R290一體落地式熱泵熱水器的開(kāi)發(fā)研究

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(shì)，國(guó)際上主要國(guó)家和地區(qū)有不同的技術(shù)主張[1]：其中歐盟和中國(guó)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(shí)另外一種技術(shù)主張以美國(guó)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(lái)講，R290的GWP為20，相對(duì)其他冷媒很小，這也是自然工質(zhì)所共有的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是易燃爆。

R290憑借全球變暖潛值小，熱力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，成為我國(guó)和歐盟共同推崇的自然工質(zhì)，目前R290成為國(guó)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(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售R290相關(guān)機(jī)型，包括家用空調(diào)、冰箱、汽車(chē)空調(diào)、冷柜、熱泵熱水器等。以海爾、格力、美的為代表的國(guó)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(guó)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(chǎng)家接受，成為最具潛力的新一代制冷劑。

2 R290熱泵熱水器開(kāi)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?jī)?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(jì)等。

本文選擇一體落地式熱泵作為開(kāi)發(fā)機(jī)型，基礎(chǔ)機(jī)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(jī)做到小型化設(shè)計(jì)以達(dá)成成本下降，整機(jī)冷媒充注量控制在150～170g。一體式熱泵可以免去聯(lián)機(jī)安裝，避免物理連接時(shí)產(chǎn)生泄露隱患，此外不使用聯(lián)機(jī)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(diǎn)

（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(jiàn)表1。

（2）R290的汽化潛熱是R134a的1.72倍，這說(shuō)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(shí)，可減少壓縮機(jī)耗功，降低排氣溫度，提高輸氣系數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù)高于R134a。

（4）R134a理論制冷循環(huán)COP約為R290的106%，實(shí)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(xì)管長(zhǎng)，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(rùn)滑油友好互溶，R290溶于潤(rùn)滑油會(huì)使?jié)櫥驼扯冉档?，因此?yīng)選用粘度較大的潤(rùn)滑油。

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

2.1.2 R290缺點(diǎn)

R290屬A3等級(jí)，其“易燃易爆”的缺點(diǎn)是目前限制其大規(guī)模推廣的最大阻礙。只能通過(guò)減小灌裝量來(lái)降低其風(fēng)險(xiǎn)，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(jì)

R290熱泵熱水器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)可以分成兩方面：一是降低冷媒充注量，二是防燃爆設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容可參見(jiàn)圖2的分析圖，在設(shè)計(jì)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(huì)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(duì)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(jī)、冷凝器、高壓管路等。而蒸發(fā)器、低壓管路等對(duì)冷媒充注量影響相對(duì)較小。

2.2.1 壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)

降低壓縮機(jī)內(nèi)容積及儲(chǔ)液量的途徑有：

（1）優(yōu)化定轉(zhuǎn)子和電機(jī)的結(jié)構(gòu)及配合關(guān)系，縮小壓縮機(jī)機(jī)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(chǎng)家提供的R290熱泵熱水器專(zhuān)用壓縮機(jī)，對(duì)氣液分離器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(zhǎng)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(jì)

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(jì)方向有兩個(gè)，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(jì)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(zhǎng)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(duì)比，冷媒充注量主要是看水箱的上下溫差及冷凝后的過(guò)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(lái)講，25*2*18＞16*1.3*16＞25.4*1.3*26，由于水箱加熱過(guò)程中高溫水向上流動(dòng)，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(shí)水箱上下溫差會(huì)減小，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能效具有一定的提高。

圖1 R290/R310a相對(duì)壓比對(duì)比圖

圖2 R290安全可靠設(shè)計(jì)之魚(yú)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(qiáng)了換熱系數(shù)，因此需要調(diào)整冷凝器流路來(lái)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(lái)增強(qiáng)換熱。25*2*16扁管冷凝器是4流程設(shè)計(jì)，而25.4*1.3*26與16*1.3*16是3流程設(shè)計(jì)，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(jī)、管路及冷凝器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)

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(jiàn)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(duì)比見(jiàn)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(duì)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(méi)有降低，彌補(bǔ)了其性能的下降，同時(shí)優(yōu)化5.0mm蒸發(fā)器的流路設(shè)計(jì)，由7.0mm的三路分流優(yōu)化為4路分流，并調(diào)整分液毛細(xì)管的內(nèi)徑及長(zhǎng)度，降低管路長(zhǎng)度及內(nèi)容積，可以達(dá)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(gè)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(jì)，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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(jì)

R290能夠發(fā)生燃爆的四個(gè)條件分別是有R290、氧氣、特定濃度、點(diǎn)火源，這四個(gè)條件缺一不可，只要想辦法使其中一個(gè)條件失效，R290就不會(huì)發(fā)生爆炸。對(duì)熱泵設(shè)計(jì)來(lái)講，后兩個(gè)條件是重點(diǎn)關(guān)注的。與此對(duì)應(yīng)的針對(duì)抑制R290燃爆的研究主要集中于解決特定濃度和點(diǎn)火源兩個(gè)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(shí)不會(huì)產(chǎn)生爆炸或者燃燒，因此在R290發(fā)生泄漏時(shí)及時(shí)將其濃度稀釋就不會(huì)產(chǎn)生隱患。

（2）點(diǎn)火源是指能夠使R290和周?chē)鯕馊紵M(jìn)而發(fā)生爆炸所需的能量來(lái)源。將可能會(huì)發(fā)生電火花等點(diǎn)火源的電控板、周?chē)姎猸h(huán)境采用抑制電火花及防爆設(shè)計(jì)。

在熱泵設(shè)計(jì)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(jì)方案，其出發(fā)點(diǎn)基本上是防止泄露、快速擴(kuò)散、抑制點(diǎn)火源產(chǎn)生等方面：

一是物理方法截?cái)嘞到y(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(jìn)行管控。著重從制冷劑壓力與溫度來(lái)判斷。再者改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行水平，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；改善管材和焊接工藝水平，減少活動(dòng)連接，避免系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(duì)比

表3 三種蒸發(fā)器之性能參數(shù)對(duì)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(jì)上避免存在可以使泄露冷媒聚集的區(qū)域，電控盒進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，電控板連接線(xiàn)通過(guò)電控盒進(jìn)出口使用絕緣材料進(jìn)行密封處理，電控盒上下蓋使用絕緣橡膠密封墊，機(jī)器內(nèi)部除電控盒以外沒(méi)有密閉或半密閉的空間存在，使得泄露冷媒能夠在較短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。

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?chē)粦?yīng)布置熱敏元件，要留有足夠的距離；運(yùn)行過(guò)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(zāi)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(jī)、熱保護(hù)器等具有觸點(diǎn)閉合—斷開(kāi)功能的開(kāi)關(guān)必須是防爆設(shè)計(jì)的，符合GB 4706.32-2012《家用和類(lèi)似用途電器的安全 熱泵、空調(diào)器和除濕機(jī)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(guò)微燃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和模擬試驗(yàn)：泄漏分析、燃爆破壞性模擬和試驗(yàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)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(guò)優(yōu)化壓縮機(jī)、兩器、管路降低系統(tǒng)內(nèi)容積，在制熱量和能效不降低時(shí)降低冷媒充注量，同時(shí)亦可適當(dāng)降低制熱量和系統(tǒng)能效，來(lái)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(jì)工作和易燃爆警示。在冷媒充注量少時(shí)，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(shí)，要考慮其流速帶來(lái)的壓損上升對(duì)系統(tǒng)能力能效的影響。

（4）后續(xù)考慮在熱泵直熱機(jī)和水循環(huán)機(jī)采用R290冷媒，其主機(jī)安裝在室外，保證通風(fēng)良好。室內(nèi)只有水路循環(huán)，無(wú)燃爆風(fēng)險(xiǎn)。

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