家用空調(diào)器中R1270替代R22的性能試驗(yàn)研究

林 崐金聽祥, 張 靜尤順義劉 陽鄭祖義

(1廣東志高空調(diào)有限公司 南海 528244；2鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 鄭州 450002)

臭氧層破壞和全球變暖已成為日益嚴(yán)峻的全球環(huán)境問題，制冷劑對環(huán)境的破壞問題已受到人們的廣泛關(guān)注，作為蒙特利爾協(xié)定及其修正案中首批禁用的物質(zhì)，R22替代制冷劑的研究工作勢在必行，世界各國都致力于尋找一種性能優(yōu)良的替代制冷劑。目前，針對R22的替代方案主要有兩種:一種是HFC類，為人工合成制冷劑，以R410A和R407C為代表；另一種是HC類，是碳?xì)浠衔?，屬于自然制冷劑。從環(huán)境保護(hù)角度來看，HFC類和HC類的臭氧消耗潛能值(ODP)都為零，但是HFC類的全球變暖潛能值(GWP)仍然較大，而HC類的全球變暖潛能值(GWP)基本為零[1-3]。為此，一些學(xué)者對HC類制冷劑R290(丙烷)和R1270(丙烯)在小型空調(diào)和冰箱上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。西安交通大學(xué)任挪穎等人分析和比較了R1270、R22和R290的熱物理性質(zhì)和熱力學(xué)循環(huán)性能，認(rèn)為R1270替代R22可以在一定程度上改善系統(tǒng)的運(yùn)行特性[4-6]。為了使R1270能夠在小型制冷系統(tǒng)中大大規(guī)模使用，這里通過R1270的物理性能分析和在家用空調(diào)中性能試驗(yàn)來分析R1270在家用空調(diào)中替代R22的可行性。

1 R1270與R22的熱物理性能比較

從表1中可以看出，R1270的臨界溫度、標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)與R22相近，由此看出，R1270的主要物理性質(zhì)與R22的也比較相近。R1270的汽化潛熱約為R22的1.88倍，在相同條件下，可以釋放出更多的潛熱，因此，在相同制冷量下，可減少制冷劑的循環(huán)量。R1270氣態(tài)和液態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)都高于R22，可改善壓縮機(jī)的散熱條件，同時(shí)提高冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，同樣制冷量情況下，所需蒸發(fā)器的傳熱面積小，這樣可以使系統(tǒng)更加緊湊，節(jié)約金屬材料。R1270飽和液體的比熱是R22的2.12倍，這可以減少制冷劑的充灌量。R1270飽和液體和飽和氣體的黏度都小于R22，這使得R1270在制冷系統(tǒng)中的流動阻力小，容易增加紊流，減小運(yùn)送流體的功耗。

表1 R22和R1270主要熱物性參數(shù)比較[7]Tab.1 Comparison of thermal properties of R22 and R1270

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)機(jī)型

選用志高KFR-25GW/VD為試驗(yàn)機(jī)型，原設(shè)計(jì)工質(zhì)為R22，壓縮機(jī)為松下2P15S225 CZB，壓縮機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，蒸發(fā)器和冷凝器的相關(guān)參數(shù)如表3和4所示。

表2 壓縮機(jī)參數(shù)Tab.2 The parameter of compressor

油量/mL 350輸入功率/W 765制冷量/W 2450能效比 3.144

表3 蒸發(fā)器相關(guān)參數(shù)Tab.3 The parameter of evaporator

表4 冷凝器相關(guān)參數(shù)Tab.4 The parameter of condenser

2.2 試驗(yàn)工況和方法

為了比較制冷劑性能，試驗(yàn)應(yīng)該在完全相同的條件下進(jìn)行?？紤]到R1270的液態(tài)和氣態(tài)傳熱系數(shù)都比R22高，在相同制冷量情況下，所需換熱面積小，因此，針對R1270的試驗(yàn)系統(tǒng)除了與R22相同之的系統(tǒng)配置外，還準(zhǔn)備了管徑為5mm的蒸發(fā)器和冷凝器樣機(jī)系統(tǒng)。試驗(yàn)工況為國標(biāo)額定制冷工況:室內(nèi)27/19℃，室外35/24℃。性能試驗(yàn)在按GB/T7725-2004[8]的要求建成的房間空調(diào)器試驗(yàn)測試室進(jìn)行，測試方法為空氣焓值法。試驗(yàn)時(shí)分別測試充灌R22和R1270的空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，然后對測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。制冷劑質(zhì)量稱量是通過精確度為0.1g的電子天平來進(jìn)行的。

2.3 試驗(yàn)程序

1)在充灌制冷劑之前，系統(tǒng)抽真空2～3小時(shí)，真空度應(yīng)低于20Pa。

2)開機(jī)運(yùn)行過程中，對于R22和R1270來說，制冷劑都是以氣體從壓縮機(jī)入口充灌。

3)當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)超過1小時(shí)后，記錄數(shù)據(jù)30秒/次，記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間應(yīng)超過30分鐘。

3 結(jié)果與討論

在國標(biāo)制冷工況下測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。從表5中可以看出，針對R22和R1270制冷系統(tǒng)的COP、制冷量、壓縮機(jī)消耗功率、排氣溫度、壓力比和制冷劑充灌量被測量。下面將針對被測量的這些系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行R22和R1270的對比分析。

3.1 制冷能效比對比

在家用空調(diào)系統(tǒng)中，能效比是衡量系統(tǒng)是否節(jié)能的一個重要指標(biāo)。正因?yàn)槟苄П热绱酥匾?，首先比較R22和R1270系統(tǒng)的能效比，從表5中可以明顯看出，在相同條件下，R1270制冷系統(tǒng)的能效比要比R22高4.3%。這主要是由于R1270高的換熱效率，使得其壓力比要于R22壓力比低22.6%，低的壓力比可以降低壓縮機(jī)的輸入功率，這一點(diǎn)可以從表5中看到，R1270系統(tǒng)消耗功率比R22系統(tǒng)消耗功率少15W。

考慮到R1270的液態(tài)和氣態(tài)傳熱系數(shù)都比R22高，R1270的汽化潛熱約為R22的1.88倍。還減小換熱器體積，把管徑從7mm變?yōu)?mm，準(zhǔn)備了管徑為5mm的蒸發(fā)器和冷凝器樣機(jī)系統(tǒng)針對R1270進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表中可以看出，換熱器體積減小后，制冷量基本接近，但R1270制冷系統(tǒng)的能效比要比R22高12.3%，能效等級從國標(biāo)3級提高到2級，甚至接近1級。這說明在能效方面，R1270可以作為R22的替代工質(zhì)，并且可以達(dá)到節(jié)能和節(jié)材的效果。

表5 國標(biāo)制冷工況下R22和R1270的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 The experimental data of R22 and R1270 in chinese standard condition

3.2 制冷能力比較

制冷能力同系統(tǒng)能效比一樣重要，從表5中可以看出，R1270的制冷量比R22提高了1.15%，制冷量基本一樣，這說明R1270在制冷能力方面也可以替代R22。

3.3 制冷劑充灌量比較

在飽和液態(tài)下，R1270的密度要比R22低很多，R1270的密度僅為R22的51.2%，液體密度的大小會直接影響制冷劑的充灌量。這一點(diǎn)可以從表5中看出，相同條件下，R1270的充灌量為360g，僅為R22充灌量的41%，比R22的充灌量減少了59%。

3.4 排氣溫度比較

作為R22的替代工質(zhì)，和考慮制冷劑與潤滑油的穩(wěn)定性一樣，系統(tǒng)壽命和可靠性也需要考慮。而系統(tǒng)壽命和可靠性直接反映在壓縮機(jī)排氣溫度。從表5中可以看出，R1270的排氣溫度比R22降低了8℃左右。R1270的飽和液體和氣體的動力黏度系數(shù)都比R22小，黏度系數(shù)小可以減少流體與管壁以及流體內(nèi)部的摩擦損失，減少功耗。另一方面，降低排氣溫度可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

通過分析R1270的熱物理性質(zhì)，并針對其在家用空調(diào)中的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)研究和對比分析，可以得出如下結(jié)論:

1)在相同條件下，通過對R1270和R22的比較發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)制冷量基本接近，但R1270制冷系統(tǒng)的能效比可以比R22高出4.3%，同時(shí)R1270的充灌量僅為R22充灌量的41%，比R22的充灌量減少了59%。

考慮到R1270的液態(tài)和氣態(tài)傳熱系數(shù)都比R22高，R1270的汽化潛熱約為R22的1.88倍。在滿足制冷量的前提下，減小換熱器體積，把管徑從7mm變?yōu)?mm，利用管徑為5mm的蒸發(fā)器和冷凝器樣機(jī)系統(tǒng)針對R1270進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):R1270制冷量與R22基本一樣，但R1270制冷系統(tǒng)的能效比要比R22高12.3%，同時(shí)R1270的充灌量僅為22充灌量的30.7%，比R22的充灌量減少了69.3%。

2)與R22相比，R1270的排氣溫度可以降低8℃，這可以增加系統(tǒng)壽命和可靠性。R1270制冷系統(tǒng)的制冷量可以滿足原來R22制冷系統(tǒng)，作為R22的替代工質(zhì)是一種好的選擇。

3)R1270在家用空調(diào)中應(yīng)用的主要不足是R1270的可燃性，制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和管路等部件都有可能造成工質(zhì)的泄漏，而溫控器、繼電器和電機(jī)等電器原件都有可能是點(diǎn)燃源。為了保證安全運(yùn)行，家用空調(diào)應(yīng)為封閉的制冷系統(tǒng)，所有的連接管路為焊接，室內(nèi)外機(jī)應(yīng)采用快速連接接頭，所有設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，盡量減少R1270的制冷劑充灌量，將制冷系統(tǒng)和空調(diào)原件分別設(shè)置在不同的空間內(nèi)，冷凝器的風(fēng)扇應(yīng)是壓送空氣，避免泄漏的R1270與風(fēng)扇電機(jī)接觸，室內(nèi)保持經(jīng)常通風(fēng)，由于R1270的密度大于空氣密度，因此室外機(jī)要安裝在地勢低處，以避免R1270在空氣中擴(kuò)散。

(本文受廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2009B09030 0052)資助。The project was suppored by the cooperation project in industry, education and research of Guangdong province and Ministry of Education of P.R.China(2009B09030 0052).)

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