R407C用于家用空調(diào)器的毛細(xì)管長度和制冷劑充注量研究

仇富強(qiáng)，農(nóng)秉茂，范容君，謝萍萍，李壘

(1.銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，銅陵 244061；2.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，漯河 462002；3.棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，棗莊 277160)

0 引言

目前，空調(diào)器已經(jīng)成為了普通家庭的一個(gè)必須品，并且已經(jīng)從城市普及到了農(nóng)村家庭.而且國內(nèi)外專家學(xué)者在這方面的研究非常多，涉及范圍非常廣，如邵雙全，石文星等人通過實(shí)驗(yàn)研究了普通家用空調(diào)器中R22充灌量和毛細(xì)管長度的優(yōu)化匹配[1].肖洪梅，張?zhí)业热藢ψ匀恢评鋭㏑290用于家用空調(diào)器的熱力性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[2].王金鋒，陶樂仁等人對家用翅片管式冷凝器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[3].仇富強(qiáng)，李俊陽等進(jìn)行了家用水源空調(diào)器的研究，結(jié)果表明，采用地表水作為空調(diào)器的能量來源，家用空調(diào)器的性能得到了明顯的提高.目前，我國大部分家用空調(diào)使用的制冷劑是R22.《蒙特利爾議定書》規(guī)定，2020年后發(fā)達(dá)國家將停止使用HCHC制冷劑[5].目前，德國空調(diào)業(yè)已經(jīng)禁止使用R22.我們也將會(huì)提前禁止使用R22.

R407C是由R134a、R125、R32按52%、25%、23% 組成的非共沸混合制冷劑[6]，具有與R22相似的蒸汽壓力和相近的熱力性能(其物理性質(zhì)和R22的比較見表1).是今后作為“直灌式”工質(zhì)替代R22用于房間空調(diào)器希望最大的制冷劑.目前，對于R407C在房間空調(diào)器中的應(yīng)用研究仍在進(jìn)行中，對R407C替代R22的系統(tǒng)性能變化仍需進(jìn)行全面的研究.作為非共沸混合物制冷劑，R407C相變時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度滑移效應(yīng)，而這會(huì)對空調(diào)器的性能產(chǎn)生影響[5]，泄漏發(fā)生時(shí)，由于其比例會(huì)發(fā)生變化，制冷效果將會(huì)變差.與普通單一制劑相比，制冷劑補(bǔ)充和系統(tǒng)的維護(hù)相對較難.目前，我國有人對R407C用于制冷設(shè)備進(jìn)行了研究，例如：盧文軍對R407C替代R22用于列車空調(diào)上可行性進(jìn)行了研究，并對一些應(yīng)注意的問題給出了建議[7].耿瑋，朱群等人進(jìn)行了R407C熱力性質(zhì)的計(jì)算模型建立，并對由于R407C泄漏產(chǎn)生的熱力性質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，對于R407C來說，由于正常泄漏引起的制冷量不足和能效的降低均小于5%[8].張紹志，陳光明等人建立了非共沸制冷劑在翅片管冷凝器中的分布參數(shù)模型，并以R407C為例就6種流程布置對冷凝器性能的影響進(jìn)行了比較.計(jì)算結(jié)果顯示逆交叉流程布置的效果最好[9].另外，張紹志，陳光明等人對翅片管蒸發(fā)器的結(jié)霜過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.結(jié)果表明，對非共沸混合制冷劑R407C來說，溫度滑移對霜層在蒸發(fā)器上的分布影響較大[10].

本文在前人的基礎(chǔ)上主要對R407C用于家用空調(diào)器時(shí)的毛細(xì)管長度以及充注量對空調(diào)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).可為以后相關(guān)研究提供一些參考.

表1 R407C和R22的物性參數(shù)

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

所選樣機(jī)為KC-25C型房間空調(diào)器，其原理如圖1所示.其主要結(jié)構(gòu)如下所示：(1)壓縮機(jī)1個(gè)，型號：165XICY，以R407C為制冷劑；(2)外螺紋翅片管冷凝器1個(gè)，總長16米；(3)毛細(xì)管1根：直徑Φ1.5；(4)翅片管式蒸發(fā)器1個(gè)，總長12.5米.

實(shí)驗(yàn)是在安徽某焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做的.空調(diào)器的制冷功率和制熱功率根據(jù)空氣焓值法進(jìn)行測量計(jì)算(GBT7725 -2000).測試系統(tǒng)由一臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)和一臺(tái)FLUIEND39數(shù)據(jù)采集器組成，溫度由type類型的熱電偶測量，系統(tǒng)壓力用不同量程的Bourdon壓力表測量，系統(tǒng)的耗功采用數(shù)字功率計(jì)測量.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)原理及測點(diǎn)示意圖

1.2 溫度壓力測試點(diǎn)布置

在壓縮機(jī)吸、排氣口、環(huán)境，節(jié)流管前后共設(shè)置了8個(gè)溫度采集點(diǎn).在壓縮機(jī)和毛細(xì)管的進(jìn)口/出口位置分別布置了2個(gè)不同量程的壓力表，用以提高測量精度.

1.3 系統(tǒng)性能計(jì)算

系統(tǒng)制冷功率或制熱功率由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)室的送風(fēng)量和室內(nèi)機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口的焓差值的乘積計(jì)算.如公式(1)：

(1)

(2)

式中：W為空調(diào)輸入功率，kW.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)條件：外室設(shè)定干球溫度35.0℃，濕球溫度24.0℃；內(nèi)室設(shè)定干球溫度27.0℃，濕球溫度19.0℃.

2.1 當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑為：1.5 mm，長度為：600 mm時(shí)，R407C充注量對房間空調(diào)器性能的影響

圖2 吸/排氣壓力隨R407C充注量的變化 圖3 制冷功率和輸入功率隨R407C充注量的變化

從圖2可以看出，隨著充注的增加壓縮機(jī)的吸/排氣壓力是增加的，且排氣壓力的增加值要略大于吸氣壓力增加量.這是因?yàn)橹评鋭┏渥⒘康脑黾右鹆讼到y(tǒng)循環(huán)流量的增加.而毛細(xì)管的管徑是不變的，流過毛細(xì)管的制冷劑流量的增加量是小于系統(tǒng)充注量的，所以其壓力差也是增加的.由圖3可知，隨著充注量的增加，系統(tǒng)制冷功率Q0是先增加的，且增加趨勢逐漸變緩.當(dāng)充注量達(dá)到約630g時(shí)，制冷功率Q0達(dá)到一個(gè)峰值2460.4W.隨著充注量的繼續(xù)，制冷功率開始下降.產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是當(dāng)充注量較小時(shí)，制冷劑在冷凝器出口處無法完全凝結(jié)，故其在毛細(xì)管入口無法形成液封，所以，進(jìn)入毛細(xì)管的制冷工質(zhì)狀態(tài)為流動(dòng)阻力較大的氣液兩相態(tài)，制冷劑質(zhì)量循環(huán)量不大.系統(tǒng)的制冷功率與通過毛細(xì)管進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑質(zhì)量流量成正比.隨著制冷劑充注量的增加，制冷劑在冷凝器內(nèi)壓力升高，制冷劑液化量增加，在毛細(xì)管的入口處形成了液封，流經(jīng)毛細(xì)管進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑質(zhì)量流量基本達(dá)到最大.即，制冷功率基本達(dá)到最大值.如果充注量進(jìn)一步增加，通過毛細(xì)管的流量雖然也是增加的，但由于毛細(xì)管的孔徑是不變的，這時(shí)充注的制冷劑將大部分被滯留在冷凝器內(nèi)，間接導(dǎo)致了冷凝器面積的不足，影響散熱效果，從而引起了制冷功率的逐漸減小.

圖4 性能系數(shù)cop隨R407C充灌量變化 圖5 吸/排氣壓力隨毛細(xì)管長度的變化

從圖4可以看出，在毛細(xì)管內(nèi)徑和長度一定時(shí)，在初始階段，系統(tǒng)的性能系數(shù)COP也是和制冷劑的充注量成正比的.在充注量在630g時(shí)COP達(dá)到最大值2.474.隨著制冷劑的進(jìn)一點(diǎn)充注，其開始呈現(xiàn)出下降趨勢.這主要是由于制冷功率的增加量大于系統(tǒng)的輸入功率增加量引起的.當(dāng)制冷量功率達(dá)到極值后制冷功率是減小的，而此時(shí)壓縮機(jī)的輸入功率仍是不斷增加的，結(jié)果也引起了COP的下降.

2.2 在制冷劑R407C充注量為630g條件下，毛細(xì)管長度對房間空調(diào)器性能的影響

由圖5可知，當(dāng)制冷劑充注量一定時(shí)，隨著毛細(xì)管長度的增加系統(tǒng)的排氣壓力是升高的而吸氣壓力降低的，壓力差是增加的.這是因?yàn)槊?xì)管越長，制冷劑在管內(nèi)受到的阻力越大，通過毛細(xì)管的制冷劑流量就越小.導(dǎo)致多余的制冷劑積聚在冷凝器內(nèi)，使冷凝側(cè)壓力升高，而蒸發(fā)側(cè)制冷劑減少，使蒸發(fā)壓力有所降低.總的來說隨著毛細(xì)管長度的增加，吸氣側(cè)壓力的下降趨勢更為明顯，吸/排氣壓力差值逐漸增大.

圖6 制冷功率和輸入功率隨毛細(xì)管長度的變化 圖7 性能系數(shù)COP隨毛細(xì)管長度的變化

從圖6可以看出，當(dāng)充注量不變時(shí)，初始階段制冷功率是隨著毛細(xì)管長度的增加而變大的，在毛細(xì)管長約為600 mm時(shí)達(dá)到峰值2460 W.其后，隨著毛細(xì)管長度的進(jìn)一步增加系統(tǒng)的制冷功率呈現(xiàn)下降趨勢，而其輸入功率也略有減小，但變化不大.這是因?yàn)樵谥评鋭┝髯⒘恳欢ǖ那闆r下，當(dāng)毛細(xì)管長度較短時(shí)其節(jié)流阻力也較小，流經(jīng)毛細(xì)管的制冷劑量過大，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)無法進(jìn)行相變吸熱，即系統(tǒng)的過熱度值為零，甚至?xí)幸鹩泻駴_程的危險(xiǎn).隨著毛細(xì)管長度的變大，其內(nèi)部阻力就開始增加，進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑流量就越少，從而使蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑蒸發(fā)越充分，產(chǎn)生了一定的過熱度和相變，使單位質(zhì)量制冷量增加，從而引起了總制冷功率的增加.但當(dāng)長度進(jìn)一步增加時(shí)，其沿程阻力也將進(jìn)一步增加，加大了制冷劑的閃蒸量，即單位質(zhì)量制冷量下降.同時(shí)流經(jīng)毛細(xì)管的制冷劑流量也會(huì)減少，制冷劑集聚在冷凝器內(nèi).而進(jìn)入蒸發(fā)器的供液量則減少，使蒸發(fā)器得不到充分利用，從而系統(tǒng)制冷功率是減少的.而增加充注量，可使進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑增加，并提高了換熱面積利用率, 從而使制冷功率增加.故當(dāng)毛細(xì)管變長時(shí)，制冷劑充注量和冷凝器面積也應(yīng)同時(shí)增加.

而輸入功率變化較平緩的原因是由于初始時(shí)雖然其流量較大，但其蒸發(fā)側(cè)過熱度太小，甚至為零，單位質(zhì)量輸入功較小.隨著毛細(xì)管長度的增加，其吸/排氣壓差是增加的，吸氣比容增加，單位質(zhì)量輸入功較大，制冷劑流量卻是減少的，結(jié)果系統(tǒng)輸入功率基本不變，甚至略有減小.

從圖7可以看出，當(dāng)毛細(xì)管變長時(shí)，系統(tǒng)的COP也是先增大然后再逐漸減小的.在長度約550mm時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值2.48.這是因?yàn)楫?dāng)毛細(xì)管增長時(shí)，制冷功率Q0是先增大后減小的，而系統(tǒng)輸入功率W卻無太大的變化，從而系統(tǒng)的COP值也呈現(xiàn)了和Q0相似的變化.

[1]邵雙全，石文星，李先庭，等．空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充灌量與毛細(xì)管長度的優(yōu)化匹配研究[J]．流體機(jī)械，2002，30(2):45-48.

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