微通道家用空调器制冷系统的性能测试与分析

赵晓丹， 张 超， 王素英， 刘恩海， 赵楠楠

(1.中原工学院 信息商务学院, 河南 郑州 451101； 2.中原工学院 能源与环境学院， 河南 郑州 450007)

与传统翅片管换热器相比，微通道换热器具有体积小、重量轻、换热效率高、结构紧凑、制冷剂充注量小等优点[1]。目前微通道换热器在制冷空调领域主要应用于汽车空调系统，在家用空调中并不多见。将其用于家用制冷空调系统，可实现减小空调系统体积，提高空调器整机性能，降低制冷空调系统成本的目的。许多学者对微通道换热器在家用空调上的应用已进行大量研究，清华大学张会勇等研究分析了微通道换热器应用于家用空调系统的优点及有待解决的问题[2]。严瑞东等研究了微通道换热器两相分配特性对家用空调器的影响，结果表明，其两相分配的不均衡对空调器性能的影响达到了7.3%[3]。汪年结等研究了微通道换热器在3 HP柜式家用空调中的应用，结果表明，对微通道换热器结构的优化可进一步提高空调器的性能[4]。施骏业等对家用空调室外机波纹型翅片管换热器进行了研究，得出的波纹型翅片管换热和压降关联式，可用于准确预测换热器的运行性能[5]。郭霞龄等采用R290制冷剂，以微通道冷凝器替换翅片管冷凝器，研究家用空调器的制冷性能，结果表明，相对于翅片管冷凝器，采用微通道冷凝器的空调器制冷量提高了0.7%，COP提高了3.4%[6]。王颖等将微通道换热器用于3 HP柜式家用空调,并对系统性能和充注量等进行了对比研究[7]。谭易君等采用仿真技术,以R290家用空调器的微通道冷凝器为研究对象,比较了不同流路布置方案对冷凝器性能的影响,并对外形尺寸相同的微通道冷凝器与翅片管冷凝器充注比进行了研究[8]。曹勇针对微通道换热器在结构和性能上的特点,讨论了将其用于房间空调器时关于耐压、腐蚀、折弯、积灰、泄露等方面应注意的问题,并提出了一些设计建议[9]。彭明等对不同流程布置的平流式冷凝器进行试验研究,提出了平流式冷凝器流程的优化设计方案[10]。胡张保等设计了一套以微通道换热器作为蒸发器的分离式热管空调,研究了充液率、室内外温差和风机风量等因素对其传热性能的影响[11]。

本文以R134a为制冷剂，构建2 HP微通道分体式家用空调系统，以微通道换热器作为冷凝器，以管-翅片式换热器作为蒸发器，在额定制冷工况下，分别测试微通道家用空调器和常规家用空调器的主要制冷参数，并在不同制冷剂充注量下，对微通道家用空调器的主要制冷性能进行讨论。

1 实验装置及测试工况

实验用微通道家用空调器制冷系统主要由涡旋压缩机、微通道冷凝器、储液器、干燥过滤器、热力膨胀阀、管-翅片式蒸发器组成。微通道家用空调器制冷系统如图1所示。根据制冷系统工作原理，制冷剂依次经过压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤器、热力膨胀阀、蒸发器等。微通道家用空调器制冷系统的具体工作流程如下：高温高压制冷剂蒸汽从压缩机排出后，首先进入冷凝器，与空气进行冷凝换热，经过储液器和干燥过滤器，进入热力膨胀阀节流降压，变成低温低压的气液混合物；然后进入蒸发器，吸收室内空气的热量，变成过热蒸汽，进入压缩机压缩，成为高温高压蒸汽制冷剂后进入新一轮循环。

1.1 实验装置

该实验装置主要包括制冷剂循环系统、室内空气调节系统、测试与控制系统等。制冷剂循环系统主要为制冷剂侧换热量的测量提供工质等；室内空气调节系统主要控制实验室温湿度、入口风速及风量等实验工况；测试与控制系统用于监控整个实验过程的空气环境。

图1 微通道家用空调器制冷系统

为了研究微通道家用空调器制冷系统的结构参数对换热器性能的影响，可建立专用于微通道换热器的数学模型。本文在国家标准规定的房间空调器额定制冷工况下，从流程布置、扁管高度、翅片高度以及扁管、翅片宽度方面，对微通道换热器结构参数进行优化，并将优化后微通道换热器作为新室外冷凝器。主要实验设备的型号及参数如表1所示。

表1 主要实验设备的型号及参数

1.2 测试工况

根据图1搭建实验台后，按照国家标准GB/T 7725的要求，在标准焓差实验室内进行测试。所选实验室的测试能力为2～45 kW，蒸发器室和冷凝器室环境温度的控制精度为±0.2 ℃。

以R134a制冷剂为工质，根据GB/T 7705-2004标准规定，在额定制冷工况下，分别测试微通道家用空调器制冷系统和常规空调器制冷系统的各项性能，并在不同制冷剂充注量下，对微通道家用空调器制冷系统的性能进行测试。测试工况如表2所示。

表2 测试工况(额定工况) ℃

2 实验结果及分析

2.1 两种制冷系统的性能比较

微通道家用空调器制冷系统和常规空调器制冷系统的各项性能如表3所示。

表3 两种制冷系统的性能

从表3数据可以计算出，在额定工况下，相对于常规家用空调器，微通道家用空调器制冷系统的制冷量提高了3.85%，压缩机功率降低了2.50%，COP提高了6.46%。

将室外冷凝器更换为微通道换热器后，制冷剂通过微通道冷凝器后过冷度降低，在蒸发器内蒸发吸热时可带走更多的热量，从而使系统制冷量增大。相比于常规家用空调器，微通道家用空调器制冷系统中制冷剂的质量流量减小，压缩机功率降低，在制冷量增大和压缩机功率降低的综合作用下，系统的COP升高。总的来说，在额定工况下，相比于常规家用空调器，微通道家用空调器制冷系统的制冷量增大，压缩机功率降低，COP升高，空调系统的整体性能大幅度提升。

2.2 不同充注量时微通道家用空调器制冷系统的性能变化

图2、图3、图4分别为微通道家用空调器制冷系统在额定制冷工况下制冷量、压缩机功率、COP随制冷剂充注量的变化曲线。

图2 系统制冷量随制冷剂充注量的变化曲线

图3 压缩机功率随制冷剂充注量的变化曲线

图4 系统COP随制冷剂充注量的变化曲线

由图2可知，随着制冷剂充注量的增大，系统制冷量先升高后降低，当制冷剂充注量从670 g升至710 g时，系统制冷量提高了8%；当制冷剂充注量从710 g升至750 g时，系统制冷量降低了5.6%。这是因为，当制冷剂充注量很小时，进入蒸发器的制冷剂的质量流量很小，而蒸发器面积一定，所以蒸发器制冷量很小。随着制冷剂充注量的增大，系统制冷剂的质量流量增大，蒸发温度升高，从而使蒸发器制冷量增大。随着制冷剂充注量的继续增大，虽然蒸发温度升高，但换热温差减小，所以制冷量减小。总体来说，在充注量从670 g升至710 g的过程中，制冷剂的质量流量是影响蒸发器换热的主要因素；在制冷剂充注量从710 g升至750 g的过程中，传热温差是影响蒸发器换热的主要因素。

由图3 、图4可知，随着制冷剂充注量的增大，系统压缩机功率相应增大，COP先升高后降低。当制冷剂充注量从670 g升至710 g时，压缩机功率增大4.7%，系统COP提高3.15%。当制冷剂充注量从710 g升至750 g时，压缩机功率增大5.13%，系统COP降低10.16%。这是因为，系统制冷剂充注量较小时，压缩机功率与制冷剂的质量流量成正比，随着制冷剂充注量的增大，压缩机吸排气压力比几乎不变，压缩机功率虽然有所提升，但变化不大，而系统COP是系统制冷量与压缩机功率的比值，从图2可知，随着制冷剂充注量的增大，系统制冷量先增大后减小，所以系统COP也呈现先升高后降低的趋势。综上可知，微通道家用空调器制冷系统的性能在制冷剂充注量为710 g时达到最佳。

3 结语

对微通道家用空调器制冷系统的性能测试表明：相对于常规家用空调器，微通道家用空调器制冷系统的制冷量增大了3.85%，压缩机功率降低了2.50%，COP提高了6.46%；在额定工况下，随着制冷剂充注量的增大，微通道家用空调器制冷系统的制冷性能并不是一直呈现向上增长的趋势，而是先增后减，其主要性能参数在制冷剂充注量710 g时达到最优。为了将微通道换热器更好地应用于热泵系统，可以进一步探讨室内外风机风量、压缩机转速对微通道家用空调器性能的影响。