低温热泵系统中R290替代R22的性能研究及优化

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240；2 上海市高效冷却系统工程技术中心 上海 200240;3 浙江盾安人工环境股份有限公司 诸暨 311835)

R22是HCFC类制冷剂，广泛应用于家用及商用领域，然而由于其对大气臭氧层的破坏作用和一定的温室效应潜值，在《蒙特利尔议定书》中已对R22的禁用提出了明确的期限。对于R22的替代，国内外主要分为两个方向：一是以美国、日本为主的HFCs替代方案[1]，二是以中国、欧洲为主的以R290(丙烷)等天然制冷剂作为替代物[2]。

对于R22替代制冷剂的选择，已有不少学者进行了相应研究[3-6]。李晓燕等[7]利用新混合制冷剂R417A对R22热泵热水系统进行了替代研究。张明方等[8]同时也在家用空调领域采用R417A进行R22的替代研究。史琳等[9]通过对比R22和R32的热物理性质，研究了家用及商用领域的R22空调替代。姚寿广等[10]通过建立相应的参数关系方程式对R22和R290的热物理性质进行了热力循环的性能模拟。其中R32系统的排气压力温度均高于R22，因此在替代使用中需要对空调部件进行额外的改造；而R417A、R290与 R22热物理性质相似，对现有的R22系统不需要进行过多的改进。其中由于R290的ODP=0，GWP<20，具有优秀的环保性能[11]，因此对于低温热泵系统，R290是R22的理想替代物质[12]。

现有R290替代R22制冷剂的研究主要关注于R290作为替代工质在制冷系统中的表现及替代时的相关问题和解决方案。对于R290在热泵系统中，尤其在低温环境下的替代性能研究还较为缺乏。

本文通过对原系统和系统进行一定改动后，进行了实验研究，探究了R290在低温热泵系统中的性能效果并对低温热泵中R22的替代研究给出了优化建议与方向。

1 理论分析

表1 所示为R290与R22的基本物性对比。由表1可知，R290的主要物理性质与R22极其相近。且R290的ODP=0，GWP很小，所以具备替代R22的基本条件[13]。

表1 R290与R22的基本物性对比Tab.1 Comparison of physical properties of R290 and R22

图1所示为R22与R290饱和蒸气压力与温度曲线。由图1可知，R22和R290的饱和蒸气压力非常接近，因此可以在对原R22系统不进行大的改动下直接将R22抽出灌装R290[14]。

图1 R22与R290饱和蒸气压力与温度曲线Fig.1 The curve of saturated steam pressure and temperature of R22 and R290

通过R22和R290的基本热物性对比，可以得出R290的特点主要为[15-16]：

1)R290的汽化潜热是R22的1.84倍，这说明在相同制热量下，采用R290可减少工质的循环量。

2)R290绝热指数低于R22，在相同压缩比时，可减少功耗，并使排气温度降低，输气系数提高，同时减少压缩过程气体与气缸间的热交换，减少不可逆损耗，并能够改善冷凝器的工作状况，减少传热不可逆损失，降低能耗。

3)R290导热系数高于R22，可改善压缩机的散热条件，同时提高冷凝器和蒸发器的传热系数，进一步降低系统能耗。

2 实验介绍

为研究R290低温热泵系统在不同工况下，特别是低温环境下的性能，对原有R22热泵系统进行替代实验。原R22系统充注量为5 kg，R290系统充注量为3 kg，满足GB 4706.32—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》[17]标准中关于具有机械通风条件的热泵系统制冷剂充注量M

该热泵系统主要由涡旋压缩机、管翅式换热器、壳管式换热器、热力膨胀阀、气液分离器和储液罐组成。实验在焓差室中进行，焓差室主要分为蒸发室和冷凝室两部分。在蒸发室和冷凝室分别放有一个风洞，用于调节蒸发器和冷凝器的进风量及测量蒸发室和冷凝室的干湿球温度。蒸发室和冷凝室的温、湿度环境各由一个制冷机组、电加热器及加湿器进行控制。在原机管路上，分别在各部件前后打孔并布置了用于测量系统压力及温度的传感器。实验原理及实验台如图2所示，实验台精度分析如表2所示。

为分析该热泵系统在不同环境条件下的工作性能，共设计了如表3所示的15组实验工况，用于分析对比不同环境温度、出水温度条件下两系统的性能差异。

图2 实验台结构Fig.2 Experimental bench structure

表2 实验台精度分析Tab.2 Experiments measurement accuracy

3 实验结果及讨论

在不同工况下分别对R290和R22进行系统性能测试，为分析二者的具体性能差异，选择不同环境温度下，同一出水温度工况下的制热量、COP及排气压力、排气温度等参数进行对比。

3.1 系统换热量与COP的对比

图3所示为R22与R290系统换热量和COP的对比。由图3(a)可知，系统换热量随环境温度的降低而降低，使用两种制冷剂的系统差别较小，替换为R290的系统换热量下降约4%。由图3(b)可知，系统COP随环境温度的降低而降低，在21 ℃工况时R290系统COP>R22系统，但R290系统性能衰减幅度>R22系统，21 ℃以下工况时R22系统COP>R290系统。

表3 实验工况Tab.3 Experiments test conditions

注：其中净水体积流量均为7.8 m3/h。

图3 R22与R290系统换热量与COP的对比Fig.3 Comparison of heat exchange and COP between R22 and R290 system

由于R290的汽化潜热>R22，原R22系统所用的压缩机排量对于R290而言过大，而较大的制冷剂流量意味着同等换热量条件下系统所需的传热温差更大。图4所示为R22与R290系统的换热量对比。通过对比R22与R290系统冷凝器与出水温度间的温差和换热量之间的关系可知：R290系统的整体传热温差>R22,且R22系统整体换热量>R290，因此R22系统整体的传热效率>R290系统。值得注意的是R22在低温环境中制热能力出现明显的衰减(图4(a)中下部三点)，说明在低温环境中R22的传热效率较低而R290在低温时的传热效率变化相对稳定。这在二者COP的变化中也有所体现：R290在-6 ℃以下的低温环境时COP变化趋于平稳而R22的COP衰减更为剧烈。另外由于在室温为21 ℃时系统整体的换热需求较小、制冷剂流量整体较小，因此压缩机排量对R290系统的影响较小，凭借较大的汽化潜热R290系统此时的传热效率较高(图4(b)左上三点所示)，这也解释了为何在室温为21 ℃时，R290系统COP>R22系统。

图4 R22和R290系统换热量对比Fig.4 Comparison of heat exchange of R22 and R290 system

3.2 排气温度与压力的对比

为具体分析压缩机排量对系统性能的影响，对比了二者的排气温度和排气压力，如图5所示。由图5(a)可知，R290系统排气压力整体高于R22系统。R22系统排气压力随环境温度的降低而略有降低，R290系统排气压力随环境温度的降低先升高后降低，于-6 ℃时达到最高。由图5(b)可知，R290系统排气温度在2 ℃以上工况时低于R22系统，在2 ℃以下工况的低温环境中高于R22系统。R22系统排气温度随环境温度的降低而升高，R290系统排气温度随环境温度的降低先升高后降低，于-6 ℃时达到最高。

图5 R22与R290系统排气压力和排气温度的对比Fig.5 Comparison of exhaust pressure and exhaust temperature between R22 and R290 system

这种变化趋势主要是由制冷剂与压缩机排量之间的匹配问题引起，当处于室温环境21 ℃时，系统整体的换热需求较小、制冷剂流量小，因此压缩机排量对R290系统的影响较小，此时R290系统的排气压力与温度均R22系统、R290系统的排气压力与温度>R22系统。在-6 ℃时，R290系统排气温度与压力突然升高，这主要是由于在该工况条件下膨胀阀开度过小导致的系统过热度过大。

3.3 数据分析

通过分析上述数据可知，在R22系统中直接用R290进行替换时系统整体性能有所下降，系统换热量与COP均有所衰减。在低温环境中R290系统的压缩机排气温度和排气压力均高于R22系统。由于过高的排气压力和排气温度会对压缩机的安全性造成影响，对系统运行较为不利。通过分析系统部件，可知上述现象出现的主要原因是R22系统压缩机排量过大，与R290不匹配。压缩机排量过大意味着R290制冷剂流量较大，因此为达到同水平的制热量，系统所需的传热温差也更大，这就造成R290的压缩机排气温度和压力更高[18]。因此为同时满足系统的安全性要求和提高R290在低温热泵系统中的整体性能，考虑在系统中更换与R290更为匹配的排量更小的压缩机。

4 系统优化

为保证R290低温热泵系统安全高效的运行，将原R22系统中的1.2×-4m3排量的压缩机更换为更适合R290的8.5×-5m3的小排量压缩机，此时系统R290的最佳充注量降为2.6 kg。在相同环境工况下完成测试，并对比改进压缩机后的R290系统与R22系统性能，如图6所示。

图6 R22系统与改进后的R290系统换热量和COP对比Fig.6 Comparison of heat exchange and COP between R22 system and improved R290 system

由于使用了更小排量的压缩机，改进后的R290系统总体换热量略小于原R22系统，但此时R290系统整体COP较原R22系统提升约6.5%。

图7 所示为R22系统与改进后的R290系统排气压力和排气温度对比。从压缩机运行状况可知改进后的R290系统的排气压力与温度均得到大幅改善：在2 ℃以上工况时，改进后的R290系统能有效降低压缩机的排气压力，在低温环境2 ℃以下工况时R290系统也能达到与R22系统相同的水平。改进后的R290系统同时也能大幅降低系统的排气温度，特别是在低温环境下能使原R22系统的排气温度下降36%以上。

图7 R22系统与改进后的R290系统排气压力和排气温度对比Fig.7 Comparison of exhaust pressure and exhaust temperature between R22 system and improved R290 system

由以上数据可知，对压缩机进行优化后，R290低温热泵系统整体性能有一定幅度的提升，特别是大幅降低了压缩机的排气温度，有效提升了系统整体的安全性能。

5 结论

本文在不同工况下分别对R290和R22系统进行性能测试，选择不同环境温度，同一出水温度下的制热量、COP及排气压力、排气温度等参数进行对比。从实验的角度分析了低温热泵系统中R290替代R22的可行性，通过对比的实验结果可得出如下结论：

1)R290的热物理性质基本与R22相近，在汽化潜热、ODP、GWP等方面优于R22，具备替代R22的基本条件。

2)针对R290低温热泵系统中压缩机排量进行优化后，能有效降低压缩机的排气温度，提高系统的整体性能。

3)经过压缩机优化后的R290低温热泵系统性能较原R22系统整体上有较大幅度的提升：COP提高6.5%，低温环境下排气温度下降36%以上。

4)在低温热泵系统中使用R290替代R22具有效率高、安全性好且改动成本低的特点，具有良好的应用前景。