替代工質應用于房間空調器高溫制冷特性研究

李金波 張浩 李廷勛 戚文端 高浩 鄧海釗

LI Jinbo ZHANG Hao LI Tingxun QI Wenduan GAO Hao DENG Haizhao

廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311

GD Midea Air Conditioning Equipment Co., Ltd. Foshan 528311

1 引言

環保替代制冷劑已大面積推廣，目前應用比較廣的環保制冷劑為R32、R410A、R290等。在某些場合空調器外機的安裝環境相對惡劣，造成空調器室外機工作溫度上升，性能惡化[1]。同時在一些極端高溫工況下能穩定可靠運行的空調器需求也日益增加。文章[2-4]從制冷劑的基本特性以及熱物性，應用于空調器上的可行性、常規工況下的理論循環特性、實際測試性能對比進行了詳細分析，但在中高溫等惡劣工況下運行的房間空調器具體的性能表現以及極高溫焓差測試業內還未有深入研究。R290由于其安全性要求較高，造成大規模應用較難，但由于其臨界溫度高，臨界壓力小，排氣溫度低，將比較適用于高溫環境下運行，本文將從制冷劑的高溫特性以及焓差室性能測試，對比R32、R410A、R290三種替代工質在55～80度高溫工況運行時的性能差異，優選出適合極高溫工況運行的環保工質。

2 理論分析

通過表1可以看出，三種制冷劑的ODP值均為0，GWP值R410A>R32>R290，R290變暖潛力值最小。R290的臨界溫度為96.74℃，遠大于R32和R410A，在工作環境為80℃以上時仍可輸出制冷量，而R410A臨界溫度最低，臨界溫度為72.5℃，在70℃以上工作時已基本無法冷凝成液態制冷劑，無制冷能力輸出，R32冷媒略高于R410A。隨著工作環境溫度的上升，冷凝溫度越接近于制冷劑的臨界溫度，節流的損失越大，制冷系統循環COP越低。從制冷劑的基本性能上可以看出，R290更加適合中高溫區制冷系統，系統整體輸出制冷量及能效更優。

表2為三種制冷劑在70℃時的熱力學物性對比，可以看出，R290制冷劑的運動粘度比R32及R410A大，在系統中流動阻力及壓力損失較小，可以降低系統功耗，但是其比熱容較高，要達到相同過冷度需較大溫度或增加換熱器面積，在相同換熱器面積下，會造成冷凝溫度上升，換熱效率下降。

圖1為三種不同工質在同一標尺壓焓示意圖，可以看出，在冷凝溫度同為67℃時，R290壓力為2.431MPa，R410A為4.455MPa，而R32達到4.561Mpa，高冷凝壓力的同時意味著排氣壓力高，在吸氣溫度相同時，系統排氣溫度更高。通過壓焓線可以看出，在高冷凝溫度時，R290的飽和氣態焓值與飽和液態焓值差值大，相同質量流量制冷劑，可以帶走更多的冷凝熱，在高溫工況衰減量相對R32及R410A更少。

3 實驗驗證

為驗證R290、R410A、R32三種工質在分體式房間空調器上的性能表現，選取同樣規格的額定制冷量為3.5kW的分體式房間空調器，分別充注合適重量的三種工質，匹配合適排量的壓縮機，并將制冷系統調試至最優，在R290可燃工質專用防爆焓差實驗室進行實驗測試，實驗室示意圖如圖2所示，包括壓力溫濕度及流量測量裝置，溫度傳感器采用日本千野的Pt-100鉑電阻四線，精度A級，濕度傳感器采用芬蘭維薩拉的HMT120，精度為±1.7%RH以上，微差壓變送器采用EJA120A，測量范圍-50～450Pa。并在室內外側設置防爆卸壓裝置。各測試工況如表3所示。

通過圖3及圖4可以看出，在室外35℃的工況下，充注R32工質的空調器能力最高，R410A與R290工質的空調器相近，這是因為R32制冷劑在中溫區的汽化潛熱比R410A高，而R290系統由于可燃冷媒充注量限制，未達到最佳循環流量。隨著室外工況溫度的升高，制冷量急劇下降，在60℃工況時，R290制冷劑排氣溫度低、壓比小的優勢開始凸顯，溫度越高，制冷量衰減率相對于R410A及R32越小。以35℃時為基準，R32冷媒在60℃時制冷量衰減73.7%，70℃時衰減達到86.8%。R410A制冷劑與R32制冷劑相似，60℃時衰減73.1%，70℃時衰減達86.4%，而R290制冷劑系統在60℃時制冷量衰減49.5%，70℃時衰減65.8%。相比于R32制冷劑系統，R290系統在60℃工況時制冷量高78.2%，70℃時高140.1%。由于R32以及R410A制冷劑臨界溫度相對于R290制冷劑低，所以在室外75℃及80℃工況時，R290系統仍有制冷量輸出，而R32及R410A在冷凝側已達臨界溫度，無制冷量輸出。

表1 制冷劑基本性能對比

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表2 制冷劑在70℃時熱物性對比

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表3 高溫能力能效測試工況

圖2 R290專用防爆焓差實驗室示意圖

圖3 不同工質在室外側各工況下相對名義制冷量百分比對比

圖4不同工質在室外側各工況下制冷量衰減率對比

圖5 不同工質在室外各工況下同輸出制冷能力時排氣溫度對比

不同工質在室外各工況下運行同輸出能力時排氣溫度對比情況如圖5所示，可以看出在常溫制冷工況下，R410A制冷劑系統排氣溫度最高，R290系統最低，60℃時R32系統運行排氣溫度達107℃，R290系統系統排氣溫度為96℃。室外70℃工況下，制冷能力相當時，R32制冷劑系統排氣溫度達109℃，而R290系統此時排氣溫度為99℃。系統排氣溫度關系到其運行可靠性及空調器壽命，所以在高溫工況運行時，R290制冷劑系統運行可靠性相對于R410A系統及R32系統更高。

4 結論

通過對比R32、R410A、R290三種環保替代工質的高溫熱物性及焓差室能力測試結果可知，在60℃以上高溫工況時，相對于R290、R32及R410A兩種制冷劑在高溫工況下能力及能效衰減明顯，在70℃工況以后無法輸出制冷量，在高溫工況運行時R290制冷劑系統排氣溫度相對較低，系統運行可靠性得以保證。所以在環境惡劣工況下安裝運行的房間空調器，R290工質有著良好的能力能效表現及應用前景。