變工況下制冷劑充灌量對(duì)系統(tǒng)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

鄭波 梁祥飛 莊嶸

（珠海格力電器股份有限公司制冷技術(shù)研究院 廣東珠海 519070）

1 引言

目前，對(duì)提高家用空調(diào)器性能系數(shù)的研究主要集中在部件性能的改進(jìn)和變頻技術(shù)的應(yīng)用上，而關(guān)于充灌量對(duì)空調(diào)器性能影響的節(jié)能研究還比較薄弱。理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，充灌量對(duì)空調(diào)器性能的影響很大，不同工況都存在著與之對(duì)應(yīng)的一個(gè)充灌量使系統(tǒng)的制冷量、能效比最佳，稱這一充灌量為最佳充灌量。通常，系統(tǒng)的充灌量是以設(shè)計(jì)工況來(lái)確定的，而實(shí)際的運(yùn)行工況又往往偏離設(shè)計(jì)工況，這樣，即使以設(shè)計(jì)工況確定的最佳充灌量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充灌的空調(diào)器，也不可避免地存在因工況變化產(chǎn)生的充灌量相對(duì)增加或減少的問(wèn)題，從而影響實(shí)際運(yùn)行的能效比及季節(jié)能效比。因此，精確計(jì)量在實(shí)際工況變化范圍內(nèi)最佳充灌量的變化和性能指標(biāo)的變化，則是定量分析空調(diào)器性能因工況變化產(chǎn)生的充灌量相對(duì)增加或減少而引起下降的必要條件。對(duì)于空調(diào)實(shí)際工況變化范圍內(nèi)最佳充灌量的變化有多大和這種變化對(duì)性能影響的程度如何的研究至今還鮮有報(bào)道，因此有必要進(jìn)行這方面課題的研究。

2 變工況試驗(yàn)

試驗(yàn)所選樣機(jī)為5kW熱泵型家用空調(diào)器，制冷劑為R22，充灌量為1600g。試驗(yàn)主要包括額定工況及變工況下的性能測(cè)試及充灌量匹配，測(cè)試工況如表1所示。其中，工況3為額定工況，另外四個(gè)工況為變工況。

表1 測(cè)試工況

圖1 制冷變工況下制冷量隨充灌量變化曲線

圖2 制冷變工況下EER隨充灌量變化曲線

圖3 制冷變工況下功率隨充灌量變化曲線

試驗(yàn)中，首先進(jìn)行了額定工況及變工況下的性能測(cè)試，然后對(duì)變工況下的性能進(jìn)行充灌量匹配，最后再次進(jìn)行額定工況及變工況下的性能測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中，毛細(xì)管長(zhǎng)度始終保持不變。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 制冷

圖1和圖2是在變工況下匹配充灌量時(shí)的制冷量和EER變化曲線?？梢钥吹?，在毛細(xì)管長(zhǎng)度保持不變的情況下，有以下結(jié)論：

(1)室內(nèi)/外工況一定時(shí)，隨著充灌量的增加，制冷量和EER都是先增加，后降低，在某一充灌量下出現(xiàn)極大值，且最大制冷量對(duì)應(yīng)的充灌量大于最大EER對(duì)應(yīng)的充灌量。

這是因?yàn)槭覂?nèi)/外工況一定時(shí)，隨著充灌量的增加，蒸發(fā)溫度升高，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑與室內(nèi)空氣之間的傳熱溫差減小，使制冷量有減小的趨勢(shì)；另一方面，隨著充灌量的增加，吸氣溫度降低，吸氣壓力增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣比容減小，制冷劑循環(huán)流量增加，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)增加，總傳熱系數(shù)增加，使制冷量有增加的趨勢(shì)；同時(shí)，隨著制冷劑充灌量的增加，蒸發(fā)器過(guò)熱度降低，總的有效換熱面積是增加的。充灌量較小時(shí)，換熱系數(shù)和有效換熱面積的影響占主導(dǎo)地位，隨著充灌量的增加，制冷量增加；而充灌量較大時(shí)，制冷劑與空氣之間的傳熱溫差占主導(dǎo)地位，隨著充灌量的增加，傳熱溫差降低，所以制冷量降低。因此，隨著充灌量的增加，制冷量先增加后降低。

從圖3可以看出，隨著充灌量的增加，壓縮機(jī)耗功一直是增加的，但增加的速度越來(lái)越慢。在低充灌量下，隨著充灌量的增加制冷量增加的速度要快于壓縮機(jī)耗功增加的速度，所以能效比是增加的；但是在較高充灌量下，隨著充灌量的增加制冷量緩慢增加，到達(dá)某一極值后，制冷量降低，而壓縮機(jī)耗功隨著充灌量的增加一直增加，所以能效比降低。從以上分析也可以看出，在制冷量達(dá)到最大值之前，EER已經(jīng)達(dá)到最大值。

(2)充灌量和室內(nèi)環(huán)境溫度一定時(shí)，隨著室外環(huán)境溫度的升高，制冷量和EER都是降低的，最大制冷量和最大EER對(duì)應(yīng)的充灌量也都是降低的。

充灌量和室內(nèi)環(huán)境溫度一定時(shí)，室外環(huán)境溫度升高，冷凝溫度快速升高，而蒸發(fā)溫度只是略微升高，使得蒸發(fā)器進(jìn)口制冷劑干度升高，所以蒸發(fā)器進(jìn)出口比焓差降低。另外，雖然蒸發(fā)溫度略微升高，吸氣比容降低，制冷劑循環(huán)流量增加，但畢竟不占主導(dǎo)地位，所以隨著室外環(huán)境溫度的升高，樣機(jī)的制冷量是降低的。由于冷凝溫度升高較多而蒸發(fā)溫度升高較少，所以壓比增加，壓縮機(jī)比功增加，而且制冷劑流量也是增加的，所以壓縮機(jī)耗功增加，因此EER是降低的。

假定在某一充灌量下，工況1時(shí)制冷量達(dá)到最佳值，其他條件不變，只有室外環(huán)境溫度升高，此時(shí)系統(tǒng)的冷凝溫度迅速升高，制冷量和EER降低，此時(shí)要使系統(tǒng)的制冷量和EER向增加的趨勢(shì)發(fā)展，一個(gè)必要條件是降低冷凝溫度，而系統(tǒng)充灌量降低會(huì)使冷凝溫度降低，所以，室外環(huán)境溫度升高時(shí)，系統(tǒng)的最大制冷量和最大EER對(duì)應(yīng)的充灌量也都是降低的。

(3)充灌量和室外環(huán)境溫度一定時(shí)，隨著室內(nèi)環(huán)境溫度的升高，制冷量和EER都是增加的，最大制冷量和最大EER對(duì)應(yīng)的充灌量也是增加的。

充灌量和室外環(huán)境溫度一定時(shí)，室內(nèi)環(huán)境溫度升高，蒸發(fā)溫度快速升高，而冷凝溫度只是略微升高，壓比降低，壓縮機(jī)比功降低。因?yàn)檎舭l(fā)溫度升高，吸氣比容降低，所以壓縮機(jī)循環(huán)流量增加，流量的增加占主導(dǎo)地位，樣機(jī)制冷量增加。壓縮機(jī)比功降低，制冷劑流量增加，使得壓縮機(jī)耗功基本不變，所以EER增加。

其他條件不變，只有室內(nèi)環(huán)境溫度變化時(shí)，蒸發(fā)溫度的變化最大，蒸發(fā)溫度升高時(shí)，制冷量和EER都是增加的。所以，當(dāng)充灌量為室內(nèi)環(huán)境溫度較低時(shí)最大制冷量和EER最大值對(duì)應(yīng)的充灌量時(shí)，室內(nèi)環(huán)境溫度升高時(shí)蒸發(fā)溫度升高，制冷量和EER都增加，因此要使系統(tǒng)的制冷量和EER向增加的趨勢(shì)發(fā)展，一個(gè)必要條件是升高蒸發(fā)溫度，而充灌量增加系統(tǒng)蒸發(fā)溫度會(huì)升高，所以室內(nèi)環(huán)境溫度升高時(shí)，最大制冷量和最大EER對(duì)應(yīng)的充灌量也是增加的。

圖4和圖5是充灌量?jī)?yōu)化之前的額定工況及變工況下制冷量和EER與充灌量?jī)?yōu)化匹配之后的變工況下制冷量和EER的對(duì)比情況。需要說(shuō)明的是，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)是通過(guò)對(duì)EER變化曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得到的最佳EER值所對(duì)應(yīng)的充灌量以及在該充灌量下的制冷量擬合數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，充灌量?jī)?yōu)化匹配之后，其制冷量和EER都有不同程度的提高。

圖4 充灌量?jī)?yōu)化前后制冷量對(duì)比情況

圖5 充灌量?jī)?yōu)化前后EER對(duì)比情況

圖6 制熱變工況下制熱量隨充灌量變化曲線

3.2 制熱

圖6是在變工況下匹配充灌量時(shí)的制熱量的變化曲線。從圖6可以看到，在毛細(xì)管長(zhǎng)度保持不變的情況下，有以下結(jié)論：

(1)室內(nèi)/外工況保持不變的情況下，隨著充灌量的增加，樣機(jī)的制熱量先增大，后減小，在某一充灌量下出現(xiàn)制熱量的極大值。

在工況保持不變時(shí)，各參數(shù)隨著充灌量的增加的變化規(guī)律與制冷一樣，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是升高的，制冷劑循環(huán)流量也是增加的。在低充灌量下，制冷劑循環(huán)流量的作用占主導(dǎo)地位，在高充灌量下室內(nèi)換熱器制冷劑和空氣之間的傳熱溫差占主導(dǎo)地位，所以隨著充灌量的增加，室內(nèi)機(jī)的熱負(fù)荷即制熱量隨著充灌量的增加是先增加后降低的。

(2)在室內(nèi)環(huán)境溫度和充灌量保持不變的情況下，隨著室外環(huán)境溫度的升高，樣機(jī)達(dá)到最大制熱量所需的充灌量逐漸增多，樣機(jī)所能達(dá)到的最大制熱量逐漸增大。

圖7 制熱變工況下制熱功率隨充灌量變化曲線

制熱工況下，室外環(huán)境溫度升高，蒸發(fā)溫度升高的幅度最大，壓縮機(jī)吸氣壓力升高較大，吸氣比容降低，制冷劑循環(huán)流量有較大程度地增加，樣機(jī)的制熱量增加。同樣充灌量增加也能使蒸發(fā)溫度升高，所以室外環(huán)境溫度高時(shí)樣機(jī)制熱量最大對(duì)應(yīng)的充灌量也要大一些。

(3)在室外環(huán)境溫度和充灌量保持不變的情況下，隨著室內(nèi)環(huán)境溫度的升高，樣機(jī)達(dá)到最大制熱量所需的充灌量逐漸減少，樣機(jī)所能達(dá)到的最大制熱量逐漸減小。

制熱工況下，室內(nèi)環(huán)境溫度升高，冷凝溫度升高的幅度最大，進(jìn)出口比焓差會(huì)越小，而此時(shí)由于蒸發(fā)溫度變化不大，吸氣壓力增加較小，吸氣比容變化也較小，制冷劑循環(huán)流量變化較小，所以樣機(jī)制熱量會(huì)降低。降低系統(tǒng)充灌量能使冷凝溫度降低，所以當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度升高時(shí)樣機(jī)制熱量對(duì)應(yīng)的充灌量會(huì)小一些。

圖8是充灌量?jī)?yōu)化之前的額定工況及變工況下制熱量與充灌量?jī)?yōu)化匹配之后的變工況下制熱量的對(duì)比情況。需要說(shuō)明的是，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)是通過(guò)對(duì)制熱量變化曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得到的最佳制熱量及對(duì)應(yīng)的充灌量?？梢钥吹剑涔嗔?jī)?yōu)化匹配之后，其制熱量在各工況下都有不同程度的提高。

圖8 充灌量?jī)?yōu)化前后制熱量對(duì)比情況

4 結(jié)論

從前述試驗(yàn)分析可以得到以下結(jié)論：

(1)無(wú)論是制冷還是制熱，變工況下的最佳制冷劑充灌量都隨著工況的改變而改變。優(yōu)化充灌量之后，系統(tǒng)的制冷量/EER以及制熱量都有不同程度的提高。

(2)制冷時(shí)，隨著室外溫度的升高，制冷量和EER都降低，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)最佳制冷劑充灌量也減少；隨著室內(nèi)溫度的升高，制冷量和EER都升高，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)最佳制冷劑充灌量也增加。

(3)制熱時(shí)，隨著室外溫度的升高，制熱量升高，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)最佳制冷劑充灌量也增加；隨著室內(nèi)溫度的升高，制熱量降低，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)最佳制冷劑充灌量也減少。

[1]Naer Vjacheslav, Andrey Rozhentsev, Chi-Chuan Wang.Rationally based model for evaluating the optimal refrigerant mass charge in refrigerating machines.Energy conversion and Management,2001(42):2083－2095.

[2]Bj rn Palm.Refrigeration systems with minimum charge of refrigerant.Applied Thermal Engineering,2007 (27):1693－1701.

[3]F.Poggi, H.Macchi-Tejeda, D.Leducq, et al.Refrigerant charge in refrigerating systems and strategies of charge reduction.International Journal of Refrigeration, 2008(31):353－370.