R32房間空調(diào)器高頻制冷運行系統(tǒng)特性分析

高浩 戚文端 張秋朋 張浩

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

隨著環(huán)保制冷劑替代的推進(jìn)，R32制冷劑作為R22的主要替代物之一，已經(jīng)在國內(nèi)得到廣泛推廣。由于其良好的熱物性，制冷系統(tǒng)的工質(zhì)充注量相對于R22及R410A較少，同時由于其較高的冷凝壓力，傳熱系數(shù)高，汽化潛熱大，以及對綜合成本的考量，房間空調(diào)器運用R32循環(huán)工質(zhì)時換熱器面積日漸緊湊。且隨著全球氣候變暖，制冷季節(jié)環(huán)境溫度上升，對房間空調(diào)器的制冷量需求也越來越高，所以在對房間空調(diào)器進(jìn)行設(shè)計調(diào)試時，根據(jù)制冷劑熱物性，在制冷高頻運行時進(jìn)行合理控制調(diào)試，分析其系統(tǒng)運行特性至關(guān)重要。文章[1][2][3]對R32在水平光管及微肋管的管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)進(jìn)行實驗研究，影響沸騰換熱系數(shù)的主要因素為熱流密度、干度、質(zhì)量流量等，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，與經(jīng)典的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較，對比其符合程度。業(yè)內(nèi)大多從各換熱組件提升換熱系數(shù)進(jìn)行研究，但是在以房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)為整體進(jìn)行高頻率運行的系統(tǒng)分析較少。本文將綜合管內(nèi)外側(cè)，從R32房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)出發(fā)，在其高頻運行制冷劑流速較快、室內(nèi)換熱較充分時，通過室外風(fēng)量變化情況，從R32冷凝換熱、蒸發(fā)沸騰等變化分析系統(tǒng)運行特性，為實際制冷系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試提供參考。

1 理論基礎(chǔ)

空調(diào)器冷凝器側(cè)屬于空氣橫掠管束流動，空氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對總傳熱系數(shù)的影響起主要作用[4][5]，空氣側(cè)表面換熱系數(shù)houtl為式（1）：

其中：deq為銅管當(dāng)量直徑，λf為空氣導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K）），l為翅片寬度（m），Re為雷諾數(shù)，C、m、n為系數(shù)，其中雷諾數(shù)如式（2）所示：

圖1 R32制冷劑焓差室測試原理圖

圖2 空調(diào)器制冷量及能效隨室外側(cè)風(fēng)量變化圖

其中：u為風(fēng)速（m/s），v為空氣運動粘性系數(shù)（m2/s）。

由式（1）及式（2）可看出，室外側(cè)風(fēng)量變化同時風(fēng)速改變，影響著空氣側(cè)的雷諾數(shù)，從而影響到空氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。室外側(cè)風(fēng)量越大，對流換熱系數(shù)越高，換熱性能越好。

但是改變空調(diào)器室外側(cè)風(fēng)量，從管外側(cè)會影響冷凝器空氣側(cè)的銅管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，同時會影響冷凝壓力，從而使節(jié)流機(jī)構(gòu)兩端壓差產(chǎn)生變化，系統(tǒng)內(nèi)冷媒流量以及進(jìn)入蒸發(fā)器的干度也隨之改變，制冷劑的質(zhì)量流量、干度越大，沸騰換熱系數(shù)也會隨之增大，從而影響到系統(tǒng)制冷量。本文將通過焓差試驗臺，考察室外側(cè)風(fēng)量對R32制冷劑房間空調(diào)器高頻率運行時性能的綜合影響。

2 實驗研究

為對比搭載R32制冷劑的房間空調(diào)器在制冷工況下壓縮機(jī)高頻運行時的系統(tǒng)運行特性隨室外側(cè)風(fēng)量變化情況，本文選取額定制冷量為3.5 kW的房間空調(diào)器，其額定運行頻率為57 Hz，高頻運行頻率為88 Hz，在焓差室進(jìn)行房間空調(diào)器的制冷量、功率以及各溫度點的采集。焓差實驗室的測試原理圖如圖1所示，通過空氣處理裝置控制室內(nèi)外環(huán)境的溫濕度，通過測量室內(nèi)機(jī)進(jìn)出口壓差及溫濕度、空氣流量來計算焓值，以此計算出制冷量。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 Pa～450 Pa。并增加專用冷媒濃度檢測裝置，提高安全系數(shù)。本文實驗所設(shè)定工況溫度為，室內(nèi)干濕球溫度27℃/19℃，室外35℃/24℃。

空調(diào)器制冷量及能效隨室外側(cè)風(fēng)量變化情況如圖2所示?？刂剖彝鈧?cè)風(fēng)量從1560 m3/h上升至2610 m3/h，外側(cè)風(fēng)量逐漸增大的過程中，制冷量先隨之上升，在2010 m3/h時達(dá)到峰值，而后室外側(cè)風(fēng)量越大，制冷量越小，與峰值相比，制冷量下降4.51%，其中相對制冷量為制冷量與額定制冷量的比值。而能效則是先快速上升，在2160～2460 m3/h幾乎不變，而后隨室外風(fēng)量繼續(xù)增加而減小。這是由于隨著室外風(fēng)量的加大，冷凝側(cè)換熱優(yōu)化，冷凝壓力變小，制冷系統(tǒng)的功率隨室外風(fēng)量增加而下降，同時伴隨制冷量增加，能效快速上升至3.42。在制冷量達(dá)到峰值后下降過程中，功率同時在降低，能效幾乎維持不變，直至能力降低速率高于功率下降速率后，能效隨之下降。

通過比較室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度隨室外風(fēng)量的變化情況，如圖3所示，圖中曲線為蒸發(fā)器入口溫度減去蒸發(fā)器出口溫度的差值，隨著室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，室外側(cè)風(fēng)量增大，蒸發(fā)器入口溫度由大于蒸發(fā)器出口溫度轉(zhuǎn)變成小于蒸發(fā)器出口溫度，制冷量在入口溫度高于出口溫度2℃左右達(dá)到峰值，隨后迅速降低。這是由于制冷劑在蒸發(fā)器管內(nèi)流動沸騰換熱時存在一定壓力損失，制冷劑的飽和溫度隨之下降，從圖4可以看出，隨著室外側(cè)風(fēng)量的增加，冷凝器中部溫度降低，兩相區(qū)冷凝壓力隨之下降，蒸發(fā)器中部溫度下降。在壓縮機(jī)頻率運行不變的情況下，由于節(jié)流前后壓差變小，系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量減小，蒸發(fā)器內(nèi)部在飽和溫度降低與質(zhì)量流量減小的綜合作用下，由部分制冷劑未充分沸騰蒸發(fā)階段，發(fā)展至充分換熱階段，當(dāng)室外側(cè)風(fēng)量增加至蒸發(fā)器出口溫度大于入口溫度時，出現(xiàn)部分過熱，風(fēng)量越大，蒸發(fā)器過熱越嚴(yán)重，造成壓縮機(jī)回氣溫度及排氣溫度升高，蒸發(fā)器后段冷媒已完成汽化，無汽化潛熱產(chǎn)生，換熱面積未充分利用，制冷量下降。由于R32制冷劑比熱容小，傳熱系數(shù)高，系統(tǒng)冷媒充注量少，系統(tǒng)質(zhì)量流量受壓差變化影響更加明顯，高頻運行時系統(tǒng)制冷劑流速快，沸騰換熱系數(shù)高，蒸發(fā)器過熱更易發(fā)生。

3 結(jié)論

通過理論分析及實驗研究可知，R32房間空調(diào)器由于較少的制冷劑充注量、較高的傳熱系數(shù)以及較小的換熱面積，在制冷高頻運行時，制冷量隨室外側(cè)風(fēng)量的提升，先上升至極大值，后隨著風(fēng)量越大，冷凝溫度下降，節(jié)流部件前后壓差減小，制冷劑質(zhì)量流量減小，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑沸騰加快，以致發(fā)生過熱，有效蒸發(fā)換熱面積減小，制冷量相對峰值下降4.51%。在運用R32制冷劑充當(dāng)工質(zhì)時，設(shè)計調(diào)試制冷系統(tǒng)需要充分考慮其熱物性，根據(jù)蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差判斷是否過熱蒸發(fā)，合理調(diào)節(jié)室外側(cè)風(fēng)量，以達(dá)到系統(tǒng)運行最優(yōu)。

圖3 蒸發(fā)器入口溫度與蒸發(fā)器出口溫度差值隨室外側(cè)風(fēng)量變化圖

圖4 空調(diào)器各系統(tǒng)溫度點隨室外側(cè)風(fēng)量變化圖