带经济补气的R32制冷／热泵系统实验研究

许树学

（北京工业大学 环能学院制冷实验室，北京 100084）

当前，以R410A和R407C为代表的氢氟烃（HFC）类工质，具有优良的热力学性能，而被当作R22的主流替代物使用。但因其具有较高的全球变暖潜能值（GWP），而同样面临着被替代的命运。碳氢化合物（如R290和R1270）的ODP值为0，GWP值较低，从技术和热力性能的角度看是一种很理想的制冷剂替代物，但易燃易爆阻碍了其推广使用，如，国外标准ASHRAE 34和prEN378将R290的可燃性列为第三类。R32作为R410A的主要组成部分，与R410A性质相似，ODP值为0，GWP低，价廉，而被认为是较好的R22短期替代物[1]。混合工质以R32为组成成分，能提高热力学性能或降低可燃性。M.H.Barley et al.[2]报道了蒸发温度在－30°C及以上范围的二元混合物R32／R125、R32／R143a及R32／Rl34a的汽—液平衡数据；Jianlin Yu et al.[3]将 R32／R290混合物用在小型热泵系统中，实验结果表明在较高COP的前提下可制取高于90°C的热水；一些研究者对R32／R134a的二元混合物进行了研究[4–6]。X.H.Han et al.[7]做了三元混合物R32／R125／R161替代R407C的实验，结果表明，在不同的工况下，混合物的压比及能耗均小于R407C，制冷量和性能系数也有优势；B.O.Bolaji et al.[8]对 R152a和 R32在家用小型制冷设备中替代R134a进行了研究，结果显示R152a的EER在三者中最高，R32的EER要比R134a低8.5%；Jiang tao Wu et al.[9]研究了质量比率为48／18／34三元混合物R152a／R125／R32替代R22的性质，并通过可燃、爆炸实验证明安全性。经济补气系统（EVI系统）能有效地改善制冷／热泵系统的性能，如，降低寒冷地区热泵的排气温度，提高系统的制热或制冷性能系数等。国内外研究者对经济补气的研究有相当数量的论文发表，包括系统的型式、不同类型压缩机的补气特征、补气的状态参数对系统性能的影响等[10–13]。Xing Xu et al.[14]系统地总结了经济补气技术，认为闪发器和带补气口的涡旋压缩机是EVI系统设计的两大关键点。Wang X.D et al.[15]做了以 R410A 为工质的EVI系统运行性能实验，结果表明在环境温度为17.8℃的条件下，制热量和制热性能系数分别提高30%和20%。

笔者设计了以R32为工质的EVI制冷／热泵系统，通过实验研究，找出HFC类工质的直接灌注式替代物R32的EVI系统工作特性，补气对其性能的影响规律，为R32的大规模推广运用提供技术支持。

1 EVI系统

本文研究的EVI系统的运行原理如图1所示，该EVI系统亦称过冷贮液器系统[12]。工作过程如下：出冷凝器的高压制冷剂在过冷贮液器内分为上部的饱和气态和下部的过冷液态，饱和气态从过冷贮液器的上部流出，通过节流阀的节流降压变为中间压力，通过压缩机的辅助进气口补入到压缩机内。

压缩机的质量和能量守恒方程为

过冷贮液器的质量和能量守恒方程

上式中，m——制冷剂质量流量，kg／s；

t——温度，℃；

p——压力，MPa；

P——功率，kW；

h——焓，kJ／kg；

Qs——从环境吸收的热量，kW；

1，2，3…6——图1中的状态点。

图1 EVI系统

图2所示为EVI系统的经济补气过程，由图2可知，与普通机组中的高压储液器不同，过冷贮液器的安装位置高于冷凝器。工作时，液体主要储存在过冷贮液器下部，上部闪发出来的气态制冷剂吸收液体中的或来自环境的热量，造成液体的过冷。比如，m1＝12g／s，从过冷贮液器中闪发出的气体流量为m＝2g／s，焓值h＝512.7kJ／kg，从环境中吸收的热量为Qs＝0.3kJ，计算可得获得阀前液体过冷度为8℃。从式（1）–（5）可以看出，当补入压缩机中的气态制冷剂具有较低焓值时，能降低压缩机的排气温度及输入功率。对于制冷和热泵，补气的影响是不同的。当作为制冷使用时，主路节流阀前液体过冷增加了制冷量，但补气也会减小流经蒸发器的制冷剂流量，削减制冷量。作为制热使用时，补气始终增加压缩机排气量，使得制热量必然增加。因此，补气对系统性能的影响要取决于系统的工况（制冷还是制热）以及补气的参数。

2 实验设计

实验装置与文献[12]相同。如图3所示，包括冷却水系统及乙二醇—水溶液冷冻水系统及制冷系统。带补气口的涡旋压缩机由市场所购成品机改装而成。通过调节进出水温度、流量及制冷系统中手动节流阀的开度，实现机组不同的运行工况。

图2 经济补气过程示意图

压缩机的基本性能参数如下：

理论容积吸气量为80cm3／rev；额定输入功率为4.55kW；额定转速为2800r／min；电参数为3相，380V

实验工况：冷凝温度40℃、45℃，吸气过热度10℃，制冷工况下蒸发温度to设定为5℃和7℃，制热工况下to设定为－10℃，－5℃和0℃。为使机组更接近实际情况运行，设定恒进水温度及流量工况，具体数值如表1所示。

表1 恒进水温度及流量工况

为方便比较，给出相对补气压力δ的定义：

式中，δ——相对补气压力，无量纲；

pm——中间压力 ，MPa；

po——蒸发压力，MPa；

pk——冷凝压力，MPa。

3 结果与讨论

3.1 制冷工况

图3 以R32为工质的EVI系统实验装置

制冷量Qo及制冷性能系数EER随相对补气压力δ的变化如图4所示。由图可知，Qo及EER均随δ的增加而减小。如当蒸发温度为5℃，冷凝温度为40℃时，δ从1.04变化至1.38，Qo从23.13kW降低至22.22kW，降低4.0%，同时制冷EER从3.68降至3.27，降低约11.1%。随着冷凝温度的升高，Qo及EER随δ的变化趋缓，当蒸发温度保持不变，冷凝温度为45℃时，Qo及EER随δ的降低幅度分别为1.5%和9.8%，这说明补气量的增加随中间压力升高逐渐变小，这是补气口大小不能调整造成的。当tk＝45℃，to＝7℃且δ≤1.25时，由于压缩机的排气温度过高而不能工作，相关实验数据缺失。与SS系统相比，EVI系统的制冷性能系数EER均低于SS系统，最大相差约15%，随着冷凝温度的升高和δ的降低，二者差别逐步减小，当tk＝45℃，δ＝1时，二者几乎相等，这说明，较高的tk及较小的δ下补气对制冷性能改善较明显。制冷量根据工况和相对补气压力的不同高于或低于SS系统，如图4a、c所示，工况为tk＝45℃，to＝5℃时，δ低于1.25，EVI系统的Qo高于SS系统，最高为20.2kW，而SS系统仅为19.4kW，高出约3%；当tk＝45℃，to＝7℃时，δ低于1.14，EVI系统的Qo高于SS系统，最大差别为4.3%。即，当冷凝温度tk及蒸发温度to处在相对高的水平时，EVI系统的制冷性能较优。正如2节所述，闪发补气降低了蒸发器内制冷剂的流量，但同时造成主节流阀前液体过冷，因此，EVI系统的制冷量会降低或升高，这取决于补气量的大小，对于制冷性能来说，EVI系统存在一个适宜的补气量或中间压力值。

图4 制冷性能随δ的变化规律

制冷工况下压缩机排气温度随相对补气压力δ的变化如图5所示。与单级压缩系统类似，在较高的冷凝温度及较低的蒸发温度下，压缩机排气温度高。冷凝温度较高时（如冷凝温度高于45℃，蒸发温度5℃），单级系统的排气温度很快会超过130℃。补气后的系统在各制冷工况下排气温度稳定，且没有超过110℃。

图5 制冷工况下排气温度随δ的变化规律

3.2 制热工况

制热量Qk及制热性能系数COP随相对补气压力δ的变化如图6所示。随着δ的增大，制热量Qk有小幅度的增加，而COP降低。当to为0℃时，δ从0.98增加到1.41，Qk从21.96 kW 增加至22.4kW，Qk变化率仅为4.5%；当to＝－10℃，Qk的增加率约为2.0%，这说明to降低到一定程度，补气量随中间压力变化而趋于不变，这是因为补气压一定，当其内外压差大到一定程度后，补气口的流动处于临界状态，流量不再随前后压差变化而变化。当冷凝温度为40℃，蒸发温度从－10℃升到0℃时，EVI系统Qk高出SS系统约4%～6%。当蒸发温度较高时，EVI系统的制热COP一般低于SS系统，而当蒸发温度较低时会出现制热COP高于SS系统的情况。比如，当蒸发温度低于－10℃且δ低于1.3时，EVI系统的COP大于SS系统，最大高出3%。当冷凝温度为45℃时，由于SS系统的排气温度很快会超过130℃，即便补气管路的阀门全开，机组也不能长时间工作，因此相关数据缺失。

图6 制热性能随δ的变化规律（tk＝40℃）

制热工况下压缩机排气温度随相对补气压力δ的变化如图7所示。各制热工况下的排气温度变化趋势与制冷工况相同，但总体高出15～20℃，即制热工况下的排气温度问题更应引起关注。EVI系统使排气温度控制在125℃以下，保证了系统在蒸发温度低于0℃（冷凝温度为40℃或45℃）时的正常工作。由图6－7可知，若增加制热量并降低排气温度，相对补气压力δ要大，而要提高制热COP，相对补气压力δ要小，兼顾制冷、制热性能及排气温度可知，较适宜的相对补气压力范围为1.1～1.3。

图7 制热工况下排气温度随δ的变化规律

3.3 恒进水温度及流量工况

恒进水温度及流量制冷／制热性能随δ的变化规律如图8所示。由图8（a）可知，补气与不补气相比，制冷量Qo及制冷性能系数EER变化不大，原因是补气造成膨胀阀前液体过冷，但也使蒸发器中制冷剂的流量降低。对于压缩机，补气既提高压缩效率，降低单位工质的压缩功，又使压缩机排气量增加，增加压缩机的消耗功量。图8（b）所示为恒定进水温度及流量工况下，制热性能随相对补气量δ的变化规律。由图可知，Qk随δ的增加提高约2.5%，相对SS系统高出约5%，制热性能系数COP基本保持不变，原因是补气提高了制热量的同时也引起了压缩机输入功率相同幅度的提高。图8也进一步证明了在相对补气压力1.1～1.3范围内可以同时获得较优的制冷及制热性能。

图8 恒进水温度及流量制冷／制热性能随δ的变化规律

图9所示为由SS系统切换至EVI系统后，在恒进水温度及流量工况下，系统部件进出口压力的分布状况。图9（a）和图9（b）显示，压缩机、冷凝器、蒸发器等主要部件的进出口压力上升。如，排气压力（约为冷凝压力）从2.46MPa上升至2.53MPa，相应的冷凝温度从39.7℃上升至40.8℃；吸气压力（约为蒸发压力）从0.96MPa上升至0.98MPa，蒸发温度从5.2℃上升至6.0℃。其原因是：当一定比例的制冷剂补入到压缩机后，压缩机的排气量的上升，储存在冷凝器中的制冷剂量增加而使冷凝压力上升，同时节流机构的开度不变，瞬时高压差使蒸发器中的制冷剂量增加导致蒸发温度上升。运行一段时间后，环境与系统、系统内部达到传热传质平衡，系统在另一较高蒸发及冷凝温度工况下运行。由此指导我们设计EVI系统时，应适当增大储液器的体积，或加大换热器的换热面积，由此消除补气带来的系统压力升高。

图9 经济补气后各部件的压力分布

4 结 论

对以R32为工质的EVI制冷／热泵系统进行了实验研究，结论如下：

1）EVI系统可明显降低以R32为工质的单级制冷／热泵系统的排气温度，保证机组在高蒸发温度制冷工况及低蒸发温度的制热工况下长时间安全运行。

2）通过优化后的EVI系统，制冷量和制冷EER可以接近或优于SS系统，制冷量可高4%，EER最大降低15%；制热量高于SS系统4～6%，制热COP可以接近或高于SS系统3%。

3）当EVI系统运行在恒定进水温度及流量工况时，蒸发温度及冷凝温度升高0.8～1℃，制热量提高5%，制冷量、制冷EER及制热COP基本保持与SS系统不变，EVI系统应适当增大储液器或增加冷凝／蒸发器换热面积。

4）综合考虑制冷及制热性能，δ的适宜值范围为1.1～1.3。

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