R407C用于家用空调器的毛细管长度和制冷剂充注量研究

仇富强，农秉茂，范容君，谢萍萍，李垒

(1.铜陵职业技术学院 电气工程系，铜陵 244061；2.漯河职业技术学院 机电工程系，漯河 462002；3.枣庄学院 机电工程学院，枣庄 277160)

0 引言

目前，空调器已经成为了普通家庭的一个必须品，并且已经从城市普及到了农村家庭.而且国内外专家学者在这方面的研究非常多，涉及范围非常广，如邵双全，石文星等人通过实验研究了普通家用空调器中R22充灌量和毛细管长度的优化匹配[1].肖洪梅，张桃等人对自然制冷剂R290用于家用空调器的热力性能进行了实验研究[2].王金锋，陶乐仁等人对家用翅片管式冷凝器进行了数值模拟分析[3].仇富强，李俊阳等进行了家用水源空调器的研究，结果表明，采用地表水作为空调器的能量来源，家用空调器的性能得到了明显的提高.目前，我国大部分家用空调使用的制冷剂是R22.《蒙特利尔议定书》规定，2020年后发达国家将停止使用HCHC制冷剂[5].目前，德国空调业已经禁止使用R22.我们也将会提前禁止使用R22.

R407C是由R134a、R125、R32按52%、25%、23% 组成的非共沸混合制冷剂[6]，具有与R22相似的蒸汽压力和相近的热力性能(其物理性质和R22的比较见表1).是今后作为“直灌式”工质替代R22用于房间空调器希望最大的制冷剂.目前，对于R407C在房间空调器中的应用研究仍在进行中，对R407C替代R22的系统性能变化仍需进行全面的研究.作为非共沸混合物制冷剂，R407C相变时会产生温度滑移效应，而这会对空调器的性能产生影响[5]，泄漏发生时，由于其比例会发生变化，制冷效果将会变差.与普通单一制剂相比，制冷剂补充和系统的维护相对较难.目前，我国有人对R407C用于制冷设备进行了研究，例如：卢文军对R407C替代R22用于列车空调上可行性进行了研究，并对一些应注意的问题给出了建议[7].耿玮，朱群等人进行了R407C热力性质的计算模型建立，并对由于R407C泄漏产生的热力性质进行了分析，结果表明，对于R407C来说，由于正常泄漏引起的制冷量不足和能效的降低均小于5%[8].张绍志，陈光明等人建立了非共沸制冷剂在翅片管冷凝器中的分布参数模型，并以R407C为例就6种流程布置对冷凝器性能的影响进行了比较.计算结果显示逆交叉流程布置的效果最好[9].另外，张绍志，陈光明等人对翅片管蒸发器的结霜过程进行了数值模拟研究.结果表明，对非共沸混合制冷剂R407C来说，温度滑移对霜层在蒸发器上的分布影响较大[10].

本文在前人的基础上主要对R407C用于家用空调器时的毛细管长度以及充注量对空调性能的影响进行了实验.可为以后相关研究提供一些参考.

表1 R407C和R22的物性参数

1 实验装置及测点布置

1.1 实验装置

所选样机为KC-25C型房间空调器，其原理如图1所示.其主要结构如下所示：(1)压缩机1个，型号：165XICY，以R407C为制冷剂；(2)外螺纹翅片管冷凝器1个，总长16米；(3)毛细管1根：直径Φ1.5；(4)翅片管式蒸发器1个，总长12.5米.

实验是在安徽某焓差实验室内做的.空调器的制冷功率和制热功率根据空气焓值法进行测量计算(GBT7725 -2000).测试系统由一台台式计算机和一台FLUIEND39数据采集器组成，温度由type类型的热电偶测量，系统压力用不同量程的Bourdon压力表测量，系统的耗功采用数字功率计测量.

图1 实验设备系统原理及测点示意图

1.2 温度压力测试点布置

在压缩机吸、排气口、环境，节流管前后共设置了8个温度采集点.在压缩机和毛细管的进口/出口位置分别布置了2个不同量程的压力表，用以提高测量精度.

1.3 系统性能计算

系统制冷功率或制热功率由实验室内室的送风量和室内机进、出风口的焓差值的乘积计算.如公式(1)：

(1)

(2)

式中：W为空调输入功率，kW.

2 实验结果与分析

实验条件：外室设定干球温度35.0℃，湿球温度24.0℃；内室设定干球温度27.0℃，湿球温度19.0℃.

2.1 当毛细管内径为：1.5 mm，长度为：600 mm时，R407C充注量对房间空调器性能的影响

图2 吸/排气压力随R407C充注量的变化 图3 制冷功率和输入功率随R407C充注量的变化

从图2可以看出，随着充注的增加压缩机的吸/排气压力是增加的，且排气压力的增加值要略大于吸气压力增加量.这是因为制冷剂充注量的增加引起了系统循环流量的增加.而毛细管的管径是不变的，流过毛细管的制冷剂流量的增加量是小于系统充注量的，所以其压力差也是增加的.由图3可知，随着充注量的增加，系统制冷功率Q0是先增加的，且增加趋势逐渐变缓.当充注量达到约630g时，制冷功率Q0达到一个峰值2460.4W.随着充注量的继续，制冷功率开始下降.产生这种结果的原因是当充注量较小时，制冷剂在冷凝器出口处无法完全凝结，故其在毛细管入口无法形成液封，所以，进入毛细管的制冷工质状态为流动阻力较大的气液两相态，制冷剂质量循环量不大.系统的制冷功率与通过毛细管进入蒸发器内的制冷剂质量流量成正比.随着制冷剂充注量的增加，制冷剂在冷凝器内压力升高，制冷剂液化量增加，在毛细管的入口处形成了液封，流经毛细管进入蒸发器内的制冷剂质量流量基本达到最大.即，制冷功率基本达到最大值.如果充注量进一步增加，通过毛细管的流量虽然也是增加的，但由于毛细管的孔径是不变的，这时充注的制冷剂将大部分被滞留在冷凝器内，间接导致了冷凝器面积的不足，影响散热效果，从而引起了制冷功率的逐渐减小.

图4 性能系数cop随R407C充灌量变化 图5 吸/排气压力随毛细管长度的变化

从图4可以看出，在毛细管内径和长度一定时，在初始阶段，系统的性能系数COP也是和制冷剂的充注量成正比的.在充注量在630g时COP达到最大值2.474.随着制冷剂的进一点充注，其开始呈现出下降趋势.这主要是由于制冷功率的增加量大于系统的输入功率增加量引起的.当制冷量功率达到极值后制冷功率是减小的，而此时压缩机的输入功率仍是不断增加的，结果也引起了COP的下降.

2.2 在制冷剂R407C充注量为630g条件下，毛细管长度对房间空调器性能的影响

由图5可知，当制冷剂充注量一定时，随着毛细管长度的增加系统的排气压力是升高的而吸气压力降低的，压力差是增加的.这是因为毛细管越长，制冷剂在管内受到的阻力越大，通过毛细管的制冷剂流量就越小.导致多余的制冷剂积聚在冷凝器内，使冷凝侧压力升高，而蒸发侧制冷剂减少，使蒸发压力有所降低.总的来说随着毛细管长度的增加，吸气侧压力的下降趋势更为明显，吸/排气压力差值逐渐增大.

图6 制冷功率和输入功率随毛细管长度的变化 图7 性能系数COP随毛细管长度的变化

从图6可以看出，当充注量不变时，初始阶段制冷功率是随着毛细管长度的增加而变大的，在毛细管长约为600 mm时达到峰值2460 W.其后，随着毛细管长度的进一步增加系统的制冷功率呈现下降趋势，而其输入功率也略有减小，但变化不大.这是因为在制冷剂流注量一定的情况下，当毛细管长度较短时其节流阻力也较小，流经毛细管的制冷剂量过大，制冷剂在蒸发器内无法进行相变吸热，即系统的过热度值为零，甚至会有引起有害湿冲程的危险.随着毛细管长度的变大，其内部阻力就开始增加，进入蒸发器内的制冷剂流量就越少，从而使蒸发器内的制冷剂蒸发越充分，产生了一定的过热度和相变，使单位质量制冷量增加，从而引起了总制冷功率的增加.但当长度进一步增加时，其沿程阻力也将进一步增加，加大了制冷剂的闪蒸量，即单位质量制冷量下降.同时流经毛细管的制冷剂流量也会减少，制冷剂集聚在冷凝器内.而进入蒸发器的供液量则减少，使蒸发器得不到充分利用，从而系统制冷功率是减少的.而增加充注量，可使进入蒸发器内的制冷剂增加，并提高了换热面积利用率, 从而使制冷功率增加.故当毛细管变长时，制冷剂充注量和冷凝器面积也应同时增加.

而输入功率变化较平缓的原因是由于初始时虽然其流量较大，但其蒸发侧过热度太小，甚至为零，单位质量输入功较小.随着毛细管长度的增加，其吸/排气压差是增加的，吸气比容增加，单位质量输入功较大，制冷剂流量却是减少的，结果系统输入功率基本不变，甚至略有减小.

从图7可以看出，当毛细管变长时，系统的COP也是先增大然后再逐渐减小的.在长度约550mm时达到一个峰值2.48.这是因为当毛细管增长时，制冷功率Q0是先增大后减小的，而系统输入功率W却无太大的变化，从而系统的COP值也呈现了和Q0相似的变化.

[1]邵双全，石文星，李先庭，等．空调系统制冷剂充灌量与毛细管长度的优化匹配研究[J]．流体机械，2002，30(2):45-48.

[2] 肖洪海，张桃，胡艳．R290小型家用空调器的性能匹配研究[J]．制冷学报，2006，27(4)：26-30.

[3]王金锋，陶乐仁，王永红．家用空调风冷冷凝器的数值分析[J]．工程热物理，2008，29(5):831-833.

[4]仇富强，李俊阳，赵美云，等．直膨式家用水源空调器实验研究[J]．2014，23(3):24-27.

[5]维也纳保护臭氧层国际会议达成协议．中国制冷空调：中国制冷空调工业协会主办，1996，93(1):4.

[6]Gustav Lorentzen. Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant[J].International Journal of Refrigeration,1994，17(5)：292-301.

[7]卢文军．R407C环保制冷剂在列车空调上的应用研究[J]．电力机车技术，2002，25(4):24-25．

[8]耿玮，朱玉群，陈滢．R407C泄漏对制冷量及性能系数的影响[J]．流体机械，2001，29(1):50-52．

[9]张绍志，陈光明，王剑锋．流程布置对非共沸制冷剂空冷冷凝器性能的影响[J]．流体机械, 2001，29(1):53-55．

[10]张绍志，陈光明，王剑锋．以R407C为工质的翅片式蒸发器结霜过程模拟[J]．低温工程，2001(1):21-26．