以R32为工质的准二级压缩热泵系统实验研究

许树学 马国远 赵 博 刘中良

(北京工业大学 北京 100124)

当前，市场上用于替代R22的制冷剂主要是R410A或R407C，此类制冷剂具有较好的热物性，但其GWP值较高，从目前全球节能减排的宗旨来看，其应用也面临着一定的威胁，2007年9月，《蒙特利尔议定书》第19次缔约方会议通过了加速淘汰HCFCs的调整案，发展中国家2013年冻结在2009年～2010年的平均水平。R32以其微燃、低GWP（675）、与R410A非常相近的热力基本参数，及价格便宜等优点而引起广泛关注，以致被认为是最适合中国国情的下一代短期替代制冷剂[1]。

排气温度高是R32系统的一大问题，在热泵工况下表现尤甚。文献[2]提出用控制吸气过热度及使用特种润滑油的方法使排气温度降低到适宜的范围，但实际操作起来有些困难。准二级压缩在改善热泵低温制热性能方面起到了很好的效果。其原理是在压缩机上（如涡旋压缩机）开设一辅助补气口，从系统高压端补入一定量的制冷剂。国内外均有研究成果发表，包括补气机组型式[3]，不同类型压缩机的补气特征[4]，补气状态（液态或气态）对系统性能的影响等[5-6]。文献[7]对以R410A为工质的准二级压缩进行了实验研究，结果发现，在环境温度-17.8℃时，补气较单级系统制热量可提高30%，制热性能系数提高20%。这里将准二级压缩技术运用在R32系统上，着重研究R32作为热泵工质使用时补气对其制热性能的影响规律。

1 实验装置

实验装置依据GB/T 21363—2008搭建。流程图及温度、压力测点如图1所示。实验装置由冷却水系统、热泵系统、冷冻水系统及数据采集系统组成。压缩机技术参数为：吸气容积为80cm3/r，额定输入功率为4.55 kW，转速2800r/min。实验中，通过调节冷冻水内电加热器的加热功率来控制压缩机吸气温度；通过调节主路手动节流阀开度来控制循环制冷剂流量，从而控制蒸发压力；通过调节冷凝器冷却水流量及进水温度来控制冷凝压力。

图1 R32准二级压缩热泵系统实验装置Fig.1 Experimental setup of R32 quasi two-stage compression heat pump system

实验中控制冷凝温度40℃，蒸发温度to分别为-5℃和-10℃。中间压力的调节通过调节补气回路中的手动节流阀来实现，实现中间压力从最小（约0.8MPa）至最大（等于冷凝压力）的调节。为防止补气过程气体的倒流，在补气回路上设置了单向阀。

为保证实验结果的通用性，定义相对中间压力δ：

式中：δ—相对中间压力，无量纲； pm—中间压力，MPa； po—蒸发压力，MPa； pk—冷凝压力，MPa

2 实验结果与讨论

图2表示制热量Qk随相对中间压力δ的变化关系。由图可知，制热量随δ的增加而增大。如蒸发温度为-10℃，相对中间压力从0.79增加到1.63时，制热量从10.97 kW提高到11.61 kW，提高5.8%；蒸发温度-5℃时，相对中间压力δ从0.7增至1.52，制热量从11.64 kW提高至13.15 kW，提高12.9%。蒸发温度为-5℃时，单级压缩系统制热量为11.74 kW，准二级压缩可比单级系统制热量提高12%。其原因主要是因补气带来的排气量的增加。

图2 Qk随相对中间压力δ变化Fig.2 The variation of Qk with δ

图3 P随相对中间压力δ变化Fig.3 The variation of P with δ

图3表示输入功率P随相对中间压力的变化。-5℃及-10℃，输入功率均随中间压力的增加而增加，原因是压缩机的排气量的增加导致了压缩机输入功率的增加。如-5℃蒸发温度下，补气前、后压缩机的输入功率从5.89 kW变为7.11 kW，提高20.7%。

图4 制热COPh随相对中间压力δ变化Fig.4 The variation of heating COPh with δ

图4表示制热性能系数COPh随相对中间压力δ的变化关系。制热性能系数COPh随δ的增加而降低。这主要是随着中间压力的增加，虽然制热量增大了，但同时输入功率也增加了，且相对增加的更多。大约以δ为1.04（中间压力为1.2MPa）为分界线，低于此值时，制热性能系数COPh高于单级压缩系统；高于此值时，制热性能系数COPh低于单级压缩系统。相对中间压力为0.91时，制热COPh为2.16，较单级压缩系统（COPh为1.99）提高8.5%。

因此，相对补气压力的适宜值应在0.9～1.1之间比较适宜，低于此范围，虽然系统有较高的制热COPh，但制热量不高；高于此值时，补气对COPh值的改善不明显，甚至会低于单级压缩系统。

图5 排气温度随相对中间压力δ变化Fig.5 The variation of discharge temperature with δ

图5表示了排气温度随δ的变化规律。在-5℃蒸发温度时，补气可使排气温度降低10℃～15℃。蒸发温度低于-10℃时，即使在最大的中间压力下，排气温度依然会上升很快而被迫停机，因此图中缺少了蒸发温度低于-10℃的数据。蒸发温度-10℃时，单级压缩系统的排气温度将在运行3分钟内超过135℃，此时打开补气回路，系统以准二级压缩运行，确保了压缩机的长时间安全运行，排气温度始终没超过130℃。

由上面可知，在蒸发温度高于-10℃时，R32的准二级压缩系统对降低排气温度，提高制热量并保证制热COPh处在较高的水平具有优良的效果，因此可作为冬季制热条件下的热泵空调使用。

3 结论

搭建了压缩式热泵系统实验台，对以R32为工质的准二级压缩热泵制热性能进行了实验研究，结论如下：

1）冷凝温度为40℃时，蒸发温度在-10℃时，系统按准二级压缩方式运行可保证机组正常工作。

2）蒸发温度-10℃～-5℃时，准二级压缩可使得R32机组排气温度降低10℃～20℃，制热量提高12%。

3）制热性能系数COPh随中间压力的增加而降低。综合考虑制热量及制热COPh，相对补气压力取值范围为0.9～1.1。

[1]史琳，朱明善. 家用/商用空调用R32替代R22的再分析[J]. 制冷学报, 2010, 31(2): 1-5. (Shi Lin, Zhu Mingshan. Re-analysis on using R32 to substitute for R22 in household/commercial air-conditioning [J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(2): 1-5.)

[2]矢岛,龙三郎,吉见,等.降低R32压缩机排气温度的方法[C]//第五届中国制冷空调行业信息大会暨推进HCFCs加速淘汰国际论坛论文集.北京:中国制冷空调工业协会,2010: 166-170.

[3]Ma Guoyuan, Zhao Huixia. Experimental study of a heat pump system with flash-tank coupled with scroll compressor[J]. Energy and Buildings, 2008, 40: 697-701.

[4]许树学，马国远，彭珑. 常用制冷压缩机的准二级压缩循环特性分析[J]. 石油化工设备,2009, 38(4): 1-4.(Xu Shuxue, Ma Guoyuan, Peng Long. Feature study on quasi two-stage compression cycle composed by different type of refrigerant compresser[J]. Petro-Chemical Equipment, 2009, 38(4): 1-4.)

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[6]E L Winandy, J Lebrun. Scroll compressors using gas and liquid injection: experimental analysis and modelling[J].International Journal of Refrigeration,2002,25:1143-1156.

[7]Xudong Wang, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher.Two-stage heat pump system with vapor-injected scroll compressor using R410A as a refrigerant[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32: 1442-1451.