肖 坤，王江宇，陳煥新，郭亞賓，劉江巖，胡云鵬

（1.華中科技大學(xué)，武漢430074；2.武漢商學(xué)院，武漢430056）

0 引言

制冷劑R22目前被廣泛應(yīng)用于各種制冷與空調(diào)系統(tǒng)［1］，但其對(duì)環(huán)境的影響也是不可忽略的。早在上世紀(jì)七、八十年代，聯(lián)合國(guó)就已開(kāi)始了對(duì)大氣臭氧層破壞的討論，并于1985年和1987年，《保護(hù)臭氧層維也納公約》和 《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》［1］就已相繼問(wèn)世。這些國(guó)際公約中一致要求加速CFCs和HCFCs的淘汰，而R22作為HCFCs中的一種，且其在一定程度上加速了全球變暖，在未來(lái)會(huì)被淘汰［2］，而又由于其在中國(guó)制冷劑市場(chǎng)所占比例過(guò)大，其的替代物十分受關(guān)注。其中，R290（ODP＝0，GWP＝20）［1］由于其對(duì)大氣臭氧層沒(méi)有破壞作用，同時(shí)對(duì)全球溫室效應(yīng)影響十分小，以及其優(yōu)良的熱力性能，受到許多研究者的青睞［3］，而且目前在歐洲，R290已被用于家用空調(diào)和汽車空調(diào)［3］。而 R32（ODP＝0，GWP＝670）［1］也因?yàn)槠洳粫?huì)破壞臭氧層且對(duì)溫室效應(yīng)的影響較小，還有其良好的熱物理和安全性質(zhì)［1］（可燃性低、安全性好、熱導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性好），而被不少學(xué)者歡迎，認(rèn)為進(jìn)行其替代R22的研究具有一定的意義［4－5］，另外在日本，R32已被應(yīng)用于空調(diào)、熱泵系統(tǒng)［6］。同時(shí)就目前而言，房間空調(diào)器依舊占有相當(dāng)大的比重，房間空調(diào)器中HCFCs的使用也在很大程度上影響著臭氧層和全球溫室效應(yīng)，故而對(duì)房間空調(diào)器中制冷劑替代的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)在也有不少研究者開(kāi)展了對(duì)制冷劑替代的研究。張彥所［8］研究了各種R22替代制冷劑的環(huán)保性、安全性、熱力學(xué)性能，并以冷庫(kù)為平臺(tái)用實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了各種制冷劑的制冷循環(huán)性能。楊林德［9］等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了R290在分體式房間空調(diào)器中替代R22的優(yōu)點(diǎn)，認(rèn)為R290熱物理性質(zhì)良好，更利于提高空調(diào)系統(tǒng)的能效，利于節(jié)能環(huán)保，并認(rèn)為其具有好的前景。馬玉奇［10］等通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)比研究了R32和R22在柜機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中的制冷性能，并認(rèn)為從環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟(jì)適用等角度而言，R32替代R22具有一定的市場(chǎng)前景。大部分前人往往采用實(shí)驗(yàn)［11］的方法來(lái)進(jìn)行制冷劑替代的研究。實(shí)驗(yàn)研究自然更符合工業(yè)實(shí)際，卻往往會(huì)耗費(fèi)大量資源和人力，而仿真研究恰好可以彌補(bǔ)這一不足［12］。利用現(xiàn)代仿真技術(shù)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)作出相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)，這樣可以減少資源、時(shí)間、人力的浪費(fèi)。同時(shí)，房間空調(diào)器相較于大型商用空調(diào)［7］，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，部件較少，在一定程度上加強(qiáng)了仿真的可行性［12］。宋艷艷［13］建立了冷凝器的傳熱模型，通過(guò)仿真模擬的方法，對(duì)比了R290與R22冷凝器的換熱性能，認(rèn)為R290與R22在一定程度上換熱性能相似，R290具有替代R22的潛能。王磊［6］通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真建立了全新風(fēng)機(jī)組的制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，探索了R32在該系統(tǒng)中的制冷性能，認(rèn)為R32是一種可行性較高的替代制冷劑。王美霞［14］利用仿真的手段建立了小型變頻空調(diào)系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)R407C和R410A替代R22作了研究和分析。梁杰榮［15］等利用仿真模型研究了R290在房間空調(diào)器中空調(diào)制冷循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)，以及各部件的制冷劑分布和壓損。

商用制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上與家用房間空調(diào)器多有區(qū)別［7］，其建模手段與約束條件也與房間空調(diào)器有著一定的差異［12］。而目前，利用R290、R32在房間空調(diào)器中替代R22的仿真研究還是較少的。針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文對(duì)R290、R32在房間空調(diào)器中替代R22進(jìn)行仿真研究。本文利用計(jì)算機(jī)仿真方法分別建立了毛細(xì)管、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器的模型，并根據(jù)各大部件的進(jìn)出口狀態(tài)及系統(tǒng)制冷劑充注量守恒關(guān)系將各部件模型耦合形成房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)模型［12］，以此來(lái)分析制冷劑R290、R32替代R22時(shí)制冷循環(huán)中熱力性能的變化。從而，了解R290、R32替代R22后房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)各部件的工作情況及系統(tǒng)制冷與能耗的變化，并對(duì)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)做出相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。

1 制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

本次仿真是以房間空調(diào)器作為對(duì)象，而房間空調(diào)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，相較于商業(yè)中央空調(diào)和冷庫(kù)等大型制冷空調(diào)系統(tǒng)，沒(méi)有氣液分離器等部件，故而本次仿真研究以建立毛細(xì)管、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器這四個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型為主，然后根據(jù)部件模型和部件的相互聯(lián)系建立系統(tǒng)模型［12］。

1.1 毛細(xì)管模型

本次仿真以絕熱毛細(xì)管為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，并認(rèn)為制冷劑在毛細(xì)管中作一維均相流動(dòng)。

在建模的過(guò)程中［12］，首先考慮其的連續(xù)性（即毛細(xì)管內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量一定），能量的整體守恒和動(dòng)量的整體守恒［16］。其中，能量和動(dòng)量方程如下：

式中，h代表制冷劑焓值 （kJ／kg）；υ代表制冷劑流體的比體積 （m3／kg）；p代表制冷劑流體壓力 （kPa）；L代表毛細(xì)管的長(zhǎng)度 （m）；f代表沿程摩阻系數(shù)。下標(biāo)1表示該微元段進(jìn)口參數(shù)；下標(biāo)2表示該微元段出口參數(shù)。

接著，進(jìn)行毛細(xì)管長(zhǎng)度的計(jì)算，一般毛細(xì)管可分為過(guò)冷區(qū)和兩相區(qū)［16］。利用上述守恒關(guān)系，計(jì)算出過(guò)冷區(qū)長(zhǎng)度，再經(jīng)過(guò)劃分微元，并計(jì)算各控制容積后求和，計(jì)算出兩相區(qū)長(zhǎng)度。

最后，計(jì)算壅塞流和摩阻系數(shù)。其中，對(duì)于摩阻系數(shù)和粘度，宜采用 Churchhill方程［12］，并選擇最優(yōu)仿真效果的模型方程來(lái)計(jì)算。

1.2 壓縮機(jī)模型

在建模的過(guò)程中，我們將壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程看成一個(gè)等熵過(guò)程［12］，且認(rèn)為各種熱力學(xué)參數(shù)分布均勻，但考慮到實(shí)際過(guò)程中干擾因素的影響，我們?cè)诜抡嬷杏眯拚禂?shù)加以修正。

首先，我們需要計(jì)算制冷劑流量mcom。

式中，λ表示輸氣系數(shù)；Vth表示理論輸氣量；vsuc表示壓縮機(jī)進(jìn)口氣體比容 （m3／kg）。其中，輸氣系數(shù)λ由容積系數(shù)λV、壓力系數(shù)λP、溫度系數(shù)λT、泄漏系數(shù) λD組成［17］。

接著，進(jìn)行壓縮機(jī)功率的計(jì)算。根據(jù)輸氣量和冷凝、蒸發(fā)壓力，我們可以計(jì)算出理論功率，再根據(jù)指示效率、電機(jī)效率、摩擦功率即可計(jì)算出最終的輸入功率。

最后，進(jìn)行溫度的計(jì)算，分別對(duì)氣缸和其它部件進(jìn)行換熱分析［12］，即可了解整個(gè)壓縮機(jī)的傳熱情況和溫度分布。

1.3 冷凝器模型

本文擬采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法進(jìn)行建模［12］，同時(shí)本文所考慮的是逆流型的冷凝器且忽略管壁熱阻、制冷劑壓降等因素的影響，并認(rèn)為制冷劑作一維均相流動(dòng)，空氣作一維流動(dòng)［16］。

首先，將模型劃分為若干微元。冷凝器往往會(huì)分為過(guò)熱區(qū)、兩相區(qū)、過(guò)冷區(qū)，我們以焓值均分為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這3個(gè)相區(qū)劃分微元。

接著，建立制冷劑側(cè)和空氣側(cè)的換熱關(guān)系。

式中，Q表示換熱量 （kJ／s）；m表示質(zhì)量流量 （kg／s）；h表示焓值 （kJ／kg）；ξ表示漏熱系數(shù)；下標(biāo)a表示空氣側(cè)；下標(biāo)r表示制冷劑側(cè)。

最后，通過(guò)求解各相區(qū)換熱系數(shù)，求出每個(gè)微元的長(zhǎng)度，計(jì)算各相區(qū)長(zhǎng)度及冷凝器的總管長(zhǎng)。

1.4 蒸發(fā)器模型

本文對(duì)逆流型蒸發(fā)器進(jìn)行建模，還是認(rèn)為制冷劑和空氣均作一維、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，并假設(shè)蒸發(fā)器管壁溫度徑向保持一致，各微元中物性一致［12］。

首先，由于蒸發(fā)器往往被分為過(guò)熱區(qū)和兩相區(qū)，本文中還是對(duì)各相區(qū)采取焓值劃分微元。

接著，計(jì)算各相區(qū)換熱系數(shù)后，建立制冷劑側(cè)換熱方程、制冷劑側(cè)壓降方程、空氣側(cè)換熱方程，制冷劑側(cè)和空氣側(cè)換熱關(guān)系。其中，制冷劑側(cè)和空氣側(cè)換熱方程和關(guān)系如下［12］：

式中，α表示換熱系數(shù) （W／（m2K））；A表示換熱表面積 （m2）；T表示溫度 （K）；下標(biāo) m表示平均值；下標(biāo)i表示蒸發(fā)器內(nèi)部；下標(biāo)o表示蒸發(fā)器外部；下標(biāo)w表示管壁。

最后，通過(guò)計(jì)算管內(nèi)、外表面積，計(jì)算出微元長(zhǎng)度。

1.5 制冷系統(tǒng)模型

以上對(duì)各部件進(jìn)行了仿真建模，本文通過(guò)建立各部件 （毛細(xì)管、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器）模型的相互關(guān)系及了解制冷劑各進(jìn)出口狀態(tài)，采用穩(wěn)態(tài)仿真的方法，可對(duì)各部件模型進(jìn)行耦合［16］，并通過(guò)各種平衡關(guān)系 （如能量平衡、質(zhì)量平衡、壓力平衡）來(lái)建立基本方程，編寫(xiě)仿真程序，形成制冷系統(tǒng)模型［12］，并計(jì)算制冷系統(tǒng)各處的狀態(tài)參數(shù)，來(lái)了解不同制冷劑在房間空調(diào)器制冷循環(huán)中的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)并計(jì)算系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)的性能參數(shù)，從而了解制冷空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

2 仿真方案

圖1 制冷系統(tǒng)模型的算法流程圖

為探究制冷系統(tǒng)在分別以R22、R290、R32為制冷劑時(shí)不同的制冷性能，我們以室外干球溫度35℃，室外濕球溫度24℃，室外空氣體積流量1.5m3／s，室內(nèi)干球溫度 27℃，室內(nèi)濕球溫度19℃，室內(nèi)空氣體積流量2m3／s為制冷仿真工況，選用直徑1.3mm、長(zhǎng)度0.8m的毛細(xì)管模型；蒸發(fā)器模型以翅片蒸發(fā)器為基礎(chǔ)，采用7mm×0.1mm的內(nèi)螺紋銅管，每排14根，共2排；冷凝器模型同樣以翅片冷凝器為基礎(chǔ)，采用7mm×0.1mm的內(nèi)螺紋銅管，每排28根，共2排；壓縮機(jī)模型則以慶安壓縮機(jī)YZH－F200RET2為參考。并且在該系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，本文為獲取各制冷劑的最佳充注量，做了有關(guān)充注量?jī)?yōu)化的仿真研究，R22、R290、R32在制冷劑充注量分別為 0.427kg、0.214kg、0.256kg時(shí)，制冷系統(tǒng)性能最佳，本文采用該充注量水平。故而，對(duì)在不同制冷劑的家用制冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并計(jì)算其熱力循環(huán)性能參數(shù)。具體仿真流程如圖 1所示［12、16］。

3 仿真結(jié)果分析

本次仿真主要考慮家用房間空調(diào)器分別以R22、R290、R32作為制冷劑時(shí)制冷系統(tǒng)的性能參數(shù)。圖2～圖6表示R22、R290、R32為制冷劑時(shí)系統(tǒng)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣壓力、排氣溫度、壓縮機(jī)功耗、制冷量、COP的仿真結(jié)果。

圖2 R22、R290和R32的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣壓力對(duì)比

圖3 R22、R290和R32的排氣溫度對(duì)比

由圖2可知，在本文仿真工況下，R290的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣壓力均與R22相差不大。其中，R290的冷凝壓力比R22低14.68%，蒸發(fā)壓力僅比R22低5.04%，吸氣壓力僅僅比R22高1.28%。故而，利用R290替換R22時(shí)，可選用相同或相似的壓縮機(jī)，在這一點(diǎn)上，R290比較有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于R32而言，明顯其冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣壓力均比R22高。其中，R32的冷凝壓力比R22高69.67%，蒸發(fā)壓力比R22高62.56%，吸氣壓力比R22高68.95%。故而，以R32為制冷劑的制冷系統(tǒng)對(duì)于壓縮機(jī)的要求比R22的要高［17］，利用R32替換R22時(shí)，需要注意系統(tǒng)壓力較高導(dǎo)致壓縮機(jī)負(fù)荷增大的情況。

由圖3可知，在本文仿真工況下，R290的排氣溫度比R22低14.09℃，明顯，利用R290替代R22，都能使壓縮機(jī)排氣溫度降低，壓縮機(jī)運(yùn)行狀況改善，一定程度上可以延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命［18］。R32的排氣溫度比 R22高15.62℃，故而利用R32替代R22時(shí)，要注意排氣溫度對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀況的影響。

由圖4可知，在該工況下，R22的壓縮機(jī)功耗明顯高于R290，當(dāng)利用R290替代R22時(shí)，壓縮機(jī)功耗減小9.60%，就制冷系統(tǒng)能耗［19］而言，R290有一定的優(yōu)勢(shì)。而在該工況下，用R32替代R22時(shí)，壓縮機(jī)功耗增大64.23%，由于其制冷系統(tǒng)能耗明顯增大，需要考慮此對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行和系統(tǒng)節(jié)能的影響。

由圖5可知，在該工況下，R22的制冷量大于R290，以R290作為替代制冷劑時(shí)，制冷量衰減9.82%。而當(dāng)R32作替代制冷劑時(shí)，制冷量增大26.81%，即在本文仿真工況下，R32的制冷量明顯大于R22。就制冷量而言，R32具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖4 R22、R290和R32的壓縮機(jī)功耗對(duì)比

圖5 R22、R290和R32的制冷量對(duì)比

由圖6可知，在本次仿真工況下，R290與R22的制冷系數(shù)COP相似，利用R290替代R22時(shí)，制冷系數(shù)COP僅降低0.24%。而當(dāng)R32為替代制冷劑時(shí)，制冷系數(shù)降低22.78%。從系統(tǒng)節(jié)能的角度上來(lái)看，R290的優(yōu)勢(shì)較大［20－21］。

4 結(jié)論

利用制冷劑R290和R32作為R22的替代物，目前受到許多研究者的青睞。本文采用仿真的方法先建立了制冷毛細(xì)管、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型，并利用各部件的耦合性建立了制冷系統(tǒng)模型，然后以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了制冷劑R290、R32替代R22的研究，結(jié)論如下：

1）在壓縮機(jī)運(yùn)行方面：在相同的仿真工況下，利用R290替代R22時(shí)，系統(tǒng)冷凝、蒸發(fā)、吸氣壓力均相似，且排氣溫度降低，壓縮機(jī)運(yùn)行環(huán)境改善。而以R32替代R22時(shí)，冷凝、蒸發(fā)、吸氣壓力均高于R22，排氣溫度也高于R22，其對(duì)壓縮機(jī)的要求較高，要注意壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況。

2）在系統(tǒng)制冷與節(jié)能方面：在相同的仿真工況下，以R290替代R22，系統(tǒng)能耗降低，而制冷量也降低，COP基本不變。而以R32替代R22時(shí)，系統(tǒng)能耗明顯增大，COP也明顯降低，制冷量明顯增大。

以上可以看出，R290替代R22就循環(huán)性能而言，在系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行情況基本不變的情況下，其對(duì)壓縮機(jī)工作環(huán)境有了一定的改善。故而，工業(yè)生產(chǎn)中，在以R290作為制冷劑的房間空調(diào)器中，可選用與R22為制冷劑時(shí)相同或相似的壓縮機(jī)，且壓縮機(jī)的運(yùn)行情況也會(huì)得以改善。而R32替代R22就循環(huán)性能而言，其不具備優(yōu)勢(shì)。因此，工業(yè)生產(chǎn)中，以R32為制冷劑的房間空調(diào)器可能需要考慮選用更高標(biāo)準(zhǔn)的壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)，同時(shí)需要考慮壓縮機(jī)的耐熱能力，必要時(shí)采取一定的降溫措施。

參考文獻(xiàn)：

［1］鄭賢德.制冷原理與裝置 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］Liansheng L.Research progress on alternative refrigerants and their development trend［J］.Journal of refrigeration，2011，6：012.

［3］寧?kù)o紅，劉圣春，彭苗，等.R290制冷空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展［J］.流體機(jī)械，2012，40（7）：72－79.

［4］徐明仿，馬貞俊，周晉，等.R22的新型綠色替代制冷劑 ［J］.制冷與空調(diào)，2004，4（3）：70－73.

［5］Wei M Y W.Substitution and Postponable Technology of Refrigerants［J］.Journal of Refrigeration，2010，5：005.

［6］王磊.R32與 R410A在全新風(fēng)機(jī)組中的應(yīng)用研究［D］.南京師范大學(xué)，2013.

［7］薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京：清華大學(xué)出版社.2004.

［8］張彥所.HCFC－22替代制冷劑節(jié)能環(huán)保性能的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［9］楊林德，吳建華，候杰.分體式房間空調(diào)器R290和R1270替代 R22實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.制冷學(xué)報(bào)，2013（2）：9－14.

［10］馬玉奇，徐中華，劉慶赟，等.R32冷媒在柜機(jī)空調(diào)上的應(yīng)用研究［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2017（1）：43－47.

［11］Bellomare F，Minetto S.Experimental analysis of hydrocarbons as drop－in replacement in household heat pump tumble dryers［J］.Energy Procedia，2015，81：1212－1221.

［12］丁國(guó)良，張春路.制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化 ［M］.科學(xué)出版社，2001.

［13］宋艷艷.R290與R22冷凝器的換熱性能對(duì)比研究［D］.西安建筑科技大學(xué)，2011.

［14］王美霞.小型變頻空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及控制策略研究［D］.南京：東南大學(xué)，2005.

［15］梁杰榮，李廷勛.基于SINDA／FLUINT平臺(tái)的R290房間空調(diào)器仿真［J］.低溫與超導(dǎo)，2011，39（2）：42－46.

［16］蘭菁.家用空氣源熱泵供熱性能分析 ［D］.河北工程大學(xué)，2012.

［17］吳業(yè)正.制冷壓縮機(jī) ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［18］Llopis R，Torrella E，Cabello R，et al.HCFC－22 replacementwith drop－in and retrofit HFC refrigerants in a two－stage refrigeration plant for low temperature［J］.international journal of refrigeration，2012，35（4）：810－816.

［19］De Kleine R D，Keoleian G A，Kelly JC.Optimal replacementof residential air conditioning equipment tominimize energy，greenhouse gas emissions，and consumer cost in the US［J］.Energy Policy，2011，39（6）：3144－3153.

［20］ Rasti M， Hatamipour M S， Aghamiri S F， et al.Enhancement of domestic refrigerator′s energy efficiency index using a hydrocarbon mixture refrigerant［J］.Measurement，2012，45（7）：1807－1813.

［21］Mota－Babiloni A，Navarro－EsbríJ，Barragán－Cervera？，et al.Commercial refrigeration－an overview of current status［J］.International Journal of Refrigeration，2015，57：186－196.