替代工質(zhì)應(yīng)用于房間空調(diào)器高溫制冷特性研究

李金波 張浩 李廷勛 戚文端 高浩 鄧海釗

LI Jinbo ZHANG Hao LI Tingxun QI Wenduan GAO Hao DENG Haizhao

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

GD Midea Air Conditioning Equipment Co., Ltd. Foshan 528311

1 引言

環(huán)保替代制冷劑已大面積推廣，目前應(yīng)用比較廣的環(huán)保制冷劑為R32、R410A、R290等。在某些場(chǎng)合空調(diào)器外機(jī)的安裝環(huán)境相對(duì)惡劣，造成空調(diào)器室外機(jī)工作溫度上升，性能惡化[1]。同時(shí)在一些極端高溫工況下能穩(wěn)定可靠運(yùn)行的空調(diào)器需求也日益增加。文章[2-4]從制冷劑的基本特性以及熱物性，應(yīng)用于空調(diào)器上的可行性、常規(guī)工況下的理論循環(huán)特性、實(shí)際測(cè)試性能對(duì)比進(jìn)行了詳細(xì)分析，但在中高溫等惡劣工況下運(yùn)行的房間空調(diào)器具體的性能表現(xiàn)以及極高溫焓差測(cè)試業(yè)內(nèi)還未有深入研究。R290由于其安全性要求較高，造成大規(guī)模應(yīng)用較難，但由于其臨界溫度高，臨界壓力小，排氣溫度低，將比較適用于高溫環(huán)境下運(yùn)行，本文將從制冷劑的高溫特性以及焓差室性能測(cè)試，對(duì)比R32、R410A、R290三種替代工質(zhì)在55～80度高溫工況運(yùn)行時(shí)的性能差異，優(yōu)選出適合極高溫工況運(yùn)行的環(huán)保工質(zhì)。

2 理論分析

通過表1可以看出，三種制冷劑的ODP值均為0，GWP值R410A>R32>R290，R290變暖潛力值最小。R290的臨界溫度為96.74℃，遠(yuǎn)大于R32和R410A，在工作環(huán)境為80℃以上時(shí)仍可輸出制冷量，而R410A臨界溫度最低，臨界溫度為72.5℃，在70℃以上工作時(shí)已基本無法冷凝成液態(tài)制冷劑，無制冷能力輸出，R32冷媒略高于R410A。隨著工作環(huán)境溫度的上升，冷凝溫度越接近于制冷劑的臨界溫度，節(jié)流的損失越大，制冷系統(tǒng)循環(huán)COP越低。從制冷劑的基本性能上可以看出，R290更加適合中高溫區(qū)制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)整體輸出制冷量及能效更優(yōu)。

表2為三種制冷劑在70℃時(shí)的熱力學(xué)物性對(duì)比，可以看出，R290制冷劑的運(yùn)動(dòng)粘度比R32及R410A大，在系統(tǒng)中流動(dòng)阻力及壓力損失較小，可以降低系統(tǒng)功耗，但是其比熱容較高，要達(dá)到相同過冷度需較大溫度或增加換熱器面積，在相同換熱器面積下，會(huì)造成冷凝溫度上升，換熱效率下降。

圖1為三種不同工質(zhì)在同一標(biāo)尺壓焓示意圖，可以看出，在冷凝溫度同為67℃時(shí)，R290壓力為2.431MPa，R410A為4.455MPa，而R32達(dá)到4.561Mpa，高冷凝壓力的同時(shí)意味著排氣壓力高，在吸氣溫度相同時(shí)，系統(tǒng)排氣溫度更高。通過壓焓線可以看出，在高冷凝溫度時(shí)，R290的飽和氣態(tài)焓值與飽和液態(tài)焓值差值大，相同質(zhì)量流量制冷劑，可以帶走更多的冷凝熱，在高溫工況衰減量相對(duì)R32及R410A更少。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證R290、R410A、R32三種工質(zhì)在分體式房間空調(diào)器上的性能表現(xiàn)，選取同樣規(guī)格的額定制冷量為3.5kW的分體式房間空調(diào)器，分別充注合適重量的三種工質(zhì)，匹配合適排量的壓縮機(jī)，并將制冷系統(tǒng)調(diào)試至最優(yōu)，在R290可燃工質(zhì)專用防爆焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室示意圖如圖2所示，包括壓力溫濕度及流量測(cè)量裝置，溫度傳感器采用日本千野的Pt-100鉑電阻四線，精度A級(jí)，濕度傳感器采用芬蘭維薩拉的HMT120，精度為±1.7%RH以上，微差壓變送器采用EJA120A，測(cè)量范圍-50～450Pa。并在室內(nèi)外側(cè)設(shè)置防爆卸壓裝置。各測(cè)試工況如表3所示。

通過圖3及圖4可以看出，在室外35℃的工況下，充注R32工質(zhì)的空調(diào)器能力最高，R410A與R290工質(zhì)的空調(diào)器相近，這是因?yàn)镽32制冷劑在中溫區(qū)的汽化潛熱比R410A高，而R290系統(tǒng)由于可燃冷媒充注量限制，未達(dá)到最佳循環(huán)流量。隨著室外工況溫度的升高，制冷量急劇下降，在60℃工況時(shí)，R290制冷劑排氣溫度低、壓比小的優(yōu)勢(shì)開始凸顯，溫度越高，制冷量衰減率相對(duì)于R410A及R32越小。以35℃時(shí)為基準(zhǔn)，R32冷媒在60℃時(shí)制冷量衰減73.7%，70℃時(shí)衰減達(dá)到86.8%。R410A制冷劑與R32制冷劑相似，60℃時(shí)衰減73.1%，70℃時(shí)衰減達(dá)86.4%，而R290制冷劑系統(tǒng)在60℃時(shí)制冷量衰減49.5%，70℃時(shí)衰減65.8%。相比于R32制冷劑系統(tǒng)，R290系統(tǒng)在60℃工況時(shí)制冷量高78.2%，70℃時(shí)高140.1%。由于R32以及R410A制冷劑臨界溫度相對(duì)于R290制冷劑低，所以在室外75℃及80℃工況時(shí)，R290系統(tǒng)仍有制冷量輸出，而R32及R410A在冷凝側(cè)已達(dá)臨界溫度，無制冷量輸出。

表1 制冷劑基本性能對(duì)比

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表2 制冷劑在70℃時(shí)熱物性對(duì)比

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表3 高溫能力能效測(cè)試工況

圖2 R290專用防爆焓差實(shí)驗(yàn)室示意圖

圖3 不同工質(zhì)在室外側(cè)各工況下相對(duì)名義制冷量百分比對(duì)比

圖4不同工質(zhì)在室外側(cè)各工況下制冷量衰減率對(duì)比

圖5 不同工質(zhì)在室外各工況下同輸出制冷能力時(shí)排氣溫度對(duì)比

不同工質(zhì)在室外各工況下運(yùn)行同輸出能力時(shí)排氣溫度對(duì)比情況如圖5所示，可以看出在常溫制冷工況下，R410A制冷劑系統(tǒng)排氣溫度最高，R290系統(tǒng)最低，60℃時(shí)R32系統(tǒng)運(yùn)行排氣溫度達(dá)107℃，R290系統(tǒng)系統(tǒng)排氣溫度為96℃。室外70℃工況下，制冷能力相當(dāng)時(shí)，R32制冷劑系統(tǒng)排氣溫度達(dá)109℃，而R290系統(tǒng)此時(shí)排氣溫度為99℃。系統(tǒng)排氣溫度關(guān)系到其運(yùn)行可靠性及空調(diào)器壽命，所以在高溫工況運(yùn)行時(shí)，R290制冷劑系統(tǒng)運(yùn)行可靠性相對(duì)于R410A系統(tǒng)及R32系統(tǒng)更高。

4 結(jié)論

通過對(duì)比R32、R410A、R290三種環(huán)保替代工質(zhì)的高溫?zé)嵛镄约办什钍夷芰y(cè)試結(jié)果可知，在60℃以上高溫工況時(shí)，相對(duì)于R290、R32及R410A兩種制冷劑在高溫工況下能力及能效衰減明顯，在70℃工況以后無法輸出制冷量，在高溫工況運(yùn)行時(shí)R290制冷劑系統(tǒng)排氣溫度相對(duì)較低，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性得以保證。所以在環(huán)境惡劣工況下安裝運(yùn)行的房間空調(diào)器，R290工質(zhì)有著良好的能力能效表現(xiàn)及應(yīng)用前景。