R32和R22过热度对转子式压缩机制冷系统影响的对比

王 超　陶乐仁　吴 超　杨丽辉　李庆普　虞中旸

(1 上海理工大学　上海　200093；2 开利空调冷冻研发管理有限公司　上海　201206)



R32和R22过热度对转子式压缩机制冷系统影响的对比

王 超1陶乐仁1吴 超1杨丽辉2李庆普1虞中旸1

(1 上海理工大学上海200093；2 开利空调冷冻研发管理有限公司上海201206)

利用变频滚动转子式压缩机制冷循环实验台，研究了R32和R22制冷系统过热度对系统性能的影响。定量分析了R32制冷系统在过热状态下的一些规律，并且通过对比工况1#下R32和R22的系统参数，分析了R32优于R22的原因，研究了R32商用空调最佳过热度的调节范围。结果表明：R32制冷系统各项参数变化趋势与R22基本一致，R32制冷系统具有较好的制冷效果；在工况1#下，相比R22制冷系统，R32系统的制冷量提高约为42%，COP提高6.8%，系统压比增加7%左右，系统性能更稳定；在空调工况下，R32系统过热度控制在4 ℃以内，具有较好的节能效果。

R32；R22；系统性能；过热度；滚动转子式压缩机

在蒸气压缩式制冷循环中经常采用蒸发器出口过热度控制循环中制冷剂的流量，然而干式蒸发器过热度低于最小稳定过热度时会突然下降并发生振荡[1-3]，为防止未蒸发完全的两相区制冷剂给压缩机造成液击损害，常常将蒸发器出口的制冷剂控制到几度的过热状态[4]。蒸发器出口过热度增大会降低蒸发器的换热系数，同时降低系统的制冷量和COP，所以目前仍有很多研究人员在研究过热度的优化控制方案，使系统性能得到改善[5-7]。

R32的热力性质及环保性能比R22和R410A要好[8]，但与其他制冷剂相比，R32存在压缩机排气压力和排气温度较高的缺点[9]，过高排气温度会加快润滑油和压缩机各种树酯材料的劣化，加大轴承的磨损，从而降低压缩机的可靠性[10]。朱瑞琪等[11]针对诸如冷冻冷藏装置等排气温度问题比较突出的一类高压比制冷系统，提出了以过热度和排气温度相结合的控制方法。矢岛龙三郎等[12]针对R32压缩机排气温度较高的特性，提出了利用少量吸气带液降低压缩机的排气温度到可接受的范围的方法。针对R32的特点，上海日立电器有限公司开发的专用冷冻机油的R32滚动转子式压缩机具有良好的抗湿压缩能力[13]。高排气压力和高冷凝压力不是开发R32空调产品的主要障碍，无论风冷还是水冷，定频还是变频，空调还是热泵热水器，国内已经开展了实验研究和理论分析[14-15]。

通过搭建的变频滚动转子式压缩机制冷循环实验台，研究并对比R32与R22制冷系统过热度对系统性能的影响，并且在同一试验工况下对比了R32和R22的系统参数，研究R32商用空调最佳过热度的调节范围，得出一些具有参考性的结论。

1 实验原理及方法

1.1 实验设计

实验装置如图1所示，整体结构类似一台小型变容量水冷冷水机组。制冷循环由变频滚动转子式压缩机(自带气液分离器)、冷凝器及冷却水循环系统、高压储液罐、过冷装置、科氏力质量流量计、电子膨胀阀、可视管和蒸发器等组成循环回路。实验台还布置了如图所示的压力传感器、温度传感器、流量计等仪器测量系统运行参数。

测量温度　测量压力　测量质量流量测量体积流量1变频滚动转子式压缩机(自带气液分离器)2冷凝器及冷却水循环系统 3高压储液罐 4过冷装置 5科氏力质量流量计 6电子膨胀阀 7可视管① 8蒸发器及冷冻水循环系统 9可视管②图1 实验装置图Fig.1 Experiment apparatus

通过人机界面控制冷冻水和冷却水出口温度，使系统运行在特定的工况下，设定压缩机的频率。观察蒸发器出口处可视管9内制冷剂的状态。待系统运行稳定后，手动增大电子膨胀阀开度，记录不同过热度状态下系统运行的数据。

利用三维力软件编制的变频实验台程序采集数据，采用西门子PLC S7-300实时监控系统参数，观察系统运行主要参数及其变化情况。测量参数及测量仪表见表1。

表1 测量参数及仪表

目前ANSI/ARI 540—2004标准空调工况为：蒸发温度7.2 ℃，冷凝温度54.4 ℃，过冷温度46.1 ℃。为了使试验工况和标准空调工况相似，同时为了模拟低环境温度时的空调运行特性，设定冷冻水出水温度为12 ℃，冷却水出水温度分别为42 ℃和52 ℃。具体试验工况见表2，后文中以1#和2#表述表2中对应工况下的测试数据。目前R22的应用已经相当成熟，各项实验数据表明：R22在不同工况下系统趋势大致相同，只是参数不同[16]。本文只做了工况1#下的R32和R22的对比研究。另外，由于R22即将被淘汰，R32属于新型热门制冷剂，故侧重对R32做了两种工况下的研究。

表2 试验工况

压缩机采用上海日立电器有限公司生产型号为GSD0102UKQA6JH6G的滚动转子式压缩机。杨丽辉等[17]对滚动转子式压缩机的损坏机制做了详细阐述，得出在空调工况下，当压缩机排气温度等于饱和蒸气等熵压缩理论温度时，将压缩机吸气干度控制在0.95～0.98之间可以提高系统的制冷量和COP的结论。从定性方面分析得出R32制冷剂过热度的增加会降低制冷系统的性能，但是从定量角度分析具体的过热度变化对制冷系统影响的研究甚少，本文以下将对过热度变化对制冷系统性能影响的规律进行研究。1.2 计算公式

根据图1和表1实验可测得下列参数：冷冻水进出温度和，冷冻水体积流量，压缩机输入功率,压缩机排气温度和排气压力，蒸发器出口压力和吸气温度,冷凝器出口压力，质量流量m，气液分离器壁温。根据压缩机参考技术规格书可得压缩机的额定频率，理论排气量以及压缩机转速N等参数，通过Prefprop9.0物性软件可得蒸发器出口压力下的饱和制冷剂温度和吸气比容等数据，将以上测量值代入下列公式可计算得到所需参数：

1)过热度

Tsh=Te-Te，sat

(1)

2)系统压比

PR=pd/pe

(2)

3)系统制冷量

Q=qv,w×ρw×cp,w×(Tw,l-Tw,e)

(3)

4)蒸发器出口制冷剂的熵

Se=f(pe，Te)

(4)

5)压缩机等熵压缩排气温度

Td,is=f(pd,Se)

(5)

6)蒸发器出口制冷剂比容

Ve=f(pe，Te)

(6)

7)压缩机的容积效率

ηv=(m×Ve)/(Vd×N)

(7)

2 实验结果和分析

2.1 制冷工况1#下50 Hz时的R32和R22系统性能

冷冻水和冷却水出口温度控制为工况1#(12 ℃/42 ℃)。压缩机频率设定为50 Hz,基本为压缩机的性能测试运转频率。

由图2可知，R32制冷系统各项参数总体变化趋势与R22制冷系统基本一致，仅在数值和变化转折点上有较小的差异，主要是因为制冷剂物性参数的不同造成的。

图2 系统参数随过热度的变化Fig.2 Variation of system′s parameters with superheat temperature

由图2(a)可知，随着膨胀阀开度的减小，吸气过热度逐渐增大，蒸发温度先缓慢下降，过热度在约4 ℃时，蒸发温度下降坡度较大。压缩机吸气温度随着过热度的增加而增加，增加到约为13 ℃时基本不变。在“0”过热度附近时，低于最小稳定值后，吸气温度发生振荡[1]，在蒸发器出口可视管2中可以观测到雾状湿蒸气与过热蒸气交替流动，即所谓的干式蒸发器振荡现象。此时，制冷剂吸气温度与饱和温度趋于一致，少量吸气带液制冷剂进入气液分离器后，吸收热量发生闪发，降低了气液分离器和压缩机的壁温。通过对比发现，R22的吸气温度和蒸发温度均高于R32。虽然管道做了保温，但仍不可避免有部分热量传入系统，所以在吸气过程中，气液分离器的壁温一直高于蒸发器出口壁温，几乎与过热度成线性关系。过热度在4 ℃以内时，R32的气分壁温与R22的有较大差距，这是由于吸气带液闪发及传热温差的原因，过热度大于4 ℃后，R22气分壁温略高于R32。

由图2(b)和(d)可看出，随着吸气过热度的增大，吸气比容不断增大，故制冷剂质量流量相应减小，R32的制冷剂流量相比R22减少约8%。在“0”过热度附近，制冷剂中混合的油浓度很低，少量吸气带液使蒸发器换热性能增强，出现“0”过热度附近的制冷量急剧变化。随着过热度的增加，制冷剂质量流量减小，同时蒸发焓差增大使得单位制冷量有增大趋势，在质量流量和单位制冷量两者综合作用下，制冷量缓慢减小，这是因为在过热区蒸发器末端积聚高含油量的液膜，这些液膜既不蒸发也不产生应有的传热效果，制冷剂过热区的局部换热系数变小。从实验数据还可知，当吸气过热时，在相同的压缩机频率下，由于滚动转子式压缩机的转速和容积效率近似不变，随着制冷量的降低，输入功率几乎不随吸气过热度变化[18]，COP的变化规律几乎与制冷量一致。对比R32与R22的制冷量、COP后发现，相对R22制冷系统，R32制冷量提高约为42%,COP提高约为6.8%,压比增加7%左右，对系统影响不大，仍在承受范围内。

由图2(c)可看出，R32冷凝温度和R22的基本相同，相差1 ℃以内，随着吸气过热度的增大，冷凝温度略微有所下降，这是因为随着制冷量的降低，冷凝器的散热量也减小了，由于保温效果，所以冷凝换热温差略微有些减小。在“0”过热度时，由于少量吸气带液，压缩机内近似等熵等湿压缩过程和轴流式风机的散热作用，降低了压缩机的排气温度，使得“0”过热度处排气温度略低于饱和等熵压缩排气温度。随着过热度的继续增大，压缩机排气温度不断升高，并越来越高于饱和等熵压缩计算的排气温度。由实验数据还可知，R32的排气温度比R22高20%,等熵压缩排气温度相比R22高约25%，误差在5%范围内。

2.2 不同频率时R32制冷系统的实验数据

图3和图4分别给出了在表2所示的2种工况下不同压缩机运转频率(35 Hz、40 Hz和45 Hz)下，R32制冷剂的制冷量，COP，压比、压缩机排气温度Td，排气温差DT(排气温度与等熵压缩排气温度之差)和压缩机容积效率随蒸发器出口过热度变化的曲线。

图3 不同工况下制冷量、压比和COP随过热度的变化Fig.3 Variation of refrigeration capacity, pressure ratio and COP with superheat temperature

由图3可知：系统压比随过热度的增加而变大，在过热度约为4 ℃时系统压比开始急剧增加；相同工况下，不同频率的系统压比变化基本一致。随着吸气过热度的升高，制冷量和COP均先缓慢减小，在过热度为4 ℃左右时，减少幅度变大；相同频率下，工况1#制冷量和COP高于工况2#，相同工况下，频率越高制冷量越高，接近额定频率时COP越稳定。蒸发器内过热段增长，蒸发器换热温差增大，蒸发压力基本不变，冷凝压力变大，且高低压差变大，使得泄漏损失增大。综上所述，过热度越高，压缩过程的不可逆损失越大，而制冷剂质量流量的减小减少了耗功，综合各项数据，当过热度在4 ℃以下时，各工况处于制冷量、COP和系统压比的最优区域。

图4 不同工况下容积效率、排气温度随过热度的变化Fig.4 Variation of volumetric efficiency and discharge temperature with superheat temperature

由图4可知，过热度越高，容积效率越低，工况1#的容积效率均高于工况2#的，原因是压缩机吸排气口压力损失相对变大，压缩机排气温度相对变高，引起更大的容积膨胀导致容积损失。在相同频率相同工况下，吸气过热度对容积效率的影响不大，同时可以观察到运转频率偏离额定频率越远，容积效率波动越大，原因可能是非额定运转时，吸气压降较大或油膜密封变差造成漏气损失。图4还给出了不同试验工况下，压缩机在35 Hz，40 Hz和45 Hz下运转时排气温度Td和排气温差DT随过热度的变化趋势图。在吸气过热时，压缩输入功率变化不大，但是排气温度过高影响压缩机容积效率，散热变大，壁温升高；而且，制冷剂流速降低，不利于润滑油随着制冷剂返回压缩机，这些影响均降低了压缩机的使用寿命。

3 结论

利用小型变频滚动转子式变量冷水机组实验台测得不同压缩机频率时，工况1#和工况2#下R32和R22制冷系统的制冷量、压比、排气温度、质量流量和COP等数据，通过对比分析了这些参数与过热度的关系，得出以下结论：

1)R32制冷系统各项参数变化趋势与R22基本一致，只是数值上有差异，在排气温度可承受范围内，相同工况下时R32的制冷性能优于R22；

2)在工况1#下，相比R22制冷系统，R32制冷系统的制冷量提高约为42%，COP提高约6.8%，系统压比相对R22增加7%左右，对系统影响不大，仍在可承受范围内，系统性能稳定；

3)当压缩机吸气处于过热状态时，对于R32制冷系统，在空调工况下，控制过热度在4 ℃以内，各项性能均处于较优状态。

本文受上海重点实验室(1N-15-301-101)项目资助。(The project was supported by Key Laboratory of Shanghai (No. 1N-15-301-101).)

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About the corresponding author

Tao Leren, male, professor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13916356948,E-mall: cryo307@usst.edu.cn. Research fields: low temperature refrigeration system, cryobio-medical technology.

Comparison of Influences of Superheat Degree on R32 and R22 Rolling Piston Compressor Refrigeration System

Wang Chao1Tao Leren1Wu Chao1Yang Lihui2Li Qingpu1Yu Zhongyang1

(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China；2. United Technologies Company Overview, Shanghai, 201206, China)

The influences of superheat degree on R22 and R32 refrigeration system′s performances are studied experimentally with variable frequency rolling piston compressor refrigeration loop test bench. With the quantitative analysis, some change trends of R32 refrigeration system under the superheat condition are summarized, and the optimum superheat adjustment range of R32 commercial air conditioning is studied by comparing the system′s parameters of R32 with R22′s under the condition of Case 1. The experimental results show that: the change trends of the system′s parameters for R32 are similar with that for R22, and the R32 refrigeration system has a higher refrigerating capacity; under the condition of Case 1, the refrigerating capacity and COP of R32 are improved about 42% and 6.8% respectively compared to R22; the system′s pressure ratio is increased about 7%, which indicates R32 system is more stable. At the air-conditioned state, the better energy saving effect can be reached when the superheated degree of R32 system is controlled less than 4 ℃.

R32; R22; system′s performance; superheat degree; rolling piston compressor

0253- 4339(2016) 04- 0081- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.081

2015年11月30日

TB64；TK124

A

简介

陶乐仁，男，教授，上海理工大学能源与动力工程学院制冷与低温工程研究所，13916356948，E-mail：cryo307@usst.edu.cn。研究方向：低温制冷系统，低温生物医学技术。