R290小冷量制冷壓縮機(jī)的測(cè)試方法及性能比對(duì)研究

徐華保 楊雙 李欣

中家院（北京）檢測(cè)認(rèn)證有限公司 北京 100176

1 引言

目前，環(huán)保制冷劑R290作為滿足基加利修正案要求的優(yōu)選技術(shù)方案，在制冷產(chǎn)品上的應(yīng)用已日趨成熟，國(guó)內(nèi)大型壓縮機(jī)企業(yè)及空調(diào)企業(yè)均投入了較大資源，致力于R290產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品升級(jí)。珠海格力于2011年建立了全球首條碳?xì)渲评鋭㏑290分體式空調(diào)示范生產(chǎn)線，廣東美芝建立了聯(lián)合國(guó)蒙特利爾多邊基金首條R290壓縮機(jī)示范生產(chǎn)線，為推動(dòng)中國(guó)在環(huán)保制冷劑替代及制冷技術(shù)創(chuàng)新升級(jí)方面發(fā)揮了極為重要的作用。

現(xiàn)階段，R290在家用空調(diào)、熱泵、除濕機(jī)等產(chǎn)品上的應(yīng)用較多，在冰箱、冷柜等小冷量制冷產(chǎn)品上的研究和應(yīng)用還具有較大空間。文獻(xiàn)[1]針對(duì)R290與R600a在冰箱制冷系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)比分析，得出R290在冷卻能力、冷凍能力和降溫速度上有明顯的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[2]根據(jù)R290與R600a在商用冷柜中的試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比得出，R290在冷卻速度和冷凍能力方面優(yōu)勢(shì)明顯，綜合性價(jià)比更高。冰箱冷柜等小冷量制冷器具與空調(diào)相比，制冷系統(tǒng)無現(xiàn)場(chǎng)安裝需要，降低了安裝過程中因操作不當(dāng)導(dǎo)致的燃爆風(fēng)險(xiǎn)，且充注量一般比空調(diào)器小。因此，加強(qiáng)R290制冷劑在小冷量制冷產(chǎn)品中的應(yīng)用研究具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。文獻(xiàn)[3]對(duì)R290與R134a、R404A制冷劑優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比研究，并提出了R290制冷壓縮機(jī)可能出現(xiàn)的壓縮機(jī)不啟動(dòng)、卡死等故障的解決措施，極大的改善了壓縮機(jī)的可靠性，為R290制冷壓縮機(jī)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

為確保R290制冷劑產(chǎn)品在使用過程中的安全可靠性及性能穩(wěn)定性，相關(guān)產(chǎn)品必須經(jīng)過嚴(yán)苛的檢測(cè)方可投入市場(chǎng)。目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中采用的制冷工況來源于ASHRAE，將冷凝溫度定在54.4℃，這種冷凝溫度與實(shí)際整機(jī)最常運(yùn)行溫度相差甚遠(yuǎn)。作為壓縮機(jī)制造商，如果按照這個(gè)冷凝溫度調(diào)整壓縮機(jī)在此冷凝溫度下達(dá)到最優(yōu)，就會(huì)造成在實(shí)際使用中壓縮機(jī)大多情況下并非在最優(yōu)情況下運(yùn)行，從而造成耗電量上升，制冷量下降，COP下降，反而與國(guó)家的節(jié)能政策相違背。目前制冷壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)正在進(jìn)行修訂，為了初步改變這種狀況，將更適合整機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況作為國(guó)標(biāo)工況的一種，同時(shí)摸索R290制冷劑壓縮機(jī)在整個(gè)行業(yè)的現(xiàn)狀。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的工況條件要求開展試驗(yàn)結(jié)果的差異性分析，并研究在國(guó)標(biāo)條件下壓縮機(jī)性能分布特點(diǎn)，為R290制冷劑壓縮機(jī)產(chǎn)品開發(fā)提供依據(jù)，為國(guó)標(biāo)修制定提供理論支撐。

2 R290的熱力學(xué)性能

碳?xì)涔べ|(zhì)R290作為替代制冷劑的明顯優(yōu)勢(shì)主要來源于其優(yōu)異的熱力學(xué)特性。與傳統(tǒng)制冷劑R22相比，R290的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)、臨界點(diǎn)等基本物性與之極其接近。但R290的導(dǎo)熱系數(shù)更大、粘性系數(shù)及絕熱指數(shù)更小，作為制冷系統(tǒng)換熱介質(zhì)可有效改善換熱效果，降低功耗，減少充注量[4]。與目前冰箱冷柜等小型制冷系統(tǒng)中主流制冷劑R600a相比，R290也具有相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)，由表1中的對(duì)比參數(shù)可以看出，相比于R600a，R290的沸點(diǎn)更低而汽化潛熱略高，更適宜于有低溫速冷需求的冰箱產(chǎn)品。兩種制冷劑都屬于低毒易燃的自然工質(zhì)，但是R290的單位容積制冷量與單位質(zhì)量制冷量均高于R600a，相同系統(tǒng)中R290的充注量更少。因此，作為純天然工質(zhì)的R290也被稱為“超具發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)保制冷劑”。

表1 R290與R600a制冷劑主要性能參數(shù)對(duì)比

R290推廣應(yīng)用中面臨的最關(guān)鍵的問題是存在一定的燃爆危險(xiǎn)，按照GB/T 7778-2017《制冷劑編號(hào)方法和安全性分類》中的制冷劑安全性分類（如圖1所示），R290屬于A3類制冷劑。R290發(fā)生爆炸危險(xiǎn)一般需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：（1）與空氣混合且濃度達(dá)到2.5%～8.9%；（2）溫度超過810℃[5]。但是對(duì)于小型制冷器具來說，在實(shí)際使用過程中同時(shí)達(dá)到上述兩點(diǎn)的概率是極其微小的。

圖1 制冷劑安全性分類

3 不同壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的性能測(cè)試條件分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況

目前小冷量壓縮機(jī)性能測(cè)試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 9098-2008《電冰箱用全封閉型電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》[6]、ASHEARE、EN 12900-2013 Refrigerant compressors - Rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer's performance data[7]、T/CAS 319-2018《電冰箱實(shí)際工況下全封閉型電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)性能評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[8]以及用戶自定義工況條件等。其中ASHEARE與GB/T 9098在測(cè)試工況上是基本一致的，合并為一組進(jìn)行分析。主要試驗(yàn)方法一般主側(cè)為第二制冷劑熱量熱計(jì)法，輔側(cè)為液體質(zhì)量流量計(jì)法，對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)為GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》。不同標(biāo)準(zhǔn)低背壓條件的測(cè)試工況如表2所示。從表2中可以看出，對(duì)于所涉及的幾種測(cè)試工況，除EN12900外，吸氣溫度和環(huán)境溫度基本一致，主要區(qū)別在于冷凝溫度、蒸發(fā)溫度以及過冷溫度存在一定的差異性，因此分別針對(duì)這三點(diǎn)不同將國(guó)標(biāo)與其他三個(gè)測(cè)試條件進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 制冷量測(cè)試工況

3.2 國(guó)標(biāo)與EN標(biāo)準(zhǔn)的差異性

圖2 理想循環(huán)壓焓圖（簡(jiǎn)化）

從表2可以看出，國(guó)標(biāo)和EN標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試工況上基本相同，主要區(qū)別在于過冷度的確定，國(guó)標(biāo)要求22 K的過冷度，而EN標(biāo)準(zhǔn)過冷度則為0 K。從如圖2所示的制冷循環(huán)lgP-h圖可以知道，如果對(duì)于同一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，國(guó)標(biāo)GB/T 9098中的制冷量試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果考慮了冷凝溫度對(duì)應(yīng)冷凝壓力下的飽和液態(tài)狀態(tài)點(diǎn)3以及閥前過冷狀態(tài)點(diǎn)3’之間的這部分能力，則一般情況下國(guó)標(biāo)條件下的制冷量測(cè)試結(jié)果QGB應(yīng)略大于EN條件下的制冷量測(cè)試結(jié)果QEN。此處需要說明，國(guó)標(biāo)GB/T 5773-2016中的制冷量計(jì)算公式并未將過冷部分的能力考慮進(jìn)去，但是在實(shí)際處理過程中，大部分企業(yè)及第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的實(shí)測(cè)制冷量都加入了該部分能力。因此本文所涉及的國(guó)標(biāo)的制冷量計(jì)算都是考慮了此部分能力的測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)制冷量計(jì)算公式簡(jiǎn)化計(jì)算則：

其中：qm為制冷劑質(zhì)量流量（公式忽略了其他測(cè)試條件的差別所帶來的影響，僅分析過冷度對(duì)制冷量測(cè)試結(jié)果的影響）。

3.3 國(guó)標(biāo)與T/CAS 319的差異性

T/CAS 319-2018《電冰箱實(shí)際工況下全封閉型電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)性能評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》的制訂主要基于國(guó)標(biāo)測(cè)試工況與壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)工況存在一定的差異性。設(shè)計(jì)工況是針對(duì)整機(jī)產(chǎn)品制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行而確定的，因此兩種方法在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度狀態(tài)的選擇上具有明顯區(qū)別。T/CAS 319的蒸發(fā)溫度略低于國(guó)標(biāo)測(cè)試工況，而冷凝溫度與國(guó)標(biāo)工況則存在較大差異，差值達(dá)到16.4 K。對(duì)于R290制冷壓縮機(jī)，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力分別如表3所示。由此可知，同一測(cè)試樣機(jī)在T/CAS 319工況下的制冷量及消耗功率將比國(guó)標(biāo)工況下的測(cè)試結(jié)果偏低，且功率的降低幅度更大，在壓焓圖上表示如圖3所示。

表3 R290制冷循環(huán)在國(guó)標(biāo)與T/CAS 319工況下的的壓力對(duì)比

圖3 國(guó)標(biāo)與T/CAS 319制冷循環(huán)（簡(jiǎn)化）

3.4 國(guó)標(biāo)與典型自定義工況的差異性

典型的自定義工況是針對(duì)企業(yè)定制性開發(fā)的設(shè)定測(cè)試條件，與國(guó)標(biāo)工況相比最明顯的差異在于蒸發(fā)溫度升高而冷凝溫度降低，在此條件下壓縮比大幅降低，測(cè)試樣機(jī)的COP將明顯提升，具體參數(shù)如表4所示。

表4 R290制冷循環(huán)在國(guó)標(biāo)與自定義工況下的壓力對(duì)比

4 結(jié)果差異性分析

4.1 不同標(biāo)準(zhǔn)同一機(jī)器的測(cè)試結(jié)果差異性分析

為分析不同工況條件對(duì)壓縮機(jī)制冷量測(cè)試結(jié)果的影響選取一臺(tái)規(guī)格參數(shù)如表5中所示的小冷量制冷壓縮機(jī)進(jìn)行四種不同測(cè)試工況下的性能測(cè)試，制冷量及輸入功率測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

表5 測(cè)試樣機(jī)規(guī)格參數(shù)

圖4 某機(jī)型在四種不同測(cè)試工況下的性能測(cè)試結(jié)果比對(duì)

對(duì)應(yīng)3.2至3.4小節(jié)的分析可以看出，與國(guó)標(biāo)工況相比，該機(jī)型在EN 12900測(cè)試工況下，實(shí)測(cè)制冷量減小22.32 W，降低幅度達(dá)到7.88%；在T/CAS 319工況下，制冷量和消耗功率都有所減小，但是因?yàn)楣β式档头雀?，因此?shí)測(cè)COP結(jié)果略大于國(guó)標(biāo)工況；在典型自定義工況下，COP的提升幅度達(dá)到13%。由上可知，不同工況下同一樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果偏差是比較明顯的，企業(yè)或者檢測(cè)機(jī)構(gòu)在測(cè)試過程中，必須根據(jù)產(chǎn)品依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定測(cè)試條件，并盡可能提高測(cè)控精度，以免引起測(cè)試結(jié)果誤差。

4.2 國(guó)標(biāo)測(cè)試工況下不同機(jī)器性能測(cè)試結(jié)果分析

R290是冰箱壓縮機(jī)中R600a的最佳替代制冷劑之一，因此近幾年各冰箱壓縮機(jī)廠家都在深入研發(fā)并上市R290制冷劑壓縮機(jī)，但是R290制冷壓縮機(jī)產(chǎn)品整體性能情況及產(chǎn)品間的性能比對(duì)研究確不多見。本文以GB/T 9098測(cè)試工況為統(tǒng)一條件，選取了10家冰箱壓縮機(jī)企業(yè)具有代表性的小冷量制冷壓縮機(jī)產(chǎn)品共計(jì)40臺(tái)，進(jìn)行性能測(cè)試結(jié)果分析，其中制冷量分布如圖5所示，有25臺(tái)的能力測(cè)試結(jié)果為200 W～600 W，占總數(shù)的63%。將COP測(cè)試結(jié)果劃為四個(gè)等級(jí)進(jìn)行占比分析，如圖6所示，其中COP在1.0～1.2范圍內(nèi)的占比為10%，在1.2～1.4范圍內(nèi)的占比為35%，在1.4～1.6范圍內(nèi)的占比為30%，在1.6～1.8范圍內(nèi)的占比為25%。

選取制冷量在240 W～300 W以及300 W以上的測(cè)試樣機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)要求的R600a制冷劑壓縮機(jī)的COP分級(jí)要求進(jìn)行比對(duì)。測(cè)試樣機(jī)分別有9臺(tái)和18臺(tái)處在該范圍，占比分別為總數(shù)的23%和45%，性能系數(shù)分布分別如表6、表7所示。其中制冷量在240 W～300 W有5臺(tái)，即一半以上的測(cè)試樣品的COP大于1.5，即分級(jí)為對(duì)應(yīng)R600a的B級(jí)。300 W以上的測(cè)試樣機(jī)則由占比72%以上的COP測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)分級(jí)在B級(jí)及以上。

圖5 測(cè)試壓縮機(jī)制冷量分布

圖6 測(cè)試壓縮機(jī)COP分布

表6 240 W～300 W測(cè)試樣機(jī)性能系數(shù)（COP）

表7 300 W以上測(cè)試樣機(jī)性能系數(shù)（COP）

5 結(jié)論

環(huán)保工質(zhì)R290在小冷量制冷系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用是制冷劑替代背景下的必然趨勢(shì)，其環(huán)保易獲取的特性迎合市場(chǎng)需求。本文從國(guó)標(biāo)、歐盟標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)以及自定義工況等對(duì)于測(cè)試條件的不同要求，分析了壓縮機(jī)制冷量試驗(yàn)及其測(cè)試結(jié)果的差異性。

（1）不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于測(cè)試工況的要求存在一定區(qū)別，通過同一機(jī)器在不同測(cè)試條件下開展試驗(yàn)比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，工況條件的變化對(duì)壓縮機(jī)制冷量的影響是比較明顯的。因此，在壓縮機(jī)性能測(cè)試前確定所需滿足的試驗(yàn)工況，為了盡可能提高測(cè)試精度，本文采用高精度量熱器設(shè)備，其再現(xiàn)性誤差＜1%，在整個(gè)制冷量范圍測(cè)量誤差＜2%（包含因子K=2），電氣參數(shù)誤差＜0.5%（包含因子K=2），更好的滿足壓縮機(jī)制冷量測(cè)試結(jié)果可靠性的基本要求。

（2）通過選取40臺(tái)具有代表性的不同冰箱壓縮機(jī)企業(yè)生產(chǎn)的R290制冷壓縮機(jī)，在國(guó)標(biāo)測(cè)試條件下進(jìn)行性能測(cè)試，并將COP測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求的R600a的分級(jí)要求進(jìn)行比對(duì)，R290制冷壓縮機(jī)表現(xiàn)出良好的性能特點(diǎn)。

（3）根據(jù)40臺(tái)R290制冷壓縮機(jī)在各種工況下性能測(cè)試結(jié)果，以及考慮到上述所說的國(guó)標(biāo)工況選擇的缺陷，建議在新國(guó)標(biāo)中增加更適合整機(jī)運(yùn)行的測(cè)試工況。同時(shí)暫時(shí)保留原標(biāo)準(zhǔn)工況，這樣用戶一來可以有數(shù)據(jù)的延續(xù)性；二是可以在新工況下積累數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)對(duì)比提供支撐，在條件適合情況下徹底改為整機(jī)適用工況。

總言之，R290作為替代制冷劑在制冷壓縮機(jī)的應(yīng)用中具有顯著意義，加大R290應(yīng)用技術(shù)研究，完善標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)環(huán)保制冷劑在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用具有深刻意義。