碳氢制冷剂R290最新研究进展

秦延斌，张华，邱金友，王袭

（1-上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093；2-海尔集团技术研发中心，山东青岛 266061）

碳氢制冷剂R290最新研究进展

秦延斌*1，张华1，邱金友1，王袭2

（1-上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093；2-海尔集团技术研发中心，山东青岛 266061）

碳氢制冷剂R290（丙烷）是一种纯天然环保制冷剂，其ODP值为0，GWP值只有20，比R410A等HFCs制冷剂更具发展潜力的新冷媒，具有无氟和低碳的双重优势。在分析总结国内外相关研究成果的基础上，对相应的流动沸腾换热预测关联式进行了介绍，并论述了R290在目前的应用现状，指出现有应用情况的不足，对进一步的研究设计具有一定的理论价值和指导作用。

R290；R410A；沸腾传热；碳氢制冷剂；替代

0 引言

近些年，一些国家使用R410A、R134A和R407C等碳氢氟化合物（HFCs）作为制冷剂，其中R410A已成为现在主流的冷媒。这些HFCs虽然对臭氧层无破坏作用，但是其GWP值与R22相当或者更高。因此，R410A等制冷剂并非空调业最终的环保制冷剂解决方案，注定会逐渐被其他更环保的新型冷媒代替，只是过渡性替代品。通过持久、深入的研究发现，碳氢化合物是最有前途的替代工质，特别是R290和R1270[1-2]。

制冷剂R290（丙烷）是一种可以从液化气中直接获得的天然碳氢制冷剂，ODP值为0，GWP值只有20，是理想的替代冷媒，同时也是我国自主研发的制冷剂。虽然R290具有上述优势，但其“易燃易爆”的缺点是目前限制其大规模推广的最大阻碍。近十几年，国内外众多研究者对R290进行了大量理论研究和实验测试之后，人们对R290的传热特性有了一定的认识，并总结出了许多沸腾传热关联式。欧美许多国家已经在家用电冰箱、热水器和空调系统的制冷循环中使用R290冷媒，国内很多研究者也通过实验模型对R290替代常规制冷剂用于家用空调器等做了大量研究，对比发现，使用R290制冷剂具有更高能效比、更小充注量、更少设备初投资等优势[3]。本文通过对R290管内流动沸腾换热特性研究和应用现状进行分析总结，以期找到现有研究的不足与盲点，为将来进一步研究和应用碳氢制冷剂R290提供理论指导意义。

1 R290物性研究

许多研究者对R290的热力性质、可燃性、与制冷系统的相容性、制冷量、能效比、R290混合物的性能等多个方面进行了细致深入的研究。迄今为止，国内外公开发表的论文和研究涉及到R290及其混合物在家用冰箱、热泵、汽车空调等多领域，其中一部分研究成果已经在工业领域得到应用并取得了良好的节能效果。

从表1可看出R410A的各项热力性质均较好，但是GWP值太高，且其高冷凝压力也会造成材料成本的上升，因此只能作为过渡性的替代制冷剂。而R290的沸点、凝固点、临界压力等基本物理性质与R22非常接近，与R410A相差不大，且其蒸发潜热值、GWP值、粘度等性能比R410A表现更好，可以作为一种长期的替代冷媒进行研究。

表1 R290、R410A与R22热力性质对比

MATHUR[4]对R290在光管内单相及相变传热理论进行了研究，对比R290与R134a的换热性能，结果发现碳氢化合物的换热系数比R134a高。姚寿广等[5]利用新立方型状态方程建立了参数关系方程式，并对R290的各项热力性质进行研究以及R290作为替代制冷剂在经济性、环保性、安全性等多方面进行评估，指出R290的性能表现非常优越。

陈永强等[6]等通过对R290的物性研究分析发现，与传统制冷系统相比，使用R290冷媒能更有效的降低压缩比，提高压缩机的工作性能，总结出蒸发器制冷量Q、蒸发器入口干度X、汽化潜热r之间存在以下关系：Q = M × r × (1-X)，其中M是质量流量。并且通过实验对R290的爆炸性进行研究。放置一段直径为0.1 mm的IEC型铂电阻丝在一个密闭的压力容器中，铂电阻丝在t ℃的电阻Rt按下式计算：

其中，R0为0℃时的电阻值，A=3.96847×10-3℃-1，B=5.847×10-7℃-1，试验压力为0.1 MPa，据此来计算R290的浓度。实验从R290为5%时开始进行，不断增大铂电阻丝的电压使其升温，若温度达到1,000 ℃时仍未爆炸，则可认为此浓度下无燃烧危险。

JOACHIM[7]、MEYER[8]和AGARWAL[9]对R290在制冷系统中的各项性能进行研究，结果发现，通过减小灌装量、隔绝火源、防止制冷剂泄露及提高泄漏后的安全防控能力等措施后，使用R290作为替代制冷剂安全可行。童明伟等[10]也对R290的可燃性进行了实验研究，指出当R290满足以下两个条件：温度在810 ℃以上；与空气混合浓度在2.5%～8.9%，则会有爆炸危险。然而在实际的设备运作过程中，这两个情况同时出现为小概率事件。R290室内空调机的下部是最有可能出现燃烧的情况，空调内部的点火不会出现爆炸危险。因此只要做好相应的预防准备工作，就可在制冷系统中使用R290冷媒。

使用R290作为空调制冷剂时需要注意的另外一个问题是光雾反应。光化学烟雾是碳氢化合物、氮氧化物等一次污染物经紫外线照射后发生光化学反应而形成的污染物。何国庚等[11]通过理论研究发现，R290在制冷装置中的充注量非常小，且化学性质稳定，参与光雾反应的能力很弱，因此不会对光雾的形成产生明显的影响。

刘玉东等[12]依据美国ASHRAE标准，通过实验对R290与制冷系统材料的相容性进行研究。在温度(130±1) ℃，压力(1.0～1.1) MPa的环境下测试，15天后从测试管中取出试件，发现各试件从颜色、形状、质量等各方面均无明显变化，R290与钢、铜、润滑油等材料有良好的相容性。

2 R290管内流动沸腾换热

2.1 管内流动沸腾换热简述

制冷剂在管内的沸腾换热过程，是一种流体由液相转变为气相的两相流换热。换热性能与蒸发热流密度、饱和温度、工质质量流速、含油率、气相干度等因素有关[13]。而在实际应用中，沸腾换热通常是在流动状态下进行的，因此其换热机理更为复杂。

1966年CHEN[14]在理论上对流动沸腾进行研究分析，得出流动沸腾是对流换热和管内沸腾共同作用的一种传热方式。由于管内沸腾是在有限空间内进行，沸腾产生的蒸汽和液体混合在一起，构成气液两相混合物（两相流）。影响沸腾传热过程的因素很多，流体物性、加热表面性质和粗糙程度、液体对表面的润湿性以及操作压力和温度差等均会对馆内沸腾传热造成影响；而对流换热是无气泡产生，通过壁面上液膜进行传热的一种换热方式[15]。此后，很多研究者根据这一理论基础对工质管内沸腾换热特性进行研究，依据各种工质的大量试验数据和理论分析，提出了多种类型的流动沸腾传热关联式。

2.2 R290沸腾换热特性及关联式研究

由于管内流动沸腾换热过程的多变性与复杂性，通过多次实验之后得到的大量数据，并结合工质物性和试验工况来拟合得到通用关联式，是获得沸腾传热过程的流动压降和换热系数的常用方法[16]。在实际工程应用计算时，只需要知道工质的物性参数、运行工况等信息，通过改变相应关联式中的参变量即可得出换热系数。但由于换热过程极其复杂，现有实验条件的限制等因素，目前各种关联式都是基于一种工质或其混合物在有限的工况条件下的实验数据进行分析修正得到，并不能广泛应用于其他工质及工况条件。因此，国内外许多研究者正在不懈努力找到更合适的通用关联式。

WEBB等[17]研究了已有关联式之间的联系和规律，将其分为3种类型：增强型、叠加型和渐进型。每种类型都有特殊的方程形式以及一些典型的关联式，如表2所示。

表2 流动沸腾关联式分类

1996年，THOME[27]提出在单工质预测关联式中加入一个混合物修正因子Fc，即可适用于非共沸混合物流动沸腾换热系数的预测。

以GUNGOR和WINTERTON关联式为例，在增强因子F中加入混合因子Fc，以表示混合物对换热的影响：

根据这种计算方式，结合工质本身物性并考虑到压力的影响，2010年ZOU等[28]对R170/R290混合物在水平管内的饱和流动沸腾传热系数进行了实验研究。实验是在3种不同（0.35 MPa～0.57 MPa）的饱和压力下进行，质量流量为(63.6～102.5) kgm-2S-1，热流量密度(13.1～65.5) kWm-2。结果表明，与单工质相比，混合物的流型转换需要更大的质量流量。改进后的混合因子为：

上式中，C1、C2、C3分别是通过实验数据得出的经验常数。此外，本研究还分别用叠加型和渐进型关联式对这两种R290混合物进行预测，得到的偏差分别是10.41%和16%。

已有常用的对流换热系数和核态沸腾换热系数的公式为：

其中(5)式为DITTUS-BOELTER[29]对流换热公式，公式(6)为COOPER[30]核态沸腾传热公式，这两种传热公式适用于多种预测关联式。

SHAH[18]在1976先以图表的形式提出了增强模型，后又将其改进并公式化，其关联式形式如表3所示。叠加模型中换热系数是核态沸腾和对流蒸发两种传热形式各自传热系数的一种算术相加，以GUNGOR和WINTERTON[19]（1986）（表3）的公式为例。GUNGOR和WINTERTON关联式中，S为抑制因子，F为增强因子，B0为沸腾准则数。大量的实验研究结果发现，随着沸腾换热过程的进行，核态沸腾传热强度不断减弱，对流蒸发传热逐渐增强，S和F因子则是为了反映这一现象而特别被引入的修正系数；渐进模型是一种指数形式的公式。1991年，LIU和WINTERTON[23]提出一个基于管内过冷和饱和流动沸腾的关联式，是最具代表性的渐进型关联式（见表3），其中hnb和hce同样采用式(5)和式(6)进行计算。

表3 各关联式及其表达式

韩晓霞[31]使用内螺纹强化管搭建的实验装置对R290的沸腾换热特性进行研究，通过对比多种预测关联式的计算值和实验数据发现：YU-KOYAMA[32]关联式（见表4）乘以修正系数后的预测精度更高。管内沸腾换热性能的提升，在工质上：质量流速越小其换热效果越好；在管型上：可以主要从减小齿片距、增加齿高、减少齿数等方面进行入手。而管型的改变又会影响沿程阻力和压降，因此，需更进一步的研究内螺纹强化管的换热机理，开发出更具性价比、换热性能更好的强化管。

表4 Yu-Koyama关联式

FERNANDO[33-35]等对R290在小通道铝管换热器中的换热性能做了实验研究，结果表明：蒸发温度升高，换热系数随之增大。在过热区和过冷区，通过预测关联式计算得出的换热系数比实验值小，但经过修正之后的关联式仍可以预测实验换热系数。

荷兰DELET大学制冷与室内气候控制实验室对R290在几种使用最为广泛的9.52 mm的内螺纹管、微肋管和光管内进行冷凝换热的实验研究，并与已有的常用预测关联式的计算结果进行对比，发现预测值与实验结果相差无几。

EROL[36]利用第二热力学定律对R290及混合物在制冷系统的各热力设备中的换热性能进行热力分析，指出制冷剂的冷凝器中的不可逆损失是最大的。杨鹏[37]在不同蒸发温度（-5 ℃、0 ℃、5 ℃）和不同含油浓度（0.43%、3.24%、5.28%）下对R290-Suniso3GS含油混合物在水平微肋管内的流动沸腾换热特性进行了研究，指出平均换热系数随质量流速增大而增大，随含油浓度增大而逐渐减小。且随着质量流速的增大，管内压降随之增大，微肋管的增大速率比光管更快；且润滑油的加入对R290管内流动沸腾换热的压降影响不大。

周鑫等[38]对多种常用的预测关联式进行了较详细的论述，并结合许多实验数据和关联式的计算结果一一比较，发现现有的关联式在通用性和准确度上仍然存在许多缺陷，而应用于一些非常规工质和工况条件下的预测偏差更大。由此可见，虽然对管内沸腾换热特性及其关联式研究的很多，也得到了不少研究成果，但为了更深入细致了解管内流动沸腾换热机理和更准确、更通用的预测关联式，研究者还需不懈努力，不断挖掘新的突破口。

4 R290应用研究

肖友元等[39]和肖洪海等[40]根据R290的热力性质对使用R290空调器的优化设计进行了实验，主要考虑制冷压缩机、蒸发器、冷凝器的改进，结果表明，R290的汽化潜热值约为R22的1.84倍，且R290分子量小可大大减小系统回路的沿程阻力，宜使用紧凑式换热器；R290充注量为原系统充注量的50%时，制冷量达到最大。如果对系统的毛细管、回热循环等方面R290的热力性质进行性能匹配，则系统的制冷效果更佳。冯永斌等[41]对R290在3HP商用空调中蒸发器内的流动和换热特性进行了研究，指出，在一定条件下，蒸发器的换热量、质量流量和压降随环境相对湿度的增加而增加，在20%～30%相对湿度的环境下，显热换热占主要部分，而随着相对湿度的增大，潜热换热逐渐增强并起主导因素。

梁宾等[42]以R290、R32和R410A这3种制冷剂替代物作为研究对象，从安全性评价、环境友好性评价、实验验证评价和热工性能评价等多方面进行分析总结，指出，R290的综合性能由于R32和R410A，适合作为长期替代制冷剂进行更为广泛和深入的研究。王玄坤等[43]将碳氢化合物及其混合物应用到小型商业冷柜中进行研究，发现在同等条件下，R290及其二元混合工质完全可以达到R404A的制冷效果。KHALID等[44]一直在致力于发现能够替代汽车空调制冷剂的工质，经过研究发现，应用R290的汽车空调的不同环境温度、汽车运行速度和冷负荷下的压缩机功率、吸排气温度和压力、COP值等性能表现优越。

DALKILIC等[45]对以R290及其混合物作为制冷剂的系统进行研究发现，蒸发温度在-30 ℃～10 ℃，冷凝温度为50 ℃时，R290与R1270的混合物（质量分数比为20/80）作为替代制冷剂的质量效果最好。梁杰荣等[46]研究R290空调器中制冷剂在各个部件的分布及沿程阻力损失的情况，结果发现，冷凝器中储存了大部分的制冷剂（占62%），而沿程阻力损失主要发生在蒸发器、气相管和液相管。

张战等[47]对原R22制冷系统做了简单改造，使用R290冷媒作为替代工质进行了兼容性实验测试。结果表明，经调整后的空调机使用R290作为制冷剂时有更好的制冷效果，可同时达到节能与环保的要求，COP值比R22系统高12%左右。实验测试中的各对比参数如表5。

表5 R290和R22的实际制冷循环性能参数的对比情况

综上所述，虽然R410A目前已经作为主流冷媒在空调器中得到广泛应用，但是由于GWP值极高，且其高冷凝压力对压缩机等部件的要求也非常严格，增加了材料成本等这些因素都阻碍了R410A作为长久替代制冷剂的发展。而R290各项物理性能优越，是天然存在的ODP值为0和GWP值仅为20的环保型工质，可作为长久冷媒在制冷系统中应用。从微观看，R290制冷剂在空调器中的性能研究已经到了非常深入细致的层面，人们对R290空调器的各种表现也有了较为全面的认识；从宏观看，以R290为冷媒的制冷装置市场应用前景非常广阔，国内外众多空调企业都在紧锣密鼓的研发和批量生产相关产品，市场普及的进程也在不断加速。

5 总结与展望

R290各项热力性质优越、单位容积制冷量较大、空调设备外型尺寸小，对环境保护、节约能源有着很好的应用前景。本文通过分析总结大量前人的研究成果，论述了多种适用于计算R290及混合物管内流动沸腾换热系数的预测关联式。结果表明，SHAH关联式对R290在光管内的沸腾流动换热系数预测精度较高，而修正后的YU-KOYAMA关联式可较好预测R290在内螺纹管中的沸腾换热系数。为后续进一步的研究R290的性质有一定的指导意义。

R290目前还未大规模应用，是因为其易燃易爆性仍未得到有效的解决，这是它普及的最大障碍。但通过大量理论和实验研究发现，只要采取相应的安全预防措施，在制冷系统中使用R290是可行的。各制冷企业也应在这方面加大研发力度，仔细优化充灌量，在安装、维修、售后以及火灾等方面还逐步完善，不断改进优化产品。凭借众多研究成果和经验对R290冷媒空调的技术支持、环保补贴政策的执行落实以及各大制冷企业量化生产线的基础支持和对市场化开拓的投入等，R290将很快成为制冷空调行业的主流冷媒。

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Latest Research Progress of Hydrocarbon Refrigerant R290

QIN Yan-bin*1, ZHANG Hua1, QIU Jin-you1, WANG Xi2
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2-Haier Group Technology Research and Development Center, Qingdao, Shandong 266061, China)

Propane (R290) is a kind of pure natural hydrocarbon refrigerants, whose ODP value is 0 and GWP value is only 20. Due to the advantages of fluorine-free and low-carbon, propane has more potentials than the HFCs refrigerant such as R410A. Based on the domestic and foreign-related research results, correlations to predict the flow boiling heat transfer are introduced. This paper discusses the present application and deficiencies of R290 and provides some theoretical value and direction for further investigation and design.

R290; R410A; Boiling heat transfer; Hydrocarbon refrigerant; Alternative

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.202

*秦延斌（1991-），男，在读硕士研究生。研究方向：新型制冷剂。联系地址：上海市杨浦区军工路516号，邮编：200093。联系电话：021-55275542。E-mail：qyb110714@163.com。

国际科技合作项目（No.2012DFR70430）