R32和R22過熱度對轉子式壓縮機制冷系統影響的對比

王 超　陶樂仁　吳 超　楊麗輝　李慶普　虞中旸

(1 上海理工大學　上海　200093；2 開利空調冷凍研發管理有限公司　上海　201206)

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R32和R22過熱度對轉子式壓縮機制冷系統影響的對比

王 超1陶樂仁1吳 超1楊麗輝2李慶普1虞中旸1

(1 上海理工大學上海200093；2 開利空調冷凍研發管理有限公司上海201206)

利用變頻滾動轉子式壓縮機制冷循環實驗臺，研究了R32和R22制冷系統過熱度對系統性能的影響。定量分析了R32制冷系統在過熱狀態下的一些規律，并且通過對比工況1#下R32和R22的系統參數，分析了R32優于R22的原因，研究了R32商用空調最佳過熱度的調節范圍。結果表明：R32制冷系統各項參數變化趨勢與R22基本一致，R32制冷系統具有較好的制冷效果；在工況1#下，相比R22制冷系統，R32系統的制冷量提高約為42%，COP提高6.8%，系統壓比增加7%左右，系統性能更穩定；在空調工況下，R32系統過熱度控制在4 ℃以內，具有較好的節能效果。

R32；R22；系統性能；過熱度；滾動轉子式壓縮機

在蒸氣壓縮式制冷循環中經常采用蒸發器出口過熱度控制循環中制冷劑的流量，然而干式蒸發器過熱度低于最小穩定過熱度時會突然下降并發生振蕩[1-3]，為防止未蒸發完全的兩相區制冷劑給壓縮機造成液擊損害，常常將蒸發器出口的制冷劑控制到幾度的過熱狀態[4]。蒸發器出口過熱度增大會降低蒸發器的換熱系數，同時降低系統的制冷量和COP，所以目前仍有很多研究人員在研究過熱度的優化控制方案，使系統性能得到改善[5-7]。

R32的熱力性質及環保性能比R22和R410A要好[8]，但與其他制冷劑相比，R32存在壓縮機排氣壓力和排氣溫度較高的缺點[9]，過高排氣溫度會加快潤滑油和壓縮機各種樹酯材料的劣化，加大軸承的磨損，從而降低壓縮機的可靠性[10]。朱瑞琪等[11]針對諸如冷凍冷藏裝置等排氣溫度問題比較突出的一類高壓比制冷系統，提出了以過熱度和排氣溫度相結合的控制方法。矢島龍三郎等[12]針對R32壓縮機排氣溫度較高的特性，提出了利用少量吸氣帶液降低壓縮機的排氣溫度到可接受的范圍的方法。針對R32的特點，上海日立電器有限公司開發的專用冷凍機油的R32滾動轉子式壓縮機具有良好的抗濕壓縮能力[13]。高排氣壓力和高冷凝壓力不是開發R32空調產品的主要障礙，無論風冷還是水冷，定頻還是變頻，空調還是熱泵熱水器，國內已經開展了實驗研究和理論分析[14-15]。

通過搭建的變頻滾動轉子式壓縮機制冷循環實驗臺，研究并對比R32與R22制冷系統過熱度對系統性能的影響，并且在同一試驗工況下對比了R32和R22的系統參數，研究R32商用空調最佳過熱度的調節范圍，得出一些具有參考性的結論。

1 實驗原理及方法

1.1 實驗設計

實驗裝置如圖1所示，整體結構類似一臺小型變容量水冷冷水機組。制冷循環由變頻滾動轉子式壓縮機(自帶氣液分離器)、冷凝器及冷卻水循環系統、高壓儲液罐、過冷裝置、科氏力質量流量計、電子膨脹閥、可視管和蒸發器等組成循環回路。實驗臺還布置了如圖所示的壓力傳感器、溫度傳感器、流量計等儀器測量系統運行參數。

測量溫度　測量壓力　測量質量流量測量體積流量1變頻滾動轉子式壓縮機(自帶氣液分離器)2冷凝器及冷卻水循環系統 3高壓儲液罐 4過冷裝置 5科氏力質量流量計 6電子膨脹閥 7可視管① 8蒸發器及冷凍水循環系統 9可視管②圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experiment apparatus

通過人機界面控制冷凍水和冷卻水出口溫度，使系統運行在特定的工況下，設定壓縮機的頻率。觀察蒸發器出口處可視管9內制冷劑的狀態。待系統運行穩定后，手動增大電子膨脹閥開度，記錄不同過熱度狀態下系統運行的數據。

利用三維力軟件編制的變頻實驗臺程序采集數據，采用西門子PLC S7-300實時監控系統參數，觀察系統運行主要參數及其變化情況。測量參數及測量儀表見表1。

表1 測量參數及儀表

目前ANSI/ARI 540—2004標準空調工況為：蒸發溫度7.2 ℃，冷凝溫度54.4 ℃，過冷溫度46.1 ℃。為了使試驗工況和標準空調工況相似，同時為了模擬低環境溫度時的空調運行特性，設定冷凍水出水溫度為12 ℃，冷卻水出水溫度分別為42 ℃和52 ℃。具體試驗工況見表2，后文中以1#和2#表述表2中對應工況下的測試數據。目前R22的應用已經相當成熟，各項實驗數據表明：R22在不同工況下系統趨勢大致相同，只是參數不同[16]。本文只做了工況1#下的R32和R22的對比研究。另外，由于R22即將被淘汰，R32屬于新型熱門制冷劑，故側重對R32做了兩種工況下的研究。

表2 試驗工況

壓縮機采用上海日立電器有限公司生產型號為GSD0102UKQA6JH6G的滾動轉子式壓縮機。楊麗輝等[17]對滾動轉子式壓縮機的損壞機制做了詳細闡述，得出在空調工況下，當壓縮機排氣溫度等于飽和蒸氣等熵壓縮理論溫度時，將壓縮機吸氣干度控制在0.95～0.98之間可以提高系統的制冷量和COP的結論。從定性方面分析得出R32制冷劑過熱度的增加會降低制冷系統的性能，但是從定量角度分析具體的過熱度變化對制冷系統影響的研究甚少，本文以下將對過熱度變化對制冷系統性能影響的規律進行研究。1.2 計算公式

根據圖1和表1實驗可測得下列參數：冷凍水進出溫度和，冷凍水體積流量，壓縮機輸入功率,壓縮機排氣溫度和排氣壓力，蒸發器出口壓力和吸氣溫度,冷凝器出口壓力，質量流量m，氣液分離器壁溫。根據壓縮機參考技術規格書可得壓縮機的額定頻率，理論排氣量以及壓縮機轉速N等參數，通過Prefprop9.0物性軟件可得蒸發器出口壓力下的飽和制冷劑溫度和吸氣比容等數據，將以上測量值代入下列公式可計算得到所需參數：

1)過熱度

Tsh=Te-Te，sat

(1)

2)系統壓比

PR=pd/pe

(2)

3)系統制冷量

Q=qv,w×ρw×cp,w×(Tw,l-Tw,e)

(3)

4)蒸發器出口制冷劑的熵

Se=f(pe，Te)

(4)

5)壓縮機等熵壓縮排氣溫度

Td,is=f(pd,Se)

(5)

6)蒸發器出口制冷劑比容

Ve=f(pe，Te)

(6)

7)壓縮機的容積效率

ηv=(m×Ve)/(Vd×N)

(7)

2 實驗結果和分析

2.1 制冷工況1#下50 Hz時的R32和R22系統性能

冷凍水和冷卻水出口溫度控制為工況1#(12 ℃/42 ℃)。壓縮機頻率設定為50 Hz,基本為壓縮機的性能測試運轉頻率。

由圖2可知，R32制冷系統各項參數總體變化趨勢與R22制冷系統基本一致，僅在數值和變化轉折點上有較小的差異，主要是因為制冷劑物性參數的不同造成的。

圖2 系統參數隨過熱度的變化Fig.2 Variation of system′s parameters with superheat temperature

由圖2(a)可知，隨著膨脹閥開度的減小，吸氣過熱度逐漸增大，蒸發溫度先緩慢下降，過熱度在約4 ℃時，蒸發溫度下降坡度較大。壓縮機吸氣溫度隨著過熱度的增加而增加，增加到約為13 ℃時基本不變。在“0”過熱度附近時，低于最小穩定值后，吸氣溫度發生振蕩[1]，在蒸發器出口可視管2中可以觀測到霧狀濕蒸氣與過熱蒸氣交替流動，即所謂的干式蒸發器振蕩現象。此時，制冷劑吸氣溫度與飽和溫度趨于一致，少量吸氣帶液制冷劑進入氣液分離器后，吸收熱量發生閃發，降低了氣液分離器和壓縮機的壁溫。通過對比發現，R22的吸氣溫度和蒸發溫度均高于R32。雖然管道做了保溫，但仍不可避免有部分熱量傳入系統，所以在吸氣過程中，氣液分離器的壁溫一直高于蒸發器出口壁溫，幾乎與過熱度成線性關系。過熱度在4 ℃以內時，R32的氣分壁溫與R22的有較大差距，這是由于吸氣帶液閃發及傳熱溫差的原因，過熱度大于4 ℃后，R22氣分壁溫略高于R32。

由圖2(b)和(d)可看出，隨著吸氣過熱度的增大，吸氣比容不斷增大，故制冷劑質量流量相應減小，R32的制冷劑流量相比R22減少約8%。在“0”過熱度附近，制冷劑中混合的油濃度很低，少量吸氣帶液使蒸發器換熱性能增強，出現“0”過熱度附近的制冷量急劇變化。隨著過熱度的增加，制冷劑質量流量減小，同時蒸發焓差增大使得單位制冷量有增大趨勢，在質量流量和單位制冷量兩者綜合作用下，制冷量緩慢減小，這是因為在過熱區蒸發器末端積聚高含油量的液膜，這些液膜既不蒸發也不產生應有的傳熱效果，制冷劑過熱區的局部換熱系數變小。從實驗數據還可知，當吸氣過熱時，在相同的壓縮機頻率下，由于滾動轉子式壓縮機的轉速和容積效率近似不變，隨著制冷量的降低，輸入功率幾乎不隨吸氣過熱度變化[18]，COP的變化規律幾乎與制冷量一致。對比R32與R22的制冷量、COP后發現，相對R22制冷系統，R32制冷量提高約為42%,COP提高約為6.8%,壓比增加7%左右，對系統影響不大，仍在承受范圍內。

由圖2(c)可看出，R32冷凝溫度和R22的基本相同，相差1 ℃以內，隨著吸氣過熱度的增大，冷凝溫度略微有所下降，這是因為隨著制冷量的降低，冷凝器的散熱量也減小了，由于保溫效果，所以冷凝換熱溫差略微有些減小。在“0”過熱度時，由于少量吸氣帶液，壓縮機內近似等熵等濕壓縮過程和軸流式風機的散熱作用，降低了壓縮機的排氣溫度，使得“0”過熱度處排氣溫度略低于飽和等熵壓縮排氣溫度。隨著過熱度的繼續增大，壓縮機排氣溫度不斷升高，并越來越高于飽和等熵壓縮計算的排氣溫度。由實驗數據還可知，R32的排氣溫度比R22高20%,等熵壓縮排氣溫度相比R22高約25%，誤差在5%范圍內。

2.2 不同頻率時R32制冷系統的實驗數據

圖3和圖4分別給出了在表2所示的2種工況下不同壓縮機運轉頻率(35 Hz、40 Hz和45 Hz)下，R32制冷劑的制冷量，COP，壓比、壓縮機排氣溫度Td，排氣溫差DT(排氣溫度與等熵壓縮排氣溫度之差)和壓縮機容積效率隨蒸發器出口過熱度變化的曲線。

圖3 不同工況下制冷量、壓比和COP隨過熱度的變化Fig.3 Variation of refrigeration capacity, pressure ratio and COP with superheat temperature

由圖3可知：系統壓比隨過熱度的增加而變大，在過熱度約為4 ℃時系統壓比開始急劇增加；相同工況下，不同頻率的系統壓比變化基本一致。隨著吸氣過熱度的升高，制冷量和COP均先緩慢減小，在過熱度為4 ℃左右時，減少幅度變大；相同頻率下，工況1#制冷量和COP高于工況2#，相同工況下，頻率越高制冷量越高，接近額定頻率時COP越穩定。蒸發器內過熱段增長，蒸發器換熱溫差增大，蒸發壓力基本不變，冷凝壓力變大，且高低壓差變大，使得泄漏損失增大。綜上所述，過熱度越高，壓縮過程的不可逆損失越大，而制冷劑質量流量的減小減少了耗功，綜合各項數據，當過熱度在4 ℃以下時，各工況處于制冷量、COP和系統壓比的最優區域。

圖4 不同工況下容積效率、排氣溫度隨過熱度的變化Fig.4 Variation of volumetric efficiency and discharge temperature with superheat temperature

由圖4可知，過熱度越高，容積效率越低，工況1#的容積效率均高于工況2#的，原因是壓縮機吸排氣口壓力損失相對變大，壓縮機排氣溫度相對變高，引起更大的容積膨脹導致容積損失。在相同頻率相同工況下，吸氣過熱度對容積效率的影響不大，同時可以觀察到運轉頻率偏離額定頻率越遠，容積效率波動越大，原因可能是非額定運轉時，吸氣壓降較大或油膜密封變差造成漏氣損失。圖4還給出了不同試驗工況下，壓縮機在35 Hz，40 Hz和45 Hz下運轉時排氣溫度Td和排氣溫差DT隨過熱度的變化趨勢圖。在吸氣過熱時，壓縮輸入功率變化不大，但是排氣溫度過高影響壓縮機容積效率，散熱變大，壁溫升高；而且，制冷劑流速降低，不利于潤滑油隨著制冷劑返回壓縮機，這些影響均降低了壓縮機的使用壽命。

3 結論

利用小型變頻滾動轉子式變量冷水機組實驗臺測得不同壓縮機頻率時，工況1#和工況2#下R32和R22制冷系統的制冷量、壓比、排氣溫度、質量流量和COP等數據，通過對比分析了這些參數與過熱度的關系，得出以下結論：

1)R32制冷系統各項參數變化趨勢與R22基本一致，只是數值上有差異，在排氣溫度可承受范圍內，相同工況下時R32的制冷性能優于R22；

2)在工況1#下，相比R22制冷系統，R32制冷系統的制冷量提高約為42%，COP提高約6.8%，系統壓比相對R22增加7%左右，對系統影響不大，仍在可承受范圍內，系統性能穩定；

3)當壓縮機吸氣處于過熱狀態時，對于R32制冷系統，在空調工況下，控制過熱度在4 ℃以內，各項性能均處于較優狀態。

本文受上海重點實驗室(1N-15-301-101)項目資助。(The project was supported by Key Laboratory of Shanghai (No. 1N-15-301-101).)

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About the corresponding author

Tao Leren, male, professor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13916356948,E-mall: cryo307@usst.edu.cn. Research fields: low temperature refrigeration system, cryobio-medical technology.

Comparison of Influences of Superheat Degree on R32 and R22 Rolling Piston Compressor Refrigeration System

Wang Chao1Tao Leren1Wu Chao1Yang Lihui2Li Qingpu1Yu Zhongyang1

(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China；2. United Technologies Company Overview, Shanghai, 201206, China)

The influences of superheat degree on R22 and R32 refrigeration system′s performances are studied experimentally with variable frequency rolling piston compressor refrigeration loop test bench. With the quantitative analysis, some change trends of R32 refrigeration system under the superheat condition are summarized, and the optimum superheat adjustment range of R32 commercial air conditioning is studied by comparing the system′s parameters of R32 with R22′s under the condition of Case 1. The experimental results show that: the change trends of the system′s parameters for R32 are similar with that for R22, and the R32 refrigeration system has a higher refrigerating capacity; under the condition of Case 1, the refrigerating capacity and COP of R32 are improved about 42% and 6.8% respectively compared to R22; the system′s pressure ratio is increased about 7%, which indicates R32 system is more stable. At the air-conditioned state, the better energy saving effect can be reached when the superheated degree of R32 system is controlled less than 4 ℃.

R32; R22; system′s performance; superheat degree; rolling piston compressor

0253- 4339(2016) 04- 0081- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.081

2015年11月30日

TB64；TK124

A

簡介

陶樂仁，男，教授，上海理工大學能源與動力工程學院制冷與低溫工程研究所，13916356948，E-mail：cryo307@usst.edu.cn。研究方向：低溫制冷系統，低溫生物醫學技術。