替代工质应用于房间空调器高温制冷特性研究

李金波 张浩 李廷勋 戚文端 高浩 邓海钊

LI Jinbo ZHANG Hao LI Tingxun QI Wenduan GAO Hao DENG Haizhao

广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311

GD Midea Air Conditioning Equipment Co., Ltd. Foshan 528311

1 引言

环保替代制冷剂已大面积推广，目前应用比较广的环保制冷剂为R32、R410A、R290等。在某些场合空调器外机的安装环境相对恶劣，造成空调器室外机工作温度上升，性能恶化[1]。同时在一些极端高温工况下能稳定可靠运行的空调器需求也日益增加。文章[2-4]从制冷剂的基本特性以及热物性，应用于空调器上的可行性、常规工况下的理论循环特性、实际测试性能对比进行了详细分析，但在中高温等恶劣工况下运行的房间空调器具体的性能表现以及极高温焓差测试业内还未有深入研究。R290由于其安全性要求较高，造成大规模应用较难，但由于其临界温度高，临界压力小，排气温度低，将比较适用于高温环境下运行，本文将从制冷剂的高温特性以及焓差室性能测试，对比R32、R410A、R290三种替代工质在55～80度高温工况运行时的性能差异，优选出适合极高温工况运行的环保工质。

2 理论分析

通过表1可以看出，三种制冷剂的ODP值均为0，GWP值R410A>R32>R290，R290变暖潜力值最小。R290的临界温度为96.74℃，远大于R32和R410A，在工作环境为80℃以上时仍可输出制冷量，而R410A临界温度最低，临界温度为72.5℃，在70℃以上工作时已基本无法冷凝成液态制冷剂，无制冷能力输出，R32冷媒略高于R410A。随着工作环境温度的上升，冷凝温度越接近于制冷剂的临界温度，节流的损失越大，制冷系统循环COP越低。从制冷剂的基本性能上可以看出，R290更加适合中高温区制冷系统，系统整体输出制冷量及能效更优。

表2为三种制冷剂在70℃时的热力学物性对比，可以看出，R290制冷剂的运动粘度比R32及R410A大，在系统中流动阻力及压力损失较小，可以降低系统功耗，但是其比热容较高，要达到相同过冷度需较大温度或增加换热器面积，在相同换热器面积下，会造成冷凝温度上升，换热效率下降。

图1为三种不同工质在同一标尺压焓示意图，可以看出，在冷凝温度同为67℃时，R290压力为2.431MPa，R410A为4.455MPa，而R32达到4.561Mpa，高冷凝压力的同时意味着排气压力高，在吸气温度相同时，系统排气温度更高。通过压焓线可以看出，在高冷凝温度时，R290的饱和气态焓值与饱和液态焓值差值大，相同质量流量制冷剂，可以带走更多的冷凝热，在高温工况衰减量相对R32及R410A更少。

3 实验验证

为验证R290、R410A、R32三种工质在分体式房间空调器上的性能表现，选取同样规格的额定制冷量为3.5kW的分体式房间空调器，分别充注合适重量的三种工质，匹配合适排量的压缩机，并将制冷系统调试至最优，在R290可燃工质专用防爆焓差实验室进行实验测试，实验室示意图如图2所示，包括压力温湿度及流量测量装置，温度传感器采用日本千野的Pt-100铂电阻四线，精度A级，湿度传感器采用芬兰维萨拉的HMT120，精度为±1.7%RH以上，微差压变送器采用EJA120A，测量范围-50～450Pa。并在室内外侧设置防爆卸压装置。各测试工况如表3所示。

通过图3及图4可以看出，在室外35℃的工况下，充注R32工质的空调器能力最高，R410A与R290工质的空调器相近，这是因为R32制冷剂在中温区的汽化潜热比R410A高，而R290系统由于可燃冷媒充注量限制，未达到最佳循环流量。随着室外工况温度的升高，制冷量急剧下降，在60℃工况时，R290制冷剂排气温度低、压比小的优势开始凸显，温度越高，制冷量衰减率相对于R410A及R32越小。以35℃时为基准，R32冷媒在60℃时制冷量衰减73.7%，70℃时衰减达到86.8%。R410A制冷剂与R32制冷剂相似，60℃时衰减73.1%，70℃时衰减达86.4%，而R290制冷剂系统在60℃时制冷量衰减49.5%，70℃时衰减65.8%。相比于R32制冷剂系统，R290系统在60℃工况时制冷量高78.2%，70℃时高140.1%。由于R32以及R410A制冷剂临界温度相对于R290制冷剂低，所以在室外75℃及80℃工况时，R290系统仍有制冷量输出，而R32及R410A在冷凝侧已达临界温度，无制冷量输出。

表1 制冷剂基本性能对比

?

表2 制冷剂在70℃时热物性对比

?

表3 高温能力能效测试工况

图2 R290专用防爆焓差实验室示意图

图3 不同工质在室外侧各工况下相对名义制冷量百分比对比

图4不同工质在室外侧各工况下制冷量衰减率对比

图5 不同工质在室外各工况下同输出制冷能力时排气温度对比

不同工质在室外各工况下运行同输出能力时排气温度对比情况如图5所示，可以看出在常温制冷工况下，R410A制冷剂系统排气温度最高，R290系统最低，60℃时R32系统运行排气温度达107℃，R290系统系统排气温度为96℃。室外70℃工况下，制冷能力相当时，R32制冷剂系统排气温度达109℃，而R290系统此时排气温度为99℃。系统排气温度关系到其运行可靠性及空调器寿命，所以在高温工况运行时，R290制冷剂系统运行可靠性相对于R410A系统及R32系统更高。

4 结论

通过对比R32、R410A、R290三种环保替代工质的高温热物性及焓差室能力测试结果可知，在60℃以上高温工况时，相对于R290、R32及R410A两种制冷剂在高温工况下能力及能效衰减明显，在70℃工况以后无法输出制冷量，在高温工况运行时R290制冷剂系统排气温度相对较低，系统运行可靠性得以保证。所以在环境恶劣工况下安装运行的房间空调器，R290工质有着良好的能力能效表现及应用前景。