房間空調(diào)器中制冷劑R290、R32替代R22的仿真研究

肖 坤，王江宇，陳煥新，郭亞賓，劉江巖，胡云鵬

（1.華中科技大學，武漢430074；2.武漢商學院，武漢430056）

0 引言

制冷劑R22目前被廣泛應(yīng)用于各種制冷與空調(diào)系統(tǒng)［1］，但其對環(huán)境的影響也是不可忽略的。早在上世紀七、八十年代，聯(lián)合國就已開始了對大氣臭氧層破壞的討論，并于1985年和1987年，《保護臭氧層維也納公約》和 《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》［1］就已相繼問世。這些國際公約中一致要求加速CFCs和HCFCs的淘汰，而R22作為HCFCs中的一種，且其在一定程度上加速了全球變暖，在未來會被淘汰［2］，而又由于其在中國制冷劑市場所占比例過大，其的替代物十分受關(guān)注。其中，R290（ODP＝0，GWP＝20）［1］由于其對大氣臭氧層沒有破壞作用，同時對全球溫室效應(yīng)影響十分小，以及其優(yōu)良的熱力性能，受到許多研究者的青睞［3］，而且目前在歐洲，R290已被用于家用空調(diào)和汽車空調(diào)［3］。而 R32（ODP＝0，GWP＝670）［1］也因為其不會破壞臭氧層且對溫室效應(yīng)的影響較小，還有其良好的熱物理和安全性質(zhì)［1］（可燃性低、安全性好、熱導率高、熱穩(wěn)定性好），而被不少學者歡迎，認為進行其替代R22的研究具有一定的意義［4－5］，另外在日本，R32已被應(yīng)用于空調(diào)、熱泵系統(tǒng)［6］。同時就目前而言，房間空調(diào)器依舊占有相當大的比重，房間空調(diào)器中HCFCs的使用也在很大程度上影響著臭氧層和全球溫室效應(yīng)，故而對房間空調(diào)器中制冷劑替代的研究具有一定的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)在也有不少研究者開展了對制冷劑替代的研究。張彥所［8］研究了各種R22替代制冷劑的環(huán)保性、安全性、熱力學性能，并以冷庫為平臺用實驗對比分析了各種制冷劑的制冷循環(huán)性能。楊林德［9］等通過實驗分析了R290在分體式房間空調(diào)器中替代R22的優(yōu)點，認為R290熱物理性質(zhì)良好，更利于提高空調(diào)系統(tǒng)的能效，利于節(jié)能環(huán)保，并認為其具有好的前景。馬玉奇［10］等通過實驗的方法，對比研究了R32和R22在柜機空調(diào)系統(tǒng)中的制冷性能，并認為從環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟適用等角度而言，R32替代R22具有一定的市場前景。大部分前人往往采用實驗［11］的方法來進行制冷劑替代的研究。實驗研究自然更符合工業(yè)實際，卻往往會耗費大量資源和人力，而仿真研究恰好可以彌補這一不足［12］。利用現(xiàn)代仿真技術(shù)可以對實驗和工業(yè)生產(chǎn)作出相應(yīng)的技術(shù)指導，這樣可以減少資源、時間、人力的浪費。同時，房間空調(diào)器相較于大型商用空調(diào)［7］，結(jié)構(gòu)簡單，部件較少，在一定程度上加強了仿真的可行性［12］。宋艷艷［13］建立了冷凝器的傳熱模型，通過仿真模擬的方法，對比了R290與R22冷凝器的換熱性能，認為R290與R22在一定程度上換熱性能相似，R290具有替代R22的潛能。王磊［6］通過計算機仿真建立了全新風機組的制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，探索了R32在該系統(tǒng)中的制冷性能，認為R32是一種可行性較高的替代制冷劑。王美霞［14］利用仿真的手段建立了小型變頻空調(diào)系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上對R407C和R410A替代R22作了研究和分析。梁杰榮［15］等利用仿真模型研究了R290在房間空調(diào)器中空調(diào)制冷循環(huán)各點的狀態(tài)，以及各部件的制冷劑分布和壓損。

商用制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上與家用房間空調(diào)器多有區(qū)別［7］，其建模手段與約束條件也與房間空調(diào)器有著一定的差異［12］。而目前，利用R290、R32在房間空調(diào)器中替代R22的仿真研究還是較少的。針對上述現(xiàn)狀，本文對R290、R32在房間空調(diào)器中替代R22進行仿真研究。本文利用計算機仿真方法分別建立了毛細管、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器的模型，并根據(jù)各大部件的進出口狀態(tài)及系統(tǒng)制冷劑充注量守恒關(guān)系將各部件模型耦合形成房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)模型［12］，以此來分析制冷劑R290、R32替代R22時制冷循環(huán)中熱力性能的變化。從而，了解R290、R32替代R22后房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)各部件的工作情況及系統(tǒng)制冷與能耗的變化，并對實驗和工業(yè)生產(chǎn)做出相應(yīng)的技術(shù)指導。

1 制冷系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

本次仿真是以房間空調(diào)器作為對象，而房間空調(diào)器的結(jié)構(gòu)相對簡單，相較于商業(yè)中央空調(diào)和冷庫等大型制冷空調(diào)系統(tǒng)，沒有氣液分離器等部件，故而本次仿真研究以建立毛細管、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器這四個部件的數(shù)學模型為主，然后根據(jù)部件模型和部件的相互聯(lián)系建立系統(tǒng)模型［12］。

1.1 毛細管模型

本次仿真以絕熱毛細管為基礎(chǔ)進行建模，并認為制冷劑在毛細管中作一維均相流動。

在建模的過程中［12］，首先考慮其的連續(xù)性（即毛細管內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量一定），能量的整體守恒和動量的整體守恒［16］。其中，能量和動量方程如下：

式中，h代表制冷劑焓值 （kJ／kg）；υ代表制冷劑流體的比體積 （m3／kg）；p代表制冷劑流體壓力 （kPa）；L代表毛細管的長度 （m）；f代表沿程摩阻系數(shù)。下標1表示該微元段進口參數(shù)；下標2表示該微元段出口參數(shù)。

接著，進行毛細管長度的計算，一般毛細管可分為過冷區(qū)和兩相區(qū)［16］。利用上述守恒關(guān)系，計算出過冷區(qū)長度，再經(jīng)過劃分微元，并計算各控制容積后求和，計算出兩相區(qū)長度。

最后，計算壅塞流和摩阻系數(shù)。其中，對于摩阻系數(shù)和粘度，宜采用 Churchhill方程［12］，并選擇最優(yōu)仿真效果的模型方程來計算。

1.2 壓縮機模型

在建模的過程中，我們將壓縮機的壓縮過程看成一個等熵過程［12］，且認為各種熱力學參數(shù)分布均勻，但考慮到實際過程中干擾因素的影響，我們在仿真中用修正系數(shù)加以修正。

首先，我們需要計算制冷劑流量mcom。

式中，λ表示輸氣系數(shù)；Vth表示理論輸氣量；vsuc表示壓縮機進口氣體比容 （m3／kg）。其中，輸氣系數(shù)λ由容積系數(shù)λV、壓力系數(shù)λP、溫度系數(shù)λT、泄漏系數(shù) λD組成［17］。

接著，進行壓縮機功率的計算。根據(jù)輸氣量和冷凝、蒸發(fā)壓力，我們可以計算出理論功率，再根據(jù)指示效率、電機效率、摩擦功率即可計算出最終的輸入功率。

最后，進行溫度的計算，分別對氣缸和其它部件進行換熱分析［12］，即可了解整個壓縮機的傳熱情況和溫度分布。

1.3 冷凝器模型

本文擬采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法進行建模［12］，同時本文所考慮的是逆流型的冷凝器且忽略管壁熱阻、制冷劑壓降等因素的影響，并認為制冷劑作一維均相流動，空氣作一維流動［16］。

首先，將模型劃分為若干微元。冷凝器往往會分為過熱區(qū)、兩相區(qū)、過冷區(qū)，我們以焓值均分為標準對這3個相區(qū)劃分微元。

接著，建立制冷劑側(cè)和空氣側(cè)的換熱關(guān)系。

式中，Q表示換熱量 （kJ／s）；m表示質(zhì)量流量 （kg／s）；h表示焓值 （kJ／kg）；ξ表示漏熱系數(shù)；下標a表示空氣側(cè)；下標r表示制冷劑側(cè)。

最后，通過求解各相區(qū)換熱系數(shù)，求出每個微元的長度，計算各相區(qū)長度及冷凝器的總管長。

1.4 蒸發(fā)器模型

本文對逆流型蒸發(fā)器進行建模，還是認為制冷劑和空氣均作一維、穩(wěn)態(tài)流動，并假設(shè)蒸發(fā)器管壁溫度徑向保持一致，各微元中物性一致［12］。

首先，由于蒸發(fā)器往往被分為過熱區(qū)和兩相區(qū)，本文中還是對各相區(qū)采取焓值劃分微元。

接著，計算各相區(qū)換熱系數(shù)后，建立制冷劑側(cè)換熱方程、制冷劑側(cè)壓降方程、空氣側(cè)換熱方程，制冷劑側(cè)和空氣側(cè)換熱關(guān)系。其中，制冷劑側(cè)和空氣側(cè)換熱方程和關(guān)系如下［12］：

式中，α表示換熱系數(shù) （W／（m2K））；A表示換熱表面積 （m2）；T表示溫度 （K）；下標 m表示平均值；下標i表示蒸發(fā)器內(nèi)部；下標o表示蒸發(fā)器外部；下標w表示管壁。

最后，通過計算管內(nèi)、外表面積，計算出微元長度。

1.5 制冷系統(tǒng)模型

以上對各部件進行了仿真建模，本文通過建立各部件 （毛細管、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器）模型的相互關(guān)系及了解制冷劑各進出口狀態(tài)，采用穩(wěn)態(tài)仿真的方法，可對各部件模型進行耦合［16］，并通過各種平衡關(guān)系 （如能量平衡、質(zhì)量平衡、壓力平衡）來建立基本方程，編寫仿真程序，形成制冷系統(tǒng)模型［12］，并計算制冷系統(tǒng)各處的狀態(tài)參數(shù)，來了解不同制冷劑在房間空調(diào)器制冷循環(huán)中的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)并計算系統(tǒng)各狀態(tài)點的性能參數(shù)，從而了解制冷空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的狀態(tài)。

2 仿真方案

圖1 制冷系統(tǒng)模型的算法流程圖

為探究制冷系統(tǒng)在分別以R22、R290、R32為制冷劑時不同的制冷性能，我們以室外干球溫度35℃，室外濕球溫度24℃，室外空氣體積流量1.5m3／s，室內(nèi)干球溫度 27℃，室內(nèi)濕球溫度19℃，室內(nèi)空氣體積流量2m3／s為制冷仿真工況，選用直徑1.3mm、長度0.8m的毛細管模型；蒸發(fā)器模型以翅片蒸發(fā)器為基礎(chǔ)，采用7mm×0.1mm的內(nèi)螺紋銅管，每排14根，共2排；冷凝器模型同樣以翅片冷凝器為基礎(chǔ)，采用7mm×0.1mm的內(nèi)螺紋銅管，每排28根，共2排；壓縮機模型則以慶安壓縮機YZH－F200RET2為參考。并且在該系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，本文為獲取各制冷劑的最佳充注量，做了有關(guān)充注量優(yōu)化的仿真研究，R22、R290、R32在制冷劑充注量分別為 0.427kg、0.214kg、0.256kg時，制冷系統(tǒng)性能最佳，本文采用該充注量水平。故而，對在不同制冷劑的家用制冷系統(tǒng)進行仿真，并計算其熱力循環(huán)性能參數(shù)。具體仿真流程如圖 1所示［12、16］。

3 仿真結(jié)果分析

本次仿真主要考慮家用房間空調(diào)器分別以R22、R290、R32作為制冷劑時制冷系統(tǒng)的性能參數(shù)。圖2～圖6表示R22、R290、R32為制冷劑時系統(tǒng)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣壓力、排氣溫度、壓縮機功耗、制冷量、COP的仿真結(jié)果。

圖2 R22、R290和R32的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣壓力對比

圖3 R22、R290和R32的排氣溫度對比

由圖2可知，在本文仿真工況下，R290的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣壓力均與R22相差不大。其中，R290的冷凝壓力比R22低14.68%，蒸發(fā)壓力僅比R22低5.04%，吸氣壓力僅僅比R22高1.28%。故而，利用R290替換R22時，可選用相同或相似的壓縮機，在這一點上，R290比較有優(yōu)勢。對于R32而言，明顯其冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣壓力均比R22高。其中，R32的冷凝壓力比R22高69.67%，蒸發(fā)壓力比R22高62.56%，吸氣壓力比R22高68.95%。故而，以R32為制冷劑的制冷系統(tǒng)對于壓縮機的要求比R22的要高［17］，利用R32替換R22時，需要注意系統(tǒng)壓力較高導致壓縮機負荷增大的情況。

由圖3可知，在本文仿真工況下，R290的排氣溫度比R22低14.09℃，明顯，利用R290替代R22，都能使壓縮機排氣溫度降低，壓縮機運行狀況改善，一定程度上可以延長壓縮機的使用壽命［18］。R32的排氣溫度比 R22高15.62℃，故而利用R32替代R22時，要注意排氣溫度對壓縮機運行狀況的影響。

由圖4可知，在該工況下，R22的壓縮機功耗明顯高于R290，當利用R290替代R22時，壓縮機功耗減小9.60%，就制冷系統(tǒng)能耗［19］而言，R290有一定的優(yōu)勢。而在該工況下，用R32替代R22時，壓縮機功耗增大64.23%，由于其制冷系統(tǒng)能耗明顯增大，需要考慮此對壓縮機運行和系統(tǒng)節(jié)能的影響。

由圖5可知，在該工況下，R22的制冷量大于R290，以R290作為替代制冷劑時，制冷量衰減9.82%。而當R32作替代制冷劑時，制冷量增大26.81%，即在本文仿真工況下，R32的制冷量明顯大于R22。就制冷量而言，R32具有一定的優(yōu)勢。

圖4 R22、R290和R32的壓縮機功耗對比

圖5 R22、R290和R32的制冷量對比

由圖6可知，在本次仿真工況下，R290與R22的制冷系數(shù)COP相似，利用R290替代R22時，制冷系數(shù)COP僅降低0.24%。而當R32為替代制冷劑時，制冷系數(shù)降低22.78%。從系統(tǒng)節(jié)能的角度上來看，R290的優(yōu)勢較大［20－21］。

4 結(jié)論

利用制冷劑R290和R32作為R22的替代物，目前受到許多研究者的青睞。本文采用仿真的方法先建立了制冷毛細管、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器的數(shù)學模型，并利用各部件的耦合性建立了制冷系統(tǒng)模型，然后以此模型為基礎(chǔ)進行了制冷劑R290、R32替代R22的研究，結(jié)論如下：

1）在壓縮機運行方面：在相同的仿真工況下，利用R290替代R22時，系統(tǒng)冷凝、蒸發(fā)、吸氣壓力均相似，且排氣溫度降低，壓縮機運行環(huán)境改善。而以R32替代R22時，冷凝、蒸發(fā)、吸氣壓力均高于R22，排氣溫度也高于R22，其對壓縮機的要求較高，要注意壓縮機的運行狀況。

2）在系統(tǒng)制冷與節(jié)能方面：在相同的仿真工況下，以R290替代R22，系統(tǒng)能耗降低，而制冷量也降低，COP基本不變。而以R32替代R22時，系統(tǒng)能耗明顯增大，COP也明顯降低，制冷量明顯增大。

以上可以看出，R290替代R22就循環(huán)性能而言，在系統(tǒng)節(jié)能運行情況基本不變的情況下，其對壓縮機工作環(huán)境有了一定的改善。故而，工業(yè)生產(chǎn)中，在以R290作為制冷劑的房間空調(diào)器中，可選用與R22為制冷劑時相同或相似的壓縮機，且壓縮機的運行情況也會得以改善。而R32替代R22就循環(huán)性能而言，其不具備優(yōu)勢。因此，工業(yè)生產(chǎn)中，以R32為制冷劑的房間空調(diào)器可能需要考慮選用更高標準的壓縮機與電動機，同時需要考慮壓縮機的耐熱能力，必要時采取一定的降溫措施。

參考文獻：

［1］鄭賢德.制冷原理與裝置 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［2］Liansheng L.Research progress on alternative refrigerants and their development trend［J］.Journal of refrigeration，2011，6：012.

［3］寧靜紅，劉圣春，彭苗，等.R290制冷空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與未來發(fā)展［J］.流體機械，2012，40（7）：72－79.

［4］徐明仿，馬貞俊，周晉，等.R22的新型綠色替代制冷劑 ［J］.制冷與空調(diào)，2004，4（3）：70－73.

［5］Wei M Y W.Substitution and Postponable Technology of Refrigerants［J］.Journal of Refrigeration，2010，5：005.

［6］王磊.R32與 R410A在全新風機組中的應(yīng)用研究［D］.南京師范大學，2013.

［7］薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京：清華大學出版社.2004.

［8］張彥所.HCFC－22替代制冷劑節(jié)能環(huán)保性能的研究［D］.天津：天津大學，2010.

［9］楊林德，吳建華，候杰.分體式房間空調(diào)器R290和R1270替代 R22實驗研究 ［J］.制冷學報，2013（2）：9－14.

［10］馬玉奇，徐中華，劉慶赟，等.R32冷媒在柜機空調(diào)上的應(yīng)用研究［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2017（1）：43－47.

［11］Bellomare F，Minetto S.Experimental analysis of hydrocarbons as drop－in replacement in household heat pump tumble dryers［J］.Energy Procedia，2015，81：1212－1221.

［12］丁國良，張春路.制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化 ［M］.科學出版社，2001.

［13］宋艷艷.R290與R22冷凝器的換熱性能對比研究［D］.西安建筑科技大學，2011.

［14］王美霞.小型變頻空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)特性及控制策略研究［D］.南京：東南大學，2005.

［15］梁杰榮，李廷勛.基于SINDA／FLUINT平臺的R290房間空調(diào)器仿真［J］.低溫與超導，2011，39（2）：42－46.

［16］蘭菁.家用空氣源熱泵供熱性能分析 ［D］.河北工程大學，2012.

［17］吳業(yè)正.制冷壓縮機 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［18］Llopis R，Torrella E，Cabello R，et al.HCFC－22 replacementwith drop－in and retrofit HFC refrigerants in a two－stage refrigeration plant for low temperature［J］.international journal of refrigeration，2012，35（4）：810－816.

［19］De Kleine R D，Keoleian G A，Kelly JC.Optimal replacementof residential air conditioning equipment tominimize energy，greenhouse gas emissions，and consumer cost in the US［J］.Energy Policy，2011，39（6）：3144－3153.

［20］ Rasti M， Hatamipour M S， Aghamiri S F， et al.Enhancement of domestic refrigerator′s energy efficiency index using a hydrocarbon mixture refrigerant［J］.Measurement，2012，45（7）：1807－1813.

［21］Mota－Babiloni A，Navarro－EsbríJ，Barragán－Cervera？，et al.Commercial refrigeration－an overview of current status［J］.International Journal of Refrigeration，2015，57：186－196.