R32經濟器補氣系統性能對比

吳琦琦 郭憲民 張新玉

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室,天津 300134)

1 概述

R32以其ODP=0，GWP較低、潛熱值較高、充注量相對較低的優勢，成為了現制冷劑替代品的優選[1,2]。但R32系統排氣溫度過高的問題會降低系統的穩定性，且降解潤滑油的化學性質，所以需要控制壓縮機的排氣溫度，而經濟器補氣能夠改善這個問題。

經濟器補氣系統分為兩種：帶閃發器的補氣(FTVI)系統將閃發器氣態出口制冷劑補入壓縮機補氣口，帶過冷器的補氣(ICVI)系統將過冷器出來的氣態制冷劑補入壓縮機補氣口，Wang[3]測試了ICVI和FTVI系統，發現在制冷模式下，室外溫度越高，性能表現越好，在制熱模式下，室外溫度越低，性能提升越明顯；Heo[4]實驗研究了FTVI對雙轉子壓縮機兩級熱泵性能的影響，當室外溫度為-15 ℃時，COP提高了10%，制熱量提高了25%；He[5]將ICVI運用到高溫熱泵里，發現隨著補氣壓力從0.82 MPa升高到0.98 MPa，補氣質量流量由7.3%增加到22.61%，制熱量提高了7%，所以經濟器補氣不僅能夠降低排氣溫度，還能改善系統性能。

Xu[6]實驗研究了R32在FTVI熱泵系統中的性能，相比于沒有補氣系統，帶有閃發器的R32補氣系統換熱量最大提高了25%，COP最大提高了11%，但FTVI系統的閃蒸器氣態制冷劑出口可能會夾帶液體，對壓縮機造成影響；Cho[7]實驗研究了R32在ICVI系統中的性能，在室外溫度為7 ℃～15 ℃范圍內，相比于沒有補氣系統，帶有過冷器的R32補氣系統制熱量提高了7.8%～13.9%，COP提高了1.1%～4.7%，但ICVI系統會向壓縮機補入過熱蒸汽，影響壓縮機腔內溫度。兩種R32經濟器補氣方式各有優缺點，但很少有文章實驗比較R32經濟器補氣系統間的性能，而課題組已完成了R32FTVI系統性能的研究和ICVI系統部分性能的研究[8-11]，本文將在前期基礎上，在相同實驗工況下，通過實驗研究R32ICVI系統性能，并將兩種經濟器補氣系統性能進行對比。

2 實驗裝置

實驗采用R32制冷劑，系統在原有FTVI系統實驗臺的基礎上修改實驗臺，新的實驗裝置如圖1所示。該裝置通過閥門的關閉，可將FTVI系統切換成ICVI系統，ICVI系統制冷劑流動路程：制冷劑從壓縮機出來，通過四通閥、室內換熱器、干燥過濾器后分為兩路，一路通過手動節流閥、經濟器(過冷器)，進入壓縮機補氣口；一路通過經濟器(過冷器)、膨脹閥、室外換熱器、四通閥、汽液分離器，回到壓縮機。實驗樣機壓縮機類型為全封閉渦旋式，排氣量為53.5 cm3/rev，室內外換熱器均為管翅式換熱器，翅片類型為波紋片。

本實驗補氣管路制冷劑質量流量通過質量流量計(精度為±1.5%)測量，室內換熱器制熱量計算采用空氣焓值法，空氣側質量流量通過焓差性能實驗室內風量測量裝置測量，空氣側焓值通過溫度、壓力查詢得到，溫度由Pt100鉑電阻(精度±0.1 ℃)測量，壓力傳感器精度為±0.25%。實驗系統溫度、壓力測點布置見圖1，溫度傳感器為T型熱電偶(精度為±0.1 ℃)，壓力傳感器精度為±0.25%。系統耗功量通過綜合電量變送器(精度為±0.5%)測量，由制熱量和耗功量可計算系統COP。

3 實驗分析

在室內側回風干/濕球溫度為20 ℃/15 ℃工況下，分別測試室外側進風干/濕球溫度為7 ℃/6 ℃,2 ℃/1 ℃,-5 ℃/-6 ℃,-7 ℃/-8 ℃,-10 ℃/-11 ℃和-15 ℃/-16 ℃工況下R32ICVI系統性能，并與R32FTVI系統性能進行對比，其中，為了避免其他因素的影響，對比數據均為補氣系統與其對應的無補氣系統的增比/降比。

圖2所示為不同室外溫度對經濟器補氣系統排氣溫度的影響，由圖2可以看出不同室外溫度下，經濟器補氣系統均能降低排氣溫度，ICVI系統排氣溫度降低比例均大于FTVI系統，兩個系統排氣溫度降比的差越來越小，在室外溫度為7 ℃時，排氣溫度降比差為11.86%，而在室外溫度為-10 ℃時，排氣溫度降比差僅為2.56%，這是由于室外溫度越低，室外換熱器蒸發壓力會越低，ICVI系統補氣壓力會降低，此時排氣溫度會有所升高。因此，在較低室外溫度(低于-10 ℃)的情況下，兩種補氣系統對于排氣溫度的影響區別不大。

圖3所示為不同室外溫度對經濟器補氣系統制熱量的影響。從圖3中可得，不同室外溫度工況下，經濟器補氣系統均能提高換熱量，且均隨著室外溫度降低換熱量提高越多，這是因為補氣提高系統吸氣壓力，使得質量流量增大，從而換熱量增大。ICVI系統的制熱量增比均大于FTVI系統，當室外溫度大于0 ℃時，兩個系統制熱量增比相差不大，為不到10%，但室外溫度在低于-5 ℃的范圍內，增比差均大于10%，室外溫度為-10 ℃時，制熱量增比差達到最大，為16.77%。室外溫度越低，ICVI系統的換熱量越高的原因是在室外溫度越低的工況下，過冷器的效率比閃發器的效率高，更有效增大蒸發器焓差，增加換熱量。

圖4所示為不同室外溫度對經濟器補氣系統耗功量的影響。可以看出，不同室外溫度工況下，ICVI系統的耗功量增比均大于FTVI系統，在室外溫度大于-5 ℃范圍內，ICVI系統的耗功量增比分別為14.59%,14.67%和21.11%，而FTVI系統最高為10.57%，但兩個補氣系統在室外溫度較低時，耗功量的增量均不大，這是因為影響耗功量的因素有兩個：一是室外溫度降低，制冷劑質量流量減少，壓縮機耗功也會減少；二是室外溫度降低，蒸發壓力降低，壓縮機壓比增大，耗功量增大。因此，室外溫度較高時，ICVI系統的耗功量增比遠大于FTVI系統，室外溫度較低時，兩者相差不大。

圖5所示為不同室外溫度對經濟器補氣系統COP的影響。從圖5中可以看出，當室外溫度為-5 ℃時，ICVI系統和FTVI系統的COP增比基本相同，當室外溫度繼續降低，ICVI系統COP增比出現大幅度增長，在室外溫度為-10 ℃，COP增比為21.41%，FTVI系統COP增比增長比較緩慢，這是因為隨著室外溫度越低，兩個經濟器補氣系統耗功量增長相差不大，但ICVI系統的換熱量增長幅度遠大于FTCI系統，所以室外溫度越低，ICVI系統對提高系統性能的效果越好。但當室外溫度大于2 ℃時，兩個系統COP均相對于傳統系統出現下降的趨勢，這說明當室外溫度在2 ℃以上時，可以使用傳統無補氣系統，以此獲得更優的系統性能。

4 結語

本文對R32ICVI系統進行了實驗，并對比了R32ICVI系統和FTVI系統性能，得到了以下結論：

1)在室外溫度較低(低于-10 ℃)的情況下，R32ICVI系統和FTVI系統降低排氣溫度的能力相差不大。2)室外溫度大于2 ℃時，R32ICVI系統和FTVI系統相對于傳統無補氣系統均出現了COP下降的趨勢，因此在實際運用過程中，可以針對不同室外溫度，切換經濟器補氣系統和無補氣系統使用。3)室外溫度低于-5 ℃范圍內，室外溫度越低，經濟器補氣對提高R32熱泵系統性能效果越好，其中ICVI系統的影響更大，在室外溫度為-10 ℃，COP增比達到21.41%。