R454B 在制冷系統中替代R410A 的實驗研究

宋澤洋

（河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054035）

為應對當前環境污染和能源短缺問題，低全球變暖潛值（GWP）的新型制冷劑逐漸成為大家關注研究的焦點。其中，R454B 是一種輕微可燃、GWP 的制冷劑，是新型制冷劑R1234yf 與R32 的混合性制冷劑。R32 其GWP 值并不高，且擁有較高的汽化潛熱值和較好的傳輸能力，而在R1234yf 中混入R32 成分可大大提高其換熱性能和傳輸能力[1]。

對于混合制冷劑R454B 的研究，目前多將其不同成份混合比下的熱物理物性確定為研究焦點。基于已有數據，馬一太等[2]優化了R32/R1234yf 二元混合物相對應的交互系數，進而繪制混合物飽和壓力、溫度隨氣液組成變化的關系圖，以精確確定混合制冷劑物性。而Arakawa et al[3]根據實驗數據對不同成分比例中，混合制冷劑在氣液相平衡狀態時的熱物理特性計算方式進行了理論分析。

雖然有關制冷系統性能的研究已有很多，但諸多學者多以蒸發溫度、冷凝溫度、壓縮機頻率、膨脹閥開度等為變量對制冷系統的性能進行研究。例如，Cui 等[4]以CO2跨臨界熱泵系統研究了壓縮機運轉頻率、運行環境等對系統的影響。為提高帶經濟器的變頻螺桿壓縮機效率。秦黃輝[5]實驗研究了壓縮機排氣壓力、電機頻率、經濟器補氣壓力、容積效率等變量對壓縮機效率的影響，進而得出經濟器補氣壓力隨壓縮機排氣壓力、電機頻率的變化規律。何俊等[6]在研究壓縮機排氣溫度受吸氣狀態影響規律的基礎上，實驗分析了制冷系統分別使用R22、R410A 和R32 時系統性能的差異性。而王超等[7]提出了假擬飽和等熵壓縮排氣溫度控制壓縮機吸氣該干度的方法，并以R22、R32、R134a 和R410A 四種制冷劑為工質的實驗臺為載體，對該方法的可行性進行了實驗研究。陳海瑞等[8]對蒸發溫度、低溫級壓縮機頻率對系統COP的影響進行了實驗分析，而趙瑞昌等[9]實驗研究了系統溫度、壓縮比、性能COP 隨不同溫級壓縮機頻率的變化規律，喬夏瑩等[10]則以太陽能噴射—壓縮復迭制冷系統為載體，對發生溫度、中間溫度、冷凝溫度和蒸發溫度等對系統性能的影響進行了實驗分析。

本文旨在為新型制冷劑R454B 對傳統制冷劑R410A 的可替代性進行研究，但就目前研究而言，對R454B 制冷系統的性能研究較為缺乏，為彌補此項缺陷，本文分別以R454B 和R410A 為工質對兩者在制冷系統中的性能進行對比分析，進而為新型制冷劑R45B 的可替代性提供實驗支持。

一、實驗系統原理

實驗所采用渦旋式壓縮機測試系統原理如圖1 所示，為提高換熱效率、減小設備占用空間，該系統采用板式換熱器作為蒸發器/冷凝器/過熱器，實驗中通過改變水源流量和溫度實現對換熱量的調節。且在工質管路中安有閥門，以控制工質流向及流量。該系統主要部件還包括：油分離器、儲液器、過濾器、過冷器、膨脹閥、回熱器等。

圖1 制冷系統原理圖

如圖1 所示，通過調節高壓排氣閥開度實現壓縮機出口工質狀態的控制，之后經油分離器中分離出的潤滑油經回油管流回壓縮機，而后經冷凝器冷凝處理的工質由高壓高溫氣態轉變為飽和液相態。儲液器不僅用于儲存系統多余工質，還可實現對管路內壓力的波動性控制。為確保質量，流量計進出口工質均處在過冷狀態，進而確保工質循環流量的測量精度，特別在儲液器與質量流量計之間安裝過冷器，對工質進行過冷處理。回熱器可實現膨脹閥前過冷工質與壓縮機吸氣處過熱氣體的換熱，間接增加工質單位質量換熱量，進而改善換熱效果。通過對膨脹閥開度大小的調節實現設備高壓比的控制。蒸發器換熱量實質為系統所能提供冷量，可通過水源溫度及流量實現對換熱量的控制。最后，經過熱器處理的工質流進壓縮機，完成一個完整的質量循環。

為滿足設備性能的分析，需對工質、水源流量、溫度進行測量，而后使用三維力控軟件實現數據采集、分析。實驗操作中，壓縮機運轉頻率、工質閥前過冷度、過熱度均保持不變，膨脹閥開度可根據過熱度、過冷度實現開度的自動控制，主要通過調節蒸發器/冷凝器水源溫度和流量實現換熱量及系統高低壓的控制。

二、實驗數據處理

在所測量參數中：蒸發壓力Pe、冷凝壓力Pc分別用于計算蒸發器飽和溫度、冷凝器飽和溫度；膨脹閥前工質溫度TEXV，in、壓力PEXV，in用于計算蒸發器工質進口焓值；蒸發器出口過熱工質溫度Te，out、壓力Pe，out用于計算蒸發器出口工質焓值；蒸發器水源進出口溫度Te，win/Te，out、流量mew用于計算設備制冷量。

實驗運行中，閥前過冷度、壓縮機吸氣過熱度均保持為6℃，蒸發溫度調節范圍為-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃，冷凝溫度調節范圍為20℃、40℃、60℃。雖然蒸發器/冷凝器水源出口溫度是通過對設備高低壓來影響設備性能的，但為研究各變量對設備性能的影響程度，實驗同樣分析了蒸發器/冷凝器水源出口溫度對設備性能的影響規律。

以制冷量、壓縮機功耗、系統COP 對設備性能進行評價，可使用以下公式進行計算：

式中：Cp為水定壓比熱容，J/（kg·℃）；he，in/he，out分別為蒸發器進出口工質焓值，kJ/kg；mr為工質質量流量，kg/s；U為工業電源輸入電壓，V；I為工業電源輸入電流，A。

此外，為方便實驗數據分析，對工質物性對實驗結果的影響進行基礎性驗證，R410A 和R454B 的熱物理特性參數可見表1。

取大鼠腦組織（處死前已注射FITC-D）置于4%多聚甲醛溶液中固定24 h后，常規脫水、石蠟包埋、切片（5 μm），參照Weidner法[21]測定大鼠腦組織梗死區域的MVD。尋找梗死區域內5個血管密集區，于200倍熒光倒置顯微鏡下計算該區域內被染成綠色的微血管數目。每份切片均選取5個高倍視野計數，取其平均值。

表1 R454B 和R410A 制冷劑物性表

三、實驗數據分析

本文主要對同型號壓縮機分別充注R410A、R454B 時所展現的制冷效果進行對比分析。工質更換中，無需對壓縮機結構進行特別修改，即可對工質進行直接充注，但需根據工質與潤滑油的互溶性等特點對潤滑油進行針對性更換，以保證設備的穩定可靠運行。數據分析中，以制冷劑、壓縮機功耗、COP 為設備性能評價指標，以壓縮機吸排氣飽和溫度（蒸發溫度和冷凝溫度）、蒸發器/冷凝器出水溫度為實驗調節變量，進而對自變量/因變量的影響機制進行實驗驗證。

1.制冷量

冷凝溫度不變而蒸發溫度升高時，蒸發器進口工質焓值保持不變，而蒸發器出口工質焓值增大，致使單位質量制冷量升高；且系統高低壓壓比隨著蒸發溫度的升高而減小，致使壓縮機容積效率升高[11]，即工質循環流量增大；兩者的綜合效果致使制冷量隨著蒸發溫度的升高而增大。蒸發溫度不變而冷凝溫度升高時，系統高低壓壓比增大，即壓縮機容積效率降低，致使工質循環流量降低；此外，冷凝溫度的升高使蒸發器進口處工質干度增大（蒸發器進口處工質焓值增大），致使工質單位質量制冷量減小，兩者均會導致設備制冷量隨著冷凝溫度的降低而增大。

相同工況下，R410A 制冷量比R454B 制冷量高約0.2 kW，且兩者差值隨著蒸發溫度的升高、冷凝溫度的降低而增大。由計算公式可得，設備制冷量受工質循環流量、單位質量制冷量密切相關，且兩者正相關。相同溫度下，R410A 的氣相比體積小于R454B，即在壓縮機運轉頻率、有效壓縮體積等相同的工況下，R410A 的循環流量大于R454B；相同工況下，雖然R410A 和R454B 的飽和液相焓值相近，但兩者飽和氣相焓值相差較大，其中R454B 飽和氣相焓值比R410A 高約11%，致使R454B 潛熱值比R410A高約20%。兩者制冷量的相對大小本質上為工質循環流量、潛熱值相對大小的綜合體現。因此，雖然R454B的循環流量小于R410A，但其單位質量制冷量大于R410A，因此兩者制冷量差值相差較小。

設備運行環境（以蒸發器/冷凝器出口水溫為衡量指標）其本質是通過影響蒸發器/冷凝器換熱飽和壓力，即壓縮機飽和吸排氣壓力來影響系統性能，其中壓縮機飽和吸氣壓力隨著蒸發器出口水溫的降低而降低，飽和排氣壓力隨著冷凝器出口水溫的升高而升高。因此設備制冷量同樣隨蒸發器出口水溫的升高、冷凝器出口水溫的降低而增大，且R410A 與R454B 之間制冷量差值隨蒸發器出口水溫的升高、冷凝器出口水溫的降低而增大。

2.壓縮機功耗

壓縮機作為制冷系統的主要耗能元件，對其進行高效性分析對提高設備整體性能至關重要。國內外學者不僅對壓縮機功耗受環境工況的影響進行了實驗分析，還對其進行了必要理論研究。以CO2跨臨界商用制冷系統為載體，崔曉龍等[12]的研究對壓縮機的開發極具指導性意義。以并聯壓縮機組為研究載體，Shen 等[13]發現壓縮機等熵效率隨著冷凝溫度的升高、壓縮比的增加而增大，但其受蒸發溫度的影響并不顯著。Shen 等[14]在對壓縮機性能受實驗變量的影響進行實驗分析的基礎上，還設計出相應等熵效率計算模型，進而為壓縮機的設計提供理論方向。

實驗運行中，壓縮機運轉頻率保持恒定，即工質循環流量可視為定值，壓縮機功耗的變化主要可通過壓縮機等熵效率、壓縮機進出口工質焓差進行解釋。壓縮機功耗隨蒸發溫度的升高而降低，隨冷凝溫度的升高而增大，但其受冷凝溫度的影響更為顯著，冷凝溫度每升高20℃，壓縮機功耗增加約66.2%～81.5%，系統高低壓比隨冷凝溫度的升高、蒸發溫度的降低而增大，而壓縮機等熵效率隨壓縮比的增大而減小[13]，且壓縮機吸排氣工質焓差與冷凝溫度呈正比、與蒸發溫度呈反比，兩者的相應變化均可導致壓縮機功耗的增加。

相同工況下，同型號壓縮機分別充注R410A 和R454B 時所耗能量的不同，同樣可從工質熱物理特性的差異進行解釋。經分析：相同工況下，R410A 的壓縮機功耗比R454B 高約1.03～1.17 kW，兩者差值受蒸發溫度、冷凝溫度的影響并不大。雖然在同一溫度下，R454B 的焓差比R410A 高約20%，但較小的氣相比體積使R410A 循環流量大于R454B，進而兩者的綜合效果使R410A 的壓縮機功耗更大。此外，由于影響機理的相似性，壓縮機功耗同樣隨蒸發器出水溫度的降低、冷凝器出水溫度的升高而增大，且相同蒸發器/冷凝器出水溫度工況下，R410A 的壓縮機功耗比R454B 高約0.86～1.31 kW。

3.COP

對于制冷系統，COP計算中以制冷量（蒸發器換熱量）和壓縮機功耗為標準，實驗變量對COP的影響，本質為制冷量和壓縮機耗功受實驗變量影響的綜合體現。當COP隨實驗變量的增加而增大時，說明實驗變量對制冷量的促進效果優于其對壓縮機耗功的促進效果；當COP隨實驗變量的增加而減小時，說明實驗變量對制冷量的促進效果弱于其對壓縮機耗功的促進效果。

系統COP隨壓縮機吸排氣飽和溫度的變化規律：系統COP隨蒸發溫度的升高、冷凝溫度的降低而增大。如前所述，雖然制冷量隨著蒸發溫度的升高、冷凝溫度的降低而增大，但兩變量對壓縮機功耗的影響效果卻相反，即壓縮機功耗同樣隨蒸發溫度的降低、冷凝溫度的升高而增大，實驗變量在對制冷量起到促進效果的同時對壓縮機功耗有較大的削弱效果，因此兩變量對系統COP與制冷量的影響效果相似。此外，系統COP受工質物性的影響較小，即R410A 和R454B 的COP相近，并無很大差值。

同樣由于影響機理的相似性，系統COP 同樣隨蒸發器出水溫度的升高、冷凝器出水溫度的降低而增大，且相同蒸發器/冷凝器出水溫度工況下，工質物性對系統COP 的影響并不大，即R410A 的系統COP與R454B 的相近。

4.排氣溫度

除低壓飽和、高壓保護外，為保證壓縮機穩定可靠運行，在壓縮機保護中特別設計排氣溫度保護。結合壓縮機內部流動工質物性、內部結構構造等特點，排氣溫度過高不僅可致使潤滑油碳化變質、降低潤滑油粘度，進而降低其潤滑性能，還可使密封材料熔化變質，進而對壓縮機渦盤、驅動軸承造成永久性破壞，并在嚴重時對電機冷卻效果變差，進而使電機溫度持續升高。其中，造成排氣溫度過高的主要原因有：為防止液擊，壓縮機吸氣溫度設定過高；電機運行功率過大，對工質氣體的加熱效果較高；壓縮機壓比過高。

設備運行環境對壓縮機排氣溫度的影響規律：排氣溫度與蒸發器出水溫度呈反比，與冷凝器出水溫度呈正比。如前所示，吸氣飽和溫度隨蒸發器出水溫度的升高而升高，使冷凝器換熱量降低（致使換熱溫差降低），進而使排氣溫度降低，而排氣飽和溫度隨著冷凝器出水溫度的升高而升高，使壓縮機功耗增大（冷凝器換熱量增大、換熱溫差升高），進而使排氣溫度升高。此外，相同工況下，R454B 的排氣溫度比R410A 的排氣溫度高約2.8～8.5℃，兩者差值隨著蒸發器出水溫度的升高而降低、隨冷凝器出水溫度的升高而升高。

四、結論

對R410A 和R454B 系統性能進行對比性分析，旨在為新型制冷劑R454B 的替代性提供實驗佐證。實驗變量中，蒸發器/冷凝器出水溫度分別通過蒸發溫度、冷凝溫度來影響系統性能，且變量之間呈正相關，因此制冷量、壓縮機功耗、COP 受出水溫度的影響，與其受飽和溫度的影響極具相似性，所以在結果總結中主要以飽和溫度為基準，即根據實驗數據可得結論如下：

制冷量和系統COP 均隨蒸發溫度的升高、冷凝溫度的降低而增大，且R410A 制冷量比R454B 高約0.2 kW，兩者差值隨蒸發溫度的升高、冷凝溫度的降低而增大，而工質物性對系統COP 的影響并不大。

壓縮機功耗隨蒸發溫度的降低、冷凝溫度的升高而增大，但其受冷凝溫度的影響更為顯著，且R410A的壓縮機功耗比R454B 高，兩者差值受蒸發溫度、冷凝溫度的影響并不大。

排氣溫度與蒸發器出水溫度呈反比，與冷凝器出水溫度呈正比，且R454B 的排氣溫度比R410A 高約2.8～8.5℃，兩者差值隨蒸發器出水溫度的降低、冷凝器出水溫度的升高而升高。