基于制冷劑R404A的空調(diào)器焓差實(shí)驗(yàn)室的研制

方大偉+李瑛+錢芳+蘇曉東+方杰+呂傳超

摘 要：為保證空調(diào)器的產(chǎn)品質(zhì)量及規(guī)范空調(diào)器市場(chǎng)服務(wù)，依據(jù)GB/T 7725—2004，并參照日本JIS 8615—1999標(biāo)準(zhǔn)，以及與某公司技術(shù)協(xié)議的相關(guān)要求，研制了一套7.5 kW空調(diào)器實(shí)驗(yàn)室.該實(shí)驗(yàn)室采用了空氣焓差法進(jìn)行測(cè)試.傳統(tǒng)焓差實(shí)驗(yàn)室制冷機(jī)組通常使用HCFCs類工質(zhì)R22.基于節(jié)能環(huán)保的要求，該實(shí)驗(yàn)室的制冷機(jī)組以制冷劑R404A替代了R22.為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試能力，分別進(jìn)行了極限低溫工況、極限高溫工況、極限濕度工況及工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)室可滿足對(duì)空調(diào)器性能的測(cè)試要求.

關(guān)鍵詞：空調(diào)器； 焓差室； 設(shè)計(jì)； R404A； 制冷劑替代

中圖分類號(hào)： TB 663 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

在傳統(tǒng)焓差實(shí)驗(yàn)室的制冷機(jī)組中，制冷劑絕大部分為R22，而因R22對(duì)大氣臭氧層有較嚴(yán)重的破壞作用，已明確被列為限制使用和逐步被替代的物質(zhì)，我國目前也在逐漸減少R22的使用.順應(yīng)節(jié)能環(huán)保的國際趨勢(shì)，本文所研制的空調(diào)器焓差實(shí)驗(yàn)室的制冷機(jī)組采用了制冷劑R404A，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了極限工況試驗(yàn)及結(jié)果分析.

1 R404A替代R22的可行性分析

1.1 R22與R404A物性對(duì)比分析

表1為R22與R404A的主要物性對(duì)比[1-2].由表可知：

（1） 盡管R404A比R22的全球變暖潛能稍高，但其臭氧層消耗潛能為0，環(huán)保性能更好.

（2） R404A無毒，且因含有較大比例的R125，不具可燃性，安全性較R22更高.

（3） R404A的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)比R22低，可得到更低的蒸發(fā)溫度；R404A工作壓力比R22略高，在較低的蒸發(fā)溫度下仍可保持正壓工作.

（4） R404A的壓縮機(jī)排氣溫度比R22的更低，因?yàn)樵谙嗤瑴囟群蛪毫l件下，R404A的等熵指數(shù)比R22稍小.

（5） R404A的溫度滑移較小，屬于近共沸制冷劑，在蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的傳熱性能與R22相近.

除了以上優(yōu)點(diǎn)外，R404A在蒸發(fā)性能、流動(dòng)性及制冷劑充注量上亦優(yōu)于R22.因此，用R404A替代R22在理論上是可行的.

1.2 R404A替代R22的實(shí)驗(yàn)研究

近年來，由于R404A的容積制冷量、壓力與R22具有可比性，R404A受到制冷行業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的更多關(guān)注與研究.狄春紅[3]、秦海杰等[4]和張華俊等[5]分別進(jìn)行了R404A在半封閉活塞壓縮機(jī)中替代R22的研究；石云波[6]、劉艷麗等[7]作了R404A在螺桿壓縮機(jī)中替代R22相關(guān)試驗(yàn)研究，劉光華等[8]、張劍飛等[9]研究了R404A在渦旋壓縮機(jī)中替代R22性能特性.根據(jù)以上對(duì)R404A替代R22的可行性和適用性的研究發(fā)現(xiàn)，在同等工況下，R404A比R22的壓縮機(jī)制冷量略有提高，軸功率稍有增加，制冷系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）比R22略有降低.采用R404A后，原制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、換熱器和其他相關(guān)制冷部件均需重新設(shè)計(jì)，但制冷系統(tǒng)裝置的改動(dòng)較小，性能差別也不大[10].因此，用R404A替代R22是可行的.

2 焓差實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

房間型量熱計(jì)法和空氣焓值法被GB/T 7725—2004[11]定為房間空調(diào)器制冷量和制熱量的測(cè)試方法.房間空調(diào)器的季節(jié)能效比（SEER）的測(cè)試實(shí)驗(yàn)需在間歇啟/停的狀態(tài)下，測(cè)定空調(diào)器的制冷量和輸入功率，屬于動(dòng)態(tài)測(cè)試.房間型量熱計(jì)無法完成該類型試驗(yàn).由于房間型量熱計(jì)法的局限性，使得空氣焓值法測(cè)試技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用.

本文根據(jù)需要研制了一套采用空氣焓值法測(cè)試技術(shù)的房間空調(diào)器焓差實(shí)驗(yàn)室.焓差實(shí)驗(yàn)室是空調(diào)器性能測(cè)試的重要手段，主要包括絕熱庫房、空氣處理系統(tǒng)及溫度場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)三大部分.

2.1 焓差實(shí)驗(yàn)室的工作原理

焓差實(shí)驗(yàn)室是通過測(cè)量房間空調(diào)器的送風(fēng)參數(shù)、回風(fēng)參數(shù)以及循環(huán)風(fēng)量等，再以測(cè)出的風(fēng)量與送回風(fēng)焓差的乘積確定空調(diào)器的能力.需測(cè)試的項(xiàng)目多以標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定工況下的制冷量和制熱量為主，還包括最大運(yùn)行制冷（制熱）、制冷（制熱）消耗功、COP、能效比（EER）及SEER等.

2.2 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)壓縮機(jī)對(duì)制冷劑蒸汽的壓縮熱力學(xué)原理將壓縮機(jī)分為容積型壓縮機(jī)和速度型壓縮機(jī).考慮到本研究的使用范圍和實(shí)際情況，選用容積型活塞式壓縮機(jī).制冷循環(huán)的具體流程如圖1所示.制冷劑R404A經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，高溫高壓的制冷劑氣體經(jīng)過油分離器后進(jìn)入冷凝器.冷凝器采用水冷冷凝器，通過改變水流量和冷卻塔水溫來維持冷凝壓力在一定的范圍內(nèi).制冷劑氣體經(jīng)冷凝器冷卻和冷凝后變?yōu)榈蜏馗邏阂后w，然后經(jīng)儲(chǔ)液罐、電磁閥等進(jìn)入熱力膨脹閥膨脹，中溫高壓液態(tài)制冷劑被節(jié)流成低溫低壓的氣液兩相流并進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)，最后經(jīng)氣液分離器吸入壓縮機(jī)，完成整個(gè)制冷循環(huán).

2.3 空氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的空氣處理系統(tǒng)的主要目的是為了保證各個(gè)測(cè)試室的空氣溫度和濕度，并為測(cè)試提供均衡的溫、濕度和氣體流速.利用制冷機(jī)組提供的冷量和電加熱系統(tǒng)精確控制環(huán)境溫度，通過蒸汽加濕精確控制環(huán)境濕度.而溫度場(chǎng)的均勻性及流速的合理分布則需要進(jìn)行合理的氣流組織設(shè)計(jì).

對(duì)空氣的處理可簡(jiǎn)單地歸納為兩種情況，即送風(fēng)溫度比回風(fēng)溫度高和送風(fēng)溫度比回風(fēng)溫度低.與普通的空氣調(diào)節(jié)相比，焓差實(shí)驗(yàn)室對(duì)空氣的溫、濕度的精度要求更高，需保證空間溫、濕度梯度.利用制冷機(jī)/蒸發(fā)器冷卻減濕的方式對(duì)空氣進(jìn)行冷卻除濕，利用電加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱，利用蒸汽等溫進(jìn)行加濕.實(shí)驗(yàn)室空氣處理柜與舒適性空調(diào)的空氣處理過程不同，其制冷工況、制熱工況時(shí)室內(nèi)側(cè)空氣處理過程分別如圖2、3所示.被測(cè)機(jī)制熱工況時(shí)不加濕，故在空氣處理圖中角系數(shù)為90°[12].此為兩種工況的不同點(diǎn)之一.

圖2、3中：O點(diǎn)為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；N點(diǎn)為回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；L點(diǎn)為露點(diǎn)；I點(diǎn)為等濕加熱過程終點(diǎn)；NL為空氣經(jīng)處理柜蒸發(fā)盤管再冷過程；LI為等濕加熱過程；IO為等溫加濕過程，該過程是通過將干蒸汽減壓，直接噴入空氣中，以增加空氣的濕度.通過調(diào)節(jié)器輸出的百分比來控制加濕量，以滿足實(shí)驗(yàn)室對(duì)濕度的需要，同時(shí)也避免加濕過量，造成空氣過飽和.

2.4 氣流組織設(shè)計(jì)

氣流組織即空氣分布，只有合理地組織空氣流動(dòng)方式，才能夠使室內(nèi)的溫度分布均勻，波動(dòng)范圍小.孔板送風(fēng)具有射流混合過程短、溫差和風(fēng)速衰減快的特點(diǎn)，可以使工作區(qū)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布均勻，所以本實(shí)驗(yàn)室采用全孔板上送下回方式.圖4為實(shí)驗(yàn)室氣流組織示意圖，被測(cè)機(jī)出風(fēng)依次流過空氣處理柜內(nèi)的蒸發(fā)盤管、電加熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)及蒸汽加濕器的過程中，空氣經(jīng)降溫去濕、加熱、加濕處理后，進(jìn)入頂層的穩(wěn)壓層后經(jīng)送風(fēng)孔板流送至工作區(qū)，再被吸入空氣處理柜，完成一個(gè)空氣處理循環(huán).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)、外側(cè)均需進(jìn)行極限工況及工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn).極限工況實(shí)驗(yàn)主要有極限低溫工況實(shí)驗(yàn)、極限高溫工況實(shí)驗(yàn)、極限濕度工況實(shí)驗(yàn)等.限于篇幅要求，以下僅對(duì)室內(nèi)側(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行結(jié)果分析.

3.1 極限工況實(shí)驗(yàn)

3.1.1 極限低溫工況實(shí)驗(yàn)

圖5為極限低溫工況實(shí)驗(yàn)曲線.從圖中可以看出，經(jīng)過60 min左右，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)側(cè)可達(dá)到10℃的極限低溫設(shè)計(jì)工況，并且保持工況穩(wěn)定.工況穩(wěn)定后，PID控制器的輸出為39%，電加熱輸出功率為3.9 kW，因此，實(shí)驗(yàn)室的空氣處理裝置和制冷系統(tǒng)均有裕量，能夠滿足極限低溫工況的要求.

3.1.2 極限高溫時(shí)極限濕度工況實(shí)驗(yàn)

鑒于高溫高濕工況相比于其他溫度下的濕度極限工況更難達(dá)到，且在高溫工況時(shí)，濕度不易控制，因此，選擇了在極限高溫工況時(shí)對(duì)極限濕度工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣能同時(shí)檢測(cè)極限濕度工況和極限高溫工況.

室內(nèi)側(cè)的設(shè)計(jì)極限高溫為45℃.45℃時(shí)極限濕度工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.從圖中可以看出，室內(nèi)側(cè)的溫度控制在設(shè)計(jì)極限高溫工況下并穩(wěn)定在允許的小范圍內(nèi)，然后濕度從低濕度調(diào)整到設(shè)計(jì)的相對(duì)濕度90%的極限濕度工況，經(jīng)30 min左右可達(dá)到設(shè)計(jì)工況并保持，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求.

3.2 工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn)

工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，將實(shí)驗(yàn)室由任一工況調(diào)整到所需的工況.根據(jù)工況調(diào)整的溫度變化趨勢(shì)，將工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn)分為升溫速度實(shí)驗(yàn)和降溫速度實(shí)驗(yàn).設(shè)計(jì)工況速度調(diào)整實(shí)驗(yàn)均必須在90 min內(nèi)完成并保持工況穩(wěn)定.

3.2.1 升溫速度實(shí)驗(yàn)

首先將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)側(cè)溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)的最低溫度10℃，然后通過計(jì)算機(jī)控制將溫度調(diào)整到設(shè)計(jì)的最高溫度45℃.升溫速度實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示.從圖中可以看出，在室內(nèi)側(cè)升溫速度實(shí)驗(yàn)中，由最低溫度10℃升溫到最高溫度45℃，僅用了40 min左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)定的90 min.在前30 min內(nèi)，室內(nèi)溫度迅速上升，達(dá)到并超過45℃的設(shè)計(jì)溫度，然后又下降到45℃附近并保持穩(wěn)定.

3.2.2 降溫速度實(shí)驗(yàn)

在室內(nèi)側(cè)降溫速度實(shí)驗(yàn)中，首先將實(shí)驗(yàn)室的溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)的最高溫度45℃，然后通過計(jì)算機(jī)控制將溫度調(diào)整到設(shè)計(jì)的最低溫度10℃.降溫速度實(shí)驗(yàn)曲線如圖8所示.由圖中可以看出，室內(nèi)側(cè)溫度由最高溫度45℃降溫到最低溫度10℃，僅用了38 min左右.前30 min內(nèi)，室內(nèi)溫度平穩(wěn)下降，且

降溫速度非常快，平均降溫幅度約為1.5 ℃·min-1.

溫度達(dá)到最低溫度10℃后，繼續(xù)下降約3℃，再平穩(wěn)上升，最后穩(wěn)定在10℃附近.

4 結(jié) 論

本文研制完成了空調(diào)器焓差實(shí)驗(yàn)室.

在焓差實(shí)驗(yàn)室的制冷機(jī)組中，采用環(huán)保制冷劑R404A替代傳統(tǒng)工質(zhì)R22，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限工況實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)室能滿足空調(diào)器性能測(cè)試所需的各種工況要求.

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣能照等.新制冷工質(zhì)熱力性質(zhì)表和圖[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[2] 洑春干.R404A在我公司冷凍機(jī)上的使用情況[J].低溫與特氣，2001，19（5）：35-36.

[3] 狄春紅.半封閉活塞式壓縮機(jī)應(yīng)用不同工質(zhì)的性能比較[J].遼寧師專學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，11（4）：91-93.

[4] 秦海杰，于世濤，劉景林.半封閉活塞式制冷壓縮機(jī)低溫工況應(yīng)用R404A的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2007，28（4）：26-32.

[5] 張華俊，陳偉，李勇，等.半封閉活塞式制冷壓縮機(jī)低溫工況應(yīng)用R404A的試驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)，2007，7（3）：71-74.

[6] 石云波.新型半封閉螺桿冷水機(jī)組中R404A替代R22的性能試驗(yàn)研究[J].低溫與特氣，2012，30（2）：4-8.

[7] 劉艷麗，周海峰，王智明.R404A在螺桿制冷機(jī)組中替代R22性能研究[J].低溫工程，2005（4）：56-60.

[8] 劉光華，安寶柱.R404A在渦旋式冷凝機(jī)組中替代R22的試驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)，2011，11（6）：49-52.

[9] 張劍飛，秦妍，劉忠賞.吸氣過熱對(duì)R404A渦旋式壓縮機(jī)性能影響的研究[J].制冷與空調(diào)，2011，11（2）：89-90.

[10] 周海峰，張為民.R22替代技術(shù)研究[J].精細(xì)與專用化學(xué)品，2008（Z1）：17-18.

[11] GB/T 7725—2004房間空氣調(diào)節(jié)器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[12] WANG C C，JIANG J Y.Effect of circuit arrangement on the performance of aircooled condensers[J].International Journal of Refrigeration，1999，22（4）：275-282.