R290冷媒2HP空調(diào)器制熱量提高的試驗研究

馮利偉 廖四清 李傲寒 王小龍

廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528333

1 引言

冷媒R22因其具有較好的熱力性能及安全性能而在家用空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其ODP（臭氧消耗潛能值）=0.034，按《蒙特利爾協(xié)議》，屬于要被淘汰的制冷劑。冷媒R410A的ODP=0，被認(rèn)為可以安全替代R22，但其GWP（全球變暖潛力）=2000，比R22還高，根據(jù)京都議定書，R410A仍要被淘汰。R290冷媒屬于自然冷媒，ODP=0，GWP=20，且熱力性能優(yōu)良，容易獲取，價格低廉，與普通潤滑油和機械結(jié)構(gòu)材料兼容性好，被認(rèn)為是替代R410A的冷媒之一。[2]

R290在家用制冷設(shè)備，就性能而言，待解決的難題是系統(tǒng)制熱量不高，在制冷量3500W以上的機種，暫時未達(dá)到熱冷比1.1倍的國家強制要求[5]，其應(yīng)用和推廣受到影響。目前空調(diào)廠家解決R290制熱量低的方法主要采用變頻技術(shù)，但如果橫向比較，如R22、R410A采用變頻技術(shù)的制熱量仍比R290要高。

R290制熱量不高，普遍認(rèn)為是系統(tǒng)冷媒充注量受到限制的原因?qū)е?，而采用小管徑換熱器、微通道換熱器被視為解決冷媒充注量少的可行辦法[3]，國內(nèi)外很多研究機構(gòu)、大專院校等對小管徑換熱器在R290制冷系統(tǒng)的應(yīng)用上做了很多工作，但基本集中于R290制冷系統(tǒng)的制冷性能方面，制熱性能一直未得到有效解決。

廣東美芝制冷設(shè)備有限公司先行研究中心的系統(tǒng)研究模塊致力于壓縮機及周邊部件應(yīng)用方面的研究，有關(guān)換熱器冷媒流程的模擬做了比較細(xì)致的工作，特別是近兩年，掌握了換熱器冷媒流程的模擬方法，指導(dǎo)性能工程師的換熱器開發(fā)，提高開發(fā)效率，節(jié)省試驗資源。本文就是在此基礎(chǔ)上，對φ5換熱器冷媒流程針對R290冷媒實施優(yōu)化，找出最優(yōu)方案，再實施系統(tǒng)驗證匹配。

EVAP-COND是美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)學(xué)會（NIST）開發(fā)的換熱器仿真軟件[1]，其模擬結(jié)果較實際測試結(jié)果存在一定差別，但軟件的部分結(jié)果仍有較強的指導(dǎo)意義，且該軟件是免費的，應(yīng)用較廣泛，故本文采用該軟件進(jìn)行說明。

2 R290性質(zhì)分析

2.1 R290熱力物理性質(zhì)分析

通過對R290與R22、R410A在-10℃～60℃時的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、汽化潛熱、粘度的比較，可以得到，在此常用溫度區(qū)間，R290具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和汽化潛熱，具有更小的粘度，說明R290制冷系統(tǒng)具有較低的排氣溫度、較小的壓比、較少的冷媒充注量和更好的冷媒流動性，其熱力性質(zhì)相對R22、R410A并不差[3]。

圖1 不同冷媒的定壓比熱

圖2 不同冷媒的導(dǎo)熱系數(shù)

圖3 不同冷媒的液體粘度

圖4 不同冷媒的汽化潛熱

按以上分析可以得出，R290制熱量不足，應(yīng)和冷媒性質(zhì)無關(guān)。在排除R290冷媒物理性質(zhì)沒有問題的前提下，R290空調(diào)器制熱量不足應(yīng)該同冷媒充注量受限有很大關(guān)系，為此，我們設(shè)計了后述方案一的試驗進(jìn)行驗證，并得到了制冷量、制熱量同冷媒充注量關(guān)系的圖（圖9），可以看出，對應(yīng)制熱工況，隨著冷媒量的增加，制熱量增幅趨于穩(wěn)定，制熱量一直增加，至冷媒量為720g時達(dá)到峰值，而2HP機冷媒限制為420g，制熱所需冷媒偏少約71.4%，但其峰值并未達(dá)到5610W以上，也就是說，在R290冷媒2HP空調(diào)器系統(tǒng)，冷媒充注量受限只是制熱量不足的原因之一，應(yīng)該還有其他因素，比如室外換熱器偏小、換熱器需針對R290冷媒設(shè)計等。

在系統(tǒng)中，一般認(rèn)為冷媒比容大會影響冷媒循環(huán)流量，但可以增加壓縮機排量來彌補該缺點[3]。但對于換熱器來說，液態(tài)冷媒在管路中蒸發(fā)變?yōu)轱柡蜌怏w，如果氣體容積大，需要用較粗管徑的換熱器更為合適，R290冷媒比容與其他冷媒比較，見圖5?？梢钥闯?，在相同飽和溫度條件下，R290冷媒的比容約為R22比容的2倍，R410A比容的3倍。目前在空調(diào)中，R22系統(tǒng)直徑銅管換熱器居多，R410A系統(tǒng)用φ7換熱器居多，如果不考慮R290冷媒充注量受限問題，R290空調(diào)系統(tǒng)用φ9.52較合適，其次是φ7管換熱器，但R290屬于A3冷媒，系統(tǒng)冷媒充注量受到嚴(yán)格限制，為了減少冷媒充注量，則采用小管徑換熱器，如φ5管徑換熱器。小管徑換熱器與φ7、φ9.52管徑換熱器的差別，在壓降方面的表現(xiàn)為，用做冷凝器時，因大部分冷媒是液態(tài)，并且冷媒流速慢，換熱器壓降均較小，差別不會太大，如R410A冷媒用φ7冷凝器，實測壓降一般在0.02MPa左右；但用作蒸發(fā)器時，整個冷媒流程均有氣體，且氣體相對偏多，流速快，壓降大，如R410A冷媒冷凝器用做蒸發(fā)器時，實測壓降一般在0.2～0.3MPa，此時，如果換熱器不針對R290冷媒設(shè)計，壓降影響就會更大。

2.2 相同壓降條件下，不同冷媒溫度比較

當(dāng)制熱時，室外換熱器用做蒸發(fā)器，在GB制熱條件下，其溫度一般在0℃附近，通過應(yīng)用制冷劑物性軟件計算，得到圖6，從飽和溫度隨壓力下降的趨勢變化，可以看到，在飽和溫度0℃附近，隨著壓降的增加，R290飽和溫度下降幅度明顯大于R22和R410A，即在相同壓降時，R290換熱器可能較其他冷媒更早結(jié)霜而導(dǎo)致制熱量不足。所以，R290用室外換熱器的冷媒流程設(shè)計時更要注意減小壓降。

2.3 φ5管替代φ7管相同冷媒流程數(shù)的阻力損失分析[4]

對于換熱器單個流程，流體在管道中的沿程阻力損失hl為：

式中：

λ為沿程阻力系數(shù)；

l為沿程管長；

d為管徑；

U為冷媒在管中的平均流速；

g為重力加速度；

而沿程阻力系數(shù)λ與Re有關(guān)。

局部阻力損失hm為：

式中：ξ為局部阻力系數(shù)，同截面形狀變化有關(guān)。

從式1和式2可以看出，沿程阻力損失和局部阻力損失均同平均流速的平方成正比。而φ5管換熱器的內(nèi)直徑約為φ7換熱器的0.7倍，如果φ5管流程與φ7相同，則φ5管換熱器的壓力損失為φ7換熱器的4倍多。

因局部阻力損失較小，可忽略，換熱器流程可視為長管，流體在長管中的伯努利方程為：

式中：

表示動能；

hf為水頭損失；

因動能變化和壓力變化不大，且由連續(xù)性方程Q=V1A1=V2A2，最后簡化為：

式中：Q為容積流量；

對于有n路的并聯(lián)管，有Q=Q1+Q2+…+Qn，且hl=h1=h2=…=hn

圖5 不同冷媒的比容

圖6 不同冷媒2℃附近飽和溫度隨壓降變化的趨勢

圖7 流程a的壓降圖

圖8 流程b的壓降圖

表1 壓縮機單體性能

表2 試驗方案

表3 冷媒充注量420g時制冷（熱）量測試情況

圖9 方案1 不同冷媒量的制冷（熱）量

圖10 R290制熱量提高說明圖

換熱器管徑相同，各支路管長相當(dāng)時，有：

代入式（5），可得，當(dāng)n=2時，φ5換熱器與φ7換熱器的換熱器沿程阻力損失相當(dāng)。

換熱器可能有串聯(lián)支路，在串聯(lián)管中，有Q=Q1=Q2=…=Qn，hl=h1+h2+…+hn，從阻力損失角度看，串聯(lián)支路對壓損影響較大。

所以，R290冷暖空調(diào)器的室外換熱器，為了減小整體壓損，建議用并聯(lián)支路的流程方式，且φ5管的冷媒流程數(shù)是原φ7冷媒流程數(shù)的2倍左右。

2.4 用EVAP-COND軟件的模擬驗證

用EVAP-COND軟件模擬[1]，R290冷媒，按樣機用φ5換熱器的參數(shù)輸入，在相同條件下，對不同冷媒流程模擬比較，見圖7和圖8，圖中顯示數(shù)字是單根管的壓降。

流程a為6-1形，現(xiàn)在室外機比較常見的流程。流程b為6進(jìn)6出的流程，在室內(nèi)蒸發(fā)器比較常見，但室外冷凝器幾乎不用，室外冷凝器一般采用有“過冷管”的冷媒流程，如圖a中流程的匯總的那根長U管即為“過冷管”。

流程a的總壓降約為流程b的總壓降的2.8倍，其中1根“過冷管”的壓降占流程a總壓降的60%，并且流程的分流/匯合處存在較大的形阻壓降，表明在這種截面積有變化的流程，其局部阻力損失其實不能忽略。

鑒于以上分析，試驗用φ5換熱器摒棄目前通用的“過冷管”的冷媒流程設(shè)計方案。

3 試驗準(zhǔn)備及試驗方案

3.1 樣機及實驗室

試驗用空調(diào)器選用國內(nèi)某品牌的型號為CE-KFR53W/N1-BA30(B8)，電源為230V/50Hz，原系統(tǒng)為R410A系統(tǒng)，該系統(tǒng)為出口歐洲機型，出口歐洲機型的實測制熱量不低于銘牌值的88%，該機種銘牌值制熱量為5830W，換用R290冷媒，目標(biāo)制冷量5100W，目標(biāo)制熱量5610W。

室內(nèi)蒸發(fā)器有16根φ7長U管，銅管總長度約24030mm，室外冷凝器采用1.9排φ7，24根長U管，銅管總長度約34560mm。試驗共用兩臺壓縮機，其單體測試數(shù)據(jù)見表1。

實驗室選用R290專用防爆的3HP高精度焓差室，為2012年制造并交付使用，每月用標(biāo)準(zhǔn)窗機實施標(biāo)定后使用。

3.2 試驗方案

試驗方案見表2。

注：原室內(nèi)φ7蒸發(fā)器為16根長U管，如換用φ5管換熱器，長U管數(shù)為19根，其冷媒側(cè)換熱面積減少了約18%，未采用，只是對室內(nèi)蒸發(fā)器流路模擬優(yōu)化。2HP外機，如采用2排的φ5管冷凝器，冷媒側(cè)換熱面積減少近20%，所以也無采用。采用表1方案，可保證φ5換熱器冷媒側(cè)換熱面積同φ7換熱器相比，基本相當(dāng)，同時內(nèi)容積減少30%左右，從而來減少冷媒充注量。

4 試驗結(jié)果

4.1 方案1不同冷媒量的比較

原系統(tǒng)充不同冷媒量，每個冷媒量均匹配調(diào)試至性能最佳時數(shù)據(jù)比較，見圖9。

從圖9中看出，冷媒量從320g到470g，制冷量改善較大，但再追加系統(tǒng)冷媒，制冷量變化不明顯，說明在470g之前，冷媒量偏少是制熱量低的主要原因。而制熱工況，在420g之前隨著冷媒量增加，制熱量增加較明顯，繼續(xù)追加冷媒量，制熱量增幅較穩(wěn)定，持續(xù)增大。其制冷量最大值對應(yīng)冷媒充注量為570g左右，制熱量最大值對應(yīng)冷媒充注量為720g。

換用DSF360壓縮機，充420g冷媒時制熱量同DSF340壓縮機充470g冷媒相當(dāng)，但也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足熱冷比1.1倍時制熱量5610W的要求。

4.2 其他方案測試比較結(jié)果

表2是方案1～5在冷媒充注量420g，用DSF360測試制冷（熱）量測試結(jié)果，其中方案2制熱室外換熱器容易結(jié)霜，制冷未實施，經(jīng)分析，其冷媒側(cè)換熱面積約為原φ7換熱器的79%，推測冷媒側(cè)換熱面積減小是方案2室外換熱器結(jié)霜的主要因素；方案3是在方案2的基礎(chǔ)上，增加一排換熱器，但仍容易結(jié)霜，經(jīng)測量片距為1.2～13之間，推測片距太密，風(fēng)阻太大，導(dǎo)致室外換熱器在額定制熱時容易結(jié)霜，制冷未實施；方案4是換用了2.5HP外機鈑金，增大換熱器迎風(fēng)面積，采用2排換熱器，冷媒側(cè)換熱面積是原φ7換熱器的1.3倍，容積約為91%，容積減小的不多。

方案5在方案4的基礎(chǔ)上，通過對室內(nèi)蒸發(fā)器流程模擬優(yōu)化，原流程數(shù)為4，模擬后流程數(shù)改為3，并且室外換熱器由原來的2排改為1.6排，以繼續(xù)減少內(nèi)容積，來減少冷媒充注量，其制熱量得到較大提升。

其中方案5的制熱量/制冷量＞1.1，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但也要注意，其室外換熱器采用n進(jìn)n出的流程，其流程數(shù)太多，對系統(tǒng)設(shè)計、匹配調(diào)試、生產(chǎn)、可靠性等均提出較大挑戰(zhàn)。

5 小結(jié)

通過2HP機不同冷媒量比較，得出2HP機制熱量不足的原因有2個，冷媒充注量不足和室外換熱能力偏小。對R290熱力性質(zhì)分析，得出R290冷媒熱物理性質(zhì)不差，但在0℃附近，隨著壓力降低，R290冷媒溫度降低相對較大，這將導(dǎo)致制熱時室外換熱器容易結(jié)霜，且R290氣體容積大，如不考慮冷媒量受限問題，應(yīng)采用大管徑的換熱器比較合適，但R290屬于A3冷媒，冷媒充注量受到嚴(yán)格限制，需要用小管徑換熱器來減少內(nèi)容積來減少冷媒充注量，而換熱器管徑不同必將帶來冷媒流程的不同，小管徑換熱器更需要針對R290進(jìn)行設(shè)計。

通過理論分析和用EVAP-COND對換熱器流程模擬，得出R290冷媒用小管徑室外換熱器的冷媒流程適于采用n進(jìn)n出的方式，可以有效減小壓降，并應(yīng)用在試驗中。

最后，在2HP機上實現(xiàn)了熱冷比1.1倍的目標(biāo)要求，制熱量高于5610W。用圖形簡單說明，見圖10。

[1] Domanski，P.A., Yashar, D., Kaufman, K.A.,2008. Finned-Tube Heat Exchanger Simulation Program With Refrigerant Circuitry Optimization Capability, Challenges to Sustainability. Design and operation of environmentally friendly refrigeration an A/C system.Proceedings. October 15-17, 2008,Poznan, Poland.

[2] 高晶晶，丁國良，王婷婷，高屹峰，宋吉. R290空調(diào)器的優(yōu)化設(shè)計原則. [J] 制冷技術(shù)，Vol.33 No1.Mar.2013.

[3] 李紅旗. R290房間空調(diào)器制熱性能提升研究. 房間空調(diào)器行業(yè)HCFC-22替代技術(shù)國際交流會 2015.11.04.

[4] 林建忠，阮曉東，陳邦國，王建平，周潔，任安祿. 流體力學(xué) [M]，北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5] GB/T 7725-2004 . 房間空氣調(diào)節(jié)器，2004.

[6] IEC 60335-2-40 (2013) . Household and similar electrical appliances-Safety-Part 2-40: Particular requirements for electrical heat pumps, air-conditioners and dehumidifiers.

[7] GB 4706.32-2012 熱泵、空調(diào)器和除濕機的特殊要求，2012.