R32房間空調器高頻制冷運行系統特性分析

高浩 戚文端 張秋朋 張浩

廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311

隨著環保制冷劑替代的推進，R32制冷劑作為R22的主要替代物之一，已經在國內得到廣泛推廣。由于其良好的熱物性，制冷系統的工質充注量相對于R22及R410A較少，同時由于其較高的冷凝壓力，傳熱系數高，汽化潛熱大，以及對綜合成本的考量，房間空調器運用R32循環工質時換熱器面積日漸緊湊。且隨著全球氣候變暖，制冷季節環境溫度上升，對房間空調器的制冷量需求也越來越高，所以在對房間空調器進行設計調試時，根據制冷劑熱物性，在制冷高頻運行時進行合理控制調試，分析其系統運行特性至關重要。文章[1][2][3]對R32在水平光管及微肋管的管內沸騰換熱系數進行實驗研究，影響沸騰換熱系數的主要因素為熱流密度、干度、質量流量等，并結合實驗數據，與經典的關聯式進行比較，對比其符合程度。業內大多從各換熱組件提升換熱系數進行研究，但是在以房間空調器制冷系統為整體進行高頻率運行的系統分析較少。本文將綜合管內外側，從R32房間空調器制冷系統出發，在其高頻運行制冷劑流速較快、室內換熱較充分時，通過室外風量變化情況，從R32冷凝換熱、蒸發沸騰等變化分析系統運行特性，為實際制冷系統設計及調試提供參考。

1 理論基礎

空調器冷凝器側屬于空氣橫掠管束流動，空氣側的表面傳熱系數對總傳熱系數的影響起主要作用[4][5]，空氣側表面換熱系數houtl為式（1）：

其中：deq為銅管當量直徑，λf為空氣導熱系數（W/（m·K）），l為翅片寬度（m），Re為雷諾數，C、m、n為系數，其中雷諾數如式（2）所示：

圖1 R32制冷劑焓差室測試原理圖

圖2 空調器制冷量及能效隨室外側風量變化圖

其中：u為風速（m/s），v為空氣運動粘性系數（m2/s）。

由式（1）及式（2）可看出，室外側風量變化同時風速改變，影響著空氣側的雷諾數，從而影響到空氣側的表面傳熱系數。室外側風量越大，對流換熱系數越高，換熱性能越好。

但是改變空調器室外側風量，從管外側會影響冷凝器空氣側的銅管表面傳熱系數，同時會影響冷凝壓力，從而使節流機構兩端壓差產生變化，系統內冷媒流量以及進入蒸發器的干度也隨之改變，制冷劑的質量流量、干度越大，沸騰換熱系數也會隨之增大，從而影響到系統制冷量。本文將通過焓差試驗臺，考察室外側風量對R32制冷劑房間空調器高頻率運行時性能的綜合影響。

2 實驗研究

為對比搭載R32制冷劑的房間空調器在制冷工況下壓縮機高頻運行時的系統運行特性隨室外側風量變化情況，本文選取額定制冷量為3.5 kW的房間空調器，其額定運行頻率為57 Hz，高頻運行頻率為88 Hz，在焓差室進行房間空調器的制冷量、功率以及各溫度點的采集。焓差實驗室的測試原理圖如圖1所示，通過空氣處理裝置控制室內外環境的溫濕度，通過測量室內機進出口壓差及溫濕度、空氣流量來計算焓值，以此計算出制冷量。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 Pa～450 Pa。并增加專用冷媒濃度檢測裝置，提高安全系數。本文實驗所設定工況溫度為，室內干濕球溫度27℃/19℃，室外35℃/24℃。

空調器制冷量及能效隨室外側風量變化情況如圖2所示。控制室外側風量從1560 m3/h上升至2610 m3/h，外側風量逐漸增大的過程中，制冷量先隨之上升，在2010 m3/h時達到峰值，而后室外側風量越大，制冷量越小，與峰值相比，制冷量下降4.51%，其中相對制冷量為制冷量與額定制冷量的比值。而能效則是先快速上升，在2160～2460 m3/h幾乎不變，而后隨室外風量繼續增加而減小。這是由于隨著室外風量的加大，冷凝側換熱優化，冷凝壓力變小，制冷系統的功率隨室外風量增加而下降，同時伴隨制冷量增加，能效快速上升至3.42。在制冷量達到峰值后下降過程中，功率同時在降低，能效幾乎維持不變，直至能力降低速率高于功率下降速率后，能效隨之下降。

通過比較室內機蒸發器進出口溫度隨室外風量的變化情況，如圖3所示，圖中曲線為蒸發器入口溫度減去蒸發器出口溫度的差值，隨著室外風機轉速提高，室外側風量增大，蒸發器入口溫度由大于蒸發器出口溫度轉變成小于蒸發器出口溫度，制冷量在入口溫度高于出口溫度2℃左右達到峰值，隨后迅速降低。這是由于制冷劑在蒸發器管內流動沸騰換熱時存在一定壓力損失，制冷劑的飽和溫度隨之下降，從圖4可以看出，隨著室外側風量的增加，冷凝器中部溫度降低，兩相區冷凝壓力隨之下降，蒸發器中部溫度下降。在壓縮機頻率運行不變的情況下，由于節流前后壓差變小，系統的制冷劑質量流量減小，蒸發器內部在飽和溫度降低與質量流量減小的綜合作用下，由部分制冷劑未充分沸騰蒸發階段，發展至充分換熱階段，當室外側風量增加至蒸發器出口溫度大于入口溫度時，出現部分過熱，風量越大，蒸發器過熱越嚴重，造成壓縮機回氣溫度及排氣溫度升高，蒸發器后段冷媒已完成汽化，無汽化潛熱產生，換熱面積未充分利用，制冷量下降。由于R32制冷劑比熱容小，傳熱系數高，系統冷媒充注量少，系統質量流量受壓差變化影響更加明顯，高頻運行時系統制冷劑流速快，沸騰換熱系數高，蒸發器過熱更易發生。

3 結論

通過理論分析及實驗研究可知，R32房間空調器由于較少的制冷劑充注量、較高的傳熱系數以及較小的換熱面積，在制冷高頻運行時，制冷量隨室外側風量的提升，先上升至極大值，后隨著風量越大，冷凝溫度下降，節流部件前后壓差減小，制冷劑質量流量減小，蒸發器內制冷劑沸騰加快，以致發生過熱，有效蒸發換熱面積減小，制冷量相對峰值下降4.51%。在運用R32制冷劑充當工質時，設計調試制冷系統需要充分考慮其熱物性，根據蒸發器進出口溫差判斷是否過熱蒸發，合理調節室外側風量，以達到系統運行最優。

圖3 蒸發器入口溫度與蒸發器出口溫度差值隨室外側風量變化圖

圖4 空調器各系統溫度點隨室外側風量變化圖