R290變頻熱泵節(jié)流特性實(shí)驗(yàn)研究

黎輝玲,劉旭，李廷勛

(1 中山大學(xué) 廣州市 510725;2 廣東美的制冷設(shè)備有限公司 順德 528311)

R290變頻熱泵節(jié)流特性實(shí)驗(yàn)研究

黎輝玲1,2,劉旭2，李廷勛1,一

(1 中山大學(xué) 廣州市 510725;2 廣東美的制冷設(shè)備有限公司 順德 528311)

隨著新型制冷劑R290逐漸進(jìn)入家用房間空調(diào)器行業(yè)，研究表明由于其極低充注量和較高壓縮機(jī)排量特點(diǎn)，制熱模式下融霜結(jié)束重新制熱可能出現(xiàn)節(jié)流異常現(xiàn)象。本文分析了R290熱泵低溫制熱出現(xiàn)節(jié)流異常現(xiàn)象的機(jī)理，提出了R290變頻空調(diào)在低溫工況下節(jié)流異常解決方法并進(jìn)行驗(yàn)證，表明通過(guò)設(shè)定電子膨脹閥開啟曲線可以有效解決。

新型制冷劑;節(jié)流特性;低溫油堵;節(jié)流異常

1、前言

2016年10月，國(guó)際社會(huì)在《蒙特利爾議定書》的框架下圍繞溫室氣體HFCs的削減達(dá)成了新的基加利修正案，具有高GWP（全球變暖潛值）的制冷劑在部分地區(qū)已開始限制使用。制冷行業(yè)對(duì)于制冷劑的環(huán)保特性的要求逐漸轉(zhuǎn)化為相關(guān)的政策法規(guī)和市場(chǎng)需求。

碳?xì)渲评鋭㏑290，以其優(yōu)秀的環(huán)境友好性（ODP=0，GWP=3）被行業(yè)譽(yù)為最有潛力環(huán)保制冷劑之一；而R290最大的缺點(diǎn)是具有可燃性和爆炸性，其燃點(diǎn)為468℃，在空氣中的燃燒極限為2.2%-9.5%（體積分?jǐn)?shù)）[1]，因此R290在家用空調(diào)系統(tǒng)中充注量受到極大限制，為了得到較高的制熱量，通常采用的辦法是增加壓縮機(jī)排量，極低的充注量和較高的壓縮機(jī)排量容易導(dǎo)致在低溫工況下啟動(dòng)初始階段發(fā)生節(jié)流異常現(xiàn)象。陳光明團(tuán)隊(duì)在對(duì)混合工質(zhì)單級(jí)節(jié)流制冷機(jī)和混合工質(zhì)自復(fù)疊制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)這兩種混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)在-60℃制冷溫度時(shí)存在不同程度的節(jié)流油堵情況[2-3]，而從公開發(fā)表的文獻(xiàn)[4-5]來(lái)看，鮮有關(guān)于R290熱泵低溫節(jié)流特性的研究。本文基于R290變頻空調(diào)開發(fā)過(guò)程中遇到的低溫制熱化霜啟動(dòng)后出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，通過(guò)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象為油堵，并提出了低溫油堵的解決方法。

2、實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本次研究選取KFR-26GW/BP3DN7Y變頻分體機(jī)作為研究對(duì)象，機(jī)型配置見(jiàn)表1所示。

R290充注量按照GB4706.32-2012中的可燃制冷劑最大充注量限制[6]，計(jì)算公式：

Mmax——房間容許充注的最大制冷劑質(zhì)量（千克）

A——房間面積（m2）

LFL——最低可燃濃度（Mpa/m3），R290取0.038Mpa/m3

h0——空氣調(diào)節(jié)器所在的安裝高度（m），掛壁式取1.8m。

本次實(shí)驗(yàn)室面積為13m2，充注量為272g。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)焓差室中進(jìn)行，測(cè)試工況如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)機(jī)組規(guī)格

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況（℃）

3、R290變頻空調(diào)節(jié)流異常特性

3.1 節(jié)流異常特性

R290變頻空調(diào)系統(tǒng)在室內(nèi)溫度20℃，室外溫度-20℃制熱運(yùn)行的功率曲線如圖1所示，其中A-B點(diǎn)為正常制熱曲線功率曲線，當(dāng)進(jìn)入化霜模式后，壓縮機(jī)先升頻化霜，霜層融化完后，壓縮機(jī)降頻同時(shí)四通閥換向，因此功率是先升再下降，如B-C所示，C-D為化霜完成后系統(tǒng)再次啟動(dòng)制熱的功率曲線，可以看出空調(diào)從C點(diǎn)化霜結(jié)束轉(zhuǎn)制熱模式，隨著頻率的提升功率逐漸升高，后逐漸降到D點(diǎn)，A、D兩個(gè)時(shí)刻壓縮機(jī)頻率保持一致，系統(tǒng)其它運(yùn)行參數(shù)也一致，正常運(yùn)行時(shí)理論上D點(diǎn)功率應(yīng)該和A點(diǎn)接近，因此可以判斷圖1中空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)了異常情況。

圖1 節(jié)流異常曲線

A、D兩點(diǎn)運(yùn)行時(shí)刻系統(tǒng)參數(shù)如表3所示，可以看出此次實(shí)驗(yàn)中A點(diǎn)功率為890W，D點(diǎn)功率為293W，后者比前者低了67%，另外D點(diǎn)時(shí)，雖然壓縮機(jī)還在運(yùn)轉(zhuǎn)，但蒸發(fā)器中部溫度接近室內(nèi)溫度且冷凝器中部溫度接近室外溫度，初步判斷系統(tǒng)無(wú)冷媒流動(dòng)。同時(shí)D點(diǎn)時(shí)刻，電子膨脹閥前的壓力0.736Mpa，閥后壓力為-0.046Mpa，說(shuō)明經(jīng)過(guò)節(jié)流后，系統(tǒng)內(nèi)幾乎無(wú)制冷劑而出現(xiàn)負(fù)壓，因此可以判定節(jié)流過(guò)程出現(xiàn)堵塞或近似堵塞的異常。電子膨脹閥堵塞一般分為：異物堵塞、冰堵塞、制冷劑堵塞以及潤(rùn)滑油堵塞，由于該空調(diào)在測(cè)試制冷和其它不涉及化霜的制熱能力時(shí)未出現(xiàn)類似堵塞情況，且此現(xiàn)象僅在低溫制熱壓縮機(jī)化霜后啟動(dòng)的初始階段，可以排除異物堵塞；對(duì)換熱器等進(jìn)行干燥及重新抽真空。

表3 A、D時(shí)刻系統(tǒng)參數(shù)

灌注制冷劑后，實(shí)驗(yàn)再次復(fù)現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象因此可以排除冰堵。另外R290冷媒的凝固溫度為-170℃，而D時(shí)刻閥后溫度為-51.9℃，排除了制冷劑因低溫導(dǎo)致的堵塞，因此該節(jié)流異?？赡苁菈嚎s機(jī)油析出并結(jié)晶所導(dǎo)致的電子膨脹閥堵塞現(xiàn)象。

3.2 節(jié)流異常機(jī)理分析與驗(yàn)證

空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油的物性，主要包括溶解度、傾點(diǎn)和粘度，當(dāng)溫度一定時(shí)，溶解度隨著壓力的升高而增大，而當(dāng)壓力一定時(shí)，溶解度會(huì)隨著溫度的上升而降低[7]；傾點(diǎn)是指油品在規(guī)定條件下冷卻時(shí)能夠流動(dòng)的最低溫度[8]，傾點(diǎn)越高，油品的低溫流動(dòng)性就越差，在溫度降低到一定程度時(shí)油品中原來(lái)呈液態(tài)的石蠟會(huì)以固體的結(jié)晶形式出現(xiàn)。比如目前家用空調(diào)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)所采用的油品為POE油傾點(diǎn)在-30℃左右。

如圖2所示，空調(diào)系統(tǒng)制熱啟動(dòng)初始階段壓縮機(jī)瞬間把室外換熱器中制冷劑抽回壓縮機(jī)內(nèi)，節(jié)流后溫度急速降低，然后隨著系統(tǒng)壓力逐漸穩(wěn)定后溫度緩慢回升，一般三分鐘左右達(dá)到最低值（T1）。制冷劑中潤(rùn)滑油溶解曲線如圖3所示，若節(jié)流前后溫差過(guò)大，制冷劑中含油量會(huì)減小，而析出純油，例如：節(jié)流前溫度為0℃時(shí)制冷劑含油量為9%，節(jié)流后溫度降低到-40℃時(shí)含油量為3.9%，此時(shí)如果溫度低于油的傾點(diǎn)溫度，則會(huì)析出固體石蠟，且潤(rùn)滑油粘度隨著溫度的降低而指數(shù)式的增大，很容易造成空調(diào)系統(tǒng)在低溫部件如毛細(xì)管、蒸發(fā)管路處積油，降低換熱特性和壓縮機(jī)可靠性。

圖2 R290和R410A制熱節(jié)流后溫度變化

圖3 R290制冷劑含油量隨溫度變化曲線

圖4 系統(tǒng)壓力隨溫度變化曲線圖

D點(diǎn)節(jié)流后溫度-51.9℃，遠(yuǎn)低于壓縮機(jī)冷凍機(jī)油的傾點(diǎn)溫度，此時(shí)壓縮機(jī)冷凍機(jī)油流動(dòng)性差，且低溫下油的溶解度變大，導(dǎo)致絮狀化的潤(rùn)滑油堵塞在電子膨脹閥出口處，阻止了冷媒流動(dòng)，造成低壓側(cè)沒(méi)有足夠的制冷劑回到壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，使高壓建立不起來(lái)，不能克服油及制冷劑混合物通過(guò)膨脹閥的流動(dòng)阻力。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)設(shè)定電子膨脹閥初始開度150步，在-20℃開機(jī)出現(xiàn)堵塞的情況后，把室外環(huán)境溫度從-20℃緩慢升高，如圖4所示，當(dāng)室外溫度上升到-8℃時(shí)，高低壓力上升到正常水平，系統(tǒng)工作正常。說(shuō)明隨著溫度上升，冷媒可以重新流動(dòng)，其原因可能是油粘度變小，電子膨脹閥出口處的絮狀壓縮機(jī)油融化從而堵塞消失。

對(duì)比表1中的R290空調(diào)系統(tǒng)和R410A空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行特性如圖5所示，在相同的電子膨脹閥初始開度條件下，不同室外環(huán)境溫度工況下R290空調(diào)節(jié)流后最低溫度遠(yuǎn)低于R410A空調(diào)，此時(shí)系統(tǒng)壓力如圖6所示，R290系統(tǒng)節(jié)流后低壓P2在0Mpa以下，而R410A系統(tǒng)高于0.1Mpa，R290系統(tǒng)高壓P1比R410A低接近1Mpa。由表1可以看出，R290空調(diào)壓縮機(jī)排量是R410A空調(diào)的1.84倍，而充注量?jī)H為R410A空調(diào)的0.28倍，是造成R290空調(diào)制熱壓縮機(jī)啟動(dòng)階段電子膨脹閥節(jié)流后溫度過(guò)低的主要原因。

圖5 R290和R410A節(jié)流后最低溫度對(duì)比

圖6 R290和R410A相同電子膨脹閥同開度時(shí)節(jié)流前后壓力的對(duì)比

圖7 壓縮機(jī)啟動(dòng)階段頻率及電子膨脹閥開度控制曲線

圖8 低溫工況下電子膨脹閥與頻率聯(lián)動(dòng)控制曲線

圖9 R290空調(diào)不同開度節(jié)流后最低溫度變化

圖10 R290空調(diào)不同開度節(jié)流前后壓力對(duì)比

由于油堵現(xiàn)象均出現(xiàn)在制熱壓縮機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)壓力未平衡的初始階段，對(duì)于電子膨脹閥空調(diào)系統(tǒng)，增大電子膨脹閥初始開度可以增加制冷劑流量及制冷劑流通面積，抑制節(jié)流過(guò)程制冷劑急速溫度下降，避免壓縮機(jī)油粘度增大，制冷劑流動(dòng)阻力變大，可以有效解決低溫油堵問(wèn)題。本文設(shè)定在室外溫度低于2℃制熱啟動(dòng)初始階段，膨脹閥開度以及壓縮機(jī)運(yùn)行頻率隨時(shí)間控制曲線如圖7，0～2分鐘為固定初始開度階段，2～5分鐘為開度與頻率聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)階段，5分鐘后不同溫度下控制曲線如圖8所示，在此膨脹閥控制規(guī)律下，R290空調(diào)系統(tǒng)在不同室外溫度下，改變節(jié)流初始開度所帶來(lái)的閥后溫度變化如圖9，其中初始開度分別為200步、350步和480步，室外溫度分別-15℃、-10℃、-5℃、2℃?？梢钥闯鐾还?jié)流開度時(shí)，隨著室外溫度降低，節(jié)流后最低溫度呈下降趨勢(shì)，而同一溫度下，節(jié)流開度越大，節(jié)流后溫度越高，例如室外溫度-15℃時(shí)，電子膨脹閥開度200時(shí)節(jié)流后最低溫度達(dá)到-48.7℃，480開度時(shí)節(jié)流后最低溫度為-17.3℃，高于冷凍機(jī)油的傾點(diǎn)溫度，從而有效避免了絮狀化的冷凍機(jī)油堵塞電子膨脹閥的問(wèn)題，使得系統(tǒng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，具體數(shù)據(jù)如圖10，圖中480開度時(shí)電子膨脹閥后的壓力P2在不同室外溫度下，保持在0.1Mpa以上，說(shuō)明冷媒在正常流動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，而200和350開度時(shí)閥后低壓基本接近為0Mpa，系統(tǒng)有產(chǎn)生堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

4、結(jié)論

（1）R290變頻空調(diào)系統(tǒng)在低溫工況下壓縮機(jī)油溶解度變大，制冷劑流量不足，壓縮機(jī)啟動(dòng)初始階段節(jié)流后溫度過(guò)低，油粘度增大，高壓側(cè)制冷劑不能克服電子膨脹閥節(jié)流阻力，會(huì)產(chǎn)生油堵現(xiàn)象。

（2）對(duì)于電子膨脹閥空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定膨脹閥開度曲線，提高制冷劑流量，可以有效解決低溫油堵問(wèn)題。

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Experimental Study on Throttle Characteristics of R290 Variable Frequency Heat Pump

LI Huiling1,2，LiuXu2，Li Tingxun1,*
(1 Sun Yat-sen University, Guangzhou, 510725, China;2GD Midea Refrigeration Equipment Co.,Ltd, ShunDe,528311)

With the new refrigerant R290 gradually into the home room air conditioner industry, the research shows that because of its extremely low charge and high compressor displacement characteristics,under heating mode,defrosting end of the heat operation may be appear throttle abnormal phenomenon. In this paper, the mechanism of throttling anomaly in low temperature heating of R290 heat pump is analyzed, and the method to solve the abnormal throttling of R290 inverter air conditioner under low temperature condition is presented, which shows that the opening curve of electronic expansion valve can be solved effectively.

New refrigerants;Throttle characteristics; Low temperature oil block;Throttle abnormality