R290房間空調(diào)器運行特性實驗研究

高　崢　李紅旗　劉忠民（.北京工業(yè)大學(xué)　北京　004；.廣東科龍空調(diào)器有限公司　佛山　58303）

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R290房間空調(diào)器運行特性實驗研究

高崢1李紅旗1劉忠民2
（1.北京工業(yè)大學(xué)北京100124；2.廣東科龍空調(diào)器有限公司佛山528303）

【摘要】為探究R290家用房間空調(diào)器的性能特點，分別制作了采用定頻壓縮機(jī)與變頻壓縮機(jī)的空調(diào)器樣機(jī)數(shù)臺，在分別灌注R290及R22制冷劑后進(jìn)行運行特性對比分析。在焓差室內(nèi)進(jìn)行多組不同毛細(xì)管規(guī)格及制冷劑灌注量試驗，選擇最佳性能結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明：R290空調(diào)器樣機(jī)在制冷性能表現(xiàn)方面與R22相近。但定頻樣機(jī)在制熱運行時制熱量明顯不足，僅為R22的90.8%，更換大管徑換熱器后制熱量稍有提升，為R22的93.2%。采用變頻壓縮機(jī)及提升灌注量后制熱量有明顯提升，為R22的98.9%。指出R290樣機(jī)制熱量不足的主要原因之一為較低的制冷劑質(zhì)量流量，變頻技術(shù)、補(bǔ)氣增焓技術(shù)可有效改善R290空調(diào)器制熱量不足的問題。

【關(guān)鍵詞】R290；房間空調(diào)器；制冷性能；制熱性能；制熱量

0　引言

R22作為目前應(yīng)用量最大、應(yīng)用范圍最廣的制冷劑，其替代進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)入了實質(zhì)階段。天然工質(zhì)R290具有GWP為0、ODP極低、熱物理性質(zhì)與R22接近等特點，被確定為R22最佳替代物之一[1]。

家用房間空調(diào)器在制冷空調(diào)行業(yè)占有著一定的比重，替換現(xiàn)行R22制冷劑勢在必行，R290應(yīng)用在房間空調(diào)器中是可行的[2-4]，但應(yīng)針對空調(diào)器運行特性做出相應(yīng)改進(jìn)措施。

王倩[5]通過實驗證明，對使用R22的家用空調(diào)器僅需更換毛細(xì)管而不改動其他結(jié)構(gòu)，使用R290就能達(dá)到良好的效果。肖友元[6]等通過R290家用空調(diào)器樣機(jī)的設(shè)計，證明了將R290作為R22的替代品應(yīng)用于家用空調(diào)的可行性。肖洪海[7]等對R290用于家用空調(diào)中的特性進(jìn)行實驗，結(jié)果表明在合理匹配的情況下，R290最佳充灌量為原機(jī)R22充灌量的50%左右，其冷量能夠達(dá)到R22機(jī)型的97.2%，能效比最高提高12.6%，如果合理配置回?zé)崞骱拖到y(tǒng)工況，R290系統(tǒng)采用回?zé)嵫h(huán)后可以提高系統(tǒng)的性能。

李廷勛[8]進(jìn)行了R290灌注式替代R22空調(diào)器整機(jī)性能研究，指出系統(tǒng)充灌R290后制冷能力持平（99%），而性能系數(shù)提高了10%～15%。涂中強(qiáng)[9]在進(jìn)行R290與R22的制冷性能比較分析實驗后指出了同樣的結(jié)論。劉振[10]進(jìn)行了R290空調(diào)器制熱特性研究，指出由于充注量受到限制，提升R290家用空調(diào)的制熱量需要從系統(tǒng)配置著手，根據(jù)R290的特性，對系統(tǒng)，尤其是換熱器進(jìn)行調(diào)整。

本文主要根據(jù)R290空調(diào)器樣機(jī)性能參數(shù)，并結(jié)合理論計算結(jié)果進(jìn)行特性分析，研究提升制熱量的方法。

1　定頻空調(diào)器性能對比分析

為更加準(zhǔn)確的分析R290制冷劑空調(diào)器的性能表現(xiàn)，有針對性的提出R290空調(diào)器制熱性能提升技術(shù)途徑，了解R290制冷劑的自身特性，首先制作兩臺一匹定速R290實驗樣機(jī)，在名義工況下（制冷：室內(nèi)27/19，室外5/24；制熱：室內(nèi)20/15，室外7/6）測試R290空調(diào)器性能，所得數(shù)據(jù)均是在通過多組變化毛細(xì)管和冷媒量后得到的最優(yōu)結(jié)果，并根據(jù)所測運行工況進(jìn)行了理論計算。對同型號R290與R22空調(diào)器的性能參數(shù)，如蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、壓力比、壓縮機(jī)排氣溫度、制冷量、性能系數(shù)、單位質(zhì)量制冷量、單位質(zhì)量制熱量、制冷劑質(zhì)量流量等進(jìn)行了對比分析。

1.1定頻樣機(jī)規(guī)格參數(shù)

空調(diào)器樣機(jī)采用定頻旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，排氣量為18.1cm3/rev，額定轉(zhuǎn)速48rev/s，輸入功率695W，制冷能力2990W。室外熱交換器尺寸為574mm ×266mm，采用Φ5銅管。室內(nèi)熱交換器尺寸為718mm×456mm，同樣采用Φ5銅管。同時制作了另一臺大管徑換熱器樣機(jī)，銅管管徑為7mm。

1.2 R290樣機(jī)運行壓力分析

在標(biāo)準(zhǔn)工況下對樣機(jī)進(jìn)行了運行測試，在焓差室內(nèi)進(jìn)行多組不同毛細(xì)管規(guī)格及制冷劑灌注量試驗，選擇最佳性能結(jié)果進(jìn)行分析[11-13]。

表1　空調(diào)樣機(jī)制冷工況運行壓力Table 1 Operation pressures of the Air-conditioner under cooling conditions

表2　空調(diào)樣機(jī)制熱工況運行壓力Table 2 Operation pressures of the Air-conditioner under heating conditions

通過對比結(jié)果可知，在制冷工況運行時，R290樣機(jī)的排氣壓力要低于R22，其他運行壓力略高于R22，但并不足以給系統(tǒng)耐壓部件帶來任何影響。在制熱工況運行時，R290樣機(jī)的所有運行壓力均低于R22。較低的運行壓力可以減少對系統(tǒng)耐壓部件的考驗，有利于系統(tǒng)平穩(wěn)運行。因此可以看出，樣機(jī)的耐壓設(shè)計已達(dá)到使用要求，無需改進(jìn)設(shè)計。

從表1中可以看出，在制冷工況運行時，R290的壓力比低于R22。壓力比的降低可以減少壓縮機(jī)的摩擦功耗，提高壓縮機(jī)工作效率，同時提高輸氣系數(shù)。從R290的熱物性來看，壓比的降低主要是由于其飽和蒸汽壓力曲線在房間空調(diào)器的蒸發(fā)段與R22接近，在冷凝段略低于R22。從表2中數(shù)據(jù)可知，在制熱運行時，R290壓力比要高于R22，此時較高的壓力有利于制熱量的提升。

1.3樣機(jī)制冷運行對比分析

為了更加準(zhǔn)確的分析樣機(jī)運行特性，根據(jù)所測得的運行工況數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計算，結(jié)合實測數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。在進(jìn)行樣機(jī)試驗時，測定了壓縮機(jī)吸排氣口的壓力值，根據(jù)經(jīng)驗，蒸發(fā)壓力比吸氣壓力高約0.01MPa，冷凝壓力比排氣壓力低約0.01MPa。根據(jù)測試數(shù)據(jù)結(jié)合制冷劑熱物性軟件確定不同制冷劑狀態(tài)點參數(shù)，完成理論計算。得到單位質(zhì)量制冷/制熱量、質(zhì)量流量、單位容積制冷/制熱量、EER等相關(guān)參數(shù)。理論計算工況如表3所示。

表3　制冷運行理論計算工況Table 3 Working conditions of refrigeration of the theoretical calculation

表4　 R290與R22空調(diào)器制冷性能參數(shù)Table 4 Refrigerating parameters of the Air-conditioner

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1.3.1排氣溫度

R290的排氣溫度比R22有大幅降低，在小管徑換熱器樣機(jī)中較R22低28.2，在大管徑換熱器樣機(jī)中較R22低27.4。較低的排氣溫度可以降低氣體與壓縮機(jī)氣缸之間的熱交換，使得壓縮過程更加接近等熵過程，從而提高壓縮機(jī)的工作效率；同時有利于減少不凝性氣體的產(chǎn)生；并且排氣溫度的降低能夠為壓縮機(jī)提供更加有利的工作環(huán)境，延長壓縮機(jī)使用壽命。R290的排氣溫度比R22低的原因之一為兩者比熱容不同。在相同溫度下，R290的飽和液體比熱容與飽和氣體比熱容都比R22大，使得在相同的蒸發(fā)器負(fù)荷下，R290系統(tǒng)的排氣溫度較低。

1.3.2制冷能力

由表4可以看出，不論是在采用大管徑室外換熱器或小管徑室外換熱器時，R290系統(tǒng)與R22系統(tǒng)相比，實際制冷量均十分接近，并且EER要明顯優(yōu)于R22系統(tǒng)，提升0.6左右。對于R290系統(tǒng)，大管徑換熱器的采用僅使得制冷量有很少量的提升，但灌注量卻增加85g，使得系統(tǒng)總灌注量超過安全標(biāo)準(zhǔn)，并無實際意義。從理論計算結(jié)果可知，R290的單位質(zhì)量制冷量要遠(yuǎn)大于R22，約為R22 的1.7倍。但R290制冷劑質(zhì)量流量較小，僅為R22 的56%。在這兩者的綜合作用下，R290系統(tǒng)的制冷量并未出現(xiàn)大幅下降。R290良好的熱物性表現(xiàn)同樣有助于提升制冷量，其汽化潛熱較大，約為R22的一倍左右，且R290的導(dǎo)熱系數(shù)大、粘滯系數(shù)小，可以獲得更高的換熱器換熱效率。

R290系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量小的原因主要是由于其吸氣比體積遠(yuǎn)大于R22。在定頻壓縮機(jī)系統(tǒng)中，吸氣容積不變，R290質(zhì)量流量必然較低。樣機(jī)制冷運行時，R290吸氣比體積為R22的2倍，由于R22系統(tǒng)的壓比較R290大，因此R22系統(tǒng)的實際吸氣容積較R290小。在這兩者的綜合作用下，使得R22系統(tǒng)質(zhì)量流量約為R290的1.7倍。

單獨考慮制冷工況下R290樣機(jī)的性能，已經(jīng)達(dá)到和R22原型機(jī)相同的效果，且相比之下，EER有所提高。無需再做任何方面的系統(tǒng)改進(jìn)。

1.4樣機(jī)制熱運行對比分析

進(jìn)行制熱運行分析時，同樣采用實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)結(jié)合的分析方式，理論計算工況如表5所示。

表5　制熱運行理論計算工況Table 5 Working conditions of heating of the theoretical calculation

表6　 R290與R22空調(diào)器制熱性能參數(shù)Table 6 Heating parameters of the Air-conditioner

圖1　制冷劑質(zhì)量流量對比Fig.1 Comparison of refrigerant mass flow

由表6可知，相比R22系統(tǒng)，R290樣機(jī)的制熱量出現(xiàn)了明顯下降。在小管徑換熱器時，R290樣機(jī)的實際制熱量為2786W，為R22原型機(jī)的90.8%，在增大換熱器后實際制熱量為2875，為R22樣機(jī)的93.8%，出現(xiàn)了小幅度的提升，但相比R22系統(tǒng)，仍然存在較大差距。

理論計算結(jié)果顯示，在制熱運行時，R290樣機(jī)的單位質(zhì)量制熱量是R22原型機(jī)的1.8倍，但R290的質(zhì)量流量為R22的48%，制冷劑質(zhì)量流量的大幅度降低無法由較高的單位質(zhì)量制熱量所補(bǔ)償，因此造成了一定程度的制熱量下降。

2　變頻空調(diào)器運行分析

采用變頻技術(shù)的空調(diào)器，可以憑借壓縮機(jī)變頻運行，為系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)闹评鋭┵|(zhì)量流量。通過對定頻樣機(jī)的運行分析可知，R290制冷劑質(zhì)量流量較低是其制熱量不足的主要原因之一，因此采用變頻壓縮機(jī)可以有效改善制熱量不足的問題。變頻樣機(jī)制冷運行性能仍保持較高水平，不再進(jìn)行進(jìn)一步分析。由于系統(tǒng)設(shè)計原因，變頻樣機(jī)同時加大了制冷劑灌注量。

2.1變頻樣機(jī)規(guī)格參數(shù)

空調(diào)器樣機(jī)采用直流變頻壓縮機(jī)，排氣量為13.8cm3/rev，輸入功率1280W，制冷能力4080W，轉(zhuǎn)速變化范圍為1600-7800rev/min。室外熱交換器尺寸為641×294，翅片寬度13.6mm，采用Φ7銅管。室內(nèi)熱交換器尺寸為718×462，翅片寬度18.19mm，采用Φ7銅管。相比定頻樣機(jī)，換熱器尺寸有所加大。

2.2變頻樣機(jī)制熱運行分析

同樣在標(biāo)準(zhǔn)工況下對變頻樣機(jī)進(jìn)行了運行測試，選擇最佳性能結(jié)果進(jìn)行分析。

表7　 R290與R22變頻空調(diào)器制熱性能參數(shù)Table7 Heatingparameters of the inverterAir-conditioner

從表7中可以看出，在名義制熱工況下，R290的制熱量為R22的98.9%，在中間制熱工況下，R290的制熱量為R22的99.2%，與R22系統(tǒng)相差無幾。對比壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)頻率，可以看到，為達(dá)到與R22系統(tǒng)相近的制熱量，R290系統(tǒng)壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)頻率要高于R22。較高的運轉(zhuǎn)頻率可以有效提升制冷劑質(zhì)量流量，驗證了變頻技術(shù)在提升空調(diào)器制熱能力方面的作用。在能效表現(xiàn)方面，名義制熱工況時，R290系統(tǒng)與R22系統(tǒng)一致，中間制熱工況時，R290系統(tǒng)略低，總的來說R290系統(tǒng)能效表現(xiàn)與R22無異。

相比于定頻空調(diào)，變頻空調(diào)器制熱量有了顯著的提升。但是變頻樣機(jī)采用了較大的換熱器管徑，導(dǎo)致制冷劑灌注量有較明顯的增加，R290的充注量達(dá)到了470g。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中的限定灌注量還有一定的差距，在后續(xù)的樣機(jī)設(shè)計中應(yīng)考慮采用微通道換熱器等技術(shù)，在保證制熱量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低制冷劑灌注量[14-16]。

3　結(jié)論

R290空調(diào)器在制冷性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，與R22樣機(jī)在制冷能力上表現(xiàn)一致，EER實現(xiàn)大幅度提升。

R290定頻空調(diào)器的制熱能力有所降低，主要原因之一為較小的制冷劑質(zhì)量流量。在采用變頻壓縮機(jī)及加大制冷劑灌注量等措施后，制熱量有明顯提升，與R22系統(tǒng)相差無幾。

采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)可以進(jìn)一步提升空調(diào)器制熱能力。在保證制熱量的前提下，為進(jìn)一步降R290灌注量，可以考慮采用微通道換熱器等技術(shù)途徑。

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Experimental Study on Operation Characteristics of R290 Room Air-conditioner

Gao Zheng1Li Hongqi1Liu Zhongmin2
( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Hisense Kelon(Guangdong) Air Conditioner Co., Ltd, Foshan, 528303 )

【Abstract】Several samples have been made for inquiring the operation characteristics of domestic R290 room air-conditioner. It used different kinds of compressors. One is invariable frequency compressor; the other is variable frequency compressor. The air-conditioner samples were tested in enthalpy different laboratory with different capillary tube lengths and perfusion amounts. The best working character results was analyzed. The results show that the cooling performance of R290 is closed to R22. But the heating performance of the sample which is used invariable frequency compressor is obviously insufficient. It is only 90.8% of R22. After changing bigger heat exchanger, the heating performance increased 2.4%. The heating performance of the sample with variable frequency compressor and bigger refrigerant perfusion is good. It is 98.9% of R22. It is found that one of the reasons of deficiency heating capacity of R290 is low refrigerant mass flow. The technology of frequency conversion and refrigerant injection could obviously improve this problem.

【Keywords】R290;Air-conditioner; cooling performance; heating performance; heating capacity

中圖分類號TB61

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-090-05

基金項目：環(huán)保部開展丙烷房間空調(diào)器制熱性能提升研究技術(shù)支持活動項目專項經(jīng)費資助（編號：C/III/S/13/459）

作者簡介：高崢（1990.01-），男，在讀碩士研究生，E-mail：fsgaozheng@126.com

通訊作者：李紅旗（1963.06-），男，教授，E-mail：hongqili@sina.com

收稿日期：2015-03-12