帶經濟補氣的R32制冷／熱泵系統實驗研究

許樹學

（北京工業大學 環能學院制冷實驗室，北京 100084）

當前，以R410A和R407C為代表的氫氟烴（HFC）類工質，具有優良的熱力學性能，而被當作R22的主流替代物使用。但因其具有較高的全球變暖潛能值（GWP），而同樣面臨著被替代的命運。碳氫化合物（如R290和R1270）的ODP值為0，GWP值較低，從技術和熱力性能的角度看是一種很理想的制冷劑替代物，但易燃易爆阻礙了其推廣使用，如，國外標準ASHRAE 34和prEN378將R290的可燃性列為第三類。R32作為R410A的主要組成部分，與R410A性質相似，ODP值為0，GWP低，價廉，而被認為是較好的R22短期替代物[1]。混合工質以R32為組成成分，能提高熱力學性能或降低可燃性。M.H.Barley et al.[2]報道了蒸發溫度在－30°C及以上范圍的二元混合物R32／R125、R32／R143a及R32／Rl34a的汽—液平衡數據；Jianlin Yu et al.[3]將 R32／R290混合物用在小型熱泵系統中，實驗結果表明在較高COP的前提下可制取高于90°C的熱水；一些研究者對R32／R134a的二元混合物進行了研究[4–6]。X.H.Han et al.[7]做了三元混合物R32／R125／R161替代R407C的實驗，結果表明，在不同的工況下，混合物的壓比及能耗均小于R407C，制冷量和性能系數也有優勢；B.O.Bolaji et al.[8]對 R152a和 R32在家用小型制冷設備中替代R134a進行了研究，結果顯示R152a的EER在三者中最高，R32的EER要比R134a低8.5%；Jiang tao Wu et al.[9]研究了質量比率為48／18／34三元混合物R152a／R125／R32替代R22的性質，并通過可燃、爆炸實驗證明安全性。經濟補氣系統（EVI系統）能有效地改善制冷／熱泵系統的性能，如，降低寒冷地區熱泵的排氣溫度，提高系統的制熱或制冷性能系數等。國內外研究者對經濟補氣的研究有相當數量的論文發表，包括系統的型式、不同類型壓縮機的補氣特征、補氣的狀態參數對系統性能的影響等[10–13]。Xing Xu et al.[14]系統地總結了經濟補氣技術，認為閃發器和帶補氣口的渦旋壓縮機是EVI系統設計的兩大關鍵點。Wang X.D et al.[15]做了以 R410A 為工質的EVI系統運行性能實驗，結果表明在環境溫度為17.8℃的條件下，制熱量和制熱性能系數分別提高30%和20%。

筆者設計了以R32為工質的EVI制冷／熱泵系統，通過實驗研究，找出HFC類工質的直接灌注式替代物R32的EVI系統工作特性，補氣對其性能的影響規律，為R32的大規模推廣運用提供技術支持。

1 EVI系統

本文研究的EVI系統的運行原理如圖1所示，該EVI系統亦稱過冷貯液器系統[12]。工作過程如下：出冷凝器的高壓制冷劑在過冷貯液器內分為上部的飽和氣態和下部的過冷液態，飽和氣態從過冷貯液器的上部流出，通過節流閥的節流降壓變為中間壓力，通過壓縮機的輔助進氣口補入到壓縮機內。

壓縮機的質量和能量守恒方程為

過冷貯液器的質量和能量守恒方程

上式中，m——制冷劑質量流量，kg／s；

t——溫度，℃；

p——壓力，MPa；

P——功率，kW；

h——焓，kJ／kg；

Qs——從環境吸收的熱量，kW；

1，2，3…6——圖1中的狀態點。

圖1 EVI系統

圖2所示為EVI系統的經濟補氣過程，由圖2可知，與普通機組中的高壓儲液器不同，過冷貯液器的安裝位置高于冷凝器。工作時，液體主要儲存在過冷貯液器下部，上部閃發出來的氣態制冷劑吸收液體中的或來自環境的熱量，造成液體的過冷。比如，m1＝12g／s，從過冷貯液器中閃發出的氣體流量為m＝2g／s，焓值h＝512.7kJ／kg，從環境中吸收的熱量為Qs＝0.3kJ，計算可得獲得閥前液體過冷度為8℃。從式（1）–（5）可以看出，當補入壓縮機中的氣態制冷劑具有較低焓值時，能降低壓縮機的排氣溫度及輸入功率。對于制冷和熱泵，補氣的影響是不同的。當作為制冷使用時，主路節流閥前液體過冷增加了制冷量，但補氣也會減小流經蒸發器的制冷劑流量，削減制冷量。作為制熱使用時，補氣始終增加壓縮機排氣量，使得制熱量必然增加。因此，補氣對系統性能的影響要取決于系統的工況（制冷還是制熱）以及補氣的參數。

2 實驗設計

實驗裝置與文獻[12]相同。如圖3所示，包括冷卻水系統及乙二醇—水溶液冷凍水系統及制冷系統。帶補氣口的渦旋壓縮機由市場所購成品機改裝而成。通過調節進出水溫度、流量及制冷系統中手動節流閥的開度，實現機組不同的運行工況。

圖2 經濟補氣過程示意圖

壓縮機的基本性能參數如下：

理論容積吸氣量為80cm3／rev；額定輸入功率為4.55kW；額定轉速為2800r／min；電參數為3相，380V

實驗工況：冷凝溫度40℃、45℃，吸氣過熱度10℃，制冷工況下蒸發溫度to設定為5℃和7℃，制熱工況下to設定為－10℃，－5℃和0℃。為使機組更接近實際情況運行，設定恒進水溫度及流量工況，具體數值如表1所示。

表1 恒進水溫度及流量工況

為方便比較，給出相對補氣壓力δ的定義：

式中，δ——相對補氣壓力，無量綱；

pm——中間壓力 ，MPa；

po——蒸發壓力，MPa；

pk——冷凝壓力，MPa。

3 結果與討論

3.1 制冷工況

圖3 以R32為工質的EVI系統實驗裝置

制冷量Qo及制冷性能系數EER隨相對補氣壓力δ的變化如圖4所示。由圖可知，Qo及EER均隨δ的增加而減小。如當蒸發溫度為5℃，冷凝溫度為40℃時，δ從1.04變化至1.38，Qo從23.13kW降低至22.22kW，降低4.0%，同時制冷EER從3.68降至3.27，降低約11.1%。隨著冷凝溫度的升高，Qo及EER隨δ的變化趨緩，當蒸發溫度保持不變，冷凝溫度為45℃時，Qo及EER隨δ的降低幅度分別為1.5%和9.8%，這說明補氣量的增加隨中間壓力升高逐漸變小，這是補氣口大小不能調整造成的。當tk＝45℃，to＝7℃且δ≤1.25時，由于壓縮機的排氣溫度過高而不能工作，相關實驗數據缺失。與SS系統相比，EVI系統的制冷性能系數EER均低于SS系統，最大相差約15%，隨著冷凝溫度的升高和δ的降低，二者差別逐步減小，當tk＝45℃，δ＝1時，二者幾乎相等，這說明，較高的tk及較小的δ下補氣對制冷性能改善較明顯。制冷量根據工況和相對補氣壓力的不同高于或低于SS系統，如圖4a、c所示，工況為tk＝45℃，to＝5℃時，δ低于1.25，EVI系統的Qo高于SS系統，最高為20.2kW，而SS系統僅為19.4kW，高出約3%；當tk＝45℃，to＝7℃時，δ低于1.14，EVI系統的Qo高于SS系統，最大差別為4.3%。即，當冷凝溫度tk及蒸發溫度to處在相對高的水平時，EVI系統的制冷性能較優。正如2節所述，閃發補氣降低了蒸發器內制冷劑的流量，但同時造成主節流閥前液體過冷，因此，EVI系統的制冷量會降低或升高，這取決于補氣量的大小，對于制冷性能來說，EVI系統存在一個適宜的補氣量或中間壓力值。

圖4 制冷性能隨δ的變化規律

制冷工況下壓縮機排氣溫度隨相對補氣壓力δ的變化如圖5所示。與單級壓縮系統類似，在較高的冷凝溫度及較低的蒸發溫度下，壓縮機排氣溫度高。冷凝溫度較高時（如冷凝溫度高于45℃，蒸發溫度5℃），單級系統的排氣溫度很快會超過130℃。補氣后的系統在各制冷工況下排氣溫度穩定，且沒有超過110℃。

圖5 制冷工況下排氣溫度隨δ的變化規律

3.2 制熱工況

制熱量Qk及制熱性能系數COP隨相對補氣壓力δ的變化如圖6所示。隨著δ的增大，制熱量Qk有小幅度的增加，而COP降低。當to為0℃時，δ從0.98增加到1.41，Qk從21.96 kW 增加至22.4kW，Qk變化率僅為4.5%；當to＝－10℃，Qk的增加率約為2.0%，這說明to降低到一定程度，補氣量隨中間壓力變化而趨于不變，這是因為補氣壓一定，當其內外壓差大到一定程度后，補氣口的流動處于臨界狀態，流量不再隨前后壓差變化而變化。當冷凝溫度為40℃，蒸發溫度從－10℃升到0℃時，EVI系統Qk高出SS系統約4%～6%。當蒸發溫度較高時，EVI系統的制熱COP一般低于SS系統，而當蒸發溫度較低時會出現制熱COP高于SS系統的情況。比如，當蒸發溫度低于－10℃且δ低于1.3時，EVI系統的COP大于SS系統，最大高出3%。當冷凝溫度為45℃時，由于SS系統的排氣溫度很快會超過130℃，即便補氣管路的閥門全開，機組也不能長時間工作，因此相關數據缺失。

圖6 制熱性能隨δ的變化規律（tk＝40℃）

制熱工況下壓縮機排氣溫度隨相對補氣壓力δ的變化如圖7所示。各制熱工況下的排氣溫度變化趨勢與制冷工況相同，但總體高出15～20℃，即制熱工況下的排氣溫度問題更應引起關注。EVI系統使排氣溫度控制在125℃以下，保證了系統在蒸發溫度低于0℃（冷凝溫度為40℃或45℃）時的正常工作。由圖6－7可知，若增加制熱量并降低排氣溫度，相對補氣壓力δ要大，而要提高制熱COP，相對補氣壓力δ要小，兼顧制冷、制熱性能及排氣溫度可知，較適宜的相對補氣壓力范圍為1.1～1.3。

圖7 制熱工況下排氣溫度隨δ的變化規律

3.3 恒進水溫度及流量工況

恒進水溫度及流量制冷／制熱性能隨δ的變化規律如圖8所示。由圖8（a）可知，補氣與不補氣相比，制冷量Qo及制冷性能系數EER變化不大，原因是補氣造成膨脹閥前液體過冷，但也使蒸發器中制冷劑的流量降低。對于壓縮機，補氣既提高壓縮效率，降低單位工質的壓縮功，又使壓縮機排氣量增加，增加壓縮機的消耗功量。圖8（b）所示為恒定進水溫度及流量工況下，制熱性能隨相對補氣量δ的變化規律。由圖可知，Qk隨δ的增加提高約2.5%，相對SS系統高出約5%，制熱性能系數COP基本保持不變，原因是補氣提高了制熱量的同時也引起了壓縮機輸入功率相同幅度的提高。圖8也進一步證明了在相對補氣壓力1.1～1.3范圍內可以同時獲得較優的制冷及制熱性能。

圖8 恒進水溫度及流量制冷／制熱性能隨δ的變化規律

圖9所示為由SS系統切換至EVI系統后，在恒進水溫度及流量工況下，系統部件進出口壓力的分布狀況。圖9（a）和圖9（b）顯示，壓縮機、冷凝器、蒸發器等主要部件的進出口壓力上升。如，排氣壓力（約為冷凝壓力）從2.46MPa上升至2.53MPa，相應的冷凝溫度從39.7℃上升至40.8℃；吸氣壓力（約為蒸發壓力）從0.96MPa上升至0.98MPa，蒸發溫度從5.2℃上升至6.0℃。其原因是：當一定比例的制冷劑補入到壓縮機后，壓縮機的排氣量的上升，儲存在冷凝器中的制冷劑量增加而使冷凝壓力上升，同時節流機構的開度不變，瞬時高壓差使蒸發器中的制冷劑量增加導致蒸發溫度上升。運行一段時間后，環境與系統、系統內部達到傳熱傳質平衡，系統在另一較高蒸發及冷凝溫度工況下運行。由此指導我們設計EVI系統時，應適當增大儲液器的體積，或加大換熱器的換熱面積，由此消除補氣帶來的系統壓力升高。

圖9 經濟補氣后各部件的壓力分布

4 結 論

對以R32為工質的EVI制冷／熱泵系統進行了實驗研究，結論如下：

1）EVI系統可明顯降低以R32為工質的單級制冷／熱泵系統的排氣溫度，保證機組在高蒸發溫度制冷工況及低蒸發溫度的制熱工況下長時間安全運行。

2）通過優化后的EVI系統，制冷量和制冷EER可以接近或優于SS系統，制冷量可高4%，EER最大降低15%；制熱量高于SS系統4～6%，制熱COP可以接近或高于SS系統3%。

3）當EVI系統運行在恒定進水溫度及流量工況時，蒸發溫度及冷凝溫度升高0.8～1℃，制熱量提高5%，制冷量、制冷EER及制熱COP基本保持與SS系統不變，EVI系統應適當增大儲液器或增加冷凝／蒸發器換熱面積。

4）綜合考慮制冷及制熱性能，δ的適宜值范圍為1.1～1.3。

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