杜順祥 楊磊 孫成龍 高文帥

青島海爾新能源電器有限公司 山東青島 266103

1 引言

目前關(guān)于空調(diào)熱泵制冷劑的替代趨勢，國際上主要國家和地區(qū)有不同的技術(shù)主張[1]：其中歐盟和中國代表一種技術(shù)主張，主張采用自然工質(zhì)作為制冷劑，如R290、R600a、R717等；同時另外一種技術(shù)主張以美國和日本為代表，主張采用HFCs作為替代物，如R410A、R407C、R32等。R290冷媒屬于第一種技術(shù)主張的自然工質(zhì)，從冷媒本身特性來講，R290的GWP為20，相對其他冷媒很小，這也是自然工質(zhì)所共有的優(yōu)點。其缺點是易燃爆。

R290憑借全球變暖潛值小，熱力學性質(zhì)優(yōu)良，成為我國和歐盟共同推崇的自然工質(zhì)，目前R290成為國內(nèi)替代R22/R410a/R134a的最受關(guān)注和最有潛力的環(huán)保制冷劑。國內(nèi)已經(jīng)開始開發(fā)和銷售R290相關(guān)機型，包括家用空調(diào)、冰箱、汽車空調(diào)、冷柜、熱泵熱水器等。以海爾、格力、美的為代表的國內(nèi)空調(diào)企業(yè)已研制出R290制冷劑的空調(diào)產(chǎn)品。德國的斯寶亞創(chuàng)和汀普萊斯均已有了R290的熱泵熱水器產(chǎn)品，這表明R290已逐漸地被空調(diào)熱泵廠家接受，成為最具潛力的新一代制冷劑。

2 R290熱泵熱水器開發(fā)

本文的研發(fā)目的主要是在R290系統(tǒng)制熱性能提升、安全控制方面取得研發(fā)成果，主要研究內(nèi)容是采用新式換熱器減小冷媒充灌量，換熱器流路優(yōu)化提升制熱性能、防爆燃結(jié)構(gòu)及電控控制設(shè)計等。

本文選擇一體落地式熱泵作為開發(fā)機型，基礎(chǔ)機型是R134a冷媒系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上更換R290冷媒系統(tǒng)，要求制熱量和能效不降低，制熱量為1800w，能效為4.15；整機做到小型化設(shè)計以達成成本下降，整機冷媒充注量控制在150～170g。一體式熱泵可以免去聯(lián)機安裝，避免物理連接時產(chǎn)生泄露隱患，此外不使用聯(lián)機管可以降低冷媒充注量。

首先分析兩種冷媒的物理特性，值得注意的是兩者混合物R290/R134a是一種近共沸制冷劑，其中R134a有阻燃性的效果，并且R134a加入到R290中可以適應(yīng)礦物油[2]，可以應(yīng)用在空調(diào)熱泵上面。

2.1 R290替代性分析

2.1.1 R290優(yōu)點

（1）R290分子量比R134a小很多，粘度亦比R134a小，使空調(diào)制冷回路阻力損失減少，氣相密度較小，詳見表1。

（2）R290的汽化潛熱是R134a的1.72倍，這說明在相同制冷量下，采用R290可減少工質(zhì)的循環(huán)量及充注量。

（3）R290絕熱指數(shù)低于R134a，在相同壓縮比時，可減少壓縮機耗功，降低排氣溫度，提高輸氣系數(shù)；導熱系數(shù)高于R134a。

（4）R134a理論制冷循環(huán)COP約為R290的106%，實際制冷循環(huán)的效率是理論制冷循環(huán)COP、傳熱、壓降特性三種因素綜合作用的結(jié)果。

（5）單位質(zhì)量制冷量R290大于R134a。R134a單位質(zhì)量制冷量約是R290的75%，結(jié)果是充注量小，毛細管長，質(zhì)量流量小。

（6）單位容積比功從大到小為R290、R134a。R134a單位容積比功約為R290的70%。

（7）R290能與潤滑油友好互溶，R290溶于潤滑油會使?jié)櫥驼扯冉档?，因此?yīng)選用粘度較大的潤滑油。

從圖1中可以看出，R290作為熱泵熱水器制冷劑，其相對壓比隨冷凝溫度變化趨勢要比R134a平緩不少，表明在水箱加熱過程中，R290的壓比要小于R134a，這對系統(tǒng)的高效運行是個不可忽略的標示。

2.1.2 R290缺點

R290屬A3等級，其“易燃易爆”的缺點是目前限制其大規(guī)模推廣的最大阻礙。只能通過減小灌裝量來降低其風險，因此只應(yīng)用在小冷/熱量的空調(diào)熱泵設(shè)備上。

2.2 R290熱泵熱水器性能設(shè)計

R290熱泵熱水器設(shè)計的重點可以分成兩方面：一是降低冷媒充注量，二是防燃爆設(shè)計。具體內(nèi)容可參見圖2的分析圖，在設(shè)計上如何提高R290熱泵的安全可靠性。

降低充注量是降低R290燃爆危害的最直接的辦法，即使泄露，不容易形成燃爆的必要條件，也就不會發(fā)生燃爆。主要途徑是要減冷媒系統(tǒng)的內(nèi)容積，其中對降低冷媒量至關(guān)重要的則是高壓系統(tǒng)部分，包括壓縮機、冷凝器、高壓管路等。而蒸發(fā)器、低壓管路等對冷媒充注量影響相對較小。

2.2.1 壓縮機選型設(shè)計

降低壓縮機內(nèi)容積及儲液量的途徑有：

（1）優(yōu)化定轉(zhuǎn)子和電機的結(jié)構(gòu)及配合關(guān)系，縮小壓縮機機殼的空腔容積[3]；

（2）采取間接吸氣，直接排氣的方式；

（3）優(yōu)化氣液分離器。

根據(jù)以上原則，選用廠家提供的R290熱泵熱水器專用壓縮機，對氣液分離器進行了優(yōu)化設(shè)計，其排量為9.0cc，吸氣管徑為7.94mm，排氣管徑為6.35mm。

2.2.2 四通閥及冷媒管路的內(nèi)容積優(yōu)化

盡可能減小折彎次數(shù)和折彎尺寸，在阻力允許的范圍內(nèi)降低管路的內(nèi)徑，降低冷媒管路的總長度。如冷凝液管至電子膨脹閥前管路由6.35mm更改為4.76mm管徑。

2.2.3 冷凝器設(shè)計

水箱原微通道扁管規(guī)格是25*2*18（寬度*厚度*孔數(shù)），集液管徑為φ20*2（直徑*壁厚）；微通道降低內(nèi)容積的設(shè)計方向有兩個，一是采用25.4*1.3*26扁管，二是采用16*1.3*16扁管，集液管徑都是更改為φ12*1.8mm，此設(shè)計可極大地降低微通道冷凝器的內(nèi)容積，降低冷媒充注量，還可以降低微通道耗材，降低冷凝器成本。

從圖3可以看出，三種微通道管型尺寸的變化主要是扁管內(nèi)部通孔的尺寸變化，通孔尺寸變小，內(nèi)容積下降，而扁管壁厚變化不大，可以保證耐腐蝕及爆破壓力的需求。

從圖4可以看出，采用后兩種微通道扁管及集液管的冷凝器組件其內(nèi)容積大幅度下降，其中25.4*1.3*26扁管由于扁管數(shù)量少，其扁管總間距變小，集液管長度同樣變小，因此內(nèi)容積下降是最大的。

從表2中可以看到，這三種不同微通道扁管的冷凝器性能數(shù)據(jù)對比，冷媒充注量主要是看水箱的上下溫差及冷凝后的過冷度確定，制熱量和能效方面是25.4*1.3*26扁管表現(xiàn)最好，從冷凝器高度來講，25*2*18＞16*1.3*16＞25.4*1.3*26，由于水箱加熱過程中高溫水向上流動，水箱溫度呈上高下低的梯形分布，冷凝器越靠近水箱下部，其冷凝壓力應(yīng)越低，同時水箱上下溫差會減小，對系統(tǒng)運行能效具有一定的提高。

圖1 R290/R310a相對壓比對比圖

圖2 R290安全可靠設(shè)計之魚骨分析圖

圖3 三種微通道扁管尺寸示意圖

圖4 三種微通道冷凝器內(nèi)容積百分比示意圖

微通道扁管內(nèi)通孔尺寸變小，提高了冷媒阻力，但冷媒流速增加，也增強了換熱系數(shù)，因此需要調(diào)整冷凝器流路來協(xié)調(diào)冷媒阻力和流速的關(guān)系，在冷媒阻力允許的范圍內(nèi)盡可能提高流速來增強換熱。25*2*16扁管冷凝器是4流程設(shè)計，而25.4*1.3*26與16*1.3*16是3流程設(shè)計，雖然冷媒阻力稍有上升，但系統(tǒng)制熱量和能效提高更多。

結(jié)合以上壓縮機、管路及冷凝器的優(yōu)化設(shè)計，R290充注量從最初的290g下降為205g，下降幅度為29.3%。

2.2.4 蒸發(fā)器設(shè)計

蒸發(fā)器原先是三排7mm管翅式換熱器，優(yōu)化方向一是采用雙排20mm折彎微通道換熱器，詳見圖5的示意圖，二是采用三排5.0mm管翅式換熱器，性能參數(shù)對比見表3。

5.0mm管翅式蒸發(fā)器較7.0mm蒸發(fā)器相比，其冷媒側(cè)換熱面積降低，對其整體換熱量是有不利影響的，因此5.0mm蒸發(fā)器管間距降低，管數(shù)增加，并且其翅片寬度沒有降低，彌補了其性能的下降，同時優(yōu)化5.0mm蒸發(fā)器的流路設(shè)計，由7.0mm的三路分流優(yōu)化為4路分流，并調(diào)整分液毛細管的內(nèi)徑及長度，降低管路長度及內(nèi)容積，可以達到和原7.0mm相接近的性能水平。

微通道蒸發(fā)器扁管規(guī)格是16*1.3*16，中間部分的扁管經(jīng)偏向折彎形成雙排結(jié)構(gòu)，兩個集液管處于蒸發(fā)器的下部，分液集液管中間為特殊分流結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以提高蒸發(fā)器分流均勻性。在額定工況及高溫工況下微通道蒸發(fā)器可以做到接近管翅式換熱器的水平，但在低溫及凝霜工況下，微通道蒸發(fā)器的制熱量大幅度下降，造成加熱時間過長，能效下降。因此最終蒸發(fā)器選定5.0mm三排蒸發(fā)器，冷媒充注量從205g下降170g，降低幅度約16%。

2.3 R290熱泵熱水器防燃爆設(shè)計

R290能夠發(fā)生燃爆的四個條件分別是有R290、氧氣、特定濃度、點火源，這四個條件缺一不可，只要想辦法使其中一個條件失效，R290就不會發(fā)生爆炸。對熱泵設(shè)計來講，后兩個條件是重點關(guān)注的。與此對應(yīng)的針對抑制R290燃爆的研究主要集中于解決特定濃度和點火源兩個方面。

（1）R290的爆炸濃度范圍為2.1%～9.5%。在該濃度范圍以外時不會產(chǎn)生爆炸或者燃燒，因此在R290發(fā)生泄漏時及時將其濃度稀釋就不會產(chǎn)生隱患。

（2）點火源是指能夠使R290和周圍氧氣燃燒進而發(fā)生爆炸所需的能量來源。將可能會發(fā)生電火花等點火源的電控板、周圍電氣環(huán)境采用抑制電火花及防爆設(shè)計。

在熱泵設(shè)計方面，可以從系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電控分別考慮抑制燃爆的設(shè)計方案，其出發(fā)點基本上是防止泄露、快速擴散、抑制點火源產(chǎn)生等方面：

一是物理方法截斷系統(tǒng)流路，將制冷劑在系統(tǒng)管路中分成內(nèi)外兩部分，使得泄露段只能泄露部分制冷劑，或從泄露源頭進行管控。著重從制冷劑壓力與溫度來判斷。再者改進系統(tǒng)的運行水平，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計；改善管材和焊接工藝水平，減少活動連接，避免系統(tǒng)運行過程中的泄漏、爆管等情況發(fā)生[4]。

表1 R134a/R290冷媒物性比較

表2 三種微通道冷凝器之性能參數(shù)對比

表3 三種蒸發(fā)器之性能參數(shù)對比

圖5 7mm管翅式蒸發(fā)器改雙排微通道換熱器示意圖

二是結(jié)構(gòu)設(shè)計上避免存在可以使泄露冷媒聚集的區(qū)域，電控盒進行密封設(shè)計，電控板連接線通過電控盒進出口使用絕緣材料進行密封處理，電控盒上下蓋使用絕緣橡膠密封墊，機器內(nèi)部除電控盒以外沒有密閉或半密閉的空間存在，使得泄露冷媒能夠在較短時間內(nèi)擴散開來。

三是采用防爆電氣元器件以抑制大能量明火，大功率元器件周圍不應(yīng)布置熱敏元件，要留有足夠的距離；運行過程中元器件不能釋放電火花，并且隔熱絕緣，避免R290在局部空間燃燒，造成火災隱患。因此電控盒組件中有可能產(chǎn)生電火花的元器件，如溫度控制器、繼電器、電容、電源連接、電機、熱保護器等具有觸點閉合—斷開功能的開關(guān)必須是防爆設(shè)計的，符合GB 4706.32-2012《家用和類似用途電器的安全 熱泵、空調(diào)器和除濕機的特殊要求》中關(guān)于可燃制冷劑的電氣元件要求。

四是通過微燃風險評估和模擬試驗：泄漏分析、燃爆破壞性模擬和試驗對風險概率進行分析。

3 結(jié)論

綜上所述，本文得出以下結(jié)論：

（1）R290熱泵熱水器通過優(yōu)化壓縮機、兩器、管路降低系統(tǒng)內(nèi)容積，在制熱量和能效不降低時降低冷媒充注量，同時亦可適當降低制熱量和系統(tǒng)能效，來降低冷媒充注量。

（2）R290熱泵熱水器需要做好防燃爆的產(chǎn)品設(shè)計工作和易燃爆警示。在冷媒充注量少時，其燃爆的概率和危害急劇降低。

（3）微通道冷凝器和5.0管蒸發(fā)器在內(nèi)容積降低的同時，要考慮其流速帶來的壓損上升對系統(tǒng)能力能效的影響。

（4）后續(xù)考慮在熱泵直熱機和水循環(huán)機采用R290冷媒，其主機安裝在室外，保證通風良好。室內(nèi)只有水路循環(huán)，無燃爆風險。

[1] 張守信，張明杰，付裕. R290作為家用空調(diào)制冷劑的研究.日用電器[J],2010(1).

[2] 錢文波，晏剛. 冷凍陳列柜應(yīng)用混合工質(zhì)R290/R134a替代R404A的實驗研究.中國制冷冷藏凍結(jié)專業(yè)委員會2009年學術(shù)論文集[C].

[3] 何國庚，劉強，倪敏慧，劉付偉. R290替代R22的空調(diào)用旋轉(zhuǎn)壓縮機優(yōu)化.中國制冷學會2009學術(shù)年會論文集[C]，2009.

[4] 魯益軍，劉哲，張先雄，尹守偉. R290制冷劑空調(diào)器的阻燃性設(shè)計探討.家電科技[J]，2010(12).