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R290小冷量制冷压缩机的测试方法及性能比对研究Test methods and performance comparison of R290 refrigerant compressor
with low cooling capacity
倒背如流徐华保杨双李欣
XU Huabao YANG Shuang LI Xin
中家院（北京）检测认证有限公司北京100176
CHEARI (Beijing) Certification & Testing Co., Ltd. Beijing 100176
摘要：作为天然工质，R290因其优良的热力学性能在制冷剂替代过程中成为趋势之选，通过在不同压缩机标准测试工况条件下进行R290制冷压缩 机性能试验，可知测试条件的变化对压缩机的制冷量及COP测试结果差异影响明显。研究在国标条件下40台R290压缩机性能分布特点，与现有R600a 压缩机的分级进行比较，表明R290压缩机在性能等级上表现也相当优异。
关键词：压缩机；制冷剂；R290；制冷量
Abstract: As a natural medium, R290 has become the trend choice in the refrigerant substitution process becau of its excellent thermodynamic performance. Through the performance test of R290 compressor under different standard test conditions, it can be en that the change of test conditions has obvious influence on the difference of compressor refrigeration capacity and COP. The performance distribution characteristics of 40 R290 compressors under the national standard were studied. Compared with R600a compressors, R290 compressor is also excellent in performance grade in performance grade.
Keywords: Compressor; Refrigerant; R290; Cooling capacity
中图分类号：TB6 DOI: 10.19784/jki.issn1672-0172.2021.02.0017
i引言
目前，环保制冷剂R2*)0作为满足基加利修正案要求的优选技术 方案，在制冷产品上的应用已日趋成熟，国内大型压缩机企业及空调 企业均投入了较大资源，致力于R2^)产品的开发设计及产品升级。珠海格力于201丨年建立了全球首条碳氢制冷剂R290分体式空调示范 生产线，广东美芝建立了联合国蒙
特利尔多边基金首条R290压缩机 示范生产线，为推动中国在环保制冷剂替代及制冷技术创新升级方 面发挥了极为重要的作用。
现阶段，R290在家用空调、热泵、除湿机等产品上的应用较多，在冰箱、冷柜等小冷量制冷产品上的研究和应用还具有较大空间。文 献™针对R290与R600a在冰箱制冷系统的应用对比分析，得出R290在 冷却能力、冷冻能力和降温速度上有明显的优势。文献[21根据R290与 R600a在商用冷柜中的试验测试对比得出，R290在冷却速度和冷冻 能力方面优势明显，综合性价比更高。冰箱冷柜等小冷量制冷器具与空调相比，制冷系统无现场安装需要，降低了安装过程中因操作不当 导致的燃爆风险，且充注量一般比空调器小。因此，加强R290制冷剂 在小冷量制冷产品中的应用研宂具有较强的实际意义。文献131对R290 与R134a、R404A制冷剂优劣势进行了对比研宄，并提出了R290制冷压 缩机可能出现的压缩机不启动、卡死等故障的解决措施，极大的改善了 压缩机的可靠性，为R290制冷压缩机的推广应用奠定基础》为确保R290制冷剂产品在使用过程中的安全可靠性及性能稳 定性，相关产品必须经过严苛的检测方可投入市场。目前的国家标 准中采用的制冷工况来源于ASHRAE，将冷凝温度定在54.41：，这 种冷凝温度与实际整机最常运行温度相差甚远。作为压缩机制造 商，如果按照这个冷凝温度调整压缩机在此冷凝温度下达到最优，就会造成在实际使用中压缩机大多情况下并非在最优情况下运行，从而造成耗电量上升，制冷量下降，COP下降，反而与国家的节能政 策相违背。目前制冷压缩机标准正在进行修订，为了初步改变这种
作者简介：徐华保（1974-)，硕士研究生，研究方向：制冷压缩机检测认证。地址：北京市亦庄经济技术开发区。E-mail:,
通讯作者：杨双，E-mail:。
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状况，将更适合整机实际运行工况作为国标工况的一种，同时摸'索
R290制冷剂压缩机在整个行业的现状。本文针对国内外现有标准
的工况条件要求开展试验结果的差异性分析，并研宂在国标条件下
压缩机性能分布特点，为R290制冷剂压缩机产品开发提供依据，为
国标修制定提供理论支撑。
2 R290的热力学性能
碳氢工质R290作为替代制冷剂的明显优势主要来源于其优异的
热力学特性。与传统制冷剂R22相比，R290的标准沸点、凝固点、临
界点等基本物性与之极其接近。但R290的导热系数更大、粘性系数
及绝热指数更小，作为制冷系统换热介质可有效改善换热效果，降低
功耗，减少充注量[4]。与目前冰箱冷柜等小型制冷系统中主流制冷剂
R600a相比，R290也具有相对明显的优势，由表1中的对比参数可以
看出，相比于R600a,R290的沸点更低而汽化潜热略高，更适宜于有
低温速冷需求的冰箱产品。两种制冷剂都属于低毒易燃的自然工质，
但是R290的单位容积制冷量与单位质量制冷量均高于R600a，相同
系统中R290的充注量更少。因此，作为纯天然工质的R290也被称为
“超具发展潜力的环保制冷剂”。
表I R290与R M O a制冷剂主要性能参数对比
性能参数R290R600a
化学式c h3c h2c h3C H3C H(C H3)C H3
相对分子质量44.1058.12
凝固点-187.6*C-159.6.C
热力学性质
沸点-42.1°C-ii.r c 汽化潜热425.5 kJ/kg367.1 kJ/kg 临界温度96.8〇C135.C
单位容积制冷量*1025 kJ/m3358 kJ/m3单位质量制冷量*262 kJ/kg247 kJ/kg 燃点466〇C287.C
物化性质G W P200
O D P00
注：*为标准工况（蒸发温度-23.3\：，冷凝温度54.41，吸气温度32.2°C，过冷温度32.2D
R290推广应用中面临的最关键的问题是存在一定的燃爆危险，按照G B/T 7778-2017《制冷剂编号方法和安全性分类》中的制 冷剂安全性分类（如图1所示），R290属于A3类制冷剂。R290发生 爆炸危险一般需要同时满足两个条件：（1)与空气混合且浓度达到 2.5%〜8.9%; (2)温度超过810°C[5]。但是对于小型制冷器具来说，在实际使用过程中同时达到上述两点的概率是极其微小的。
3不同压缩机标准的性能测试条件分析
3.1标准测试工況
目前小冷量压缩机性能测试依据的标准主要有G B/T %98-2008
《电冰箱用全封闭型电动机-压缩机》[6]、八311£八11£、巳1\1丨2900- 2013 R e fr ig e ra n t c o m p re sso rs -R a tin g c o n d itio n s,to le ra n c e s and prentatio n o f m a n u fa c tu re r’s p e rfo rm a n ce d atam、T/C A S 319-2018《电冰箱实际工况下全封闭型电动机-压缩机性能评价技术规范》w 以及用户自定义工况条件等。其中A S H E A R E与G B/T 9098在测试工 况上是基本一致的，合并为一组进行分析。主要试验方法一般主侧为 第二制冷剂热量热计法，辅侧为液体质量流量计法，对应的国标为 G B/T 5773-2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》。不同标准低 背压条件的测试工况如表2所示。从表2中可以看出，对于所涉及的几 种测试工况，除E N12900外，吸气温度和环境温度基本一致，主要区 别在于冷凝温度、蒸发温度以及过冷温度存在一定的差异性，因此分 别针对这三点
不同将国标与其他三个测试条件进行对比分析。
表2制冷量测试工况
测试依据
冷凝温度
C C)
蒸发温度
(•C)
过冷温度
C C)
吸气温度
(•C)
环境温度
C C)
G B/T909854.4-23.332.232.232.2
E N 1290055-2532035
T/C A S31938-2832.232.232.2
典型自定义50-2032.232.232.2
3.2国标与E N标准的差异性
图2理想循环压焓图（简化）
从表2可以看出，国标和E N标准在测试工况上基本相同，主要区 别在于过冷度的确定，国标要求22 K的过冷度，而E N标准过冷度则 为0 K。从如图2所示的制冷循环丨g P-h图可以知道，如果对于同一台 样机进行测试，国标G B/T9098中的制冷量试验的测试结果考虑了冷 凝温度对应冷凝压力下的饱和液态状态点3以及阀前过冷状态点3’之间的这部分能力，则一般情况下国标条件下的制冷量测试结果
我要学习
应略大于E N条件下的制冷量测试结果&v。此处需要说明，国标G B/
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4.00 -3.503.00 S
U
-2.50
-
2.00
-1.50
-
1.00
G B /T 9098 E N 12900 T /C A S 319 自定义工况
测忒工况
+
制冷敏+
输入功率一一COP
图4某机型在四种不同测试工况下的性能测试结果比对
对应3.2至3.4小节的分析可以看出，与国标工况相比，该机型 在EN 12900测试工况下，实测制冷量减小22.32 W ，降低幅度达到 7.88%；在T/CAS 319工况下，制冷量和消耗功率都有所减小，但是因 为功率降低幅度更大，因此实测COP 结果略大于国标工况；在典型自 定义工况下，COP 的提升幅度
达到13%。由上可知，不同工况下同一
样机的测试结果偏差是比较明显的，企业或者检测机构在测试过程 中，必须根据产品依据的标准来设定测试条件，并尽可能提高测控精 度，以免引起测试结果误差。
4.2国标测试工况下不同机器性能测试结果分析
R 290是冰箱压缩机中R 600a 的最佳替代制冷剂之一，因此近几 年各冰箱压缩机厂家都在深入研发并上市R 290制冷剂压缩机，但 是R 290制冷压缩机产品整体性能情况及产品间的性能比对研究确 不多见。本文以GB/T 9098测试工况为统一条件，选取了 10家冰箱压 缩机企业具有代表性的小冷量制冷压缩机产品共计40台，进行性能 测试结果分析，其中制冷量分布如图5所示，有25台的能力测试结果 为200 W 〜600 W ，占总数的63%。将COP 测试结果划为四个等级进 行占比分析，如图6所示，其中COP 在1.0〜1.2范围内的占比为10%， 在1.2〜1.4范围内的占比为35%，在1.4〜1.6范围内的占比为30%，在
1.6〜1.8范围内的占比为25%。
选取制冷量在240 W 〜300 W 以及300 W 以上的测试样机与标准 要求的R 600a 制冷剂压缩机的COP 分级要求进行比对。测试样机分
测试工况拉卡拉手续费
蒸发压力（M P a )
冷凝压力（M P a )
压缩比（rp )
G B /T 9098
0.216 1.8838.718自定义
0.245
1.713
6.992
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T 5773-2016中的制冷量计算公式并未将过冷部分的能力考虑进去， 但是在实际处理过程中，大部分企业及第三方检测机构的实测制冷 量都加入了该部分能力。因此本文所涉及的国标的制冷量计算都是 考虑了此部分能力的测试结果。
根据制冷量计算公式简化计算则：
Q cjb =
心X
(h '—h y )
(1)
0£.v =〜X (//「/z 3) (2)
其中：^为制冷剂质量流量（公式忽略了其他测试条件的差别所 带来的影响，仅分析过冷度对制冷量测试结果的影响）。3.3国标与T/CAS 319的差异性
T/CAS 319-2018《电冰箱实际工况下全封闭型电动机-压缩机性能 评价技术规范》的制订主要基于国
标测试工况与压缩机设计的标准工 况存在一定的差异性。设计工况是针对整机产品制冷系统稳态运行而 确定的，因此两种方法在蒸发温度和冷凝温度状态的选择上具有明显 区别。T/CAS 319的蒸发温度略低于国标测试工况，而冷凝温度与国标 工况则存在较大差异，差值达到16.4 K 。对于R 290制冷压缩机，对应
的蒸发压力和冷凝压力分别如表3所示。由此可知，同一测试样机在
T/CAS 319工况下的制冷量及消耗功率将比国标工况下的测试结果偏 低，且功率的降低幅度更大，在压焓图上表示如图3所示。
表3 R 290制冷循环在国标与T /C A S
工况下的的压力对比
测试工况
蒸发压力（M P a )
冷凝压力（M P a )
压缩比（rp )
G B /T 90980.216 1.8838.718T /C A S
319
0.181
1.307
7.221
IgP
h CkJ/kg)
—国标循环工况——T C A S 319循环工况 T =32.2t ：, T ci =54.4*C , Tc 2=38t ：, U
3.3.C , T «2=-28*C
图3国标与T C A S 3丨9制冷循环（简化）
3.4国标与典型自定义工况的差异性
典型的自定义工况是针对企业定制性开发的设定测试条件，与 国标工况相比最明显的差异在于蒸发温度升高而冷凝温度降低，在 此条件下压缩比大幅降低，测试样机的COP 将明显提升，具体参数如表4所示。
表4 R 2W 制冷循环在国标与自定义工况下的压力对比
4结果差异性分析
4.1不同标准同一机器的测试结果差异性分析
为分析不同工况条件对压缩机制冷量测试结果的影响选取一台 规格参数如表5中所示的小冷量制冷压缩机进行四种不同测试工况 下的性能测试，制冷量及输入功率测试结果如图3所示。
表5测试样机规格参数
气缸容积（c m 3)
冷却方式
电机型式
电压（V )频率（H z )
5.5
F C /S T
R S C R
220〜240
50
400350
336.02
o
o o o o o
&
5 Q
5 o
5
32'2
1 —
(AV )
周杰伦单曲嫌吞Y
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测试样机（台）
图5测试压缩机制冷量分布
器在不同测试条件下开展试验比对可 以发现，工况条件的变化对压缩机制 冷量的影响是比较明显的。因此，在压 缩机性能测试前确定所需满足的试验 工况，为了尽可能提高测试精度，本文
采用高精度量热器设备，其再现性误差 <1%，在整个制冷量范围测量误差<2% (包含因子K =2)，电气参数误差<0.5% (包含因子K =2)，更好的满足压缩机 制冷量测试结果可靠性的基本要求。
(2)通过选取40台具有代表性的 不同冰箱压缩机企业生产的R 290制冷 压缩机，在国标测试条件下进行性能 测试，并将COP 测试结果与标准要求的
R 600a 的分级要求进行比对，R 290制冷
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测试样机（台）
图6测试压缩机C O P 分布
别有9台和18台处在该范围，占比分别为总数的23%和45%，性能系数分 布分别如表6、表7所示。其中制冷量在240 W 〜300 W 有5台，即一半以 上的测试样品的COP 大于1.5，即分级为对应R 600a 的B 级。300 W 以上 的测试样机则由占比72%以上的COP 测试结果对应分级在B 级及 以上。
表6 240 W 〜30() W 测试样机性能系数（C O P )
样本编号
无坚不摧之力
1510152122262731C O P
1.73
1.57
1.3
1.69
1.28
1.21
1.64
1.65
1.29
表7 300 W 以上测试样机性能系数(C O P )
样本编号
267111617232425C O P
1.60
1.54
1.53
1.36
1.58
1.51
1.39
1.38
设备维修与保养1.46
对应R 600a 分级B
B
B
C
B
B
C
C
B
样本编号
282932333435363839C O P
1.61
1.55
1.69
1.69
1.76
1.49
1.61
1.27
1.33
对应R 600a 分级
B
B
A
A
A
B
B
C
C
5结论
环保工质R 290在小冷量制冷系统中的推广应用是制冷剂替代背 景下的必然趋势，其环保易获取的特性迎合市场需求。本文从国标、 欧盟标准、团体标准以及自定义工况等对于测试条件的不同要求，分 析了压缩机制冷量试验及其测试结果的差异性。
(1)不同标准对于测试工况的要求存在一定区别，通过同一机
压缩机表现出良好的性能特点。
(3)根据40台R 290制冷压缩机在 各种工况下性能测试结果，以及考虑到
上述所说的国标工况选择的缺陷，建议在新国标中增加更适合整机 运行的测试工况。同时暂时保留原标准工况，这样用户一来可以有数 据的延续性；二是可以在新工况下积累数据，为后续的数据对比提供 支撑，在条件适合情况下彻底改为整机适用工况。
总言之，R 290作为替代制冷剂在制冷压缩机的应用中具有显著 意义，加大R 290应用技术研究，完善标准体系，推动环保制冷剂在制
冷系统中的应用具有深刻意义。
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