微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的性能測試與分析

趙曉丹， 張 超， 王素英， 劉恩海， 趙楠楠

(1.中原工學院 信息商務學院, 河南 鄭州 451101； 2.中原工學院 能源與環(huán)境學院， 河南 鄭州 450007)

與傳統(tǒng)翅片管換熱器相比，微通道換熱器具有體積小、重量輕、換熱效率高、結構緊湊、制冷劑充注量小等優(yōu)點[1]。目前微通道換熱器在制冷空調領域主要應用于汽車空調系統(tǒng)，在家用空調中并不多見。將其用于家用制冷空調系統(tǒng)，可實現減小空調系統(tǒng)體積，提高空調器整機性能，降低制冷空調系統(tǒng)成本的目的。許多學者對微通道換熱器在家用空調上的應用已進行大量研究，清華大學張會勇等研究分析了微通道換熱器應用于家用空調系統(tǒng)的優(yōu)點及有待解決的問題[2]。嚴瑞東等研究了微通道換熱器兩相分配特性對家用空調器的影響，結果表明，其兩相分配的不均衡對空調器性能的影響達到了7.3%[3]。汪年結等研究了微通道換熱器在3 HP柜式家用空調中的應用，結果表明，對微通道換熱器結構的優(yōu)化可進一步提高空調器的性能[4]。施駿業(yè)等對家用空調室外機波紋型翅片管換熱器進行了研究，得出的波紋型翅片管換熱和壓降關聯式，可用于準確預測換熱器的運行性能[5]。郭霞齡等采用R290制冷劑，以微通道冷凝器替換翅片管冷凝器，研究家用空調器的制冷性能，結果表明，相對于翅片管冷凝器，采用微通道冷凝器的空調器制冷量提高了0.7%，COP提高了3.4%[6]。王穎等將微通道換熱器用于3 HP柜式家用空調,并對系統(tǒng)性能和充注量等進行了對比研究[7]。譚易君等采用仿真技術,以R290家用空調器的微通道冷凝器為研究對象,比較了不同流路布置方案對冷凝器性能的影響,并對外形尺寸相同的微通道冷凝器與翅片管冷凝器充注比進行了研究[8]。曹勇針對微通道換熱器在結構和性能上的特點,討論了將其用于房間空調器時關于耐壓、腐蝕、折彎、積灰、泄露等方面應注意的問題,并提出了一些設計建議[9]。彭明等對不同流程布置的平流式冷凝器進行試驗研究,提出了平流式冷凝器流程的優(yōu)化設計方案[10]。胡張保等設計了一套以微通道換熱器作為蒸發(fā)器的分離式熱管空調,研究了充液率、室內外溫差和風機風量等因素對其傳熱性能的影響[11]。

本文以R134a為制冷劑，構建2 HP微通道分體式家用空調系統(tǒng)，以微通道換熱器作為冷凝器，以管-翅片式換熱器作為蒸發(fā)器，在額定制冷工況下，分別測試微通道家用空調器和常規(guī)家用空調器的主要制冷參數，并在不同制冷劑充注量下，對微通道家用空調器的主要制冷性能進行討論。

1 實驗裝置及測試工況

實驗用微通道家用空調器制冷系統(tǒng)主要由渦旋壓縮機、微通道冷凝器、儲液器、干燥過濾器、熱力膨脹閥、管-翅片式蒸發(fā)器組成。微通道家用空調器制冷系統(tǒng)如圖1所示。根據制冷系統(tǒng)工作原理，制冷劑依次經過壓縮機、冷凝器、儲液器、干燥過濾器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器等。微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的具體工作流程如下：高溫高壓制冷劑蒸汽從壓縮機排出后，首先進入冷凝器，與空氣進行冷凝換熱，經過儲液器和干燥過濾器，進入熱力膨脹閥節(jié)流降壓，變成低溫低壓的氣液混合物；然后進入蒸發(fā)器，吸收室內空氣的熱量，變成過熱蒸汽，進入壓縮機壓縮，成為高溫高壓蒸汽制冷劑后進入新一輪循環(huán)。

1.1 實驗裝置

該實驗裝置主要包括制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、室內空氣調節(jié)系統(tǒng)、測試與控制系統(tǒng)等。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)主要為制冷劑側換熱量的測量提供工質等；室內空氣調節(jié)系統(tǒng)主要控制實驗室溫濕度、入口風速及風量等實驗工況；測試與控制系統(tǒng)用于監(jiān)控整個實驗過程的空氣環(huán)境。

圖1 微通道家用空調器制冷系統(tǒng)

為了研究微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的結構參數對換熱器性能的影響，可建立專用于微通道換熱器的數學模型。本文在國家標準規(guī)定的房間空調器額定制冷工況下，從流程布置、扁管高度、翅片高度以及扁管、翅片寬度方面，對微通道換熱器結構參數進行優(yōu)化，并將優(yōu)化后微通道換熱器作為新室外冷凝器。主要實驗設備的型號及參數如表1所示。

表1 主要實驗設備的型號及參數

1.2 測試工況

根據圖1搭建實驗臺后，按照國家標準GB/T 7725的要求，在標準焓差實驗室內進行測試。所選實驗室的測試能力為2～45 kW，蒸發(fā)器室和冷凝器室環(huán)境溫度的控制精度為±0.2 ℃。

以R134a制冷劑為工質，根據GB/T 7705-2004標準規(guī)定，在額定制冷工況下，分別測試微通道家用空調器制冷系統(tǒng)和常規(guī)空調器制冷系統(tǒng)的各項性能，并在不同制冷劑充注量下，對微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的性能進行測試。測試工況如表2所示。

表2 測試工況(額定工況) ℃

2 實驗結果及分析

2.1 兩種制冷系統(tǒng)的性能比較

微通道家用空調器制冷系統(tǒng)和常規(guī)空調器制冷系統(tǒng)的各項性能如表3所示。

表3 兩種制冷系統(tǒng)的性能

從表3數據可以計算出，在額定工況下，相對于常規(guī)家用空調器，微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的制冷量提高了3.85%，壓縮機功率降低了2.50%，COP提高了6.46%。

將室外冷凝器更換為微通道換熱器后，制冷劑通過微通道冷凝器后過冷度降低，在蒸發(fā)器內蒸發(fā)吸熱時可帶走更多的熱量，從而使系統(tǒng)制冷量增大。相比于常規(guī)家用空調器，微通道家用空調器制冷系統(tǒng)中制冷劑的質量流量減小，壓縮機功率降低，在制冷量增大和壓縮機功率降低的綜合作用下，系統(tǒng)的COP升高?？偟膩碚f，在額定工況下，相比于常規(guī)家用空調器，微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的制冷量增大，壓縮機功率降低，COP升高，空調系統(tǒng)的整體性能大幅度提升。

2.2 不同充注量時微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的性能變化

圖2、圖3、圖4分別為微通道家用空調器制冷系統(tǒng)在額定制冷工況下制冷量、壓縮機功率、COP隨制冷劑充注量的變化曲線。

圖2 系統(tǒng)制冷量隨制冷劑充注量的變化曲線

圖3 壓縮機功率隨制冷劑充注量的變化曲線

圖4 系統(tǒng)COP隨制冷劑充注量的變化曲線

由圖2可知，隨著制冷劑充注量的增大，系統(tǒng)制冷量先升高后降低，當制冷劑充注量從670 g升至710 g時，系統(tǒng)制冷量提高了8%；當制冷劑充注量從710 g升至750 g時，系統(tǒng)制冷量降低了5.6%。這是因為，當制冷劑充注量很小時，進入蒸發(fā)器的制冷劑的質量流量很小，而蒸發(fā)器面積一定，所以蒸發(fā)器制冷量很小。隨著制冷劑充注量的增大，系統(tǒng)制冷劑的質量流量增大，蒸發(fā)溫度升高，從而使蒸發(fā)器制冷量增大。隨著制冷劑充注量的繼續(xù)增大，雖然蒸發(fā)溫度升高，但換熱溫差減小，所以制冷量減小?？傮w來說，在充注量從670 g升至710 g的過程中，制冷劑的質量流量是影響蒸發(fā)器換熱的主要因素；在制冷劑充注量從710 g升至750 g的過程中，傳熱溫差是影響蒸發(fā)器換熱的主要因素。

由圖3 、圖4可知，隨著制冷劑充注量的增大，系統(tǒng)壓縮機功率相應增大，COP先升高后降低。當制冷劑充注量從670 g升至710 g時，壓縮機功率增大4.7%，系統(tǒng)COP提高3.15%。當制冷劑充注量從710 g升至750 g時，壓縮機功率增大5.13%，系統(tǒng)COP降低10.16%。這是因為，系統(tǒng)制冷劑充注量較小時，壓縮機功率與制冷劑的質量流量成正比，隨著制冷劑充注量的增大，壓縮機吸排氣壓力比幾乎不變，壓縮機功率雖然有所提升，但變化不大，而系統(tǒng)COP是系統(tǒng)制冷量與壓縮機功率的比值，從圖2可知，隨著制冷劑充注量的增大，系統(tǒng)制冷量先增大后減小，所以系統(tǒng)COP也呈現先升高后降低的趨勢。綜上可知，微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的性能在制冷劑充注量為710 g時達到最佳。

3 結語

對微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的性能測試表明：相對于常規(guī)家用空調器，微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的制冷量增大了3.85%，壓縮機功率降低了2.50%，COP提高了6.46%；在額定工況下，隨著制冷劑充注量的增大，微通道家用空調器制冷系統(tǒng)的制冷性能并不是一直呈現向上增長的趨勢，而是先增后減，其主要性能參數在制冷劑充注量710 g時達到最優(yōu)。為了將微通道換熱器更好地應用于熱泵系統(tǒng)，可以進一步探討室內外風機風量、壓縮機轉速對微通道家用空調器性能的影響。