低溫熱泵系統(tǒng)中R290替代R22的性能研究及優(yōu)化

(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2 上海市高效冷卻系統(tǒng)工程技術中心 上海 200240;3 浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 諸暨 311835)

R22是HCFC類制冷劑，廣泛應用于家用及商用領域，然而由于其對大氣臭氧層的破壞作用和一定的溫室效應潛值，在《蒙特利爾議定書》中已對R22的禁用提出了明確的期限。對于R22的替代，國內(nèi)外主要分為兩個方向：一是以美國、日本為主的HFCs替代方案[1]，二是以中國、歐洲為主的以R290(丙烷)等天然制冷劑作為替代物[2]。

對于R22替代制冷劑的選擇，已有不少學者進行了相應研究[3-6]。李曉燕等[7]利用新混合制冷劑R417A對R22熱泵熱水系統(tǒng)進行了替代研究。張明方等[8]同時也在家用空調領域采用R417A進行R22的替代研究。史琳等[9]通過對比R22和R32的熱物理性質，研究了家用及商用領域的R22空調替代。姚壽廣等[10]通過建立相應的參數(shù)關系方程式對R22和R290的熱物理性質進行了熱力循環(huán)的性能模擬。其中R32系統(tǒng)的排氣壓力溫度均高于R22，因此在替代使用中需要對空調部件進行額外的改造；而R417A、R290與 R22熱物理性質相似，對現(xiàn)有的R22系統(tǒng)不需要進行過多的改進。其中由于R290的ODP=0，GWP<20，具有優(yōu)秀的環(huán)保性能[11]，因此對于低溫熱泵系統(tǒng)，R290是R22的理想替代物質[12]。

現(xiàn)有R290替代R22制冷劑的研究主要關注于R290作為替代工質在制冷系統(tǒng)中的表現(xiàn)及替代時的相關問題和解決方案。對于R290在熱泵系統(tǒng)中，尤其在低溫環(huán)境下的替代性能研究還較為缺乏。

本文通過對原系統(tǒng)和系統(tǒng)進行一定改動后，進行了實驗研究，探究了R290在低溫熱泵系統(tǒng)中的性能效果并對低溫熱泵中R22的替代研究給出了優(yōu)化建議與方向。

1 理論分析

表1 所示為R290與R22的基本物性對比。由表1可知，R290的主要物理性質與R22極其相近。且R290的ODP=0，GWP很小，所以具備替代R22的基本條件[13]。

表1 R290與R22的基本物性對比Tab.1 Comparison of physical properties of R290 and R22

圖1所示為R22與R290飽和蒸氣壓力與溫度曲線。由圖1可知，R22和R290的飽和蒸氣壓力非常接近，因此可以在對原R22系統(tǒng)不進行大的改動下直接將R22抽出灌裝R290[14]。

圖1 R22與R290飽和蒸氣壓力與溫度曲線Fig.1 The curve of saturated steam pressure and temperature of R22 and R290

通過R22和R290的基本熱物性對比，可以得出R290的特點主要為[15-16]：

1)R290的汽化潛熱是R22的1.84倍，這說明在相同制熱量下，采用R290可減少工質的循環(huán)量。

2)R290絕熱指數(shù)低于R22，在相同壓縮比時，可減少功耗，并使排氣溫度降低，輸氣系數(shù)提高，同時減少壓縮過程氣體與氣缸間的熱交換，減少不可逆損耗，并能夠改善冷凝器的工作狀況，減少傳熱不可逆損失，降低能耗。

3)R290導熱系數(shù)高于R22，可改善壓縮機的散熱條件，同時提高冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，進一步降低系統(tǒng)能耗。

2 實驗介紹

為研究R290低溫熱泵系統(tǒng)在不同工況下，特別是低溫環(huán)境下的性能，對原有R22熱泵系統(tǒng)進行替代實驗。原R22系統(tǒng)充注量為5 kg，R290系統(tǒng)充注量為3 kg，滿足GB 4706.32—2012《家用和類似用途電器的安全熱泵、空調器和除濕機的特殊要求》[17]標準中關于具有機械通風條件的熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量M

該熱泵系統(tǒng)主要由渦旋壓縮機、管翅式換熱器、殼管式換熱器、熱力膨脹閥、氣液分離器和儲液罐組成。實驗在焓差室中進行，焓差室主要分為蒸發(fā)室和冷凝室兩部分。在蒸發(fā)室和冷凝室分別放有一個風洞，用于調節(jié)蒸發(fā)器和冷凝器的進風量及測量蒸發(fā)室和冷凝室的干濕球溫度。蒸發(fā)室和冷凝室的溫、濕度環(huán)境各由一個制冷機組、電加熱器及加濕器進行控制。在原機管路上，分別在各部件前后打孔并布置了用于測量系統(tǒng)壓力及溫度的傳感器。實驗原理及實驗臺如圖2所示，實驗臺精度分析如表2所示。

為分析該熱泵系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的工作性能，共設計了如表3所示的15組實驗工況，用于分析對比不同環(huán)境溫度、出水溫度條件下兩系統(tǒng)的性能差異。

圖2 實驗臺結構Fig.2 Experimental bench structure

表2 實驗臺精度分析Tab.2 Experiments measurement accuracy

3 實驗結果及討論

在不同工況下分別對R290和R22進行系統(tǒng)性能測試，為分析二者的具體性能差異，選擇不同環(huán)境溫度下，同一出水溫度工況下的制熱量、COP及排氣壓力、排氣溫度等參數(shù)進行對比。

3.1 系統(tǒng)換熱量與COP的對比

圖3所示為R22與R290系統(tǒng)換熱量和COP的對比。由圖3(a)可知，系統(tǒng)換熱量隨環(huán)境溫度的降低而降低，使用兩種制冷劑的系統(tǒng)差別較小，替換為R290的系統(tǒng)換熱量下降約4%。由圖3(b)可知，系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度的降低而降低，在21 ℃工況時R290系統(tǒng)COP>R22系統(tǒng)，但R290系統(tǒng)性能衰減幅度>R22系統(tǒng)，21 ℃以下工況時R22系統(tǒng)COP>R290系統(tǒng)。

表3 實驗工況Tab.3 Experiments test conditions

注：其中凈水體積流量均為7.8 m3/h。

圖3 R22與R290系統(tǒng)換熱量與COP的對比Fig.3 Comparison of heat exchange and COP between R22 and R290 system

由于R290的汽化潛熱>R22，原R22系統(tǒng)所用的壓縮機排量對于R290而言過大，而較大的制冷劑流量意味著同等換熱量條件下系統(tǒng)所需的傳熱溫差更大。圖4所示為R22與R290系統(tǒng)的換熱量對比。通過對比R22與R290系統(tǒng)冷凝器與出水溫度間的溫差和換熱量之間的關系可知：R290系統(tǒng)的整體傳熱溫差>R22,且R22系統(tǒng)整體換熱量>R290，因此R22系統(tǒng)整體的傳熱效率>R290系統(tǒng)。值得注意的是R22在低溫環(huán)境中制熱能力出現(xiàn)明顯的衰減(圖4(a)中下部三點)，說明在低溫環(huán)境中R22的傳熱效率較低而R290在低溫時的傳熱效率變化相對穩(wěn)定。這在二者COP的變化中也有所體現(xiàn)：R290在-6 ℃以下的低溫環(huán)境時COP變化趨于平穩(wěn)而R22的COP衰減更為劇烈。另外由于在室溫為21 ℃時系統(tǒng)整體的換熱需求較小、制冷劑流量整體較小，因此壓縮機排量對R290系統(tǒng)的影響較小，憑借較大的汽化潛熱R290系統(tǒng)此時的傳熱效率較高(圖4(b)左上三點所示)，這也解釋了為何在室溫為21 ℃時，R290系統(tǒng)COP>R22系統(tǒng)。

圖4 R22和R290系統(tǒng)換熱量對比Fig.4 Comparison of heat exchange of R22 and R290 system

3.2 排氣溫度與壓力的對比

為具體分析壓縮機排量對系統(tǒng)性能的影響，對比了二者的排氣溫度和排氣壓力，如圖5所示。由圖5(a)可知，R290系統(tǒng)排氣壓力整體高于R22系統(tǒng)。R22系統(tǒng)排氣壓力隨環(huán)境溫度的降低而略有降低，R290系統(tǒng)排氣壓力隨環(huán)境溫度的降低先升高后降低，于-6 ℃時達到最高。由圖5(b)可知，R290系統(tǒng)排氣溫度在2 ℃以上工況時低于R22系統(tǒng)，在2 ℃以下工況的低溫環(huán)境中高于R22系統(tǒng)。R22系統(tǒng)排氣溫度隨環(huán)境溫度的降低而升高，R290系統(tǒng)排氣溫度隨環(huán)境溫度的降低先升高后降低，于-6 ℃時達到最高。

圖5 R22與R290系統(tǒng)排氣壓力和排氣溫度的對比Fig.5 Comparison of exhaust pressure and exhaust temperature between R22 and R290 system

這種變化趨勢主要是由制冷劑與壓縮機排量之間的匹配問題引起，當處于室溫環(huán)境21 ℃時，系統(tǒng)整體的換熱需求較小、制冷劑流量小，因此壓縮機排量對R290系統(tǒng)的影響較小，此時R290系統(tǒng)的排氣壓力與溫度均R22系統(tǒng)、R290系統(tǒng)的排氣壓力與溫度>R22系統(tǒng)。在-6 ℃時，R290系統(tǒng)排氣溫度與壓力突然升高，這主要是由于在該工況條件下膨脹閥開度過小導致的系統(tǒng)過熱度過大。

3.3 數(shù)據(jù)分析

通過分析上述數(shù)據(jù)可知，在R22系統(tǒng)中直接用R290進行替換時系統(tǒng)整體性能有所下降，系統(tǒng)換熱量與COP均有所衰減。在低溫環(huán)境中R290系統(tǒng)的壓縮機排氣溫度和排氣壓力均高于R22系統(tǒng)。由于過高的排氣壓力和排氣溫度會對壓縮機的安全性造成影響，對系統(tǒng)運行較為不利。通過分析系統(tǒng)部件，可知上述現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是R22系統(tǒng)壓縮機排量過大，與R290不匹配。壓縮機排量過大意味著R290制冷劑流量較大，因此為達到同水平的制熱量，系統(tǒng)所需的傳熱溫差也更大，這就造成R290的壓縮機排氣溫度和壓力更高[18]。因此為同時滿足系統(tǒng)的安全性要求和提高R290在低溫熱泵系統(tǒng)中的整體性能，考慮在系統(tǒng)中更換與R290更為匹配的排量更小的壓縮機。

4 系統(tǒng)優(yōu)化

為保證R290低溫熱泵系統(tǒng)安全高效的運行，將原R22系統(tǒng)中的1.2×-4m3排量的壓縮機更換為更適合R290的8.5×-5m3的小排量壓縮機，此時系統(tǒng)R290的最佳充注量降為2.6 kg。在相同環(huán)境工況下完成測試，并對比改進壓縮機后的R290系統(tǒng)與R22系統(tǒng)性能，如圖6所示。

圖6 R22系統(tǒng)與改進后的R290系統(tǒng)換熱量和COP對比Fig.6 Comparison of heat exchange and COP between R22 system and improved R290 system

由于使用了更小排量的壓縮機，改進后的R290系統(tǒng)總體換熱量略小于原R22系統(tǒng)，但此時R290系統(tǒng)整體COP較原R22系統(tǒng)提升約6.5%。

圖7 所示為R22系統(tǒng)與改進后的R290系統(tǒng)排氣壓力和排氣溫度對比。從壓縮機運行狀況可知改進后的R290系統(tǒng)的排氣壓力與溫度均得到大幅改善：在2 ℃以上工況時，改進后的R290系統(tǒng)能有效降低壓縮機的排氣壓力，在低溫環(huán)境2 ℃以下工況時R290系統(tǒng)也能達到與R22系統(tǒng)相同的水平。改進后的R290系統(tǒng)同時也能大幅降低系統(tǒng)的排氣溫度，特別是在低溫環(huán)境下能使原R22系統(tǒng)的排氣溫度下降36%以上。

圖7 R22系統(tǒng)與改進后的R290系統(tǒng)排氣壓力和排氣溫度對比Fig.7 Comparison of exhaust pressure and exhaust temperature between R22 system and improved R290 system

由以上數(shù)據(jù)可知，對壓縮機進行優(yōu)化后，R290低溫熱泵系統(tǒng)整體性能有一定幅度的提升，特別是大幅降低了壓縮機的排氣溫度，有效提升了系統(tǒng)整體的安全性能。

5 結論

本文在不同工況下分別對R290和R22系統(tǒng)進行性能測試，選擇不同環(huán)境溫度，同一出水溫度下的制熱量、COP及排氣壓力、排氣溫度等參數(shù)進行對比。從實驗的角度分析了低溫熱泵系統(tǒng)中R290替代R22的可行性，通過對比的實驗結果可得出如下結論：

1)R290的熱物理性質基本與R22相近，在汽化潛熱、ODP、GWP等方面優(yōu)于R22，具備替代R22的基本條件。

2)針對R290低溫熱泵系統(tǒng)中壓縮機排量進行優(yōu)化后，能有效降低壓縮機的排氣溫度，提高系統(tǒng)的整體性能。

3)經(jīng)過壓縮機優(yōu)化后的R290低溫熱泵系統(tǒng)性能較原R22系統(tǒng)整體上有較大幅度的提升：COP提高6.5%，低溫環(huán)境下排氣溫度下降36%以上。

4)在低溫熱泵系統(tǒng)中使用R290替代R22具有效率高、安全性好且改動成本低的特點，具有良好的應用前景。