，黄 森，张 华，等.R22/R23自动复叠制冷循环的特性研究［J］.低温工程，2004(6):38-42.

4 黄 森，陆向阳，刘训海，等.R22/R23自动复叠低温冷柜的分析［J］.低温与超导，2004，32(3):53-57.

5 郑贤德.制冷原理与装置［M］.北京:机械工业出版社，2008.

6 陈 伟，祁影霞，张 华.HCFCs制冷剂替代物研究进展及性能分析［J］.低温与超导，2011，39(12):41-44.

7 赵 巍，张海东，张 华.一种五级自动复叠制冷系统的初步试验研究［J］. 制冷学报，2011，32(1):28-32.

8 陆向阳，张 华，黄 森，等.R134a/R23自动复叠制冷循环的试验研究［J］.低温与特气，2004，22(5):26-30.

Application of environment friendly refrigerant R290 in a four-stage auto-cascade refrigeration system

Zhao Wei1Zhang Hua1Xiao Chuanjing2Liu Hongshao3Liu Ruixi1
(1Institute of Refrigeration and Cryogenic，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)
(2Emerson Climate Technologies Co.，Ltd，Suzhou 215021，China)
(3Danfoss automatic controls management(Shanghai)Co.，Ltd，Shanghai 200233，China)

The environment friendly refrigerant R290 was applied in a four-stage auto-cascade refrigeration system to replace R22.Theoretical simulation shows that the refrigerant R290 has similar thermo-physical properties with R22，a lower saturation pressure under the same temperature and larger latent heat of evaporation than R22.The non-azeotropic refrigerant mixtures R290 combine R23 can get a lower evaporation temperature than R22 combine R23.Using the mixed refrigerants R290/R23/R14/R50 to take experiment，the ideal low temperature of-142 ℃ was got，the refrigerating capacity reached 105 W.

auto-cascade;environment friendly refrigerants;R290;thermo-physical property;mixed refrigerants;ecreasing temperature characteristics

TB657

A

1000-6516(2013)01-0034-04

2012-11-20;

2013-01-31

国家自然科学基金项目(No.51176124)、曙光跟踪计划项目(No.10GG21)资助。

赵 巍，女，38岁，博士研究生。