帶經(jīng)濟(jì)補(bǔ)氣的R32制冷／熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

許樹(shù)學(xué)

（北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)能學(xué)院制冷實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

當(dāng)前，以R410A和R407C為代表的氫氟烴（HFC）類工質(zhì)，具有優(yōu)良的熱力學(xué)性能，而被當(dāng)作R22的主流替代物使用。但因其具有較高的全球變暖潛能值（GWP），而同樣面臨著被替代的命運(yùn)。碳?xì)浠衔铮ㄈ鏡290和R1270）的ODP值為0，GWP值較低，從技術(shù)和熱力性能的角度看是一種很理想的制冷劑替代物，但易燃易爆阻礙了其推廣使用，如，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 34和prEN378將R290的可燃性列為第三類。R32作為R410A的主要組成部分，與R410A性質(zhì)相似，ODP值為0，GWP低，價(jià)廉，而被認(rèn)為是較好的R22短期替代物[1]?；旌瞎べ|(zhì)以R32為組成成分，能提高熱力學(xué)性能或降低可燃性。M.H.Barley et al.[2]報(bào)道了蒸發(fā)溫度在－30°C及以上范圍的二元混合物R32／R125、R32／R143a及R32／Rl34a的汽—液平衡數(shù)據(jù)；Jianlin Yu et al.[3]將 R32／R290混合物用在小型熱泵系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在較高COP的前提下可制取高于90°C的熱水；一些研究者對(duì)R32／R134a的二元混合物進(jìn)行了研究[4–6]。X.H.Han et al.[7]做了三元混合物R32／R125／R161替代R407C的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在不同的工況下，混合物的壓比及能耗均小于R407C，制冷量和性能系數(shù)也有優(yōu)勢(shì)；B.O.Bolaji et al.[8]對(duì) R152a和 R32在家用小型制冷設(shè)備中替代R134a進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示R152a的EER在三者中最高，R32的EER要比R134a低8.5%；Jiang tao Wu et al.[9]研究了質(zhì)量比率為48／18／34三元混合物R152a／R125／R32替代R22的性質(zhì)，并通過(guò)可燃、爆炸實(shí)驗(yàn)證明安全性。經(jīng)濟(jì)補(bǔ)氣系統(tǒng)（EVI系統(tǒng)）能有效地改善制冷／熱泵系統(tǒng)的性能，如，降低寒冷地區(qū)熱泵的排氣溫度，提高系統(tǒng)的制熱或制冷性能系數(shù)等。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)氣的研究有相當(dāng)數(shù)量的論文發(fā)表，包括系統(tǒng)的型式、不同類型壓縮機(jī)的補(bǔ)氣特征、補(bǔ)氣的狀態(tài)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響等[10–13]。Xing Xu et al.[14]系統(tǒng)地總結(jié)了經(jīng)濟(jì)補(bǔ)氣技術(shù)，認(rèn)為閃發(fā)器和帶補(bǔ)氣口的渦旋壓縮機(jī)是EVI系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩大關(guān)鍵點(diǎn)。Wang X.D et al.[15]做了以 R410A 為工質(zhì)的EVI系統(tǒng)運(yùn)行性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在環(huán)境溫度為17.8℃的條件下，制熱量和制熱性能系數(shù)分別提高30%和20%。

筆者設(shè)計(jì)了以R32為工質(zhì)的EVI制冷／熱泵系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，找出HFC類工質(zhì)的直接灌注式替代物R32的EVI系統(tǒng)工作特性，補(bǔ)氣對(duì)其性能的影響規(guī)律，為R32的大規(guī)模推廣運(yùn)用提供技術(shù)支持。

1 EVI系統(tǒng)

本文研究的EVI系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖1所示，該EVI系統(tǒng)亦稱過(guò)冷貯液器系統(tǒng)[12]。工作過(guò)程如下：出冷凝器的高壓制冷劑在過(guò)冷貯液器內(nèi)分為上部的飽和氣態(tài)和下部的過(guò)冷液態(tài)，飽和氣態(tài)從過(guò)冷貯液器的上部流出，通過(guò)節(jié)流閥的節(jié)流降壓變?yōu)橹虚g壓力，通過(guò)壓縮機(jī)的輔助進(jìn)氣口補(bǔ)入到壓縮機(jī)內(nèi)。

壓縮機(jī)的質(zhì)量和能量守恒方程為

過(guò)冷貯液器的質(zhì)量和能量守恒方程

上式中，m——制冷劑質(zhì)量流量，kg／s；

t——溫度，℃；

p——壓力，MPa；

P——功率，kW；

h——焓，kJ／kg；

Qs——從環(huán)境吸收的熱量，kW；

1，2，3…6——圖1中的狀態(tài)點(diǎn)。

圖1 EVI系統(tǒng)

圖2所示為EVI系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)氣過(guò)程，由圖2可知，與普通機(jī)組中的高壓儲(chǔ)液器不同，過(guò)冷貯液器的安裝位置高于冷凝器。工作時(shí)，液體主要儲(chǔ)存在過(guò)冷貯液器下部，上部閃發(fā)出來(lái)的氣態(tài)制冷劑吸收液體中的或來(lái)自環(huán)境的熱量，造成液體的過(guò)冷。比如，m1＝12g／s，從過(guò)冷貯液器中閃發(fā)出的氣體流量為m＝2g／s，焓值h＝512.7kJ／kg，從環(huán)境中吸收的熱量為Qs＝0.3kJ，計(jì)算可得獲得閥前液體過(guò)冷度為8℃。從式（1）–（5）可以看出，當(dāng)補(bǔ)入壓縮機(jī)中的氣態(tài)制冷劑具有較低焓值時(shí)，能降低壓縮機(jī)的排氣溫度及輸入功率。對(duì)于制冷和熱泵，補(bǔ)氣的影響是不同的。當(dāng)作為制冷使用時(shí)，主路節(jié)流閥前液體過(guò)冷增加了制冷量，但補(bǔ)氣也會(huì)減小流經(jīng)蒸發(fā)器的制冷劑流量，削減制冷量。作為制熱使用時(shí)，補(bǔ)氣始終增加壓縮機(jī)排氣量，使得制熱量必然增加。因此，補(bǔ)氣對(duì)系統(tǒng)性能的影響要取決于系統(tǒng)的工況（制冷還是制熱）以及補(bǔ)氣的參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置與文獻(xiàn)[12]相同。如圖3所示，包括冷卻水系統(tǒng)及乙二醇—水溶液冷凍水系統(tǒng)及制冷系統(tǒng)。帶補(bǔ)氣口的渦旋壓縮機(jī)由市場(chǎng)所購(gòu)成品機(jī)改裝而成。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)出水溫度、流量及制冷系統(tǒng)中手動(dòng)節(jié)流閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組不同的運(yùn)行工況。

圖2 經(jīng)濟(jì)補(bǔ)氣過(guò)程示意圖

壓縮機(jī)的基本性能參數(shù)如下：

理論容積吸氣量為80cm3／rev；額定輸入功率為4.55kW；額定轉(zhuǎn)速為2800r／min；電參數(shù)為3相，380V

實(shí)驗(yàn)工況：冷凝溫度40℃、45℃，吸氣過(guò)熱度10℃，制冷工況下蒸發(fā)溫度to設(shè)定為5℃和7℃，制熱工況下to設(shè)定為－10℃，－5℃和0℃。為使機(jī)組更接近實(shí)際情況運(yùn)行，設(shè)定恒進(jìn)水溫度及流量工況，具體數(shù)值如表1所示。

表1 恒進(jìn)水溫度及流量工況

為方便比較，給出相對(duì)補(bǔ)氣壓力δ的定義：

式中，δ——相對(duì)補(bǔ)氣壓力，無(wú)量綱；

pm——中間壓力 ，MPa；

po——蒸發(fā)壓力，MPa；

pk——冷凝壓力，MPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 制冷工況

圖3 以R32為工質(zhì)的EVI系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

制冷量Qo及制冷性能系數(shù)EER隨相對(duì)補(bǔ)氣壓力δ的變化如圖4所示。由圖可知，Qo及EER均隨δ的增加而減小。如當(dāng)蒸發(fā)溫度為5℃，冷凝溫度為40℃時(shí)，δ從1.04變化至1.38，Qo從23.13kW降低至22.22kW，降低4.0%，同時(shí)制冷EER從3.68降至3.27，降低約11.1%。隨著冷凝溫度的升高，Qo及EER隨δ的變化趨緩，當(dāng)蒸發(fā)溫度保持不變，冷凝溫度為45℃時(shí)，Qo及EER隨δ的降低幅度分別為1.5%和9.8%，這說(shuō)明補(bǔ)氣量的增加隨中間壓力升高逐漸變小，這是補(bǔ)氣口大小不能調(diào)整造成的。當(dāng)tk＝45℃，to＝7℃且δ≤1.25時(shí)，由于壓縮機(jī)的排氣溫度過(guò)高而不能工作，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺失。與SS系統(tǒng)相比，EVI系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)EER均低于SS系統(tǒng)，最大相差約15%，隨著冷凝溫度的升高和δ的降低，二者差別逐步減小，當(dāng)tk＝45℃，δ＝1時(shí)，二者幾乎相等，這說(shuō)明，較高的tk及較小的δ下補(bǔ)氣對(duì)制冷性能改善較明顯。制冷量根據(jù)工況和相對(duì)補(bǔ)氣壓力的不同高于或低于SS系統(tǒng)，如圖4a、c所示，工況為tk＝45℃，to＝5℃時(shí)，δ低于1.25，EVI系統(tǒng)的Qo高于SS系統(tǒng)，最高為20.2kW，而SS系統(tǒng)僅為19.4kW，高出約3%；當(dāng)tk＝45℃，to＝7℃時(shí)，δ低于1.14，EVI系統(tǒng)的Qo高于SS系統(tǒng)，最大差別為4.3%。即，當(dāng)冷凝溫度tk及蒸發(fā)溫度to處在相對(duì)高的水平時(shí)，EVI系統(tǒng)的制冷性能較優(yōu)。正如2節(jié)所述，閃發(fā)補(bǔ)氣降低了蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的流量，但同時(shí)造成主節(jié)流閥前液體過(guò)冷，因此，EVI系統(tǒng)的制冷量會(huì)降低或升高，這取決于補(bǔ)氣量的大小，對(duì)于制冷性能來(lái)說(shuō)，EVI系統(tǒng)存在一個(gè)適宜的補(bǔ)氣量或中間壓力值。

圖4 制冷性能隨δ的變化規(guī)律

制冷工況下壓縮機(jī)排氣溫度隨相對(duì)補(bǔ)氣壓力δ的變化如圖5所示。與單級(jí)壓縮系統(tǒng)類似，在較高的冷凝溫度及較低的蒸發(fā)溫度下，壓縮機(jī)排氣溫度高。冷凝溫度較高時(shí)（如冷凝溫度高于45℃，蒸發(fā)溫度5℃），單級(jí)系統(tǒng)的排氣溫度很快會(huì)超過(guò)130℃。補(bǔ)氣后的系統(tǒng)在各制冷工況下排氣溫度穩(wěn)定，且沒(méi)有超過(guò)110℃。

圖5 制冷工況下排氣溫度隨δ的變化規(guī)律

3.2 制熱工況

制熱量Qk及制熱性能系數(shù)COP隨相對(duì)補(bǔ)氣壓力δ的變化如圖6所示。隨著δ的增大，制熱量Qk有小幅度的增加，而COP降低。當(dāng)to為0℃時(shí)，δ從0.98增加到1.41，Qk從21.96 kW 增加至22.4kW，Qk變化率僅為4.5%；當(dāng)to＝－10℃，Qk的增加率約為2.0%，這說(shuō)明to降低到一定程度，補(bǔ)氣量隨中間壓力變化而趨于不變，這是因?yàn)檠a(bǔ)氣壓一定，當(dāng)其內(nèi)外壓差大到一定程度后，補(bǔ)氣口的流動(dòng)處于臨界狀態(tài)，流量不再隨前后壓差變化而變化。當(dāng)冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度從－10℃升到0℃時(shí)，EVI系統(tǒng)Qk高出SS系統(tǒng)約4%～6%。當(dāng)蒸發(fā)溫度較高時(shí)，EVI系統(tǒng)的制熱COP一般低于SS系統(tǒng)，而當(dāng)蒸發(fā)溫度較低時(shí)會(huì)出現(xiàn)制熱COP高于SS系統(tǒng)的情況。比如，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于－10℃且δ低于1.3時(shí)，EVI系統(tǒng)的COP大于SS系統(tǒng)，最大高出3%。當(dāng)冷凝溫度為45℃時(shí)，由于SS系統(tǒng)的排氣溫度很快會(huì)超過(guò)130℃，即便補(bǔ)氣管路的閥門全開(kāi)，機(jī)組也不能長(zhǎng)時(shí)間工作，因此相關(guān)數(shù)據(jù)缺失。

圖6 制熱性能隨δ的變化規(guī)律（tk＝40℃）

制熱工況下壓縮機(jī)排氣溫度隨相對(duì)補(bǔ)氣壓力δ的變化如圖7所示。各制熱工況下的排氣溫度變化趨勢(shì)與制冷工況相同，但總體高出15～20℃，即制熱工況下的排氣溫度問(wèn)題更應(yīng)引起關(guān)注。EVI系統(tǒng)使排氣溫度控制在125℃以下，保證了系統(tǒng)在蒸發(fā)溫度低于0℃（冷凝溫度為40℃或45℃）時(shí)的正常工作。由圖6－7可知，若增加制熱量并降低排氣溫度，相對(duì)補(bǔ)氣壓力δ要大，而要提高制熱COP，相對(duì)補(bǔ)氣壓力δ要小，兼顧制冷、制熱性能及排氣溫度可知，較適宜的相對(duì)補(bǔ)氣壓力范圍為1.1～1.3。

圖7 制熱工況下排氣溫度隨δ的變化規(guī)律

3.3 恒進(jìn)水溫度及流量工況

恒進(jìn)水溫度及流量制冷／制熱性能隨δ的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8（a）可知，補(bǔ)氣與不補(bǔ)氣相比，制冷量Qo及制冷性能系數(shù)EER變化不大，原因是補(bǔ)氣造成膨脹閥前液體過(guò)冷，但也使蒸發(fā)器中制冷劑的流量降低。對(duì)于壓縮機(jī)，補(bǔ)氣既提高壓縮效率，降低單位工質(zhì)的壓縮功，又使壓縮機(jī)排氣量增加，增加壓縮機(jī)的消耗功量。圖8（b）所示為恒定進(jìn)水溫度及流量工況下，制熱性能隨相對(duì)補(bǔ)氣量δ的變化規(guī)律。由圖可知，Qk隨δ的增加提高約2.5%，相對(duì)SS系統(tǒng)高出約5%，制熱性能系數(shù)COP基本保持不變，原因是補(bǔ)氣提高了制熱量的同時(shí)也引起了壓縮機(jī)輸入功率相同幅度的提高。圖8也進(jìn)一步證明了在相對(duì)補(bǔ)氣壓力1.1～1.3范圍內(nèi)可以同時(shí)獲得較優(yōu)的制冷及制熱性能。

圖8 恒進(jìn)水溫度及流量制冷／制熱性能隨δ的變化規(guī)律

圖9所示為由SS系統(tǒng)切換至EVI系統(tǒng)后，在恒進(jìn)水溫度及流量工況下，系統(tǒng)部件進(jìn)出口壓力的分布狀況。圖9（a）和圖9（b）顯示，壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等主要部件的進(jìn)出口壓力上升。如，排氣壓力（約為冷凝壓力）從2.46MPa上升至2.53MPa，相應(yīng)的冷凝溫度從39.7℃上升至40.8℃；吸氣壓力（約為蒸發(fā)壓力）從0.96MPa上升至0.98MPa，蒸發(fā)溫度從5.2℃上升至6.0℃。其原因是：當(dāng)一定比例的制冷劑補(bǔ)入到壓縮機(jī)后，壓縮機(jī)的排氣量的上升，儲(chǔ)存在冷凝器中的制冷劑量增加而使冷凝壓力上升，同時(shí)節(jié)流機(jī)構(gòu)的開(kāi)度不變，瞬時(shí)高壓差使蒸發(fā)器中的制冷劑量增加導(dǎo)致蒸發(fā)溫度上升。運(yùn)行一段時(shí)間后，環(huán)境與系統(tǒng)、系統(tǒng)內(nèi)部達(dá)到傳熱傳質(zhì)平衡，系統(tǒng)在另一較高蒸發(fā)及冷凝溫度工況下運(yùn)行。由此指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)EVI系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大儲(chǔ)液器的體積，或加大換熱器的換熱面積，由此消除補(bǔ)氣帶來(lái)的系統(tǒng)壓力升高。

圖9 經(jīng)濟(jì)補(bǔ)氣后各部件的壓力分布

4 結(jié) 論

對(duì)以R32為工質(zhì)的EVI制冷／熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

1）EVI系統(tǒng)可明顯降低以R32為工質(zhì)的單級(jí)制冷／熱泵系統(tǒng)的排氣溫度，保證機(jī)組在高蒸發(fā)溫度制冷工況及低蒸發(fā)溫度的制熱工況下長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行。

2）通過(guò)優(yōu)化后的EVI系統(tǒng)，制冷量和制冷EER可以接近或優(yōu)于SS系統(tǒng)，制冷量可高4%，EER最大降低15%；制熱量高于SS系統(tǒng)4～6%，制熱COP可以接近或高于SS系統(tǒng)3%。

3）當(dāng)EVI系統(tǒng)運(yùn)行在恒定進(jìn)水溫度及流量工況時(shí)，蒸發(fā)溫度及冷凝溫度升高0.8～1℃，制熱量提高5%，制冷量、制冷EER及制熱COP基本保持與SS系統(tǒng)不變，EVI系統(tǒng)應(yīng)適當(dāng)增大儲(chǔ)液器或增加冷凝／蒸發(fā)器換熱面積。

4）綜合考慮制冷及制熱性能，δ的適宜值范圍為1.1～1.3。

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