R290一体落地式热泵热水器的开发研究

2018-03-06杜顺祥杨磊孙成龙高文帅

家电科技 2018年2期

杜顺祥杨磊孙成龙高文帅

青岛海尔新能源电器有限公司山东青岛 266103

1 引言

目前关于空调热泵制冷剂的替代趋势，国际上主要国家和地区有不同的技术主张[1]：其中欧盟和中国代表一种技术主张，主张采用自然工质作为制冷剂，如R290、R600a、R717等；同时另外一种技术主张以美国和日本为代表，主张采用HFCs作为替代物，如R410A、R407C、R32等。R290冷媒属于第一种技术主张的自然工质，从冷媒本身特性来讲，R290的GWP为20，相对其他冷媒很小，这也是自然工质所共有的优点。其缺点是易燃爆。

R290凭借全球变暖潜值小，热力学性质优良，成为我国和欧盟共同推崇的自然工质，目前R290成为国内替代R22/R410a/R134a的最受关注和最有潜力的环保制冷剂。国内已经开始开发和销售R290相关机型，包括家用空调、冰箱、汽车空调、冷柜、热泵热水器等。以海尔、格力、美的为代表的国内空调企业已研制出R290制冷剂的空调产品。德国的斯宝亚创和汀普莱斯均已有了R290的热泵热水器产品，这表明R290已逐渐地被空调热泵厂家接受，成为最具潜力的新一代制冷剂。

2 R290热泵热水器开发

本文的研发目的主要是在R290系统制热性能提升、安全控制方面取得研发成果，主要研究内容是采用新式换热器减小冷媒充灌量，换热器流路优化提升制热性能、防爆燃结构及电控控制设计等。

本文选择一体落地式热泵作为开发机型，基础机型是R134a冷媒系统，在其基础上更换R290冷媒系统，要求制热量和能效不降低，制热量为1800w，能效为4.15；整机做到小型化设计以达成成本下降，整机冷媒充注量控制在150～170g。一体式热泵可以免去联机安装，避免物理连接时产生泄露隐患，此外不使用联机管可以降低冷媒充注量。

首先分析两种冷媒的物理特性，值得注意的是两者混合物R290/R134a是一种近共沸制冷剂，其中R134a有阻燃性的效果，并且R134a加入到R290中可以适应矿物油[2]，可以应用在空调热泵上面。

2.1 R290替代性分析

2.1.1 R290优点

（1）R290分子量比R134a小很多，粘度亦比R134a小，使空调制冷回路阻力损失减少，气相密度较小，详见表1。

（2）R290的汽化潜热是R134a的1.72倍，这说明在相同制冷量下，采用R290可减少工质的循环量及充注量。

（3）R290绝热指数低于R134a，在相同压缩比时，可减少压缩机耗功，降低排气温度，提高输气系数；导热系数高于R134a。

（4）R134a理论制冷循环COP约为R290的106%，实际制冷循环的效率是理论制冷循环COP、传热、压降特性三种因素综合作用的结果。

（5）单位质量制冷量R290大于R134a。R134a单位质量制冷量约是R290的75%，结果是充注量小，毛细管长，质量流量小。

（6）单位容积比功从大到小为R290、R134a。R134a单位容积比功约为R290的70%。

（7）R290能与润滑油友好互溶，R290溶于润滑油会使润滑油粘度降低，因此应选用粘度较大的润滑油。

从图1中可以看出，R290作为热泵热水器制冷剂，其相对压比随冷凝温度变化趋势要比R134a平缓不少，表明在水箱加热过程中，R290的压比要小于R134a，这对系统的高效运行是个不可忽略的标示。

2.1.2 R290缺点

R290属A3等级，其“易燃易爆”的缺点是目前限制其大规模推广的最大阻碍。只能通过减小灌装量来降低其风险，因此只应用在小冷/热量的空调热泵设备上。

2.2 R290热泵热水器性能设计

R290热泵热水器设计的重点可以分成两方面：一是降低冷媒充注量，二是防燃爆设计。具体内容可参见图2的分析图，在设计上如何提高R290热泵的安全可靠性。

降低充注量是降低R290燃爆危害的最直接的办法，即使泄露，不容易形成燃爆的必要条件，也就不会发生燃爆。主要途径是要减冷媒系统的内容积，其中对降低冷媒量至关重要的则是高压系统部分，包括压缩机、冷凝器、高压管路等。而蒸发器、低压管路等对冷媒充注量影响相对较小。

2.2.1 压缩机选型设计

降低压缩机内容积及储液量的途径有：

（1）优化定转子和电机的结构及配合关系，缩小压缩机机壳的空腔容积[3]；

（2）采取间接吸气，直接排气的方式；

（3）优化气液分离器。

根据以上原则，选用厂家提供的R290热泵热水器专用压缩机，对气液分离器进行了优化设计，其排量为9.0cc，吸气管径为7.94mm，排气管径为6.35mm。

2.2.2 四通阀及冷媒管路的内容积优化

尽可能减小折弯次数和折弯尺寸，在阻力允许的范围内降低管路的内径，降低冷媒管路的总长度。如冷凝液管至电子膨胀阀前管路由6.35mm更改为4.76mm管径。

2.2.3 冷凝器设计

水箱原微通道扁管规格是25*2*18（宽度*厚度*孔数），集液管径为φ20*2（直径*壁厚）；微通道降低内容积的设计方向有两个，一是采用25.4*1.3*26扁管，二是采用16*1.3*16扁管，集液管径都是更改为φ12*1.8mm，此设计可极大地降低微通道冷凝器的内容积，降低冷媒充注量，还可以降低微通道耗材，降低冷凝器成本。

从图3可以看出，三种微通道管型尺寸的变化主要是扁管内部通孔的尺寸变化，通孔尺寸变小，内容积下降，而扁管壁厚变化不大，可以保证耐腐蚀及爆破压力的需求。

从图4可以看出，采用后两种微通道扁管及集液管的冷凝器组件其内容积大幅度下降，其中25.4*1.3*26扁管由于扁管数量少，其扁管总间距变小，集液管长度同样变小，因此内容积下降是最大的。

从表2中可以看到，这三种不同微通道扁管的冷凝器性能数据对比，冷媒充注量主要是看水箱的上下温差及冷凝后的过冷度确定，制热量和能效方面是25.4*1.3*26扁管表现最好，从冷凝器高度来讲，25*2*18＞16*1.3*16＞25.4*1.3*26，由于水箱加热过程中高温水向上流动，水箱温度呈上高下低的梯形分布，冷凝器越靠近水箱下部，其冷凝压力应越低，同时水箱上下温差会减小，对系统运行能效具有一定的提高。

图1 R290/R310a相对压比对比图

图2 R290安全可靠设计之鱼骨分析图

图3 三种微通道扁管尺寸示意图

图4 三种微通道冷凝器内容积百分比示意图

微通道扁管内通孔尺寸变小，提高了冷媒阻力，但冷媒流速增加，也增强了换热系数，因此需要调整冷凝器流路来协调冷媒阻力和流速的关系，在冷媒阻力允许的范围内尽可能提高流速来增强换热。25*2*16扁管冷凝器是4流程设计，而25.4*1.3*26与16*1.3*16是3流程设计，虽然冷媒阻力稍有上升，但系统制热量和能效提高更多。

结合以上压缩机、管路及冷凝器的优化设计，R290充注量从最初的290g下降为205g，下降幅度为29.3%。

2.2.4 蒸发器设计

蒸发器原先是三排7mm管翅式换热器，优化方向一是采用双排20mm折弯微通道换热器，详见图5的示意图，二是采用三排5.0mm管翅式换热器，性能参数对比见表3。

5.0mm管翅式蒸发器较7.0mm蒸发器相比，其冷媒侧换热面积降低，对其整体换热量是有不利影响的，因此5.0mm蒸发器管间距降低，管数增加，并且其翅片宽度没有降低，弥补了其性能的下降，同时优化5.0mm蒸发器的流路设计，由7.0mm的三路分流优化为4路分流，并调整分液毛细管的内径及长度，降低管路长度及内容积，可以达到和原7.0mm相接近的性能水平。

微通道蒸发器扁管规格是16*1.3*16，中间部分的扁管经偏向折弯形成双排结构，两个集液管处于蒸发器的下部，分液集液管中间为特殊分流结构设计，可以提高蒸发器分流均匀性。在额定工况及高温工况下微通道蒸发器可以做到接近管翅式换热器的水平，但在低温及凝霜工况下，微通道蒸发器的制热量大幅度下降，造成加热时间过长，能效下降。因此最终蒸发器选定5.0mm三排蒸发器，冷媒充注量从205g下降170g，降低幅度约16%。

2.3 R290热泵热水器防燃爆设计

R290能够发生燃爆的四个条件分别是有R290、氧气、特定浓度、点火源，这四个条件缺一不可，只要想办法使其中一个条件失效，R290就不会发生爆炸。对热泵设计来讲，后两个条件是重点关注的。与此对应的针对抑制R290燃爆的研究主要集中于解决特定浓度和点火源两个方面。

（1）R290的爆炸浓度范围为2.1%～9.5%。在该浓度范围以外时不会产生爆炸或者燃烧，因此在R290发生泄漏时及时将其浓度稀释就不会产生隐患。

（2）点火源是指能够使R290和周围氧气燃烧进而发生爆炸所需的能量来源。将可能会发生电火花等点火源的电控板、周围电气环境采用抑制电火花及防爆设计。

在热泵设计方面，可以从系统、结构、电控分别考虑抑制燃爆的设计方案，其出发点基本上是防止泄露、快速扩散、抑制点火源产生等方面：

一是物理方法截断系统流路，将制冷剂在系统管路中分成内外两部分，使得泄露段只能泄露部分制冷剂，或从泄露源头进行管控。着重从制冷剂压力与温度来判断。再者改进系统的运行水平，优化系统结构设计；改善管材和焊接工艺水平，减少活动连接，避免系统运行过程中的泄漏、爆管等情况发生[4]。

表1 R134a/R290冷媒物性比较

表2 三种微通道冷凝器之性能参数对比

表3 三种蒸发器之性能参数对比

图5 7mm管翅式蒸发器改双排微通道换热器示意图

二是结构设计上避免存在可以使泄露冷媒聚集的区域，电控盒进行密封设计，电控板连接线通过电控盒进出口使用绝缘材料进行密封处理，电控盒上下盖使用绝缘橡胶密封垫，机器内部除电控盒以外没有密闭或半密闭的空间存在，使得泄露冷媒能够在较短时间内扩散开来。

三是采用防爆电气元器件以抑制大能量明火，大功率元器件周围不应布置热敏元件，要留有足够的距离；运行过程中元器件不能释放电火花，并且隔热绝缘，避免R290在局部空间燃烧，造成火灾隐患。因此电控盒组件中有可能产生电火花的元器件，如温度控制器、继电器、电容、电源连接、电机、热保护器等具有触点闭合—断开功能的开关必须是防爆设计的，符合GB 4706.32-2012《家用和类似用途电器的安全热泵、空调器和除湿机的特殊要求》中关于可燃制冷剂的电气元件要求。

四是通过微燃风险评估和模拟试验：泄漏分析、燃爆破坏性模拟和试验对风险概率进行分析。