仇富強，農秉茂，范容君，謝萍萍，李壘

(1.銅陵職業(yè)技術學院 電氣工程系，銅陵 244061；2.漯河職業(yè)技術學院 機電工程系，漯河 462002；3.棗莊學院 機電工程學院，棗莊 277160)

0 引言

目前，空調器已經成為了普通家庭的一個必須品，并且已經從城市普及到了農村家庭.而且國內外專家學者在這方面的研究非常多，涉及范圍非常廣，如邵雙全，石文星等人通過實驗研究了普通家用空調器中R22充灌量和毛細管長度的優(yōu)化匹配[1].肖洪梅，張?zhí)业热藢ψ匀恢评鋭㏑290用于家用空調器的熱力性能進行了實驗研究[2].王金鋒，陶樂仁等人對家用翅片管式冷凝器進行了數值模擬分析[3].仇富強，李俊陽等進行了家用水源空調器的研究，結果表明，采用地表水作為空調器的能量來源，家用空調器的性能得到了明顯的提高.目前，我國大部分家用空調使用的制冷劑是R22.《蒙特利爾議定書》規(guī)定，2020年后發(fā)達國家將停止使用HCHC制冷劑[5].目前，德國空調業(yè)已經禁止使用R22.我們也將會提前禁止使用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(其物理性質和R22的比較見表1).是今后作為“直灌式”工質替代R22用于房間空調器希望最大的制冷劑.目前，對于R407C在房間空調器中的應用研究仍在進行中，對R407C替代R22的系統性能變化仍需進行全面的研究.作為非共沸混合物制冷劑，R407C相變時會產生溫度滑移效應，而這會對空調器的性能產生影響[5]，泄漏發(fā)生時，由于其比例會發(fā)生變化，制冷效果將會變差.與普通單一制劑相比，制冷劑補充和系統的維護相對較難.目前，我國有人對R407C用于制冷設備進行了研究，例如：盧文軍對R407C替代R22用于列車空調上可行性進行了研究，并對一些應注意的問題給出了建議[7].耿瑋，朱群等人進行了R407C熱力性質的計算模型建立，并對由于R407C泄漏產生的熱力性質進行了分析，結果表明，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模型，并以R407C為例就6種流程布置對冷凝器性能的影響進行了比較.計算結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)器的結霜過程進行了數值模擬研究.結果表明，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].

本文在前人的基礎上主要對R407C用于家用空調器時的毛細管長度以及充注量對空調性能的影響進行了實驗.可為以后相關研究提供一些參考.

表1 R407C和R22的物性參數

1 實驗裝置及測點布置

1.1 實驗裝置

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

實驗是在安徽某焓差實驗室內做的.空調器的制冷功率和制熱功率根據空氣焓值法進行測量計算(GBT7725 -2000).測試系統由一臺臺式計算機和一臺FLUIEND39數據采集器組成，溫度由type類型的熱電偶測量，系統壓力用不同量程的Bourdon壓力表測量，系統的耗功采用數字功率計測量.

圖1 實驗設備系統原理及測點示意圖

1.2 溫度壓力測試點布置

在壓縮機吸、排氣口、環(huán)境，節(jié)流管前后共設置了8個溫度采集點.在壓縮機和毛細管的進口/出口位置分別布置了2個不同量程的壓力表，用以提高測量精度.

1.3 系統性能計算

系統制冷功率或制熱功率由實驗室內室的送風量和室內機進、出風口的焓差值的乘積計算.如公式(1)：

(1)

(2)

式中：W為空調輸入功率，kW.

2 實驗結果與分析

實驗條件：外室設定干球溫度35.0℃，濕球溫度24.0℃；內室設定干球溫度27.0℃，濕球溫度19.0℃.

2.1 當毛細管內徑為：1.5 mm，長度為：600 mm時，R407C充注量對房間空調器性能的影響

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.這是因為制冷劑充注量的增加引起了系統循環(huán)流量的增加.而毛細管的管徑是不變的，流過毛細管的制冷劑流量的增加量是小于系統充注量的，所以其壓力差也是增加的.由圖3可知，隨著充注量的增加，系統制冷功率Q0是先增加的，且增加趨勢逐漸變緩.當充注量達到約630g時，制冷功率Q0達到一個峰值2460.4W.隨著充注量的繼續(xù)，制冷功率開始下降.產生這種結果的原因是當充注量較小時，制冷劑在冷凝器出口處無法完全凝結，故其在毛細管入口無法形成液封，所以，進入毛細管的制冷工質狀態(tài)為流動阻力較大的氣液兩相態(tài)，制冷劑質量循環(huán)量不大.系統的制冷功率與通過毛細管進入蒸發(fā)器內的制冷劑質量流量成正比.隨著制冷劑充注量的增加，制冷劑在冷凝器內壓力升高，制冷劑液化量增加，在毛細管的入口處形成了液封，流經毛細管進入蒸發(fā)器內的制冷劑質量流量基本達到最大.即，制冷功率基本達到最大值.如果充注量進一步增加，通過毛細管的流量雖然也是增加的，但由于毛細管的孔徑是不變的，這時充注的制冷劑將大部分被滯留在冷凝器內，間接導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cop隨R407C充灌量變化 圖5 吸/排氣壓力隨毛細管長度的變化

從圖4可以看出，在毛細管內徑和長度一定時，在初始階段，系統的性能系數COP也是和制冷劑的充注量成正比的.在充注量在630g時COP達到最大值2.474.隨著制冷劑的進一點充注，其開始呈現出下降趨勢.這主要是由于制冷功率的增加量大于系統的輸入功率增加量引起的.當制冷量功率達到極值后制冷功率是減小的，而此時壓縮機的輸入功率仍是不斷增加的，結果也引起了COP的下降.

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

由圖5可知，當制冷劑充注量一定時，隨著毛細管長度的增加系統的排氣壓力是升高的而吸氣壓力降低的，壓力差是增加的.這是因為毛細管越長，制冷劑在管內受到的阻力越大，通過毛細管的制冷劑流量就越小.導致多余的制冷劑積聚在冷凝器內，使冷凝側壓力升高，而蒸發(fā)側制冷劑減少，使蒸發(fā)壓力有所降低.總的來說隨著毛細管長度的增加，吸氣側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管長度的變化 圖7 性能系數COP隨毛細管長度的變化

從圖6可以看出，當充注量不變時，初始階段制冷功率是隨著毛細管長度的增加而變大的，在毛細管長約為600 mm時達到峰值2460 W.其后，隨著毛細管長度的進一步增加系統的制冷功率呈現下降趨勢，而其輸入功率也略有減小，但變化不大.這是因為在制冷劑流注量一定的情況下，當毛細管長度較短時其節(jié)流阻力也較小，流經毛細管的制冷劑量過大，制冷劑在蒸發(fā)器內無法進行相變吸熱，即系統的過熱度值為零，甚至會有引起有害濕沖程的危險.隨著毛細管長度的變大，其內部阻力就開始增加，進入蒸發(fā)器內的制冷劑流量就越少，從而使蒸發(fā)器內的制冷劑蒸發(fā)越充分，產生了一定的過熱度和相變，使單位質量制冷量增加，從而引起了總制冷功率的增加.但當長度進一步增加時，其沿程阻力也將進一步增加，加大了制冷劑的閃蒸量，即單位質量制冷量下降.同時流經毛細管的制冷劑流量也會減少，制冷劑集聚在冷凝器內.而進入蒸發(fā)器的供液量則減少，使蒸發(fā)器得不到充分利用，從而系統制冷功率是減少的.而增加充注量，可使進入蒸發(fā)器內的制冷劑增加，并提高了換熱面積利用率, 從而使制冷功率增加.故當毛細管變長時，制冷劑充注量和冷凝器面積也應同時增加.

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

從圖7可以看出，當毛細管變長時，系統的COP也是先增大然后再逐漸減小的.在長度約550mm時達到一個峰值2.48.這是因為當毛細管增長時，制冷功率Q0是先增大后減小的，而系統輸入功率W卻無太大的變化，從而系統的COP值也呈現了和Q0相似的變化.

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

[2] 肖洪海，張?zhí)遥G．R290小型家用空調器的性能匹配研究[J]．制冷學報，2006，27(4)：26-30.

[3]王金鋒，陶樂仁，王永紅．家用空調風冷冷凝器的數值分析[J]．工程熱物理，2008，29(5):831-833.

[4]仇富強，李俊陽，趙美云，等．直膨式家用水源空調器實驗研究[J]．2014，23(3):24-27.

[5]維也納保護臭氧層國際會議達成協議．中國制冷空調：中國制冷空調工業(yè)協會主辦，1996，93(1):4.

[6]Gustav Lorentzen. Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant[J].International Journal of Refrigeration,1994，17(5)：292-301.

[7]盧文軍．R407C環(huán)保制冷劑在列車空調上的應用研究[J]．電力機車技術，2002，25(4):24-25．

[8]耿瑋，朱玉群，陳瀅．R407C泄漏對制冷量及性能系數的影響[J]．流體機械，2001，29(1):50-52．

[9]張紹志，陳光明，王劍鋒．流程布置對非共沸制冷劑空冷冷凝器性能的影響[J]．流體機械, 2001，29(1):53-55．

[10]張紹志，陳光明，王劍鋒．以R407C為工質的翅片式蒸發(fā)器結霜過程模擬[J]．低溫工程，2001(1):21-26．