摘 要：【目的】研究R407C制冷劑不同充注量對輕量化車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響?！痉椒ā吭诟邷?5 ℃工況下，通過充注量的變化，分析制冷劑充注量對系統(tǒng)制冷性能參數(shù)的影響，確定最佳充注量。【結(jié)果】結(jié)果表明：R407C制冷劑充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時(shí)，系統(tǒng)的制冷量、COP最高值分別達(dá)4.935 kW、2.1，系統(tǒng)最佳充注量為2.5 kg。【結(jié)論】通過改變制冷劑充注量，制冷量、COP和過冷度均有所提升，因此，在開發(fā)新型環(huán)保制冷劑及其應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮不同工況下的性能表現(xiàn)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證確定最佳運(yùn)行參數(shù)。

關(guān)鍵詞：熱泵空調(diào)；R407C；最佳充注量

中圖分類號：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0072-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.015

Effect of R407C Refrigerant Charge on the Performance of Lightweight Automotive Heat Pump System

LI Haijun ZHANG Yibo CHEN Gang GAO Jiayang

（School of Smarts Energy and Environment， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the effect of different charging rates of R407C refrigerant on the cooling performance of lightweight automotive heat pump air-conditioning systems. [Methods] Under the high temperature 45 ℃ working condition， the influence of different refrigerant systems on the refriuWKsAcRcfCukRi87u10FBQ==geration performance parameters is analyed through the change of charging volume to determine the optimal charging volume. [Findings] The results show that when the charge of R407C refrigerant is increased from 2.3 kg to 2.6 kg， the highest values of cooling capacity and COP of the system reach 4.935 kW and 2.1 respectively， and the optimum charge of the system is 2.5 kg. [Conclusions] By changing the refrigerant charge， the cooling capacity， COP and supercooling degree are improved. Therefore， in the development of new environmentally friendly refrigerants and their application systems， the performance under different operating conditions should be fully considered and the optimal operating parameters should be determined through experimental verification.

Keywords： heat pump air conditioner; R407C; optimal refrigerant charge

0 引言

近年來，新能源汽車高速發(fā)展，其中純電動車具有節(jié)能、低碳、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略［1-2］。車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)是純電動汽車第二大耗能設(shè)備［3］，在極端環(huán)境下，嚴(yán)重影響續(xù)航里程［4］，因此，減輕車輛輔助設(shè)備的質(zhì)量、節(jié)省車內(nèi)空間是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。制冷劑物理性質(zhì)和系統(tǒng)形式的優(yōu)劣直接決定熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能［5］。制冷劑的充注量會影響系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，進(jìn)而影響新型車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能［6］。因此，在高溫45 ℃工況下，探究物性更好的制冷劑和最佳充注量對提升輕量化純電動車用熱泵空調(diào)制冷性能具有重要意義［7-8］。

眾多學(xué)者通過研究不同制冷劑的物理性質(zhì)對系統(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)制冷劑或多或少都存在一定的缺陷［9-11］。Navarro等［12］采用蒸汽壓縮循環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、分析對系統(tǒng)的COP和制冷量的影響。陳偉等［13］介紹制冷劑HCFCs替代物的研究發(fā)展方向，并對各類制冷劑替代物做了相關(guān)的物性等分析。Lee等［14］從熱物理性、材料兼容性、溶油性、熱工性能等方面，分析了制冷劑的排氣壓力、單位制冷量。趙靖等［15］在機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)R153A替代R407C的性能研究中，發(fā)現(xiàn)分子量較大的制冷劑，充注量較多。Li等［16］通過帶有二回路熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)制冷劑充注量對制冷性能影響較大。劉杰等［17］通過對比不同換熱器的系統(tǒng)制冷劑充注量的情況，發(fā)現(xiàn)新型換熱器系統(tǒng)在相同充注量下制冷量和COP均得到了提升。

當(dāng)前相關(guān)學(xué)者大多是研究制冷劑對單一部件參數(shù)的影響，在高溫工況下分析制冷劑物性及充注量對系統(tǒng)制冷性能影響的研究較少。本研究采用逆卡諾循環(huán)原理，搭建了R407C的輕量化車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺，進(jìn)一步研究制冷劑的物性參數(shù)、充注量調(diào)節(jié)，分析其對排氣溫度、制冷量、COP、過冷度和排氣壓力的影響，為后續(xù)研究輕量化、低能耗熱泵系統(tǒng)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 制冷劑的物理性質(zhì)、安全特性與環(huán)保特性

R407C是由R32、R125和R134a按一定比例混合而成的中溫制冷劑、多組分非共沸制冷劑。R407C制冷劑具有較高的GWP（溫室效應(yīng)指數(shù)），其物理性質(zhì)、安全特性與環(huán)保特性見表1。由表1可知，R407C的氣體密度、汽化潛熱略大一些，呈現(xiàn)出容積制冷量較高、換熱面積較小的優(yōu)勢。制冷劑在工作溫度范圍內(nèi)要有適宜的壓力和壓比，冷凝壓力過高則對空調(diào)機(jī)組材料承壓能力要求更高，導(dǎo)致機(jī)組體積增大和經(jīng)濟(jì)成本提升。壓比過大會導(dǎo)致排氣溫度過高等問題。

R407C制冷劑飽和蒸氣壓力隨溫度的變化如圖1所示。由圖1可知，R407C制冷劑飽和蒸氣壓力適用于車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)且與普通熱泵系統(tǒng)相適應(yīng)，不需要對原系統(tǒng)進(jìn)行改變。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究設(shè)計(jì)了輕量化車用熱泵系統(tǒng)，其系統(tǒng)循環(huán)原理如圖2所示。系統(tǒng)制冷與制熱循環(huán)，通過四通換向閥的切換和單向閥變換完成。本次制冷劑R407C充注量對輕量化車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的試驗(yàn)研究在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

單級壓縮系統(tǒng)壓焓圖如圖3所示。單級壓縮理論循環(huán)為：壓縮機(jī)出來的制冷劑在車外換熱器中放熱（狀態(tài)2到狀態(tài)5），通過單向閥進(jìn)入儲液罐、干燥過濾器，制冷劑通過電子膨脹閥后（狀態(tài)6[']），通過單向閥進(jìn)入車內(nèi)換熱器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱（eOcRH4hujp0+T/P2UzRoVr0v0oAmeMK1J+PwpuAeEks=狀態(tài)6[']到狀態(tài)1）；進(jìn)入壓縮機(jī)排出（狀態(tài)2），如此重復(fù)循環(huán)。

熱力循環(huán)計(jì)算公式如式（1）至式（3）。

機(jī)組制冷量計(jì)算公式為式（1）。

[Q1=m0h1??6'] （1）

式中：[Q1]為蒸發(fā)器制冷量，kW；[ m0]為制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量 kg/s；[ ?1]為蒸發(fā)器出口的焓，kJ/kg；[ ?6']為蒸發(fā)器進(jìn)口的焓，kJ/kg。

壓縮機(jī)耗功計(jì)算公式為式（2）。

[W=m0h2?h1] （2）

式中：[W]為壓縮機(jī)的功率，kW；[?2]為冷凝器進(jìn)口的焓，kJ/kg。

機(jī)組制冷性能系數(shù)計(jì)算公式為式（3）。

[COP=Q1Jqah6DMq02H938TEMLfdjGG+zEi3PyEn5ZY6CGOOzLs=W=h1??6'h2?h1] （3）

式中：[COP]為熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)。

3 試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)裝置

搭建實(shí)驗(yàn)臺，在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試，試驗(yàn)樣機(jī)及測試儀表的主要參數(shù)見表2。

3.2 試驗(yàn)工況

結(jié)合 GB/T 21361—2017《汽車用空調(diào)器》和QC/T 657—2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法》選取試驗(yàn)工況見表3。高溫45 ℃工況下，膨脹閥過熱度設(shè)定值為5 ℃，車外換熱器側(cè)風(fēng)量為7 830 m3/h，車內(nèi)換熱器側(cè)風(fēng)量為1 080 m3/h，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。研究車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)在R407C制冷劑充注量從2.3 kg增加到2.6 kg過程中，系統(tǒng)制冷性能的變化。

4 試驗(yàn)分析

R407C制冷劑不同充注量對排氣溫度的影響如圖4所示。由圖4可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時(shí)，排氣溫度呈現(xiàn)下降的趨勢，最低降至80.4 ℃。制冷劑充注量的增加，系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量增加，工質(zhì)在車內(nèi)換熱器有效換熱面積增加，制冷側(cè)蒸發(fā)溫度隨之降低，蒸發(fā)器出口過熱度降低，進(jìn)而影響排氣溫度下降。從制冷劑物性角度，不同制冷劑的物性汽化潛熱不同，R407C制冷劑汽化潛熱物性參數(shù)較大，有效換熱面積就相對較小，進(jìn)而影響系統(tǒng)的排氣溫度。

高溫工況下R407C制冷劑不同充注量對制冷量變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時(shí)，制冷量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，制冷量最高達(dá)4.935 kW。這是由于制冷劑充注量的增加，系統(tǒng)的質(zhì)量流量增加，壓縮機(jī)功率增加，系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)量增加，提高了制冷側(cè)的有效換熱面積，因而制冷量增加；隨著制冷劑充注量繼續(xù)增加，系統(tǒng)所需的制冷劑充注量達(dá)到飽和，制熱側(cè)冷凝溫度變大，在達(dá)到制冷側(cè)時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度增大，傳熱溫差減小是主導(dǎo)因素，而且氣壓降低，不利于循環(huán)工質(zhì)的流動，影響工質(zhì)循環(huán)量，從而導(dǎo)致制冷量又呈現(xiàn)下降趨勢。從制冷劑物性角度，R407C制冷劑的氣體密度高，質(zhì)量流量大，進(jìn)而影響系統(tǒng)的制冷量。隨充注量的增加，R407C制冷劑系統(tǒng)出現(xiàn)制冷量最大值4.935 kW，R407C制冷劑系統(tǒng)最佳充注量2.5 kg。

高溫工況下R407C制冷劑不同充注量對COP變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時(shí)，COP呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢，COP最高達(dá)2.1。這是由于隨充注量的增加，工質(zhì)質(zhì)量流量增加，制冷量和壓縮機(jī)功率都隨之增加，而制冷量增幅較大，COP呈現(xiàn)上升的趨勢。充注量繼續(xù)增加，工質(zhì)循環(huán)量增加，制冷量有所下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)功率增量占主導(dǎo)作用，故COP又呈現(xiàn)下降的趨勢，此時(shí)出現(xiàn)了最佳充注量，蒸發(fā)器的利用面積存在最優(yōu)情況。

高溫工況下R407C制冷劑不同充注量對排氣壓力變化關(guān)系如圖7所示。由圖7可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時(shí)，排氣壓力呈現(xiàn)上升的趨勢，從0.7 MPa升高到0.9 MPa。主要是由于充注量的增加，工質(zhì)制冷流量增加，吸入壓縮機(jī)工質(zhì)流量增加，排氣壓力呈現(xiàn)上升的趨勢。系統(tǒng)在達(dá)到最佳充注量之后，系統(tǒng)所需制冷劑趨于飽和，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度繼續(xù)上升，質(zhì)量流量增加，故排氣壓力依舊呈現(xiàn)上升的趨勢。

高溫工況下R407C制冷劑不同充注量對過冷度變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可以看出，R407C制冷劑的充注量從2.3 kg增加到2.6 kg時(shí)，過冷度呈現(xiàn)先快速上升后緩慢下降的趨勢，過冷度最高達(dá)1.9 ℃。這是由于起初充注量的增加，系統(tǒng)所需制冷劑還未到達(dá)飽和狀態(tài)，且儲液罐可儲存一部分制冷劑，系統(tǒng)運(yùn)行相對穩(wěn)定，冷凝器的有效利用面積增大，使換熱效果更好，過冷度隨之上升。隨制冷劑充注量繼續(xù)增加，系統(tǒng)所需制冷劑達(dá)到飽和狀態(tài)，工質(zhì)質(zhì)量流量較大，排氣壓力上升，系統(tǒng)穩(wěn)定性相對衰減，且工質(zhì)換熱溫差減小，導(dǎo)致過冷度又呈現(xiàn)下降的趨勢。R407C系統(tǒng)制冷量呈現(xiàn)最大值時(shí)，過冷度亦呈現(xiàn)最大值，即R407C系統(tǒng)最佳充注量為2.5 kg。

5 結(jié)論

①R407C制冷劑的飽和蒸氣壓力與常規(guī)工質(zhì)飽和蒸氣壓力曲線相似，故可采用相同熱泵空調(diào)系統(tǒng)，R407C充注量設(shè)定從2.3 kg增加至2.6 kg；高溫45 ℃工況下，分析制冷劑充注量增加過程中對不同參數(shù)的影響，為后期研究輕量化車用熱泵系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

②在高溫45 ℃工況下，R407C充注量從2.3 kg增加至2.6 kg，制冷量、COP和過冷度出現(xiàn)最大值，分別為4.935 kW、2.1和1.9 ℃；系統(tǒng)制冷性能較好、運(yùn)行穩(wěn)定。

③在高溫45 ℃工況下，R407C系統(tǒng)充注量在2.5 kg時(shí)，制冷量、COP和過冷度出現(xiàn)峰值，最佳充注量為2.5 kg；在系統(tǒng)形式不改變情況下，R407C系統(tǒng)節(jié)能性較好，這對研究低能耗、輕量化熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］ DONATEO T， INGROSSO F， LICCI F， et al. A method to estimate the environmental impact of an electric city car during six months of testing in an Italian city［J］. Journal of Power Sources， 2014，270：487-498.

［2］ 莊幸， 姜克雋. 我國純電動汽車發(fā)展路線圖的研究［J］. 汽車工程， 2012，34（2）：91-97.

［3］ KWON C， KIM M S， CHOI Y， et al. Performance evaluation of a vapor injecti-on heat pump system for electric vehicles［J］. International Journal of Refrigeration， 2016，74：138-150.

［4］ ZHANG Z， WANG J， FENG X， et al. The solutions to electric vehicle air cond-itioning systems： A review［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2018，91：443-463.

［5］ 路聰莎. 含潤滑油的R1234yf制冷劑物性及對系統(tǒng)性能的影響［D］. 唐山：華北理工大學(xué)，2017.

［6］ 石含，鄭文科，姜益強(qiáng)，等.制冷劑充注量對補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)的影響［J］. 制冷學(xué)報(bào)， 2022，43（6）：114-120.

［7］ HU X H， ZHANG Z B， YAN Y C， et al. Experimental analysis on refrigerant charge optimization for cold storage unit［J］. Procedia Eng， 2017，2054683856c2ec267c595ff4c583b1d0f29：1108-1114.

［8］ 劉明康， 蘇林， 李康， 等. 某電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量試驗(yàn)研究［J］. 流體機(jī)械， 2020，48（5）：82-88.

［9］ 楊夢， 張華， 秦延斌，等. 混合制冷劑R134a/R1234yf（R513A）與R134a熱力學(xué)性能對比及實(shí)驗(yàn)［J］. 化工進(jìn)展， 2019，38（3）：1182-1189.

［10］ 宋錫瑾， 張未星， 吳兆立. 新型制冷劑R134、R134-R134a及R134-R22的熱力學(xué)性質(zhì)［J］. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)， 1997（3）：15-20.

［11］ 王洪利， 李華松， 韓建明，等. R1234yf熱泵系統(tǒng)的能量和分析［J］. 低溫與超導(dǎo)， 2019，47（1）：62-65.

［12］ NAVARRO-ESBRí J， MENDOZA-MIRANDA M J， MOTA-BABILONI A ， et al. Experimental analysis of R1234yf as a drop-in replacement for R134a in a vapor compression system［J］. International Journal of Refrigeration， 2013，36（3）：870-880.

［13］ 陳偉， 祁影霞， 張華. HCFCs制冷劑替代物研究進(jìn)展及性能分析［J］. 低溫與超導(dǎo)， 2011，39（12）：41-44.

［14］ LEE Y， KANG D G， JUNG D S. Performance of virtually non-flammable azeo-tropic HFO1234yf/HFC134a mixture for HFC134a applications［J］. International Journal of Refrigeration， 2013，36（4）：1203-1207.

［15］ 趙靖，包銳，王曉東，等. 機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)中R513A替代R407C的性能研究［J］. 制冷學(xué)報(bào)， 2023，44（3）：49-57.

［16］ LI K， XU D， LAN J， et al. An experimental and theoretical investigation of refrigerant charge on a secondary loop air-c-onditioning heat pump system in electric ve-hicles［J］. International Journal of Engergy Research， 2019，43（8）：3381.

［17］ 劉杰， 趙宇，等， 祁照崗. 制冷劑充注量對新型換熱器汽車空調(diào)的影響［J］. 制冷學(xué)報(bào)， 2011，32（1）：12-15.