R32制冷系統(tǒng)降低排氣溫度的方法研究

秦 妍 張劍飛

(大連三洋壓縮機(jī)有限公司 大連 116033)

隨著工業(yè)的發(fā)展與制冷技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們關(guān)注制冷產(chǎn)品高能效低成本的同時(shí)，對(duì)環(huán)境友好性的要求越來(lái)越高。特別是《蒙特利爾協(xié)議》中關(guān)于加速淘汰HCFCs的規(guī)定，盡快尋找合適的R22替代制冷劑，在ODP為零的前提下，盡量降低GWP值，是勢(shì)在必行的工作。

R32作為R410A的一個(gè)組成部分，早在上世紀(jì)九十年代就曾被國(guó)內(nèi)廣大學(xué)者所關(guān)注，西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校率先進(jìn)行了R32的飽和蒸氣壓[1]、飽和氣體導(dǎo)熱系數(shù)[2]、飽和液體粘度[3]、熱力學(xué)性質(zhì)[4]的研究，為R32作為替代制冷劑的研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是，由于R32存在安全性的隱患，長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有被應(yīng)用于產(chǎn)品。近年來(lái)，隨著低GWP要求的壓力逐漸增大，ASHRAE對(duì)R32的安全歸類標(biāo)準(zhǔn)從A2級(jí)降至A2L級(jí)，大量研究機(jī)構(gòu)和廠家又對(duì)R32展開(kāi)了性能驗(yàn)證。從風(fēng)冷到水冷，從定頻到變頻，從空調(diào)到熱泵熱水器，展開(kāi)了大量實(shí)驗(yàn)研究和理論分析[5-7]，結(jié)果表明，R32具有較好的應(yīng)用前景。

1 R32的物理特性及循環(huán)特性

R32作為R410A組分的一種，與R410A相比，具有相近的壓力、更好的傳熱性能和較低的粘度的特性。關(guān)于R22、R410A與R32物理特性與循環(huán)特性的具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1和表2

從循環(huán)特性上看，R32與R410A壓力接近，R32的容積制冷量提高10.87%，容積壓縮功增加7.97%，整體能效提升2.69%，但同時(shí)，排氣溫度提高21.97℃，從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果看，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)[5-7]與理論分析接近。理論與實(shí)際測(cè)試結(jié)果證明，R32具有較好的傳熱性能和較高的能效，而能否解決排氣溫度高的問(wèn)題，成為R32在實(shí)際應(yīng)用中廣泛推廣的一個(gè)技術(shù)壁壘。大金公司首先提出通過(guò)控制壓縮機(jī)吸氣干度的方式，以解決排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題。測(cè)試證明，在一定的溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)降低吸氣干度，可以起到降低排氣溫度的作用，同時(shí)通過(guò)了壓縮機(jī)可靠性測(cè)試。但是，從壓縮機(jī)安全性考慮，這種降低吸氣干度的方法對(duì)于壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)存在一定風(fēng)險(xiǎn)?；诖丝紤]，這里從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面分析補(bǔ)氣的方法在降低R32系統(tǒng)排氣溫度方面的效果。

表1 R32、R22及R410A的物理性質(zhì)對(duì)比Tab.1 Physics character comparative of R32, R22 and R410A

表2 R32、R22及R410A循環(huán)特性1)對(duì)比Tab.2 Refrigeration cycle character of R32, R22 and R410A

2 R32系統(tǒng)降低排氣溫度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證R32替代R410A的系統(tǒng)運(yùn)行特性，同時(shí)考察補(bǔ)氣對(duì)R32系統(tǒng)循環(huán)性能及排氣溫度的影響，設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，在焓差實(shí)驗(yàn)室利用5HP空調(diào)器進(jìn)行測(cè)試。圖1是焓差實(shí)驗(yàn)裝置圖，圖2與圖3分別是測(cè)試的制冷系統(tǒng)原理圖及壓焓圖。

圖1 焓差實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Equipment of enthalpy difference experiment

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle picture of experimental system

表3 實(shí)驗(yàn)工況表Tab.3 Experimental conditions

圖3 測(cè)試系統(tǒng)補(bǔ)氣工況壓焓圖Fig.3 p-h picture of gas injecting system

補(bǔ)氣形式的壓縮機(jī)最初是針對(duì)低環(huán)境溫度，大壓比的工況而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。圖2所示測(cè)試系統(tǒng)中，當(dāng)關(guān)閉經(jīng)濟(jì)器前端的截止閥時(shí)，系統(tǒng)為普通制冷循環(huán)；當(dāng)經(jīng)濟(jì)器前端截止閥通電開(kāi)啟時(shí)，系統(tǒng)為補(bǔ)氣系統(tǒng)。從冷凝器B出來(lái)的液體制冷劑一部分節(jié)流后對(duì)系統(tǒng)內(nèi)主路循環(huán)制冷劑進(jìn)行過(guò)冷，然后噴入壓縮機(jī)中間腔對(duì)渦旋盤(pán)進(jìn)行冷卻。圖3中0-2'-3-5'是普通制冷循環(huán)，0-6-1-2-4-5-0是補(bǔ)氣增焓循環(huán)。

普通制冷循環(huán)中，制冷量是：

式中， 為進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量。

補(bǔ)氣增焓循環(huán)中，制冷量是：

兩種循環(huán)中，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量相同，補(bǔ)氣增焓循環(huán)中，蒸發(fā)器入口處?kù)手蹈?，因此補(bǔ)氣系統(tǒng)蒸發(fā)器焓差更大，即冷量較普通循環(huán)大。

在補(bǔ)氣增焓循環(huán)中，由于在壓縮機(jī)中間腔噴入制冷劑氣體，壓縮機(jī)排氣由2'點(diǎn)變化至2點(diǎn)，溫度降低。整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)冷量增加，功率上升，壓縮機(jī)排氣溫度下降。表3是實(shí)際測(cè)試工況設(shè)計(jì)。

2.2 測(cè)試需要解決的問(wèn)題

搭建測(cè)試系統(tǒng)后，主要從三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解決如下問(wèn)題：1) R32系統(tǒng)最佳制冷劑充注量確認(rèn)：根據(jù)COP最大化原則確認(rèn)R32系統(tǒng)的最佳充注量，與R410A系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比；2) R32與R410A系統(tǒng)運(yùn)行特性比較：換熱量、COP、排氣溫度對(duì)比；3) 補(bǔ)氣對(duì)系統(tǒng)排氣溫度及其他運(yùn)行性能的影響。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 R32替代R410A系統(tǒng)充注量測(cè)試

一般觀點(diǎn)認(rèn)為，制冷劑的充注量與分子摩爾質(zhì)量成正比。從現(xiàn)有的研究測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在不改變系統(tǒng)的前提下，R32替代R410A后，制冷劑充注量質(zhì)量百分比在60%～82%左右浮動(dòng)[6-7]。測(cè)試首先根據(jù)COP最大原則確認(rèn)兩種制冷劑最佳充注量，結(jié)果如圖4、圖5。從測(cè)試結(jié)果看，R410A最佳充注量為4.0kg，R32最佳充注量2.9kg，R32大約為R410A的72.5%，與二者摩爾質(zhì)量比71.9%接近。

圖4 R410A制冷劑充注量確認(rèn)測(cè)試Fig.4 Refrigeration charging con fi rm of R410A

圖5 R32制冷劑充注量確認(rèn)測(cè)試Fig.5 Refrigeration charging con fi rm of R32

3.2 R32與R410A系統(tǒng)循環(huán)特性分析

對(duì)被試機(jī)分別充注R32與R410A制冷劑，在空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下對(duì)比兩種制冷劑系統(tǒng)循環(huán)特性，測(cè)試結(jié)果如表4。

從表4數(shù)據(jù)中可見(jiàn)，在空調(diào)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下，R32與R410A相比，前者換熱量高13%，功率高8.89%，COP高4.01%，排氣溫度高25℃，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值接近。

表4 R410A與R32測(cè)試對(duì)比Tab.4 Comparison of R32 and R410A

3.3 補(bǔ)氣對(duì)R32系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響

從上面的測(cè)試結(jié)果可以看到，由于R32替代R410A后，排氣溫度高20℃以上，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況下，排氣溫度尚能滿足壓縮機(jī)工作范圍，在低蒸發(fā)溫度、大壓比的情況下，壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高，將影響其使用壽命，因此引入補(bǔ)氣方式以降低壓縮機(jī)排氣溫度。

圖6 R32在補(bǔ)氣及不補(bǔ)氣條件下?lián)Q熱量改進(jìn)效果圖Fig.6 Capacity comparison of R32 at gas-injection and non-injection

圖7 R32在補(bǔ)氣及不補(bǔ)氣條件下COP改進(jìn)效果圖Fig.7 COP comparison of R32 at gas-injection and non-injection

圖8 R32補(bǔ)氣及不補(bǔ)氣條件下排氣溫度改進(jìn)效果圖Fig.8 Discharge temperature comparison of R32 at gas-injection and non-injection

圖6～圖8是R32系統(tǒng)不同工況下，補(bǔ)氣對(duì)系統(tǒng)性能及排氣溫度的影響。從圖中可以看出，在蒸發(fā)溫度0～-20℃時(shí)，補(bǔ)氣后系統(tǒng)換熱量增加2%～14%，COP提升2%，排氣溫度降低15℃以上，排氣溫度控制在110℃以下，而且蒸發(fā)溫度越低，系統(tǒng)性能提升越明顯。

4 結(jié)論

從理論和實(shí)驗(yàn)角度分析了R32替代R410A的系統(tǒng)循環(huán)特性，提出了采用補(bǔ)氣方法以降低R32排氣溫度，主要結(jié)論如下：1)在同一系統(tǒng)下，R32系統(tǒng)充注量是R410A的72.5%，與二者摩爾質(zhì)量比接近。2)在空調(diào)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下，R32與R410A比較，換熱量提高13%，功率提高8.89%，COP提高4.01%，排氣溫度提高25℃，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值接近。3)R32采用補(bǔ)氣后，排氣溫度降低15℃以上，控制在壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍內(nèi)，換熱量及性能均有所提升，且隨著蒸發(fā)溫度的降低，提升效果越來(lái)越明顯。

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