R600a和R290制冷剂在小型密封式系统中的应用.doc

R600a和R290制冷剂在小型密封式系统中的应用 R600a（异丁烷）和R290（丙烷）是有可能在小型全封闭系统中代替那些对环境有很大影响的制冷剂的。例如像在日常的工厂，商业冰箱和冷柜中。它们的ODP（臭氧消耗潜能值）为0，GWP（全球变暖潜值）也是微小到可以忽略不计的。而且它们还是来自于天然源的燃油气体的一部分。 R600在冰箱到现在的40年中早已经被使用了，并且它如今在欧洲的家用冰箱和冷柜中得到了很广泛的应用。现在在欧洲制造的大部分冰箱都是利用R600a作为制冷剂的。异丁烷R600a是一种很适合家庭应用的制冷剂。它有着很高的能效比，因为它在几个不同的状态点下有着差别很大的特性，这就意味着这样的设计可以被实现或是采用。R290在过去就已经用于了制冷公司中，并且仍然在一些工业厂房中使用。在德国和瑞典，R290已经在家用热泵和空调中使用了很多年了，并且都获得了不同水平的成功。由于异丁烷和丙烷的实用性已经遍布全球，它们已经被广泛地讨论用来作为CFC，H-CFC和HFC的替代品。R600a和R290是有可能为这些系统制冷的，因为它们有着很高的能效比。但是也需要特别注意它们的可燃性。如表1所示，R600a和R290的性能不同于普通的小型全封闭系统的制冷剂。这就导致了在很多方案中的细节上有着不一样的设计。表1：制冷剂的数据比较制冷剂R290R600aR134aR404AR22R12名称丙烷异丁烷R125 R143a R134a的混合物化学名称C3H8CH-(CH)3CF3-CH2F44/52/4CHF2ClCF2Cl临界温度96.713510172.596.1112分子量kg/Kmol44.158.110297.686.5120.9常规沸点-42.1-11.6-26.5-45.8-40.8-29.8在-25的压力（bar）2.030.581.072.52.011.24在-25的液态密度（kg/l）0.560.61.371.241.361.47在-25/+32的蒸汽密（kg/m3）3.61.34.410.07.06.0体积比热容（kj/m3）116437372513341244727-25的焓值（kj/kg）406376216186223163在+20的压力（bar）8.43.05.7119.15.71.1 压力 R600aR600a与R134a和R12最显著的不同在于压力水平。R600a的压力要低的多。例如;蒸发温度在-25时，其压力大概为R134a的55%,R12的45%。故与之关联的标准蒸发温度为是15K.18k就更高了。这就导致运行压力是远远低于平常预期的。家用冰箱的蒸发器将这样低于正常的大气压力运转。 图1：不同制冷剂在同温度下的蒸汽压力 这种低压水平是与相对高的临界温度有关的。这就有了很大的冷却能力即使是在冷凝温度很高的时候。1.2 比热容 R600a在冷凝温度是55时，R600a比热容大概是R12的50%或者是R134a的55%，如图2所示。因此，R600a需要的工作容积将是R12压机的两倍它的容积制冷量是根据吸气密度和蒸发过程中的焓差计算得到的。从压机的超过蒸发温度的容量上来说，压缩机容积参数是接近于其它制冷剂的。如图3所示。图2：在冷凝温度55和吸气温度32时，R600a， R134a ，R12在蒸发温度下的容积比热容比较图3：不同制冷剂在蒸发温度下的制冷能力1.3 压力 R290R290和R134a的区别在于两者的压力，R600a更接近于R22和R404A。例如：在蒸发温度为-25时，它的压力大概是R134a的190%，R404A的81%，R600a的350%和几乎为R22的100%。与之相关的标准蒸发温度也是接近R22的。因此，R290的蒸发器在设计上一定是与R22和R404A类似的。图4 不同制冷剂在温度下的蒸汽压力1.4 比热容 R290在45的冷凝温度下，R290的体积比热容大致为R22的90%，R134a的150%。如图5所示。所以它所需要的工作容积也是接近于R22的，比R404A的工作容积大10%-20%。 它的体积比热容大约是R600a的2.5至3倍。因此在选择R290和R600a作制冷剂时，它们在系统的设计上不一样的。因为在同样制冷量的情况下，二者的体积流量差别很大。 它的容积制冷量是根据吸气密度和蒸发过程中的焓差计算得到的 图5：在冷凝温度45和吸气温度32，不进行低温冷却时，R290，R134aR 404A,R 22在蒸发温度下的容积比热容比较。1.5 制冷剂充注量如果把R600a和R290灌注进一个不变化的制冷系统，若以克为单位，它们的充注量会比其它制冷剂少很多，然而，若以cm3为单位，不同系统里的液体制冷剂体积将会大致相同。以克计算，根据表1所示，它们的充注量大概是R22，R12，R134a和R404A的40%-45%，这也是与经验值相一致的。根据安全守则，家用和商业冷却系统或其相似系统的这两种制冷剂的最大充注量应是150g，这相当于普通制冷剂的360g。此外，经验也表明了系统对R600a充注量差异有着更高的敏感性。尤其是当制冷剂不足时，会趋向于更高的能耗损失。这就意味着，不管以cm3还是g计算时，制冷剂灌注量的精度需要提高。对于需要大约20g制冷剂的小型食品储藏的冰箱来说，精度需在1g范围内。1.6 纯度 在国际标准中没有对R600a和R290这类碳氢化合物的说明。一些数据是在1998年的德国工业标准（DIN 896 of 1998）里面，它是国际标准化组织（ISO 916）版本的延伸。制冷剂的纯度需要从它的化学和稳定性两方面来判定，对于压缩机和系统寿命来说，还需要从对于制冷系统的运行状况和可控性的热力学方面来判定。在DIN 8960中的说明是对普通碳氢化合物制冷剂的安全说明，采用了其他制冷剂的标准目录，包含了丙烷，异丁烷，正丁烷等。在广泛的评估后，特殊制冷剂和化合物可能只能在有很窄的一些方面可以被接受。暂时，在市场上还没有制冷剂的质量是按照官方标准的。合理的质量性能参数还需要和供应商进一步核实。用于燃烧应用的液化石油气（LPG）或者是工业级别为95%纯度的石油是不能满足封闭式制冷的。水，硫磺，活性化合物等物质一定会使这些产品低于其标准水平。广泛使用的是工业等级为99.5%纯度，也称为2.5的石油。表2：DIN8960-1998里面关于R600a和R290的规定参数单位制冷剂含量199.5% 质量含量有机杂质20.5% 质量含量1,3丁二烯35ppm 质量含量正己烷50ppm 质量含量苯41ppm硫磺2ppm 质量含量蒸发漂移温度0.5K（在5%-97%蒸馏）不可凝气体1.5% 气相体积水525ppm 质量含量酸性含量0.02mg KOH/g 中和状态蒸发残分50ppm 质量含量微粒/硬粒无目视检查1） 这个含量在DIN 8960中没有明确阐述。只是列出和限制了杂质。主含量达到100%。根据热力学计算，一个R600a的同分异构体正丁烷，在R600a里达到5%时是鉴定不出的。此时它的漂移温度仍然没有超过标准值。只是对压力有很小的影响，蒸发温度低了0.2K。2） 从压缩机角度来看，在R290中有1%是丁烷或者在R600a里有1%的丙烷都是可以接受的。3） 这个最大值是对于多种不饱和碳氢化合物的每一种物质而言的。4） 这个最大值是对于每一个芳香族化合物的而言的。5） 这是一个初步值，在发展经验中评估的。2材料R600a制冷剂多半使用的矿物压缩机机油，所以，从油的方面来说，材料的相容性和R12是一样的。也可以使用烷基苯系列化合物或者是合成酯冷冻机油（POE）。R290在丹佛斯压机中使用的是POE，所有从油的方面来说，材料的相容性和R134a，R404A是一样的。R290和R600a在制冷循环里都属于惰性气体，所以没有什么需要特别关注的地方，而且它们和油有着很好的相容性。基本材料的相容性还有着一些小小的疑问，在一些橡胶，塑料，尤其是氯化物塑料上，因为这些材料是普通材料，不能存在于小型全封闭系统中，所以这些问题还是被注意到了。一些材料存在的问题已经被不同的测试人员写成了报告，列在了表3中。关键材料的测试必须按这些规定的用途执行。材料相容性丁橡胶无天然橡胶无聚乙烯视情况而定聚丙烯无聚氯乙烯无聚偏二氟乙烯无三元乙丙橡胶无氯磺化聚乙烯无2.1 干燥剂用于国内商业冰箱的普通干燥剂是一个分子筛，就是一个沸石。而用于R290的推荐使用一种带有3A气孔的材料，就用于R134a和R404A的一样。例如UOP（环球油品公司）的XH 7，XH 9，XH 11，Grace 594，CECA公司的Si1ipoite H3R。用于R134a的笔状干燥剂可以毫不改变的用于R290。爆破压力参照IEC和EN规定。UL（美国保险商实验室） 60335 还必需参照CN 86 A。如果使用硬壳类的干燥器，需要向制造商所要它与R600a和R290的相容性。丹佛斯DCLE型干燥剂是可以使用的。表4：异丁烷和丙烷的可燃性R600aR290爆炸下限1.8%大约38g/m31.7%大约37g/m3爆炸上线8.5%大约203g/m39.5%大约177g/m3最小着火温度494470由于它们的可燃性在一个很宽的浓度范围内，所以在设备上和制造工厂里是需要安全保护措施的。这两种情形的风险估计是完全不一样的。大部分事故的起点都有两个必要的条件，一个是易燃物气体与空气相混合，另一个是到达了某一能级或者温度时的起火源。这两个条件同时存在才能燃烧，所以，避免两种气体的混合已经被证实可以采用。图6： 黄色警报标志 因为无法保证由于压机泄流导致压机周围的空气是低于LEL（爆炸下限）的，所以 丹佛斯的R600a和R290的压缩机有内部保护装置和PTC启动器或是专用继电器来阻止了火花飞溅而接近压机。R600a和R290都是贴有黄色报警标志的气体，例如图6所示。3.1 设备用于测试家用冰箱和小型系统的安全性能的国际标准已经制定了。这些条例都被包含在了最新的以下版本里。IEC/EN 60335-2-24 用于家用冰箱和冷柜的IEC/EN 60335-2-89 用于商业冰箱系统IEC/EN 60335-2-34 用于北美电动压缩机UL 60335-2-24 和UL 250 用于家用冰箱和冷柜UL 60335-2-34用于电动压缩机以上都是普通的电器安全标准。使用碳氢化合物作为制冷剂的冷却电气用具的认证就是依据欧洲1994年的标准。这些方法是基于以下简短的产品描述。其它的用具必须采用不同的国家标准和法规来解释。例如：EN 378，DIN 7003，BS 4344，SN 253 130，它们都有着不同的要求。正常运转的所有电气元件在开关时都是被视为着火源的。这些包含了恒温器，照明用的门触点，开关和其他交换器，例如速冻，压缩机，外部温度和其他负载。或者是安全开关，除霜控制器等，所有包含制冷剂的部分都被视为是可能的泄漏源。这就包含了蒸发器，冷凝器，节流阀，油管和压缩机。见特定的参考标准，对于大多数标准来说，最大的制冷剂灌注量为150g。对于一个标准的厨房来说，保证制冷剂处在爆破下限的20%，约是8g/m3 它的着火风险是很低的。即使制冷剂万一泄露，在一段时间内也是分布不均匀的。这个安全措施的主要目的就是把带有制冷剂的空间与带有开关元件的空间隔开。图7： 装置设计变化图图7展示了3个最主要的可能性。 选项1，蒸发器和恒温器/门开关都在一起，这是可燃制冷剂的临界情况，尽量不这样使用。 选项2，蒸发器在里面，恒温器/门开关在外面最上面，这是正常的安全方案。选项3，恒温器/门开关在里面，泡沫状的蒸发器置于在内衬的里面，这是在很多案例中使用的合理方案。挑选出来的选项已经被设计了，并且在UL要求的，依据IEC/EN 60335规定的泄露测试中被证实了。在很多冰箱和冷柜的设计中，已经存在把制冷剂和电器件分开的情况了。大型落地式的冷却器和冷柜通常是将所有的电器元件置于各板顶部。一些冰箱将蒸发器藏在内衬后面的泡沫里面，不与恒温控制器等放置同一个空间，所以这也是可以的， 选项1 给出的是，当不能避免蒸发器和电机件在同一个空间的临界情况。在这种状态下，有两种可能性。 恒温控制器和开关需要改成防止气体接近或穿透的密封开关触点。丹佛斯提供带有密封开关的电子温控器，并且是适合这种系统。冷藏箱里面的风扇必须是安全的，而且至少被堵塞也不会产生火花。接线盒和插座需要根据特定的标准检验。即使以上提到的标准都包含在设计里了，对于每一个R600a和R290的器具必须经过测试，并且通过一个独立机构进行IEC/EN标准的认可。具体细节请参加标准。使用说明书应该包括一些信息和小心操作的警告。例如：不要用刀具对冷冻室进行除霜，安装空间必须满足8g/m3。后者会在根据制冷剂型号在标签上标明。系统使用的靠近压缩机的继电器或电气元件需要满足规定。包括以下几点：冷凝器或者压缩机里的风扇必须没有火花，即使是在堵塞和负载的时候。它们要么就设计成不是热控开关，要么这个开关就要满足IEC 60079-15的条件。3.2 工厂继电器必须满足IEC 60079-15或者放置在即使制冷剂泄漏与空气混合也不会引起燃烧的地方。例如：在密封的盒子里或在高海拔地带。通常含有制冷剂的系统和安全系统的设计是需要当地政府认可和定期检查的。下面给出了德国的设备设计原则。在很多细节上是以液化石油气的条例为基础的。它的特殊性在于灌注过程：那里需要经常使用气体连接器和有灌注机存在。关于安全的基本原则是： 机械通风来防止局部的气体积聚。 除了通风设备和安全设备以外还要标准的电力设备。气敏组件要在可能泄露的地方24小时监控，例如灌冲机周围。在爆炸下限的15%-20%时要报警并加倍通风，在爆炸下限的30%-35%监控范围内，除了风扇全速运转，其它所有没有防爆外壳的电气都要断开。在购买之前为防止系统泄露，需要在系统上进行泄露测试。可燃制冷剂的灌注机设计是与安全系统相关联的。安全系统的设计在很多情况下需要灌注机厂商和气敏设备供应商提供。为了R600a或者R290放在一个小容器里方便搬运，在很多国家是没有这么严格的安全规定的。4. 制冷系统的设计在很多非易燃制冷剂向易燃制冷剂转化的情况下，机壳也如3.1章节列出的安全原因作了相应改动。这种改动也有其它原因的需要。含有制冷剂系统的零件需要在没有泄露的情况下能够满足IEC/EN 60335中指定压力的测试。高压侧需要到达70时饱和压力的3.5倍的测试。低压侧需要达到20时饱和压力的5倍。数值如下：R600aR290低压侧2538bar 超压力高压侧3590bar 超压力国家标准和UL标准可能有不同的规定，这是取决于制冷剂系统。4.1 热交换制冷剂系统的效率通常不会需要改变蒸发器和冷凝器的尺寸，这就说明，系统外表面可以和R134a，R22，R404A相同。 蒸发器的内部设计可能需要一些改动，因为按照压机的工作容积计算，制冷剂流量是不一样的。R290是接近于R22和R404A的。 根据大压机的工作容积计算，R600a比R12或是R134a的体积流量增加了50% -100%。这就导致流过相同横截面时，管路中的压力降增加了为了保证制冷剂的流速在推荐的3-5m/s的范围内，可能需要使横截面变宽。在R600a的滚动蒸发器中，可以增加管路系统的高度，例如：从1.6mm增加到2mm，或者设计一个与现行管路并联的管路。设计一个并联的管路需要非常仔细，以防止出现液体积聚的现象。由于爆破压力的要求较高，铝合金滚动蒸发器一般不使用于R290上。设计系统的气缸时，必须特别小心。当使用R22，R12。R404A和R134a制冷剂时，它们是比我们使用的油重，而使用R600a和R290制冷剂是不比油重的。从表1中可以看出。如果这个气缸很大，尤其是很高的时候，并不能保证在系统启动阶段气缸是空的，所以就有可能有油进入管路中。蒸发器的设计可以参照注释CN.82.A.据R600a的经验，理论模型需要一个类似于R12的流量。当把制冷系统的毛细管从R12改成R134a的时候，毛细管的流量经常用在特定条件下每分钟氮气的体积来表达。据R290的经验表明，需要一个类似于R404A的毛细管流量。至少，这是一个最优化的起点。如R134a和R404A一样， R600a和R290的吸气管上的热交换对于R290的系统能效比是很重要的，这和R22不同。如图8所示。下图给出了COP随着温度从很低到32回气温度时的增长曲线。对于一个小型密封系统来说，这个温度范围通常是从20到32。R290里，COP大范围增长是由于它蒸发时有很大的比热。需要制冷剂接近于系统可能的最大值，像这样在蒸发器出口处没有过热，那么在吸气管处的热交换的效率一定非常高，因为这就阻止了湿空气在吸气管的凝结。在很多例子中，延长吸气管会提高毛细管的效率。毛细管尽可能长的为总长的一部分，与吸气管相连，有很好的热交换。图8：在绝热压缩，-25蒸发温度和45冷凝温度，无过冷情况下不同制冷剂在吸气温度下的理论COP的增长对比。在很高过热度和很好的内部热交换的情况下， R290，R600a和R134a的理论COP都比R22高。当过热很低的时候，R290，R600a和R134a的COP都比R22低。在内部热交换方面，R290的运行曲线与R134a相似。4.3 排气一般对R290的排气过程的数据参照上都和R22 ，R134a，R404A系统有着同样的规则。最大的不可凝气体的含量是1%。R600a的排气过程需要大幅度改进。在蒸发温度为-25时，R600a的压力为0.58bar，此时，R12为1.24bar，R134a为1.07bar。R600a的压力只是他们的47%和54%。这就意味着，与其它两种制冷剂相比，R600a中不凝气体的含量对在制冷系统有加倍的消极作用。可以除去它们，使允许的最大不凝气体水平成为原来的一半。不凝气体主要来自于压缩机油，需要花一段时间提取出来，并且它的影响随着时间并不是一个直线的关系，所需的最小排气时间也会大于原来的两倍。对于在加工管上单侧排气的压机，所需的排气时间也会增加，这取决于系统的设计。改成在加工管上两侧排气，并迅速与风机联