R134a和R407c對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

陳言桂，施 靈，方 璋

(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

近年來隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小型熱泵空調(diào)已經(jīng)成為家用、商用、汽車空調(diào)的主流設(shè)備，因其具有冬季高制熱效率、夏季高制冷效率的特點(diǎn)，而受到歡迎。但是在冬季環(huán)境溫度低于-10 ℃下，熱泵空調(diào)制熱效率低，甚至無法正常運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)對(duì)低溫?zé)岜玫难芯砍晒饕校簬Ы?jīng)濟(jì)器的低溫空氣源熱泵技術(shù)，其可在-15～-20 ℃超低溫環(huán)境中運(yùn)行，且能效比在2.0左右[1]；在純電動(dòng)汽車上搭建混氣型熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其可在-20 ℃的超低溫工況下運(yùn)行,能效比在1.5左右[2]；文獻(xiàn)[3]在傳統(tǒng)制冷循環(huán)系統(tǒng)上，研究了液體噴射技術(shù)、閃發(fā)蒸汽噴射技術(shù)等，能讓熱泵在室外溫度-20 ℃以上運(yùn)行[3]。但是目前這些技術(shù)只是在R22的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，由于R22制冷劑不環(huán)保，目前已經(jīng)禁止使用。故本文將從制冷系統(tǒng)循環(huán)所采用的制冷劑入手，選取R134a和R407c兩種環(huán)保制冷劑，進(jìn)行不同工況下的制冷量、制熱量、壓縮機(jī)輸入功率和壓縮機(jī)排氣溫度的試驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，探討它們適合的工況及相關(guān)的影響因數(shù)，為同類空調(diào)系統(tǒng)，如電動(dòng)汽車空調(diào)、空調(diào)熱水器等提供參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)選取一臺(tái)熱泵空調(diào)為研究對(duì)象，壓縮機(jī)型號(hào)為SZ084S4VC，排氣量19.9 m3/h；排氣容積114.5 cm3/r；轉(zhuǎn)速2 900 r/min；電壓為380～400 V；頻率50 Hz，三相。系統(tǒng)測(cè)試原理圖如圖1所示。

根據(jù)圖1搭建系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，并在空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試。焓差實(shí)驗(yàn)室分為室1和室2，其中室1環(huán)境干球溫度控制范圍為10～50 ℃，室2環(huán)境干球溫度控制范圍為-15～55 ℃，控制精度為±0.5 ℃。

2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)該熱泵空調(diào)分別充注R134a和R407c兩種不同制冷劑，分別測(cè)試其蒸發(fā)溫度從-25～15℃，冷凝溫度從30～70℃的制冷量、制熱量、壓縮機(jī)輸入功率和壓縮機(jī)排氣溫度。試驗(yàn)臺(tái)壓縮機(jī)和冷凝器的主體部分放置在測(cè)試室1內(nèi)，蒸發(fā)器與相應(yīng)配套設(shè)備放置于測(cè)試室2內(nèi)。

試驗(yàn)測(cè)試方法參考文獻(xiàn)[4-7]，試驗(yàn)測(cè)試工況方案見表1。

表1 試驗(yàn)工況測(cè)試方案

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)空氣焓差法測(cè)量制冷能力原理，待工況穩(wěn)定后，測(cè)試蒸發(fā)器或冷凝器的進(jìn)、出口氣流中的干、濕球溫度以及出風(fēng)口側(cè)風(fēng)量。

根據(jù)Q=L(I1-I2)/(υ(1+X))計(jì)算制冷量或制熱量。式中：Q為蒸發(fā)器或冷凝器的制冷量或制熱量，kW；I1為蒸發(fā)器或冷凝器回風(fēng)空氣焓值，kJ/kg(干)；I2為蒸發(fā)器或冷凝器送風(fēng)空氣焓值，kJ/kg(干)；L為蒸發(fā)器或冷凝器測(cè)點(diǎn)的風(fēng)量，m3/s；υ為測(cè)點(diǎn)處濕空氣比容，m3/kg；X為測(cè)點(diǎn)處空氣絕對(duì)濕度，kg/kg(干)。

試驗(yàn)測(cè)試中的壓縮機(jī)排氣溫度和壓縮機(jī)輸入功率可從測(cè)試平臺(tái)的溫度傳感器和功率表獲得。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 排氣溫度

R134a和R407c試驗(yàn)工況下的壓縮機(jī)排氣溫度均隨著蒸發(fā)溫度的降低、冷凝溫度的升高而升高(見圖2)。當(dāng)排氣溫度達(dá)到125 ℃，壓縮機(jī)運(yùn)行20 min左右，因過熱出現(xiàn)停機(jī)保護(hù)。

由于R407c是由R32、R125和R134a組成的三元非共沸混合制冷劑，R134a的蒸發(fā)壓力低，R32和R125蒸發(fā)壓力高，因此R407c的蒸發(fā)壓力比R134a高52%以上[8]。在壓縮機(jī)輸入功率一定的情況下，R407c的冷凝壓力相應(yīng)的比R134a高，故排氣溫度R134a35℃，蒸發(fā)溫度>0℃的相同工況條件下，R134a排氣溫度明顯比R407c低，故R134a在高蒸發(fā)器和高冷凝器工況下，排氣溫度低，能保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

為防止壓縮機(jī)過熱(排氣溫度≥125 ℃)，R134a和R407c熱泵空調(diào)冬季供熱時(shí)，最低蒸發(fā)溫度均只能達(dá)到-25 ℃(見圖2)。故兩者在低溫?zé)岜檬褂霉r范圍上幾乎是沒有差距的。

3.2 制冷量

試驗(yàn)工況下，R134a和R407c的制冷量均隨著蒸發(fā)溫度的升高、冷凝溫度的降低而升高，如圖3所示。制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化率，R134a約0.2～0.8 kW/℃，R407c約0.4～1.1 kW/℃，蒸發(fā)溫度越高，制冷量變化率越大，兩者差距也越大；而制冷量隨冷凝溫度的變化率兩者約為0.1～0.3 kW/℃，變化幅度不明顯，故提高蒸發(fā)溫度有利于制冷量增大，尤其是R407c的制冷量。

由于R407c的蒸發(fā)壓力比R134a大，壓縮機(jī)吸氣壓力增大，相應(yīng)的排氣壓力和冷凝壓力也增大，系統(tǒng)有充足的動(dòng)力克服節(jié)流閥和管道阻力，在蒸發(fā)器側(cè)的制冷劑流量增大，用于制冷，熱交換量就相應(yīng)增大，故同工況下，R407c的制冷量比R134a的大。

3.3 制熱量

在試驗(yàn)工況下，R134a和R407c的制熱量均隨著蒸發(fā)溫度的升高、冷凝溫度的降低而升高，如圖4所示。制熱量隨蒸發(fā)溫度的變化率R134a約為0.2～0.7 kW/℃，R407c約為0.4～1.1 kW/℃，蒸發(fā)溫度越高，制熱量變化率越大，兩者差距也越大；而制熱量隨冷凝溫度的變化率R134a約為0.1 kW/℃，R407c約為0.2 kW/℃，變化幅度不明顯，尤其是蒸發(fā)溫度<-10 ℃時(shí)，兩種制冷劑制熱量隨冷凝溫度的變化率約為0，冷凝溫度的變化對(duì)制熱量幾乎無影響。故提高蒸發(fā)溫度有利于制熱量增大，尤其是R407c的制熱量。

同前述原因，R407c的排氣壓力和冷凝壓力比R134a大，故R407c在冷凝器側(cè)的制冷劑流量大，若用于制熱，熱交換量就相應(yīng)大，故同工況下，R407c的制冷量比R134a的大。

3.4 輸入功率

試驗(yàn)工況下R134a和R407c的壓縮機(jī)輸入功率均隨著蒸發(fā)溫度的降低、冷凝溫度的升高而升高，如圖5所示。輸入功率隨冷凝溫度的變化率，R134a和R407c均約為0.1 kW/℃，比較恒定；而輸入功率隨蒸發(fā)溫度的變化率，兩種約為0，蒸發(fā)溫度的變化對(duì)輸入功率幾乎無影響，故降低冷凝溫度有利于減少壓縮機(jī)耗功，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

由于R407c的吸氣壓力大，同時(shí)制冷劑在管道中的流量也大，壓縮機(jī)吸氣量變大，壓縮機(jī)只有多做功，才能保證相應(yīng)的排氣壓力，故同工況下，R407c的壓縮機(jī)輸入功率比R134a大。

3.5 性能比較

在ARI標(biāo)準(zhǔn)中性能系數(shù)COP(Coefficient of performance)實(shí)際就是熱泵系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的制冷量(制熱量)和輸入功率的比值，在相同的工況下，其比值越大說明這個(gè)熱泵系統(tǒng)的效率越高，越節(jié)能。

試驗(yàn)工況下R134a和R407c的熱泵系統(tǒng)COP如圖6所示。COP隨著蒸發(fā)溫度的升高、冷凝溫度的降低而升高。當(dāng)蒸發(fā)溫度>5 ℃時(shí)，R134a的平均COP比R407c高4.3%；當(dāng)0 ℃<蒸發(fā)溫度<5 ℃時(shí)，同工況下，R407c和R134a的COP幾乎相同；當(dāng)蒸發(fā)溫度<0 ℃時(shí)，R407c的平均COP比R134a高27.6%。故熱泵冬季供熱時(shí)，R407c系統(tǒng)的效率和節(jié)能效果高于R134a，R407c制冷劑更適合于熱泵低溫環(huán)境運(yùn)行；熱泵夏季制冷時(shí)，R134a系統(tǒng)的效率和節(jié)能效果高于R407c。

4 總結(jié)

1)R134a和R407c的壓縮機(jī)排氣溫度和輸入功率均隨著蒸發(fā)溫度的降低、冷凝溫度的升高而升高，其中冷凝溫度對(duì)輸入功率影響大；制冷量和制熱量均隨著蒸發(fā)溫度的升高、冷凝溫度的降低而增大，其中蒸發(fā)溫度影響更大。故在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡可能地提高蒸發(fā)溫度、降低冷凝溫度，以低輸入功率來獲得大制冷量(制熱量)，同是又可降低壓縮機(jī)的排氣溫度，防止壓縮機(jī)過熱。

2)同工況下，R407c的排氣溫度、制冷量、制熱量和輸入功率比R134a的大，故采用R134a的熱泵空調(diào)設(shè)備型號(hào)要比R407c的容量大，才能滿足熱量和冷量的需求。

3)熱泵冬季供熱時(shí)，R407c的平均COP比R134a高27.6%；熱泵夏季制冷時(shí)，R134a的平均COP比R407c高4.3%；R407c制冷劑更適合于熱泵低溫環(huán)境運(yùn)行。

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