基于制冷劑R404A的空調器焓差實驗室的研制

方大偉+李瑛+錢芳+蘇曉東+方杰+呂傳超

摘 要：為保證空調器的產品質量及規范空調器市場服務，依據GB/T 7725—2004，并參照日本JIS 8615—1999標準，以及與某公司技術協議的相關要求，研制了一套7.5 kW空調器實驗室.該實驗室采用了空氣焓差法進行測試.傳統焓差實驗室制冷機組通常使用HCFCs類工質R22.基于節能環保的要求，該實驗室的制冷機組以制冷劑R404A替代了R22.為了驗證實驗室的測試能力，分別進行了極限低溫工況、極限高溫工況、極限濕度工況及工況調整速度實驗.實驗結果表明，該實驗室可滿足對空調器性能的測試要求.

關鍵詞：空調器； 焓差室； 設計； R404A； 制冷劑替代

中圖分類號： TB 663 文獻標志碼： A

在傳統焓差實驗室的制冷機組中，制冷劑絕大部分為R22，而因R22對大氣臭氧層有較嚴重的破壞作用，已明確被列為限制使用和逐步被替代的物質，我國目前也在逐漸減少R22的使用.順應節能環保的國際趨勢，本文所研制的空調器焓差實驗室的制冷機組采用了制冷劑R404A，并對實驗室進行了極限工況試驗及結果分析.

1 R404A替代R22的可行性分析

1.1 R22與R404A物性對比分析

表1為R22與R404A的主要物性對比[1-2].由表可知：

（1） 盡管R404A比R22的全球變暖潛能稍高，但其臭氧層消耗潛能為0，環保性能更好.

（2） R404A無毒，且因含有較大比例的R125，不具可燃性，安全性較R22更高.

（3） R404A的標準沸點比R22低，可得到更低的蒸發溫度；R404A工作壓力比R22略高，在較低的蒸發溫度下仍可保持正壓工作.

（4） R404A的壓縮機排氣溫度比R22的更低，因為在相同溫度和壓力條件下，R404A的等熵指數比R22稍小.

（5） R404A的溫度滑移較小，屬于近共沸制冷劑，在蒸發器和冷凝器內的傳熱性能與R22相近.

除了以上優點外，R404A在蒸發性能、流動性及制冷劑充注量上亦優于R22.因此，用R404A替代R22在理論上是可行的.

1.2 R404A替代R22的實驗研究

近年來，由于R404A的容積制冷量、壓力與R22具有可比性，R404A受到制冷行業和科研機構的更多關注與研究.狄春紅[3]、秦海杰等[4]和張華俊等[5]分別進行了R404A在半封閉活塞壓縮機中替代R22的研究；石云波[6]、劉艷麗等[7]作了R404A在螺桿壓縮機中替代R22相關試驗研究，劉光華等[8]、張劍飛等[9]研究了R404A在渦旋壓縮機中替代R22性能特性.根據以上對R404A替代R22的可行性和適用性的研究發現，在同等工況下，R404A比R22的壓縮機制冷量略有提高，軸功率稍有增加，制冷系統性能系數（COP）比R22略有降低.采用R404A后，原制冷系統中的壓縮機、換熱器和其他相關制冷部件均需重新設計，但制冷系統裝置的改動較小，性能差別也不大[10].因此，用R404A替代R22是可行的.

2 焓差實驗室設計

房間型量熱計法和空氣焓值法被GB/T 7725—2004[11]定為房間空調器制冷量和制熱量的測試方法.房間空調器的季節能效比（SEER）的測試實驗需在間歇啟/停的狀態下，測定空調器的制冷量和輸入功率，屬于動態測試.房間型量熱計無法完成該類型試驗.由于房間型量熱計法的局限性，使得空氣焓值法測試技術逐漸得到廣泛應用.

本文根據需要研制了一套采用空氣焓值法測試技術的房間空調器焓差實驗室.焓差實驗室是空調器性能測試的重要手段，主要包括絕熱庫房、空氣處理系統及溫度場測控系統三大部分.

2.1 焓差實驗室的工作原理

焓差實驗室是通過測量房間空調器的送風參數、回風參數以及循環風量等，再以測出的風量與送回風焓差的乘積確定空調器的能力.需測試的項目多以標準所規定工況下的制冷量和制熱量為主，還包括最大運行制冷（制熱）、制冷（制熱）消耗功、COP、能效比（EER）及SEER等.

2.2 制冷系統設計

根據壓縮機對制冷劑蒸汽的壓縮熱力學原理將壓縮機分為容積型壓縮機和速度型壓縮機.考慮到本研究的使用范圍和實際情況，選用容積型活塞式壓縮機.制冷循環的具體流程如圖1所示.制冷劑R404A經壓縮機壓縮后，高溫高壓的制冷劑氣體經過油分離器后進入冷凝器.冷凝器采用水冷冷凝器，通過改變水流量和冷卻塔水溫來維持冷凝壓力在一定的范圍內.制冷劑氣體經冷凝器冷卻和冷凝后變為低溫高壓液體，然后經儲液罐、電磁閥等進入熱力膨脹閥膨脹，中溫高壓液態制冷劑被節流成低溫低壓的氣液兩相流并進入蒸發器蒸發，最后經氣液分離器吸入壓縮機，完成整個制冷循環.

2.3 空氣處理系統設計

空調器性能測試實驗室的空氣處理系統的主要目的是為了保證各個測試室的空氣溫度和濕度，并為測試提供均衡的溫、濕度和氣體流速.利用制冷機組提供的冷量和電加熱系統精確控制環境溫度，通過蒸汽加濕精確控制環境濕度.而溫度場的均勻性及流速的合理分布則需要進行合理的氣流組織設計.

對空氣的處理可簡單地歸納為兩種情況，即送風溫度比回風溫度高和送風溫度比回風溫度低.與普通的空氣調節相比，焓差實驗室對空氣的溫、濕度的精度要求更高，需保證空間溫、濕度梯度.利用制冷機/蒸發器冷卻減濕的方式對空氣進行冷卻除濕，利用電加熱系統進行加熱，利用蒸汽等溫進行加濕.實驗室空氣處理柜與舒適性空調的空氣處理過程不同，其制冷工況、制熱工況時室內側空氣處理過程分別如圖2、3所示.被測機制熱工況時不加濕，故在空氣處理圖中角系數為90°[12].此為兩種工況的不同點之一.

圖2、3中：O點為送風狀態點；N點為回風狀態點；L點為露點；I點為等濕加熱過程終點；NL為空氣經處理柜蒸發盤管再冷過程；LI為等濕加熱過程；IO為等溫加濕過程，該過程是通過將干蒸汽減壓，直接噴入空氣中，以增加空氣的濕度.通過調節器輸出的百分比來控制加濕量，以滿足實驗室對濕度的需要，同時也避免加濕過量，造成空氣過飽和.

2.4 氣流組織設計

氣流組織即空氣分布，只有合理地組織空氣流動方式，才能夠使室內的溫度分布均勻，波動范圍小.孔板送風具有射流混合過程短、溫差和風速衰減快的特點，可以使工作區的溫度場和速度場分布均勻，所以本實驗室采用全孔板上送下回方式.圖4為實驗室氣流組織示意圖，被測機出風依次流過空氣處理柜內的蒸發盤管、電加熱器、循環風機及蒸汽加濕器的過程中，空氣經降溫去濕、加熱、加濕處理后，進入頂層的穩壓層后經送風孔板流送至工作區，再被吸入空氣處理柜，完成一個空氣處理循環.

3 實驗結果及分析

焓差實驗室內、外側均需進行極限工況及工況調整速度實驗.極限工況實驗主要有極限低溫工況實驗、極限高溫工況實驗、極限濕度工況實驗等.限于篇幅要求，以下僅對室內側進行實驗并進行結果分析.

3.1 極限工況實驗

3.1.1 極限低溫工況實驗

圖5為極限低溫工況實驗曲線.從圖中可以看出，經過60 min左右，實驗室內側可達到10℃的極限低溫設計工況，并且保持工況穩定.工況穩定后，PID控制器的輸出為39%，電加熱輸出功率為3.9 kW，因此，實驗室的空氣處理裝置和制冷系統均有裕量，能夠滿足極限低溫工況的要求.

3.1.2 極限高溫時極限濕度工況實驗

鑒于高溫高濕工況相比于其他溫度下的濕度極限工況更難達到，且在高溫工況時，濕度不易控制，因此，選擇了在極限高溫工況時對極限濕度工況進行實驗，這樣能同時檢測極限濕度工況和極限高溫工況.

室內側的設計極限高溫為45℃.45℃時極限濕度工況實驗結果如圖6所示.從圖中可以看出，室內側的溫度控制在設計極限高溫工況下并穩定在允許的小范圍內，然后濕度從低濕度調整到設計的相對濕度90%的極限濕度工況，經30 min左右可達到設計工況并保持，能夠滿足實驗要求.

3.2 工況調整速度實驗

工況調整速度實驗是驗證實驗室能否在規定時間內，將實驗室由任一工況調整到所需的工況.根據工況調整的溫度變化趨勢，將工況調整速度實驗分為升溫速度實驗和降溫速度實驗.設計工況速度調整實驗均必須在90 min內完成并保持工況穩定.

3.2.1 升溫速度實驗

首先將實驗室內側溫度穩定在設計的最低溫度10℃，然后通過計算機控制將溫度調整到設計的最高溫度45℃.升溫速度實驗曲線如圖7所示.從圖中可以看出，在室內側升溫速度實驗中，由最低溫度10℃升溫到最高溫度45℃，僅用了40 min左右，遠遠低于規定的90 min.在前30 min內，室內溫度迅速上升，達到并超過45℃的設計溫度，然后又下降到45℃附近并保持穩定.

3.2.2 降溫速度實驗

在室內側降溫速度實驗中，首先將實驗室的溫度穩定在設計的最高溫度45℃，然后通過計算機控制將溫度調整到設計的最低溫度10℃.降溫速度實驗曲線如圖8所示.由圖中可以看出，室內側溫度由最高溫度45℃降溫到最低溫度10℃，僅用了38 min左右.前30 min內，室內溫度平穩下降，且

降溫速度非常快，平均降溫幅度約為1.5 ℃·min-1.

溫度達到最低溫度10℃后，繼續下降約3℃，再平穩上升，最后穩定在10℃附近.

4 結 論

本文研制完成了空調器焓差實驗室.

在焓差實驗室的制冷機組中，采用環保制冷劑R404A替代傳統工質R22，并對實驗室進行了標準規定的極限工況實驗.實驗結果表明，該實驗室能滿足空調器性能測試所需的各種工況要求.

參考文獻：

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[7] 劉艷麗，周海峰，王智明.R404A在螺桿制冷機組中替代R22性能研究[J].低溫工程，2005（4）：56-60.

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