(1 中山大學(xué)工學(xué)院 廣州 510725； 2 廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311)

自1987年《蒙特利爾議定書》簽訂以來，經(jīng)過近30年的發(fā)展，制冷劑的替代工作已在全球范圍內(nèi)展開，對(duì)臭氧層具有破壞性的制冷劑已在全球范圍內(nèi)逐步削減或淘汰，高GWP(全球變暖潛值)的制冷劑在部分地區(qū)已開始限制使用。制冷行業(yè)對(duì)于制冷劑環(huán)保特性的要求逐漸轉(zhuǎn)化為相關(guān)的政策法規(guī)和市場需求，2016年4月簽署的《巴黎協(xié)定》及10月通過的《基加利修正案》將進(jìn)一步加速制冷劑的替代工作。

目前，家用空調(diào)制冷劑的替代技術(shù)路線主要包括以下兩種：1)以R29等為代表的天然工質(zhì)；2)以日本空調(diào)企業(yè)用來替代R410A的R32為代表的HFC類物質(zhì)。碳?xì)涔べ|(zhì)在環(huán)保特性上具有極大的優(yōu)勢，以R290為例，GWP僅為3，且熱力學(xué)性能優(yōu)于R22，但可燃性成為其應(yīng)用的最大阻力。R32的熱力學(xué)特性優(yōu)于R410A，GWP=670，優(yōu)于R410A，但仍然偏高，且具有弱可燃性。公開發(fā)表的文獻(xiàn)中涉及制冷劑替代的內(nèi)容，多為分析4種制冷劑的汽化潛熱、飽和態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)、飽和態(tài)黏度系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)及某設(shè)定工況下的理論制冷循環(huán)，由結(jié)論可知，R290的理論能效僅次于R22，但優(yōu)于R32與R410A[1-2]。但是，目前發(fā)現(xiàn)的在同一制冷系統(tǒng)配置下進(jìn)行實(shí)測對(duì)比分析的資料，或基于R22制冷系統(tǒng)，或基于R410A制冷系統(tǒng)，多是兩兩對(duì)比，如R22與R290，或R32與R410A，未發(fā)現(xiàn)4種制冷劑基于同一制冷系統(tǒng)的實(shí)測分析對(duì)比資料[3-5]。就目前家用空調(diào)而言，R22與R410A的制冷系統(tǒng)在換熱器的大小與流路上均存在較大差異，這些差異會(huì)直接影響制冷劑的對(duì)比分析結(jié)果。K. A. Joudi等[6]研究表明在高溫工況下，R290是R22的最佳替代制冷劑。

本文基于家用房間空調(diào)系統(tǒng)，主要針對(duì)R290、R32、R22、R410A，采用相同的蒸發(fā)器與冷凝器，研究這4種制冷劑在室外環(huán)境溫度從常規(guī)測試工況到高溫測試工況的具體表現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

選取定速分體機(jī)作為對(duì)象，機(jī)型配置見表1(該配置基于R32空調(diào)系統(tǒng)，R32制冷劑的系統(tǒng)配置即為產(chǎn)品配置，另外3種制冷劑的系統(tǒng)配置除制冷劑、壓縮機(jī)與節(jié)流部件不同，其余均相同。冷凝器直徑為5 mm，長度為28.4 m;蒸發(fā)器直徑為7 mm,長度為19.59 m)。壓縮機(jī)能效的測試工況為：冷凝溫度=46 ℃，過冷液溫度=41 ℃，蒸發(fā)溫度=10 ℃，吸氣溫度=18 ℃，環(huán)境溫度=35 ℃，機(jī)型額定制冷量=3.6 kW。采用相同的蒸發(fā)器和冷凝器(該換熱器配置及流路基于R32特性設(shè)計(jì)，如圖1和圖2所示)，針對(duì)4種制冷劑分別采用不同的壓縮機(jī)、毛細(xì)管及充注量。為了準(zhǔn)確研究所有制冷劑均在工況Ⅰ(測試工況見表2，其中52 ℃的室外溫度取自國家標(biāo)準(zhǔn)[7]中空調(diào)工作的最高環(huán)境溫度，并在此基礎(chǔ)上設(shè)定更嚴(yán)苛的55 ℃)下確定最佳充注量，不考慮因可燃性導(dǎo)致的充注量受限的問題。重點(diǎn)研究4種制冷劑在高溫環(huán)境下的性能衰減特性。

表1 機(jī)型配置

注：該數(shù)據(jù)為壓縮機(jī)總能效，來源于廠家提供的正式規(guī)格書。

表2 實(shí)驗(yàn)測試工況

圖1 蒸發(fā)器的配管Fig.1 The evaporator circuits

圖2 冷凝器的配管Fig.2 The condenser circuits

2 理論分析

2.1 基本熱力學(xué)特性

制冷劑的基本熱力學(xué)特性如表3所示，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)與臨界溫度，R290與R22較接近，而R32與R410A較接近。同時(shí)，根據(jù)臨界溫度與臨界壓力，可以預(yù)見在實(shí)際使用時(shí)，R32的制冷系統(tǒng)壓力高于其它3種制冷劑，而R290的系統(tǒng)壓力在4種制冷劑中最低。

2.2 理論制冷循環(huán)對(duì)比

根據(jù)制冷系統(tǒng)的測試工況，分別設(shè)定室外環(huán)境溫度在35～55 ℃下的制冷系統(tǒng)溫度(表4)，對(duì)4種制冷劑進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，作為實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)。根據(jù)表4設(shè)定的理論工況，理論制冷循環(huán)的各項(xiàng)參數(shù)見表5。

表3 制冷劑的基本熱力學(xué)特性

表4 理論設(shè)定工況

理論分析中涉及的壓力、溫度、焓值、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度系數(shù)等均查自美國國家標(biāo)準(zhǔn)局熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)。

制冷劑飽和狀態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)如圖3所示。由圖3可知，在空調(diào)制冷運(yùn)行的范圍內(nèi)，R290、R32、R410A在飽和態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)均高于R22。因此，在溫差和換熱器面積相同的情況，R22換熱器的換熱量要小于另外3種制冷劑；在空調(diào)制冷運(yùn)行的蒸發(fā)溫度0～20 ℃范圍內(nèi)，4種制冷劑的飽和氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的曲線斜率近似，但隨溫度上升，R22和R290飽和液體導(dǎo)熱系數(shù)衰減小于R32及R410A的導(dǎo)熱系數(shù)衰減，因此在高溫工況下R290與R22的蒸發(fā)器換熱量的衰減率小于R32與R410A的。

表5 理論制冷循環(huán)參數(shù)對(duì)比

圖3 制冷劑飽和狀態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)Fig.3 Thermal conductivity of saturated refrigerants

在實(shí)際制冷循環(huán)中，制冷劑流體內(nèi)部及流體與銅管內(nèi)壁之間存在摩擦損失，同時(shí)，制冷劑會(huì)在銅管內(nèi)壁形成附著層，影響換熱效果。黏度系數(shù)小的制冷劑，摩擦損失與附著層的厚度要小。制冷劑飽和狀態(tài)黏度系數(shù)如圖4所示。由圖4可知，R290的黏度系數(shù)小于另外3種制冷劑，因此其流動(dòng)產(chǎn)生的阻力損失更小，對(duì)制冷能力與制冷功率的影響更小，換熱效果優(yōu)于另外3種制冷劑[8]。表6所示為理論與實(shí)測衰減率參數(shù)對(duì)比，表7所示為制冷能力實(shí)測數(shù)據(jù)。

圖4 制冷劑飽和狀態(tài)黏度系數(shù)Fig.4 Viscosity coefficient of saturated refrigerants

表6 理論與實(shí)測衰減率參數(shù)對(duì)比

表7 實(shí)測數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 能力的衰減

隨著室外環(huán)境溫度的升高，空調(diào)制冷能力的衰減將直接影響用戶的使用體驗(yàn)。圖5所示為4種制冷劑隨工況變化的能力衰減情況。

圖5 制冷能力衰減率Fig.5 Decrement of cooling capacity

由圖5可知，以室外溫度35 ℃下各自的制冷能力為基準(zhǔn)，在室外溫度55 ℃時(shí)，R290與R22的能力衰減率基本相當(dāng)，分別為74.52%與74.00%，但明顯優(yōu)于R32(71.51%)與R410A(72.43%)。同時(shí)，由圖8～圖11可知，在實(shí)際的空調(diào)系統(tǒng)中，4種制冷劑的能力衰減均要差于理論制冷循環(huán)的能力衰減。

3.2 能效的衰減

室外環(huán)境的升高同時(shí)會(huì)導(dǎo)致制冷能效的衰減。由圖6可知，R290(54.73%)在高溫下的能效衰減率略低于R22(56.17%)，與R410A(54.37%)相當(dāng)，R32(50.14%)在高溫下的表現(xiàn)則差于另外3種制冷劑。同時(shí)，由圖7～圖10可知，在實(shí)際的空調(diào)系統(tǒng)中，4種制冷劑的能效衰減均與理論制冷循環(huán)的能效衰減相當(dāng)。

圖6 制冷能效衰減率Fig.6 Decrement of EER

圖11所示為4種制冷劑的能力能效分布圖(分別以R22在4種工況下的能力能效為基準(zhǔn))，可知R290在各個(gè)工況下的表現(xiàn)均優(yōu)于另外3種制冷劑。

以上結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)高精度焓差實(shí)驗(yàn)室測得，實(shí)驗(yàn)室的整機(jī)制冷量測試精度≤±2%，重復(fù)性≤±1%。

圖7 R22理論與實(shí)測衰減率對(duì)比Fig.7 Contrast of theoretical value and test data of R22

圖8 R290理論與實(shí)測衰減率對(duì)比Fig.8 Contrast of theoretical value and test data of R290

圖9 R32理論與實(shí)測衰減率對(duì)比Fig.9 Contrast of theoretical value and test data of R32

3.3 壓力與排氣溫度

圖10 R410A理論與實(shí)測衰減率對(duì)比Fig.10 Contrast of theoretical value and test data of R410A

圖11 能力、能效對(duì)比分布Fig.11 Distribution of cooling capacity and EER

室外環(huán)境溫度的升高同時(shí)導(dǎo)致制冷系統(tǒng)壓力和排氣溫度的升高。對(duì)于長期運(yùn)行在高溫環(huán)境下的空調(diào)，過高的系統(tǒng)壓力和排氣溫度將直接影響空調(diào)尤其是壓縮機(jī)的使用壽命，并會(huì)產(chǎn)生潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。在理論制冷循環(huán)中，無論是高壓還是排氣溫度，R32均高于另外3種制冷劑，R290最低，R32與R290的這個(gè)特點(diǎn)在實(shí)際測試中得到了驗(yàn)證。

對(duì)于定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，高溫工況會(huì)引起壓縮機(jī)保護(hù)器動(dòng)作而導(dǎo)致空調(diào)停機(jī)。壓縮機(jī)保護(hù)器一般通過壓縮機(jī)電機(jī)的電流與繞組溫度觸發(fā)動(dòng)作。表8所示為電機(jī)電流在10 A時(shí)各壓縮機(jī)保護(hù)器的動(dòng)作溫度。

表8 壓縮機(jī)保護(hù)器動(dòng)作觸發(fā)條件

由表8可知，當(dāng)運(yùn)行電流相同(10 A)時(shí)，R290壓縮機(jī)保護(hù)器的動(dòng)作溫度與R32幾乎相同，但R32系統(tǒng)的排氣溫度遠(yuǎn)高于R290。由圖12可知，當(dāng)室外環(huán)境溫度為55 ℃時(shí)，R290的系統(tǒng)壓力與排氣溫度均最低，R32的這兩項(xiàng)指標(biāo)均高于其它3種制冷劑，系統(tǒng)高壓為R290的1.78倍，高達(dá)4.5 MPa，排氣溫度比R290高21.4 ℃，因此，對(duì)于定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，運(yùn)行所能達(dá)到的極限溫度，R32最低，R290最高。對(duì)于變頻空調(diào)，R32系統(tǒng)可能會(huì)在更低的環(huán)境下保護(hù)，這將直接影響系統(tǒng)在高溫下的衰減率。

圖12 高溫下(55 ℃)的系統(tǒng)壓力和排氣溫度Fig.12 Pressure and discharge temperature at 55 ℃

4 結(jié)論

本文以定速分體式空調(diào)器為基礎(chǔ)，采用相同的換熱器，對(duì)比R22、R290、R32、R410A 4種制冷劑從常規(guī)工況到高溫工況的表現(xiàn)，得到如下結(jié)論：

1)綜合各個(gè)工況下的表現(xiàn)，R22在高溫下的衰減性能最優(yōu)。

2)R290在各個(gè)工況下的表現(xiàn)均優(yōu)于另外3種制冷劑。

3)R290的能力衰減率與R22相當(dāng)，比R32高2.49%。

4)R290與R22在高溫工況下的衰減率基本相當(dāng)，且系統(tǒng)運(yùn)行壓力略低，排氣溫度要低約15 ℃。

5)R32在高溫工況下的表現(xiàn)不理想，能力與能效衰減率在4種制冷劑中最低，排氣溫度與系統(tǒng)壓力則最高，所能達(dá)到的極限溫度最低，在高溫下使用時(shí)可能存在潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)及安全隱患，不適用于高溫地區(qū)的空調(diào)。

本文由佛山市海內(nèi)外重點(diǎn)招標(biāo)(2013AH100023)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Foshan Major Biding Research Program for Domestic and Abroad (No.2013AH10-0023).)

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