R290變頻熱泵節流特性實驗研究

黎輝玲,劉旭，李廷勛

(1 中山大學 廣州市 510725;2 廣東美的制冷設備有限公司 順德 528311)

R290變頻熱泵節流特性實驗研究

黎輝玲1,2,劉旭2，李廷勛1,一

(1 中山大學 廣州市 510725;2 廣東美的制冷設備有限公司 順德 528311)

隨著新型制冷劑R290逐漸進入家用房間空調器行業，研究表明由于其極低充注量和較高壓縮機排量特點，制熱模式下融霜結束重新制熱可能出現節流異常現象。本文分析了R290熱泵低溫制熱出現節流異常現象的機理，提出了R290變頻空調在低溫工況下節流異常解決方法并進行驗證，表明通過設定電子膨脹閥開啟曲線可以有效解決。

新型制冷劑;節流特性;低溫油堵;節流異常

1、前言

2016年10月，國際社會在《蒙特利爾議定書》的框架下圍繞溫室氣體HFCs的削減達成了新的基加利修正案，具有高GWP（全球變暖潛值）的制冷劑在部分地區已開始限制使用。制冷行業對于制冷劑的環保特性的要求逐漸轉化為相關的政策法規和市場需求。

碳氫制冷劑R290，以其優秀的環境友好性（ODP=0，GWP=3）被行業譽為最有潛力環保制冷劑之一；而R290最大的缺點是具有可燃性和爆炸性，其燃點為468℃，在空氣中的燃燒極限為2.2%-9.5%（體積分數）[1]，因此R290在家用空調系統中充注量受到極大限制，為了得到較高的制熱量，通常采用的辦法是增加壓縮機排量，極低的充注量和較高的壓縮機排量容易導致在低溫工況下啟動初始階段發生節流異常現象。陳光明團隊在對混合工質單級節流制冷機和混合工質自復疊制冷機實驗研究中，發現這兩種混合工質制冷系統在-60℃制冷溫度時存在不同程度的節流油堵情況[2-3]，而從公開發表的文獻[4-5]來看，鮮有關于R290熱泵低溫節流特性的研究。本文基于R290變頻空調開發過程中遇到的低溫制熱化霜啟動后出現堵塞的現象，通過系統分析發現堵塞現象為油堵，并提出了低溫油堵的解決方法。

2、實驗設置

本次研究選取KFR-26GW/BP3DN7Y變頻分體機作為研究對象，機型配置見表1所示。

R290充注量按照GB4706.32-2012中的可燃制冷劑最大充注量限制[6]，計算公式：

Mmax——房間容許充注的最大制冷劑質量（千克）

A——房間面積（m2）

LFL——最低可燃濃度（Mpa/m3），R290取0.038Mpa/m3

h0——空氣調節器所在的安裝高度（m），掛壁式取1.8m。

本次實驗室面積為13m2，充注量為272g。試驗在標準焓差室中進行，測試工況如表2所示。

表1 實驗機組規格

表2 實驗測試工況（℃）

3、R290變頻空調節流異常特性

3.1 節流異常特性

R290變頻空調系統在室內溫度20℃，室外溫度-20℃制熱運行的功率曲線如圖1所示，其中A-B點為正常制熱曲線功率曲線，當進入化霜模式后，壓縮機先升頻化霜，霜層融化完后，壓縮機降頻同時四通閥換向，因此功率是先升再下降，如B-C所示，C-D為化霜完成后系統再次啟動制熱的功率曲線，可以看出空調從C點化霜結束轉制熱模式，隨著頻率的提升功率逐漸升高，后逐漸降到D點，A、D兩個時刻壓縮機頻率保持一致，系統其它運行參數也一致，正常運行時理論上D點功率應該和A點接近，因此可以判斷圖1中空調系統出現了異常情況。

圖1 節流異常曲線

A、D兩點運行時刻系統參數如表3所示，可以看出此次實驗中A點功率為890W，D點功率為293W，后者比前者低了67%，另外D點時，雖然壓縮機還在運轉，但蒸發器中部溫度接近室內溫度且冷凝器中部溫度接近室外溫度，初步判斷系統無冷媒流動。同時D點時刻，電子膨脹閥前的壓力0.736Mpa，閥后壓力為-0.046Mpa，說明經過節流后，系統內幾乎無制冷劑而出現負壓，因此可以判定節流過程出現堵塞或近似堵塞的異常。電子膨脹閥堵塞一般分為：異物堵塞、冰堵塞、制冷劑堵塞以及潤滑油堵塞，由于該空調在測試制冷和其它不涉及化霜的制熱能力時未出現類似堵塞情況，且此現象僅在低溫制熱壓縮機化霜后啟動的初始階段，可以排除異物堵塞；對換熱器等進行干燥及重新抽真空。

表3 A、D時刻系統參數

灌注制冷劑后，實驗再次復現了堵塞現象因此可以排除冰堵。另外R290冷媒的凝固溫度為-170℃，而D時刻閥后溫度為-51.9℃，排除了制冷劑因低溫導致的堵塞，因此該節流異常可能是壓縮機油析出并結晶所導致的電子膨脹閥堵塞現象。

3.2 節流異常機理分析與驗證

空調系統壓縮機潤滑油的物性，主要包括溶解度、傾點和粘度，當溫度一定時，溶解度隨著壓力的升高而增大，而當壓力一定時，溶解度會隨著溫度的上升而降低[7]；傾點是指油品在規定條件下冷卻時能夠流動的最低溫度[8]，傾點越高，油品的低溫流動性就越差，在溫度降低到一定程度時油品中原來呈液態的石蠟會以固體的結晶形式出現。比如目前家用空調轉子式壓縮機所采用的油品為POE油傾點在-30℃左右。

如圖2所示，空調系統制熱啟動初始階段壓縮機瞬間把室外換熱器中制冷劑抽回壓縮機內，節流后溫度急速降低，然后隨著系統壓力逐漸穩定后溫度緩慢回升，一般三分鐘左右達到最低值（T1）。制冷劑中潤滑油溶解曲線如圖3所示，若節流前后溫差過大，制冷劑中含油量會減小，而析出純油，例如：節流前溫度為0℃時制冷劑含油量為9%，節流后溫度降低到-40℃時含油量為3.9%，此時如果溫度低于油的傾點溫度，則會析出固體石蠟，且潤滑油粘度隨著溫度的降低而指數式的增大，很容易造成空調系統在低溫部件如毛細管、蒸發管路處積油，降低換熱特性和壓縮機可靠性。

圖2 R290和R410A制熱節流后溫度變化

圖3 R290制冷劑含油量隨溫度變化曲線

圖4 系統壓力隨溫度變化曲線圖

D點節流后溫度-51.9℃，遠低于壓縮機冷凍機油的傾點溫度，此時壓縮機冷凍機油流動性差，且低溫下油的溶解度變大，導致絮狀化的潤滑油堵塞在電子膨脹閥出口處，阻止了冷媒流動，造成低壓側沒有足夠的制冷劑回到壓縮機進行壓縮，使高壓建立不起來，不能克服油及制冷劑混合物通過膨脹閥的流動阻力。

為進一步驗證，實驗設定電子膨脹閥初始開度150步，在-20℃開機出現堵塞的情況后，把室外環境溫度從-20℃緩慢升高，如圖4所示，當室外溫度上升到-8℃時，高低壓力上升到正常水平，系統工作正常。說明隨著溫度上升，冷媒可以重新流動，其原因可能是油粘度變小，電子膨脹閥出口處的絮狀壓縮機油融化從而堵塞消失。

對比表1中的R290空調系統和R410A空調系統運行特性如圖5所示，在相同的電子膨脹閥初始開度條件下，不同室外環境溫度工況下R290空調節流后最低溫度遠低于R410A空調，此時系統壓力如圖6所示，R290系統節流后低壓P2在0Mpa以下，而R410A系統高于0.1Mpa，R290系統高壓P1比R410A低接近1Mpa。由表1可以看出，R290空調壓縮機排量是R410A空調的1.84倍，而充注量僅為R410A空調的0.28倍，是造成R290空調制熱壓縮機啟動階段電子膨脹閥節流后溫度過低的主要原因。

圖5 R290和R410A節流后最低溫度對比

圖6 R290和R410A相同電子膨脹閥同開度時節流前后壓力的對比

圖7 壓縮機啟動階段頻率及電子膨脹閥開度控制曲線

圖8 低溫工況下電子膨脹閥與頻率聯動控制曲線

圖9 R290空調不同開度節流后最低溫度變化

圖10 R290空調不同開度節流前后壓力對比

由于油堵現象均出現在制熱壓縮機啟動系統壓力未平衡的初始階段，對于電子膨脹閥空調系統，增大電子膨脹閥初始開度可以增加制冷劑流量及制冷劑流通面積，抑制節流過程制冷劑急速溫度下降，避免壓縮機油粘度增大，制冷劑流動阻力變大，可以有效解決低溫油堵問題。本文設定在室外溫度低于2℃制熱啟動初始階段，膨脹閥開度以及壓縮機運行頻率隨時間控制曲線如圖7，0～2分鐘為固定初始開度階段，2～5分鐘為開度與頻率聯動調節階段，5分鐘后不同溫度下控制曲線如圖8所示，在此膨脹閥控制規律下，R290空調系統在不同室外溫度下，改變節流初始開度所帶來的閥后溫度變化如圖9，其中初始開度分別為200步、350步和480步，室外溫度分別-15℃、-10℃、-5℃、2℃。可以看出同一節流開度時，隨著室外溫度降低，節流后最低溫度呈下降趨勢，而同一溫度下，節流開度越大，節流后溫度越高，例如室外溫度-15℃時，電子膨脹閥開度200時節流后最低溫度達到-48.7℃，480開度時節流后最低溫度為-17.3℃，高于冷凍機油的傾點溫度，從而有效避免了絮狀化的冷凍機油堵塞電子膨脹閥的問題，使得系統能正常運轉，具體數據如圖10，圖中480開度時電子膨脹閥后的壓力P2在不同室外溫度下，保持在0.1Mpa以上，說明冷媒在正常流動，系統運轉正常，而200和350開度時閥后低壓基本接近為0Mpa，系統有產生堵塞風險。

4、結論

（1）R290變頻空調系統在低溫工況下壓縮機油溶解度變大，制冷劑流量不足，壓縮機啟動初始階段節流后溫度過低，油粘度增大，高壓側制冷劑不能克服電子膨脹閥節流阻力，會產生油堵現象。

（2）對于電子膨脹閥空調系統，通過設定膨脹閥開度曲線，提高制冷劑流量，可以有效解決低溫油堵問題。

[1]高晶丹，丁國良，王婷婷，高屹峰，宋吉.R290空調器的優化設計原則[J].制冷技術，2013，33(1)：23-26

[2]王勤.混合工質節流制冷機的理論與實驗研究[D].浙江大學，2002

[3]王龍生，陳光明，王勤.自動復疊制冷循環中節流閥開度的試驗研究[J].制冷學報，2005，26(4)：56-58

[4]楚銀盾，金聽祥，張衛士.R290在房間空調器中的研究現狀[J].制冷技術，2013，33(3)：70-76

[5]秦延斌，張華，邱金友，王裘.碳氫制冷劑R290最新研究進展[J].制冷技術，2015，35(6)：45-51

[6]GB4706.32-2012.家用和類似用途電器的安全 熱泵、空調器和除濕機的特殊要求

[7]喻繼江.R290制冷劑潤滑油選擇的影響因素分析[J].順德職業技術學院學報，2015，13(3)：26-30

[8]Gladwell M.The tipping point[M].Oversea Publishing House，2006：276-277

Experimental Study on Throttle Characteristics of R290 Variable Frequency Heat Pump

LI Huiling1,2，LiuXu2，Li Tingxun1,*
(1 Sun Yat-sen University, Guangzhou, 510725, China;2GD Midea Refrigeration Equipment Co.,Ltd, ShunDe,528311)

With the new refrigerant R290 gradually into the home room air conditioner industry, the research shows that because of its extremely low charge and high compressor displacement characteristics,under heating mode,defrosting end of the heat operation may be appear throttle abnormal phenomenon. In this paper, the mechanism of throttling anomaly in low temperature heating of R290 heat pump is analyzed, and the method to solve the abnormal throttling of R290 inverter air conditioner under low temperature condition is presented, which shows that the opening curve of electronic expansion valve can be solved effectively.

New refrigerants;Throttle characteristics; Low temperature oil block;Throttle abnormality