李金波 張浩 李廷勛 戚文端 高浩 鄧海釗

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

廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311

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

1 引言

環(huán)保替代制冷劑已大面積推廣，目前應用比較廣的環(huán)保制冷劑為R32、R410A、R290等。在某些場合空調器外機的安裝環(huán)境相對惡劣，造成空調器室外機工作溫度上升，性能惡化[1]。同時在一些極端高溫工況下能穩(wěn)定可靠運行的空調器需求也日益增加。文章[2-4]從制冷劑的基本特性以及熱物性，應用于空調器上的可行性、常規(guī)工況下的理論循環(huán)特性、實際測試性能對比進行了詳細分析，但在中高溫等惡劣工況下運行的房間空調器具體的性能表現(xiàn)以及極高溫焓差測試業(yè)內還未有深入研究。R290由于其安全性要求較高，造成大規(guī)模應用較難，但由于其臨界溫度高，臨界壓力小，排氣溫度低，將比較適用于高溫環(huán)境下運行，本文將從制冷劑的高溫特性以及焓差室性能測試，對比R32、R410A、R290三種替代工質在55～80度高溫工況運行時的性能差異，優(yōu)選出適合極高溫工況運行的環(huán)保工質。

2 理論分析

通過表1可以看出，三種制冷劑的ODP值均為0，GWP值R410A>R32>R290，R290變暖潛力值最小。R290的臨界溫度為96.74℃，遠大于R32和R410A，在工作環(huán)境為80℃以上時仍可輸出制冷量，而R410A臨界溫度最低，臨界溫度為72.5℃，在70℃以上工作時已基本無法冷凝成液態(tài)制冷劑，無制冷能力輸出，R32冷媒略高于R410A。隨著工作環(huán)境溫度的上升，冷凝溫度越接近于制冷劑的臨界溫度，節(jié)流的損失越大，制冷系統(tǒng)循環(huán)COP越低。從制冷劑的基本性能上可以看出，R290更加適合中高溫區(qū)制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)整體輸出制冷量及能效更優(yōu)。

表2為三種制冷劑在70℃時的熱力學物性對比，可以看出，R290制冷劑的運動粘度比R32及R410A大，在系統(tǒng)中流動阻力及壓力損失較小，可以降低系統(tǒng)功耗，但是其比熱容較高，要達到相同過冷度需較大溫度或增加換熱器面積，在相同換熱器面積下，會造成冷凝溫度上升，換熱效率下降。

圖1為三種不同工質在同一標尺壓焓示意圖，可以看出，在冷凝溫度同為67℃時，R290壓力為2.431MPa，R410A為4.455MPa，而R32達到4.561Mpa，高冷凝壓力的同時意味著排氣壓力高，在吸氣溫度相同時，系統(tǒng)排氣溫度更高。通過壓焓線可以看出，在高冷凝溫度時，R290的飽和氣態(tài)焓值與飽和液態(tài)焓值差值大，相同質量流量制冷劑，可以帶走更多的冷凝熱，在高溫工況衰減量相對R32及R410A更少。

3 實驗驗證

為驗證R290、R410A、R32三種工質在分體式房間空調器上的性能表現(xiàn)，選取同樣規(guī)格的額定制冷量為3.5kW的分體式房間空調器，分別充注合適重量的三種工質，匹配合適排量的壓縮機，并將制冷系統(tǒng)調試至最優(yōu)，在R290可燃工質專用防爆焓差實驗室進行實驗測試，實驗室示意圖如圖2所示，包括壓力溫濕度及流量測量裝置，溫度傳感器采用日本千野的Pt-100鉑電阻四線，精度A級，濕度傳感器采用芬蘭維薩拉的HMT120，精度為±1.7%RH以上，微差壓變送器采用EJA120A，測量范圍-50～450Pa。并在室內外側設置防爆卸壓裝置。各測試工況如表3所示。

通過圖3及圖4可以看出，在室外35℃的工況下，充注R32工質的空調器能力最高，R410A與R290工質的空調器相近，這是因為R32制冷劑在中溫區(qū)的汽化潛熱比R410A高，而R290系統(tǒng)由于可燃冷媒充注量限制，未達到最佳循環(huán)流量。隨著室外工況溫度的升高，制冷量急劇下降，在60℃工況時，R290制冷劑排氣溫度低、壓比小的優(yōu)勢開始凸顯，溫度越高，制冷量衰減率相對于R410A及R32越小。以35℃時為基準，R32冷媒在60℃時制冷量衰減73.7%，70℃時衰減達到86.8%。R410A制冷劑與R32制冷劑相似，60℃時衰減73.1%，70℃時衰減達86.4%，而R290制冷劑系統(tǒng)在60℃時制冷量衰減49.5%，70℃時衰減65.8%。相比于R32制冷劑系統(tǒng)，R290系統(tǒng)在60℃工況時制冷量高78.2%，70℃時高140.1%。由于R32以及R410A制冷劑臨界溫度相對于R290制冷劑低，所以在室外75℃及80℃工況時，R290系統(tǒng)仍有制冷量輸出，而R32及R410A在冷凝側已達臨界溫度，無制冷量輸出。

表1 制冷劑基本性能對比

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表2 制冷劑在70℃時熱物性對比

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表3 高溫能力能效測試工況

圖2 R290專用防爆焓差實驗室示意圖

圖3 不同工質在室外側各工況下相對名義制冷量百分比對比

圖4不同工質在室外側各工況下制冷量衰減率對比

圖5 不同工質在室外各工況下同輸出制冷能力時排氣溫度對比

不同工質在室外各工況下運行同輸出能力時排氣溫度對比情況如圖5所示，可以看出在常溫制冷工況下，R410A制冷劑系統(tǒng)排氣溫度最高，R290系統(tǒng)最低，60℃時R32系統(tǒng)運行排氣溫度達107℃，R290系統(tǒng)系統(tǒng)排氣溫度為96℃。室外70℃工況下，制冷能力相當時，R32制冷劑系統(tǒng)排氣溫度達109℃，而R290系統(tǒng)此時排氣溫度為99℃。系統(tǒng)排氣溫度關系到其運行可靠性及空調器壽命，所以在高溫工況運行時，R290制冷劑系統(tǒng)運行可靠性相對于R410A系統(tǒng)及R32系統(tǒng)更高。

4 結論

通過對比R32、R410A、R290三種環(huán)保替代工質的高溫熱物性及焓差室能力測試結果可知，在60℃以上高溫工況時，相對于R290、R32及R410A兩種制冷劑在高溫工況下能力及能效衰減明顯，在70℃工況以后無法輸出制冷量，在高溫工況運行時R290制冷劑系統(tǒng)排氣溫度相對較低，系統(tǒng)運行可靠性得以保證。所以在環(huán)境惡劣工況下安裝運行的房間空調器，R290工質有著良好的能力能效表現(xiàn)及應用前景。