R32制冷系统降低排气温度的方法研究

秦 妍 张剑飞

(大连三洋压缩机有限公司 大连 116033)

随着工业的发展与制冷技术的不断进步，人们关注制冷产品高能效低成本的同时，对环境友好性的要求越来越高。特别是《蒙特利尔协议》中关于加速淘汰HCFCs的规定，尽快寻找合适的R22替代制冷剂，在ODP为零的前提下，尽量降低GWP值，是势在必行的工作。

R32作为R410A的一个组成部分，早在上世纪九十年代就曾被国内广大学者所关注，西安交通大学、清华大学等高校率先进行了R32的饱和蒸气压[1]、饱和气体导热系数[2]、饱和液体粘度[3]、热力学性质[4]的研究，为R32作为替代制冷剂的研究提供了重要的基础数据。但是，由于R32存在安全性的隐患，长期以来一直没有被应用于产品。近年来，随着低GWP要求的压力逐渐增大，ASHRAE对R32的安全归类标准从A2级降至A2L级，大量研究机构和厂家又对R32展开了性能验证。从风冷到水冷，从定频到变频，从空调到热泵热水器，展开了大量实验研究和理论分析[5-7]，结果表明，R32具有较好的应用前景。

1 R32的物理特性及循环特性

R32作为R410A组分的一种，与R410A相比，具有相近的压力、更好的传热性能和较低的粘度的特性。关于R22、R410A与R32物理特性与循环特性的具体数据详见表1和表2

从循环特性上看，R32与R410A压力接近，R32的容积制冷量提高10.87%，容积压缩功增加7.97%，整体能效提升2.69%，但同时，排气温度提高21.97℃，从现有的实验研究结果看，实际系统运行数据[5-7]与理论分析接近。理论与实际测试结果证明，R32具有较好的传热性能和较高的能效，而能否解决排气温度高的问题，成为R32在实际应用中广泛推广的一个技术壁垒。大金公司首先提出通过控制压缩机吸气干度的方式，以解决排气温度过高的问题。测试证明，在一定的温度范围内，适当降低吸气干度，可以起到降低排气温度的作用，同时通过了压缩机可靠性测试。但是，从压缩机安全性考虑，这种降低吸气干度的方法对于压缩机来说存在一定风险。基于此考虑，这里从理论和实验两方面分析补气的方法在降低R32系统排气温度方面的效果。

表1 R32、R22及R410A的物理性质对比Tab.1 Physics character comparative of R32, R22 and R410A

表2 R32、R22及R410A循环特性1)对比Tab.2 Refrigeration cycle character of R32, R22 and R410A

2 R32系统降低排气温度的实验设计

2.1 实验系统设计

为了验证R32替代R410A的系统运行特性，同时考察补气对R32系统循环性能及排气温度的影响，设计了一组实验，在焓差实验室利用5HP空调器进行测试。图1是焓差实验装置图，图2与图3分别是测试的制冷系统原理图及压焓图。

图1 焓差实验装置图Fig.1 Equipment of enthalpy difference experiment

图2 测试系统原理图Fig.2 Principle picture of experimental system

表3 实验工况表Tab.3 Experimental conditions

图3 测试系统补气工况压焓图Fig.3 p-h picture of gas injecting system

补气形式的压缩机最初是针对低环境温度，大压比的工况而开发设计的。图2所示测试系统中，当关闭经济器前端的截止阀时，系统为普通制冷循环；当经济器前端截止阀通电开启时，系统为补气系统。从冷凝器B出来的液体制冷剂一部分节流后对系统内主路循环制冷剂进行过冷，然后喷入压缩机中间腔对涡旋盘进行冷却。图3中0-2'-3-5'是普通制冷循环，0-6-1-2-4-5-0是补气增焓循环。

普通制冷循环中，制冷量是：

式中， 为进入蒸发器的制冷剂质量流量。

补气增焓循环中，制冷量是：

两种循环中，经过蒸发器的制冷剂质量流量相同，补气增焓循环中，蒸发器入口处焓值更小，因此补气系统蒸发器焓差更大，即冷量较普通循环大。

在补气增焓循环中，由于在压缩机中间腔喷入制冷剂气体，压缩机排气由2'点变化至2点，温度降低。整个过程系统冷量增加，功率上升，压缩机排气温度下降。表3是实际测试工况设计。

2.2 测试需要解决的问题

搭建测试系统后，主要从三个方面进行实验验证，解决如下问题：1) R32系统最佳制冷剂充注量确认：根据COP最大化原则确认R32系统的最佳充注量，与R410A系统进行对比；2) R32与R410A系统运行特性比较：换热量、COP、排气温度对比；3) 补气对系统排气温度及其他运行性能的影响。

3 测试结果及分析

3.1 R32替代R410A系统充注量测试

一般观点认为，制冷剂的充注量与分子摩尔质量成正比。从现有的研究测试结果来看，在不改变系统的前提下，R32替代R410A后，制冷剂充注量质量百分比在60%～82%左右浮动[6-7]。测试首先根据COP最大原则确认两种制冷剂最佳充注量，结果如图4、图5。从测试结果看，R410A最佳充注量为4.0kg，R32最佳充注量2.9kg，R32大约为R410A的72.5%，与二者摩尔质量比71.9%接近。

图4 R410A制冷剂充注量确认测试Fig.4 Refrigeration charging con fi rm of R410A

图5 R32制冷剂充注量确认测试Fig.5 Refrigeration charging con fi rm of R32

3.2 R32与R410A系统循环特性分析

对被试机分别充注R32与R410A制冷剂，在空调标准制冷工况下对比两种制冷剂系统循环特性，测试结果如表4。

从表4数据中可见，在空调运行标准制冷工况下，R32与R410A相比，前者换热量高13%，功率高8.89%，COP高4.01%，排气温度高25℃，实测值与理论计算值接近。

表4 R410A与R32测试对比Tab.4 Comparison of R32 and R410A

3.3 补气对R32系统运行性能的影响

从上面的测试结果可以看到，由于R32替代R410A后，排气温度高20℃以上，在标准测试工况下，排气温度尚能满足压缩机工作范围，在低蒸发温度、大压比的情况下，压缩机排气温度过高，将影响其使用寿命，因此引入补气方式以降低压缩机排气温度。

图6 R32在补气及不补气条件下换热量改进效果图Fig.6 Capacity comparison of R32 at gas-injection and non-injection

图7 R32在补气及不补气条件下COP改进效果图Fig.7 COP comparison of R32 at gas-injection and non-injection

图8 R32补气及不补气条件下排气温度改进效果图Fig.8 Discharge temperature comparison of R32 at gas-injection and non-injection

图6～图8是R32系统不同工况下，补气对系统性能及排气温度的影响。从图中可以看出，在蒸发温度0～-20℃时，补气后系统换热量增加2%～14%，COP提升2%，排气温度降低15℃以上，排气温度控制在110℃以下，而且蒸发温度越低，系统性能提升越明显。

4 结论

从理论和实验角度分析了R32替代R410A的系统循环特性，提出了采用补气方法以降低R32排气温度，主要结论如下：1)在同一系统下，R32系统充注量是R410A的72.5%，与二者摩尔质量比接近。2)在空调运行标准制冷工况下，R32与R410A比较，换热量提高13%，功率提高8.89%，COP提高4.01%，排气温度提高25℃，实测值与理论计算值接近。3)R32采用补气后，排气温度降低15℃以上，控制在压缩机安全运行范围内，换热量及性能均有所提升，且随着蒸发温度的降低，提升效果越来越明显。

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