R32制冷系統降低排氣溫度的方法研究

秦 妍 張劍飛

(大連三洋壓縮機有限公司 大連 116033)

隨著工業的發展與制冷技術的不斷進步，人們關注制冷產品高能效低成本的同時，對環境友好性的要求越來越高。特別是《蒙特利爾協議》中關于加速淘汰HCFCs的規定，盡快尋找合適的R22替代制冷劑，在ODP為零的前提下，盡量降低GWP值，是勢在必行的工作。

R32作為R410A的一個組成部分，早在上世紀九十年代就曾被國內廣大學者所關注，西安交通大學、清華大學等高校率先進行了R32的飽和蒸氣壓[1]、飽和氣體導熱系數[2]、飽和液體粘度[3]、熱力學性質[4]的研究，為R32作為替代制冷劑的研究提供了重要的基礎數據。但是，由于R32存在安全性的隱患，長期以來一直沒有被應用于產品。近年來，隨著低GWP要求的壓力逐漸增大，ASHRAE對R32的安全歸類標準從A2級降至A2L級，大量研究機構和廠家又對R32展開了性能驗證。從風冷到水冷，從定頻到變頻，從空調到熱泵熱水器，展開了大量實驗研究和理論分析[5-7]，結果表明，R32具有較好的應用前景。

1 R32的物理特性及循環特性

R32作為R410A組分的一種，與R410A相比，具有相近的壓力、更好的傳熱性能和較低的粘度的特性。關于R22、R410A與R32物理特性與循環特性的具體數據詳見表1和表2

從循環特性上看，R32與R410A壓力接近，R32的容積制冷量提高10.87%，容積壓縮功增加7.97%，整體能效提升2.69%，但同時，排氣溫度提高21.97℃，從現有的實驗研究結果看，實際系統運行數據[5-7]與理論分析接近。理論與實際測試結果證明，R32具有較好的傳熱性能和較高的能效，而能否解決排氣溫度高的問題，成為R32在實際應用中廣泛推廣的一個技術壁壘。大金公司首先提出通過控制壓縮機吸氣干度的方式，以解決排氣溫度過高的問題。測試證明，在一定的溫度范圍內，適當降低吸氣干度，可以起到降低排氣溫度的作用，同時通過了壓縮機可靠性測試。但是，從壓縮機安全性考慮，這種降低吸氣干度的方法對于壓縮機來說存在一定風險。基于此考慮，這里從理論和實驗兩方面分析補氣的方法在降低R32系統排氣溫度方面的效果。

表1 R32、R22及R410A的物理性質對比Tab.1 Physics character comparative of R32, R22 and R410A

表2 R32、R22及R410A循環特性1)對比Tab.2 Refrigeration cycle character of R32, R22 and R410A

2 R32系統降低排氣溫度的實驗設計

2.1 實驗系統設計

為了驗證R32替代R410A的系統運行特性，同時考察補氣對R32系統循環性能及排氣溫度的影響，設計了一組實驗，在焓差實驗室利用5HP空調器進行測試。圖1是焓差實驗裝置圖，圖2與圖3分別是測試的制冷系統原理圖及壓焓圖。

圖1 焓差實驗裝置圖Fig.1 Equipment of enthalpy difference experiment

圖2 測試系統原理圖Fig.2 Principle picture of experimental system

表3 實驗工況表Tab.3 Experimental conditions

圖3 測試系統補氣工況壓焓圖Fig.3 p-h picture of gas injecting system

補氣形式的壓縮機最初是針對低環境溫度，大壓比的工況而開發設計的。圖2所示測試系統中，當關閉經濟器前端的截止閥時，系統為普通制冷循環；當經濟器前端截止閥通電開啟時，系統為補氣系統。從冷凝器B出來的液體制冷劑一部分節流后對系統內主路循環制冷劑進行過冷，然后噴入壓縮機中間腔對渦旋盤進行冷卻。圖3中0-2'-3-5'是普通制冷循環，0-6-1-2-4-5-0是補氣增焓循環。

普通制冷循環中，制冷量是：

式中， 為進入蒸發器的制冷劑質量流量。

補氣增焓循環中，制冷量是：

兩種循環中，經過蒸發器的制冷劑質量流量相同，補氣增焓循環中，蒸發器入口處焓值更小，因此補氣系統蒸發器焓差更大，即冷量較普通循環大。

在補氣增焓循環中，由于在壓縮機中間腔噴入制冷劑氣體，壓縮機排氣由2'點變化至2點，溫度降低。整個過程系統冷量增加，功率上升，壓縮機排氣溫度下降。表3是實際測試工況設計。

2.2 測試需要解決的問題

搭建測試系統后，主要從三個方面進行實驗驗證，解決如下問題：1) R32系統最佳制冷劑充注量確認：根據COP最大化原則確認R32系統的最佳充注量，與R410A系統進行對比；2) R32與R410A系統運行特性比較：換熱量、COP、排氣溫度對比；3) 補氣對系統排氣溫度及其他運行性能的影響。

3 測試結果及分析

3.1 R32替代R410A系統充注量測試

一般觀點認為，制冷劑的充注量與分子摩爾質量成正比。從現有的研究測試結果來看，在不改變系統的前提下，R32替代R410A后，制冷劑充注量質量百分比在60%～82%左右浮動[6-7]。測試首先根據COP最大原則確認兩種制冷劑最佳充注量，結果如圖4、圖5。從測試結果看，R410A最佳充注量為4.0kg，R32最佳充注量2.9kg，R32大約為R410A的72.5%，與二者摩爾質量比71.9%接近。

圖4 R410A制冷劑充注量確認測試Fig.4 Refrigeration charging con fi rm of R410A

圖5 R32制冷劑充注量確認測試Fig.5 Refrigeration charging con fi rm of R32

3.2 R32與R410A系統循環特性分析

對被試機分別充注R32與R410A制冷劑，在空調標準制冷工況下對比兩種制冷劑系統循環特性，測試結果如表4。

從表4數據中可見，在空調運行標準制冷工況下，R32與R410A相比，前者換熱量高13%，功率高8.89%，COP高4.01%，排氣溫度高25℃，實測值與理論計算值接近。

表4 R410A與R32測試對比Tab.4 Comparison of R32 and R410A

3.3 補氣對R32系統運行性能的影響

從上面的測試結果可以看到，由于R32替代R410A后，排氣溫度高20℃以上，在標準測試工況下，排氣溫度尚能滿足壓縮機工作范圍，在低蒸發溫度、大壓比的情況下，壓縮機排氣溫度過高，將影響其使用壽命，因此引入補氣方式以降低壓縮機排氣溫度。

圖6 R32在補氣及不補氣條件下換熱量改進效果圖Fig.6 Capacity comparison of R32 at gas-injection and non-injection

圖7 R32在補氣及不補氣條件下COP改進效果圖Fig.7 COP comparison of R32 at gas-injection and non-injection

圖8 R32補氣及不補氣條件下排氣溫度改進效果圖Fig.8 Discharge temperature comparison of R32 at gas-injection and non-injection

圖6～圖8是R32系統不同工況下，補氣對系統性能及排氣溫度的影響。從圖中可以看出，在蒸發溫度0～-20℃時，補氣后系統換熱量增加2%～14%，COP提升2%，排氣溫度降低15℃以上，排氣溫度控制在110℃以下，而且蒸發溫度越低，系統性能提升越明顯。

4 結論

從理論和實驗角度分析了R32替代R410A的系統循環特性，提出了采用補氣方法以降低R32排氣溫度，主要結論如下：1)在同一系統下，R32系統充注量是R410A的72.5%，與二者摩爾質量比接近。2)在空調運行標準制冷工況下，R32與R410A比較，換熱量提高13%，功率提高8.89%，COP提高4.01%，排氣溫度提高25℃，實測值與理論計算值接近。3)R32采用補氣后，排氣溫度降低15℃以上，控制在壓縮機安全運行范圍內，換熱量及性能均有所提升，且隨著蒸發溫度的降低，提升效果越來越明顯。

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