R290变频热泵节流特性实验研究

黎辉玲,刘旭，李廷勋

(1 中山大学 广州市 510725;2 广东美的制冷设备有限公司 顺德 528311)

R290变频热泵节流特性实验研究

黎辉玲1,2,刘旭2，李廷勋1,一

(1 中山大学 广州市 510725;2 广东美的制冷设备有限公司 顺德 528311)

随着新型制冷剂R290逐渐进入家用房间空调器行业，研究表明由于其极低充注量和较高压缩机排量特点，制热模式下融霜结束重新制热可能出现节流异常现象。本文分析了R290热泵低温制热出现节流异常现象的机理，提出了R290变频空调在低温工况下节流异常解决方法并进行验证，表明通过设定电子膨胀阀开启曲线可以有效解决。

新型制冷剂;节流特性;低温油堵;节流异常

1、前言

2016年10月，国际社会在《蒙特利尔议定书》的框架下围绕温室气体HFCs的削减达成了新的基加利修正案，具有高GWP（全球变暖潜值）的制冷剂在部分地区已开始限制使用。制冷行业对于制冷剂的环保特性的要求逐渐转化为相关的政策法规和市场需求。

碳氢制冷剂R290，以其优秀的环境友好性（ODP=0，GWP=3）被行业誉为最有潜力环保制冷剂之一；而R290最大的缺点是具有可燃性和爆炸性，其燃点为468℃，在空气中的燃烧极限为2.2%-9.5%（体积分数）[1]，因此R290在家用空调系统中充注量受到极大限制，为了得到较高的制热量，通常采用的办法是增加压缩机排量，极低的充注量和较高的压缩机排量容易导致在低温工况下启动初始阶段发生节流异常现象。陈光明团队在对混合工质单级节流制冷机和混合工质自复叠制冷机实验研究中，发现这两种混合工质制冷系统在-60℃制冷温度时存在不同程度的节流油堵情况[2-3]，而从公开发表的文献[4-5]来看，鲜有关于R290热泵低温节流特性的研究。本文基于R290变频空调开发过程中遇到的低温制热化霜启动后出现堵塞的现象，通过系统分析发现堵塞现象为油堵，并提出了低温油堵的解决方法。

2、实验设置

本次研究选取KFR-26GW/BP3DN7Y变频分体机作为研究对象，机型配置见表1所示。

R290充注量按照GB4706.32-2012中的可燃制冷剂最大充注量限制[6]，计算公式：

Mmax——房间容许充注的最大制冷剂质量（千克）

A——房间面积（m2）

LFL——最低可燃浓度（Mpa/m3），R290取0.038Mpa/m3

h0——空气调节器所在的安装高度（m），挂壁式取1.8m。

本次实验室面积为13m2，充注量为272g。试验在标准焓差室中进行，测试工况如表2所示。

表1 实验机组规格

表2 实验测试工况（℃）

3、R290变频空调节流异常特性

3.1 节流异常特性

R290变频空调系统在室内温度20℃，室外温度-20℃制热运行的功率曲线如图1所示，其中A-B点为正常制热曲线功率曲线，当进入化霜模式后，压缩机先升频化霜，霜层融化完后，压缩机降频同时四通阀换向，因此功率是先升再下降，如B-C所示，C-D为化霜完成后系统再次启动制热的功率曲线，可以看出空调从C点化霜结束转制热模式，随着频率的提升功率逐渐升高，后逐渐降到D点，A、D两个时刻压缩机频率保持一致，系统其它运行参数也一致，正常运行时理论上D点功率应该和A点接近，因此可以判断图1中空调系统出现了异常情况。

图1 节流异常曲线

A、D两点运行时刻系统参数如表3所示，可以看出此次实验中A点功率为890W，D点功率为293W，后者比前者低了67%，另外D点时，虽然压缩机还在运转，但蒸发器中部温度接近室内温度且冷凝器中部温度接近室外温度，初步判断系统无冷媒流动。同时D点时刻，电子膨胀阀前的压力0.736Mpa，阀后压力为-0.046Mpa，说明经过节流后，系统内几乎无制冷剂而出现负压，因此可以判定节流过程出现堵塞或近似堵塞的异常。电子膨胀阀堵塞一般分为：异物堵塞、冰堵塞、制冷剂堵塞以及润滑油堵塞，由于该空调在测试制冷和其它不涉及化霜的制热能力时未出现类似堵塞情况，且此现象仅在低温制热压缩机化霜后启动的初始阶段，可以排除异物堵塞；对换热器等进行干燥及重新抽真空。

表3 A、D时刻系统参数

灌注制冷剂后，实验再次复现了堵塞现象因此可以排除冰堵。另外R290冷媒的凝固温度为-170℃，而D时刻阀后温度为-51.9℃，排除了制冷剂因低温导致的堵塞，因此该节流异常可能是压缩机油析出并结晶所导致的电子膨胀阀堵塞现象。

3.2 节流异常机理分析与验证

空调系统压缩机润滑油的物性，主要包括溶解度、倾点和粘度，当温度一定时，溶解度随着压力的升高而增大，而当压力一定时，溶解度会随着温度的上升而降低[7]；倾点是指油品在规定条件下冷却时能够流动的最低温度[8]，倾点越高，油品的低温流动性就越差，在温度降低到一定程度时油品中原来呈液态的石蜡会以固体的结晶形式出现。比如目前家用空调转子式压缩机所采用的油品为POE油倾点在-30℃左右。

如图2所示，空调系统制热启动初始阶段压缩机瞬间把室外换热器中制冷剂抽回压缩机内，节流后温度急速降低，然后随着系统压力逐渐稳定后温度缓慢回升，一般三分钟左右达到最低值（T1）。制冷剂中润滑油溶解曲线如图3所示，若节流前后温差过大，制冷剂中含油量会减小，而析出纯油，例如：节流前温度为0℃时制冷剂含油量为9%，节流后温度降低到-40℃时含油量为3.9%，此时如果温度低于油的倾点温度，则会析出固体石蜡，且润滑油粘度随着温度的降低而指数式的增大，很容易造成空调系统在低温部件如毛细管、蒸发管路处积油，降低换热特性和压缩机可靠性。

图2 R290和R410A制热节流后温度变化

图3 R290制冷剂含油量随温度变化曲线

图4 系统压力随温度变化曲线图

D点节流后温度-51.9℃，远低于压缩机冷冻机油的倾点温度，此时压缩机冷冻机油流动性差，且低温下油的溶解度变大，导致絮状化的润滑油堵塞在电子膨胀阀出口处，阻止了冷媒流动，造成低压侧没有足够的制冷剂回到压缩机进行压缩，使高压建立不起来，不能克服油及制冷剂混合物通过膨胀阀的流动阻力。

为进一步验证，实验设定电子膨胀阀初始开度150步，在-20℃开机出现堵塞的情况后，把室外环境温度从-20℃缓慢升高，如图4所示，当室外温度上升到-8℃时，高低压力上升到正常水平，系统工作正常。说明随着温度上升，冷媒可以重新流动，其原因可能是油粘度变小，电子膨胀阀出口处的絮状压缩机油融化从而堵塞消失。

对比表1中的R290空调系统和R410A空调系统运行特性如图5所示，在相同的电子膨胀阀初始开度条件下，不同室外环境温度工况下R290空调节流后最低温度远低于R410A空调，此时系统压力如图6所示，R290系统节流后低压P2在0Mpa以下，而R410A系统高于0.1Mpa，R290系统高压P1比R410A低接近1Mpa。由表1可以看出，R290空调压缩机排量是R410A空调的1.84倍，而充注量仅为R410A空调的0.28倍，是造成R290空调制热压缩机启动阶段电子膨胀阀节流后温度过低的主要原因。

图5 R290和R410A节流后最低温度对比

图6 R290和R410A相同电子膨胀阀同开度时节流前后压力的对比

图7 压缩机启动阶段频率及电子膨胀阀开度控制曲线

图8 低温工况下电子膨胀阀与频率联动控制曲线

图9 R290空调不同开度节流后最低温度变化

图10 R290空调不同开度节流前后压力对比

由于油堵现象均出现在制热压缩机启动系统压力未平衡的初始阶段，对于电子膨胀阀空调系统，增大电子膨胀阀初始开度可以增加制冷剂流量及制冷剂流通面积，抑制节流过程制冷剂急速温度下降，避免压缩机油粘度增大，制冷剂流动阻力变大，可以有效解决低温油堵问题。本文设定在室外温度低于2℃制热启动初始阶段，膨胀阀开度以及压缩机运行频率随时间控制曲线如图7，0～2分钟为固定初始开度阶段，2～5分钟为开度与频率联动调节阶段，5分钟后不同温度下控制曲线如图8所示，在此膨胀阀控制规律下，R290空调系统在不同室外温度下，改变节流初始开度所带来的阀后温度变化如图9，其中初始开度分别为200步、350步和480步，室外温度分别-15℃、-10℃、-5℃、2℃。可以看出同一节流开度时，随着室外温度降低，节流后最低温度呈下降趋势，而同一温度下，节流开度越大，节流后温度越高，例如室外温度-15℃时，电子膨胀阀开度200时节流后最低温度达到-48.7℃，480开度时节流后最低温度为-17.3℃，高于冷冻机油的倾点温度，从而有效避免了絮状化的冷冻机油堵塞电子膨胀阀的问题，使得系统能正常运转，具体数据如图10，图中480开度时电子膨胀阀后的压力P2在不同室外温度下，保持在0.1Mpa以上，说明冷媒在正常流动，系统运转正常，而200和350开度时阀后低压基本接近为0Mpa，系统有产生堵塞风险。

4、结论

（1）R290变频空调系统在低温工况下压缩机油溶解度变大，制冷剂流量不足，压缩机启动初始阶段节流后温度过低，油粘度增大，高压侧制冷剂不能克服电子膨胀阀节流阻力，会产生油堵现象。

（2）对于电子膨胀阀空调系统，通过设定膨胀阀开度曲线，提高制冷剂流量，可以有效解决低温油堵问题。

[1]高晶丹，丁国良，王婷婷，高屹峰，宋吉.R290空调器的优化设计原则[J].制冷技术，2013，33(1)：23-26

[2]王勤.混合工质节流制冷机的理论与实验研究[D].浙江大学，2002

[3]王龙生，陈光明，王勤.自动复叠制冷循环中节流阀开度的试验研究[J].制冷学报，2005，26(4)：56-58

[4]楚银盾，金听祥，张卫士.R290在房间空调器中的研究现状[J].制冷技术，2013，33(3)：70-76

[5]秦延斌，张华，邱金友，王裘.碳氢制冷剂R290最新研究进展[J].制冷技术，2015，35(6)：45-51

[6]GB4706.32-2012.家用和类似用途电器的安全 热泵、空调器和除湿机的特殊要求

[7]喻继江.R290制冷剂润滑油选择的影响因素分析[J].顺德职业技术学院学报，2015，13(3)：26-30

[8]Gladwell M.The tipping point[M].Oversea Publishing House，2006：276-277

Experimental Study on Throttle Characteristics of R290 Variable Frequency Heat Pump

LI Huiling1,2，LiuXu2，Li Tingxun1,*
(1 Sun Yat-sen University, Guangzhou, 510725, China;2GD Midea Refrigeration Equipment Co.,Ltd, ShunDe,528311)

With the new refrigerant R290 gradually into the home room air conditioner industry, the research shows that because of its extremely low charge and high compressor displacement characteristics,under heating mode,defrosting end of the heat operation may be appear throttle abnormal phenomenon. In this paper, the mechanism of throttling anomaly in low temperature heating of R290 heat pump is analyzed, and the method to solve the abnormal throttling of R290 inverter air conditioner under low temperature condition is presented, which shows that the opening curve of electronic expansion valve can be solved effectively.

New refrigerants;Throttle characteristics; Low temperature oil block;Throttle abnormality