制冷劑充注量對輕量化車用空氣源熱泵系統性能的影響

摘 要：【目的】研究R407C制冷劑不同充注量對輕量化車用熱泵空調系統制冷性能的影響。【方法】在高溫45 ℃工況下，通過充注量的變化，分析制冷劑充注量對系統制冷性能參數的影響，確定最佳充注量。【結果】結果表明：R407C制冷劑充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時，系統的制冷量、COP最高值分別達4.935 kW、2.1，系統最佳充注量為2.5 kg。【結論】通過改變制冷劑充注量，制冷量、COP和過冷度均有所提升，因此，在開發新型環保制冷劑及其應用系統時，應充分考慮不同工況下的性能表現，并通過試驗驗證確定最佳運行參數。

關鍵詞：熱泵空調；R407C；最佳充注量

中圖分類號：TH12 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0072-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.015

Effect of R407C Refrigerant Charge on the Performance of Lightweight Automotive Heat Pump System

LI Haijun ZHANG Yibo CHEN Gang GAO Jiayang

（School of Smarts Energy and Environment， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the effect of different charging rates of R407C refrigerant on the cooling performance of lightweight automotive heat pump air-conditioning systems. [Methods] Under the high temperature 45 ℃ working condition， the influence of different refrigerant systems on the refriuWKsAcRcfCukRi87u10FBQ==geration performance parameters is analyed through the change of charging volume to determine the optimal charging volume. [Findings] The results show that when the charge of R407C refrigerant is increased from 2.3 kg to 2.6 kg， the highest values of cooling capacity and COP of the system reach 4.935 kW and 2.1 respectively， and the optimum charge of the system is 2.5 kg. [Conclusions] By changing the refrigerant charge， the cooling capacity， COP and supercooling degree are improved. Therefore， in the development of new environmentally friendly refrigerants and their application systems， the performance under different operating conditions should be fully considered and the optimal operating parameters should be determined through experimental verification.

Keywords： heat pump air conditioner; R407C; optimal refrigerant charge

0 引言

近年來，新能源汽車高速發展，其中純電動車具有節能、低碳、環保等優點，符合可持續發展戰略［1-2］。車用熱泵空調系統是純電動汽車第二大耗能設備［3］，在極端環境下，嚴重影響續航里程［4］，因此，減輕車輛輔助設備的質量、節省車內空間是當前研究的熱點。制冷劑物理性質和系統形式的優劣直接決定熱泵空調系統的性能［5］。制冷劑的充注量會影響系統運行時的蒸發溫度和冷凝溫度，進而影響新型車用熱泵空調系統的制冷性能［6］。因此，在高溫45 ℃工況下，探究物性更好的制冷劑和最佳充注量對提升輕量化純電動車用熱泵空調制冷性能具有重要意義［7-8］。

眾多學者通過研究不同制冷劑的物理性質對系統性能的影響，發現制冷劑或多或少都存在一定的缺陷［9-11］。Navarro等［12］采用蒸汽壓縮循環進行了試驗研究，根據不同蒸發溫度、冷凝溫度、過熱度、壓縮機轉速、分析對系統的COP和制冷量的影響。陳偉等［13］介紹制冷劑HCFCs替代物的研究發展方向，并對各類制冷劑替代物做了相關的物性等分析。Lee等［14］從熱物理性、材料兼容性、溶油性、熱工性能等方面，分析了制冷劑的排氣壓力、單位制冷量。趙靖等［15］在機車空調系統R153A替代R407C的性能研究中，發現分子量較大的制冷劑，充注量較多。Li等［16］通過帶有二回路熱泵空調系統進行試驗，研究發現制冷劑充注量對制冷性能影響較大。劉杰等［17］通過對比不同換熱器的系統制冷劑充注量的情況，發現新型換熱器系統在相同充注量下制冷量和COP均得到了提升。

當前相關學者大多是研究制冷劑對單一部件參數的影響，在高溫工況下分析制冷劑物性及充注量對系統制冷性能影響的研究較少。本研究采用逆卡諾循環原理，搭建了R407C的輕量化車用熱泵空調系統試驗臺，進一步研究制冷劑的物性參數、充注量調節，分析其對排氣溫度、制冷量、COP、過冷度和排氣壓力的影響，為后續研究輕量化、低能耗熱泵系統提供試驗依據。

1 制冷劑的物理性質、安全特性與環保特性

R407C是由R32、R125和R134a按一定比例混合而成的中溫制冷劑、多組分非共沸制冷劑。R407C制冷劑具有較高的GWP（溫室效應指數），其物理性質、安全特性與環保特性見表1。由表1可知，R407C的氣體密度、汽化潛熱略大一些，呈現出容積制冷量較高、換熱面積較小的優勢。制冷劑在工作溫度范圍內要有適宜的壓力和壓比，冷凝壓力過高則對空調機組材料承壓能力要求更高，導致機組體積增大和經濟成本提升。壓比過大會導致排氣溫度過高等問題。

R407C制冷劑飽和蒸氣壓力隨溫度的變化如圖1所示。由圖1可知，R407C制冷劑飽和蒸氣壓力適用于車用熱泵空調系統且與普通熱泵系統相適應，不需要對原系統進行改變。

2 試驗系統

本研究設計了輕量化車用熱泵系統，其系統循環原理如圖2所示。系統制冷與制熱循環，通過四通換向閥的切換和單向閥變換完成。本次制冷劑R407C充注量對輕量化車用熱泵空調系統制冷性能的試驗研究在標準焓差實驗室內進行。

單級壓縮系統壓焓圖如圖3所示。單級壓縮理論循環為：壓縮機出來的制冷劑在車外換熱器中放熱（狀態2到狀態5），通過單向閥進入儲液罐、干燥過濾器，制冷劑通過電子膨脹閥后（狀態6[']），通過單向閥進入車內換熱器進行蒸發吸熱（eOcRH4hujp0+T/P2UzRoVr0v0oAmeMK1J+PwpuAeEks=狀態6[']到狀態1）；進入壓縮機排出（狀態2），如此重復循環。

熱力循環計算公式如式（1）至式（3）。

機組制冷量計算公式為式（1）。

[Q1=m0h1??6'] （1）

式中：[Q1]為蒸發器制冷量，kW；[ m0]為制冷劑循環質量流量 kg/s；[ ?1]為蒸發器出口的焓，kJ/kg；[ ?6']為蒸發器進口的焓，kJ/kg。

壓縮機耗功計算公式為式（2）。

[W=m0h2?h1] （2）

式中：[W]為壓縮機的功率，kW；[?2]為冷凝器進口的焓，kJ/kg。

機組制冷性能系數計算公式為式（3）。

[COP=Q1Jqah6DMq02H938TEMLfdjGG+zEi3PyEn5ZY6CGOOzLs=W=h1??6'h2?h1] （3）

式中：[COP]為熱泵機組制冷性能系數。

3 試驗過程

3.1 試驗裝置

搭建實驗臺，在標準焓差實驗室內測試，試驗樣機及測試儀表的主要參數見表2。

3.2 試驗工況

結合 GB/T 21361—2017《汽車用空調器》和QC/T 657—2000《汽車空調制冷裝置試驗方法》選取試驗工況見表3。高溫45 ℃工況下，膨脹閥過熱度設定值為5 ℃，車外換熱器側風量為7 830 m3/h，車內換熱器側風量為1 080 m3/h，壓縮機轉速為4 000 r/min。研究車用熱泵空調系統在R407C制冷劑充注量從2.3 kg增加到2.6 kg過程中，系統制冷性能的變化。

4 試驗分析

R407C制冷劑不同充注量對排氣溫度的影響如圖4所示。由圖4可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時，排氣溫度呈現下降的趨勢，最低降至80.4 ℃。制冷劑充注量的增加，系統的循環工質質量流量增加，工質在車內換熱器有效換熱面積增加，制冷側蒸發溫度隨之降低，蒸發器出口過熱度降低，進而影響排氣溫度下降。從制冷劑物性角度，不同制冷劑的物性汽化潛熱不同，R407C制冷劑汽化潛熱物性參數較大，有效換熱面積就相對較小，進而影響系統的排氣溫度。

高溫工況下R407C制冷劑不同充注量對制冷量變化關系如圖5所示。由圖5可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時，制冷量呈現先上升后下降的趨勢，制冷量最高達4.935 kW。這是由于制冷劑充注量的增加，系統的質量流量增加，壓縮機功率增加，系統工質循環量增加，提高了制冷側的有效換熱面積，因而制冷量增加；隨著制冷劑充注量繼續增加，系統所需的制冷劑充注量達到飽和，制熱側冷凝溫度變大，在達到制冷側時，蒸發器進口溫度增大，傳熱溫差減小是主導因素，而且氣壓降低，不利于循環工質的流動，影響工質循環量，從而導致制冷量又呈現下降趨勢。從制冷劑物性角度，R407C制冷劑的氣體密度高，質量流量大，進而影響系統的制冷量。隨充注量的增加，R407C制冷劑系統出現制冷量最大值4.935 kW，R407C制冷劑系統最佳充注量2.5 kg。

高溫工況下R407C制冷劑不同充注量對COP變化關系如圖6所示。由圖6可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時，COP呈現先上升后緩慢下降的趨勢，COP最高達2.1。這是由于隨充注量的增加，工質質量流量增加，制冷量和壓縮機功率都隨之增加，而制冷量增幅較大，COP呈現上升的趨勢。充注量繼續增加，工質循環量增加，制冷量有所下降，導致壓縮機功率增量占主導作用，故COP又呈現下降的趨勢，此時出現了最佳充注量，蒸發器的利用面積存在最優情況。

高溫工況下R407C制冷劑不同充注量對排氣壓力變化關系如圖7所示。由圖7可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時，排氣壓力呈現上升的趨勢，從0.7 MPa升高到0.9 MPa。主要是由于充注量的增加，工質制冷流量增加，吸入壓縮機工質流量增加，排氣壓力呈現上升的趨勢。系統在達到最佳充注量之后，系統所需制冷劑趨于飽和，壓縮機進口溫度繼續上升，質量流量增加，故排氣壓力依舊呈現上升的趨勢。

高溫工況下R407C制冷劑不同充注量對過冷度變化關系如圖8所示。由圖8可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時，過冷度呈現先快速上升后緩慢下降的趨勢，過冷度最高達1.9 ℃。這是由于起初充注量的增加，系統所需制冷劑還未到達飽和狀態，且儲液罐可儲存一部分制冷劑，系統運行相對穩定，冷凝器的有效利用面積增大，使換熱效果更好，過冷度隨之上升。隨制冷劑充注量繼續增加，系統所需制冷劑達到飽和狀態，工質質量流量較大，排氣壓力上升，系統穩定性相對衰減，且工質換熱溫差減小，導致過冷度又呈現下降的趨勢。R407C系統制冷量呈現最大值時，過冷度亦呈現最大值，即R407C系統最佳充注量為2.5 kg。

5 結論

①R407C制冷劑的飽和蒸氣壓力與常規工質飽和蒸氣壓力曲線相似，故可采用相同熱泵空調系統，R407C充注量設定從2.3 kg增加至2.6 kg；高溫45 ℃工況下，分析制冷劑充注量增加過程中對不同參數的影響，為后期研究輕量化車用熱泵系統提供實驗依據。

②在高溫45 ℃工況下，R407C充注量從2.3 kg增加至2.6 kg，制冷量、COP和過冷度出現最大值，分別為4.935 kW、2.1和1.9 ℃；系統制冷性能較好、運行穩定。

③在高溫45 ℃工況下，R407C系統充注量在2.5 kg時，制冷量、COP和過冷度出現峰值，最佳充注量為2.5 kg；在系統形式不改變情況下，R407C系統節能性較好，這對研究低能耗、輕量化熱泵空調系統具有重要指導意義。

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