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[分享] R290空调器的优化设计原则

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一、引言

R22由于其优良热力学性能和安全性能,在上世纪就成为空调器中的主流制冷剂。但R22属于HCFC类制冷剂,其ODP=0.05,属于《蒙特利尔协定书》规定的需要被淘汰的破坏臭氧层工质。因此,需要寻找性能优良且ODP=0的制冷剂来替代R22。

空调器中,在众多可选的R22替代制冷剂中,R410A是目前应用最广泛的工质。R410A属于HFC类制冷剂,其ODP=0。在空调器中,用R410A替代R22时,经过优化设计,空调器的性能可以略高于R22空调器。但是R410A的GWP=1890,比R22还略高(R22的GWP=1600),R410A的应用虽然可以避免臭氧层的破坏,但仍会带来严重的温室效应。根据京都议定书,R410A还是要被淘汰。

在寻求ODP=0且GWP较低的空调器制冷工质中,R290受到广泛关注。R290具有热力性能优良,价格低廉,与普通润滑油和机械结构材料兼容性好的特点;R290的ODP=0,GWP≈20,不需要人工合成,其GWP可视为0,其产生的温室效应可以忽略,因此R290是理想的替代制冷剂。

现有空调器中,大多采用R22和R410A作为制冷剂,如果将R290直接充注到R22系统或R410A系统,可能会导致压缩机异常工作,制冷系统性能下降等后果,为保证系统热力性能最佳,需要对空调器进行优化设计。但是R290属于A3类制冷剂,其燃点为468℃,在空气中的燃烧极限为2.2%~9.5%(体积分数),空调系统充灌R290后可能存在的与燃烧相关的安全性问题是必须予以考虑。即在优化设计R290空调器的同时,还需要保证空调器的安全性。因此本文在提出的R290空调器优化设计原则的同时,对于保证R290空调器的安全性提出建议。


二、R290空调器优化设计原则

R290空调器性能最优的设计原则,是在分析比较R290、R22、R410A热力性能的基础上得到。

1、设计工况下的理论制冷循环性能

空调最主要的设计工况为:室内温度为27℃,室外温度为35℃。取室内传热温差17℃,室外传热温差10℃,即蒸发温度为10℃,冷凝温度为45℃;取过冷度8℃,过热度5℃,即过冷温度为37℃,压缩机吸气温度为15℃;压缩过程为等熵过程。上述工况下,R290、R22、R410A的基础物性见表1和表2;其理论制冷循环性能见表3。

表1-表3的结果,可用于进一步分析可得包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置这四大部件的R290空调器优化设计准则。


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2、R290空调器压缩机优化设计准则

R290空调器压缩机优化设计准则主要包括压缩机排量和润滑油两方面。

对于压缩机排量的选择,由于三种制冷剂单位容积制冷量:R290(3845 kJ/m3)< R22(4569 kJ/m3)< R410A(6607 kJ/m3),即R22的单位容积制冷量是R290的1.19倍,R410A的单位容积制冷量为R290的1.72倍,为了保证新系统的制冷量不小于原系统,需要增加压缩机排量,其中:R22系统转化为R290系统时,压缩机排量应增大19%左右;R410A系统转化为R290系统时,压缩机排量应增大72%左右。

对于润滑油的选用,由于R290,R22,R410A与润滑油的相容性不同(R290、R22与矿物油相容,R410A与多元脂相容),为了保证压缩机正常工作:R22系统转化为R290时,不需要更换润滑油,润滑油仍为矿物油;R410A系统转化为R290时,需要更换润滑油,润滑油由多元脂换为矿物油。

3、R290空调器冷凝器优化设计准则

传热分析根据Shah提出的管内冷凝关联式得到。将关联式根据干度从入口到出口进行积分,得到冷凝段近似平均值,如式(1)所示:


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在冷凝温度下,饱和液态动力粘度:R290(7.891×10-5 Pa&#8729;s)< R410A(9.063×10-5 Pa&#8729;s)< R22(12.96×10-5 Pa&#8729;s),饱和液态导热系数:R22(0.07398 W/(m&#8729;K))< R410A(0.07431 W/(m&#8729;K))< R290(0.08547 W/(m&#8729;K))。

当系统制冷量相同,且管径相同时,R290的换热系数是R22的1.14倍,是R410A的0.94倍。因此,当换热量相同,R290替代R22,冷凝器可采用小管径换热器;R290替代R410A时,冷凝器管径可不做变化。

然而在R290替代R22时,冷凝器管径减小后,管内制冷剂的流动阻力会增大,导致制冷剂压降上升,使得冷凝器的换热性能下降。为了保证冷凝器压降处于合理范围内,在设计R290空调器时,需要考虑多分路,以缩短每个分路流程;同时需优化流路,从而保证制冷剂分流均匀。

4、R290空调器蒸发器优化设计准则

对于管内强制沸腾对流,采用Chen模型,如式(3)所示:


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在蒸发温度下:饱和液态动力粘度:R290(11.54×10-5 Pa&#8729;s < R410A(14.73×10-5 Pa&#8729;s)< R22(18.5×10-5 Pa&#8729;s),饱和气态动力粘度:R290(0.815×10-5 Pa&#8729;s)< R22 (1.259×10-5 Pa&#8729;s)< R410A(1.265×10-5 Pa&#8729;s),饱和液态密度:R290(514.5 kg/m3)< R410A (1133 kg/m3)< R22(1238 kg/m3),饱和气体密度:R290(13.78 kg/m3)< R22(26.63 kg/m3)<R410A (41.94 kg/m3),饱和液态导热系数:R22(0.09023 W/(m&#8729;K))< R410A(0.09814 W/(m&#8729;K))< R290(0.1026 W/(m&#8729;K))。

当系统制冷量相同,管径相同时,R290的换热系数是R22的1.12倍,是R410A的0.76倍。因此,当换热量相同,R290替代R22时,蒸发器可采用小管径换热器;R290替代R410A时,蒸发器需要增加换热器的管排数,从而确保换热量。

然而,蒸发器管径的减小会使管内阻力增加,换热器压降增大,这势必会导致系统性能的下降。为了使制冷剂在蒸发器中的压降处于合理范围,应采用多流路。然而流路数增多,且制冷剂进口状态为两相时,分流不均会对系统性能造成很大影响。因此,设计R290空调器时,应适当增加分流数,以缩短每个分路流程;同时需优化制冷剂流路,保证分流均匀。

5、R290空调器节流装置优化设计准则

以毛细管为例,假设毛细管截面面积均匀、管内制冷剂为一维绝热均相流动、不计重力影响,根据流体力学,制冷剂通过毛细管后的压降Δp可由以下公式算得:


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根据式(11),当制冷系统的制冷量相同,且毛细管管径不变时,R290系统的毛细管长度约为R22系统的1.39倍,是R410A系统的0.44。因此,为了保证制冷性能,需要重新匹配毛细管长度:当R290替代R22时,系统的毛细管应加长,需增加30%左右;当R290替代R410A时,系统的毛细管应缩短,需减少44%左右。


三、R290空调器的安全保证

由于碳氢制冷剂R290的可燃性,且在一定浓度范围内才会燃烧,所以减少制冷剂充注量是保证R290在家用空调器上安全使用的有效手段。在IEC 60335-2-40和EN 378-1:2008中均对空调器使用碳氢制冷剂的最大安全充注量做了限制,其中R290空调器在10平米房间内按2.2m的安装高度时,其充注量不允许超过290g。

EN60335-2-40规定的HCs工质最大安全充注量计算公式为如式(12)所示:


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采用不同工质时,空调器需要的制冷剂充注量是不一样的。由于制冷剂的液体密度远远大于其气体密度,所以系统制冷剂的充注量主要取决于制冷剂液体密度。同样蒸发温度下,R290的饱和液体密度是R22的42%,是R410A的45%;同样冷凝温度下,R290的饱和液体密度为是R22的42%,是R410A的48%。因此,在相同体积的系统中,R290空调器制冷剂的充注量约为R22的42%,R410A的47%。一般一匹R22空调器,其充注量约为850g,若不改变系统,直接充注R290,R290充注量为357g&#707;290g,即高于安全充注量。为此必须通过降低内容积来使需要的R290达到安全范围。

由于空调器冷凝器中的制冷剂约占整个循环系统的40%~50%左右,应当优先考虑通过减少冷凝器的内容积来减少充注量。如果采用5mm小管径换热器来代替7mm管,最大可减小冷凝器50%的体积。对于原来一个357g充注量的R290空调器,有望降至267~285g,即达到低于290g的安全充注量要求。此例说明,对于一匹空调器,通过采用5mm管,可以达到充注量的安全性要求。



三、总结
  • R290空调器的压缩机需要采用较大的排量:R22系统转化为R290时,压缩机排量需增加19%左右;R410A系统转化为R290时,压缩机排量需增加72%左右。

  • R290空调器的压缩机润滑油选择视情况而定:R22系统转化为R290时,不需要更换润滑油,润滑油仍是矿物油;R410A系统转化为R290时,需要更换润滑油,将原来的多元脂更换为矿物油。

  • R290空调器冷凝器,宜选用小管径换热器,以利于通过减少充注量来提高安全性,同时发挥R290换热系数较高的优势。

  • R290空调器,可选用小管径换热器,但需要增加制冷剂的流路数,以防止压降过大。

  • R290空调器采用毛细管时,需要重新匹配毛细管长度:R22系统转化为R290系统时,毛细管长度应加长39%左右;R410A系统转化为R290系统时,毛细管长度应缩短44%左右。




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