R32房间空调器高频制冷运行系统特性分析

高浩 戚文端 张秋朋 张浩

广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311

随着环保制冷剂替代的推进，R32制冷剂作为R22的主要替代物之一，已经在国内得到广泛推广。由于其良好的热物性，制冷系统的工质充注量相对于R22及R410A较少，同时由于其较高的冷凝压力，传热系数高，汽化潜热大，以及对综合成本的考量，房间空调器运用R32循环工质时换热器面积日渐紧凑。且随着全球气候变暖，制冷季节环境温度上升，对房间空调器的制冷量需求也越来越高，所以在对房间空调器进行设计调试时，根据制冷剂热物性，在制冷高频运行时进行合理控制调试，分析其系统运行特性至关重要。文章[1][2][3]对R32在水平光管及微肋管的管内沸腾换热系数进行实验研究，影响沸腾换热系数的主要因素为热流密度、干度、质量流量等，并结合实验数据，与经典的关联式进行比较，对比其符合程度。业内大多从各换热组件提升换热系数进行研究，但是在以房间空调器制冷系统为整体进行高频率运行的系统分析较少。本文将综合管内外侧，从R32房间空调器制冷系统出发，在其高频运行制冷剂流速较快、室内换热较充分时，通过室外风量变化情况，从R32冷凝换热、蒸发沸腾等变化分析系统运行特性，为实际制冷系统设计及调试提供参考。

1 理论基础

空调器冷凝器侧属于空气横掠管束流动，空气侧的表面传热系数对总传热系数的影响起主要作用[4][5]，空气侧表面换热系数houtl为式（1）：

其中：deq为铜管当量直径，λf为空气导热系数（W/（m·K）），l为翅片宽度（m），Re为雷诺数，C、m、n为系数，其中雷诺数如式（2）所示：

图1 R32制冷剂焓差室测试原理图

图2 空调器制冷量及能效随室外侧风量变化图

其中：u为风速（m/s），v为空气运动粘性系数（m2/s）。

由式（1）及式（2）可看出，室外侧风量变化同时风速改变，影响着空气侧的雷诺数，从而影响到空气侧的表面传热系数。室外侧风量越大，对流换热系数越高，换热性能越好。

但是改变空调器室外侧风量，从管外侧会影响冷凝器空气侧的铜管表面传热系数，同时会影响冷凝压力，从而使节流机构两端压差产生变化，系统内冷媒流量以及进入蒸发器的干度也随之改变，制冷剂的质量流量、干度越大，沸腾换热系数也会随之增大，从而影响到系统制冷量。本文将通过焓差试验台，考察室外侧风量对R32制冷剂房间空调器高频率运行时性能的综合影响。

2 实验研究

为对比搭载R32制冷剂的房间空调器在制冷工况下压缩机高频运行时的系统运行特性随室外侧风量变化情况，本文选取额定制冷量为3.5 kW的房间空调器，其额定运行频率为57 Hz，高频运行频率为88 Hz，在焓差室进行房间空调器的制冷量、功率以及各温度点的采集。焓差实验室的测试原理图如图1所示，通过空气处理装置控制室内外环境的温湿度，通过测量室内机进出口压差及温湿度、空气流量来计算焓值，以此计算出制冷量。温度传感器采用日本千野的Pt-100铂电阻四线，精度A级，湿度传感器采用芬兰维萨拉的HMT120，精度为±1.7% RH以上，微差压变送器采用EJA120A，测量范围-50 Pa～450 Pa。并增加专用冷媒浓度检测装置，提高安全系数。本文实验所设定工况温度为，室内干湿球温度27℃/19℃，室外35℃/24℃。

空调器制冷量及能效随室外侧风量变化情况如图2所示。控制室外侧风量从1560 m3/h上升至2610 m3/h，外侧风量逐渐增大的过程中，制冷量先随之上升，在2010 m3/h时达到峰值，而后室外侧风量越大，制冷量越小，与峰值相比，制冷量下降4.51%，其中相对制冷量为制冷量与额定制冷量的比值。而能效则是先快速上升，在2160～2460 m3/h几乎不变，而后随室外风量继续增加而减小。这是由于随着室外风量的加大，冷凝侧换热优化，冷凝压力变小，制冷系统的功率随室外风量增加而下降，同时伴随制冷量增加，能效快速上升至3.42。在制冷量达到峰值后下降过程中，功率同时在降低，能效几乎维持不变，直至能力降低速率高于功率下降速率后，能效随之下降。

通过比较室内机蒸发器进出口温度随室外风量的变化情况，如图3所示，图中曲线为蒸发器入口温度减去蒸发器出口温度的差值，随着室外风机转速提高，室外侧风量增大，蒸发器入口温度由大于蒸发器出口温度转变成小于蒸发器出口温度，制冷量在入口温度高于出口温度2℃左右达到峰值，随后迅速降低。这是由于制冷剂在蒸发器管内流动沸腾换热时存在一定压力损失，制冷剂的饱和温度随之下降，从图4可以看出，随着室外侧风量的增加，冷凝器中部温度降低，两相区冷凝压力随之下降，蒸发器中部温度下降。在压缩机频率运行不变的情况下，由于节流前后压差变小，系统的制冷剂质量流量减小，蒸发器内部在饱和温度降低与质量流量减小的综合作用下，由部分制冷剂未充分沸腾蒸发阶段，发展至充分换热阶段，当室外侧风量增加至蒸发器出口温度大于入口温度时，出现部分过热，风量越大，蒸发器过热越严重，造成压缩机回气温度及排气温度升高，蒸发器后段冷媒已完成汽化，无汽化潜热产生，换热面积未充分利用，制冷量下降。由于R32制冷剂比热容小，传热系数高，系统冷媒充注量少，系统质量流量受压差变化影响更加明显，高频运行时系统制冷剂流速快，沸腾换热系数高，蒸发器过热更易发生。

3 结论

通过理论分析及实验研究可知，R32房间空调器由于较少的制冷剂充注量、较高的传热系数以及较小的换热面积，在制冷高频运行时，制冷量随室外侧风量的提升，先上升至极大值，后随着风量越大，冷凝温度下降，节流部件前后压差减小，制冷剂质量流量减小，蒸发器内制冷剂沸腾加快，以致发生过热，有效蒸发换热面积减小，制冷量相对峰值下降4.51%。在运用R32制冷剂充当工质时，设计调试制冷系统需要充分考虑其热物性，根据蒸发器进出口温差判断是否过热蒸发，合理调节室外侧风量，以达到系统运行最优。

图3 蒸发器入口温度与蒸发器出口温度差值随室外侧风量变化图

图4 空调器各系统温度点随室外侧风量变化图