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家用空调系统制冷剂充注量的研究

2021-10-09 来源:画鸵萌宠网
第10卷第2期 2 0 1 0年4月 制冷与空调 REFRIGERATION AND AIR—CONDIT10NING 75 79 家用空调系统制冷剂充注量的研究 钱文波 冯永斌摘 要晏刚 (in安交通大学) 对1台制冷量为2.5 kW的家用空调器进行研究,建立该空调器稳态分布参数仿真模型。研究系 统中各部件的制冷剂分布情况:冷凝器中制冷剂分布最多,随着充注量的增大,冷凝器中制冷剂量增大,份 额由38.6 变化到62.1 ,而其他部件中制冷剂量基本保持不变。从各部件充注量变化的角度分析充注 量与系统其他参数之间的关系:当充注量增加时,系统冷凝温度、冷凝压力、排气温度、过冷度增加,蒸发压 力略有下降,质量流量减小,COP值先增后减。重点研究充注量、COP和过冷度3者的平衡关系。 关键词制冷剂分布;过冷度;充注量;COP;空调 Study on refrigerant charge of domestic air-conditioning system Qian Wenbo Feng Yongbin Yan Gang (Xi’an Jiaotong University) ABSTRACT Develops a distributing model and carries out the system simulation on one 2.5 kW cooling capacity domestic air—conditioning.Carries out research in parts of the system’S refrigerant distribution which refrigerant in condenser is the largest,with the in— creasing charge amount of the refrigerant,the refrigerant in the condenser refrigeration in— creases from 38.6 to 62.1 ,and refrigerant in the other parts of system is basically un— changed.Analyzes the relationship between charge amount and the other system parame— ters from the point of view of the changes about the amount of charge in the components, with the charge amount increasing,the condensing temperature,condensing pressure, discharge temperature and sub—cooling increase,the evaporating pressure slightly de— clines,mass flow rate reduces,COP increases after the first cut.Primarily researches the balance relationship among the charge amount,sub—cooling and COP. KEY WORDS refrigerant distribution;sub~cooling;charge amount;COP;air—conditioning 制冷剂的充注量是影响小型制冷系统性能的 管的实验方法。Jose M.Corberan等 分析了1 台R290热泵最优充注量的确定,最优充注量与所 主要参数之一,对此国内外专家学者进行了大量 的研究工作。国内有些学者研究了毛细管的长度 和最优充注量的匹配关系l_1。],杨峰等 研究了1 使用润滑油的联系;Primal Fernando等 对1台 R290小型热泵进行最优充注量实验,分析了对数 台使用R290/R600a制冷剂的冷柜的最优充注量; 张萍[5 采用最大制冷系数法确定了制冷装置在额 定工况下,膨胀阀的最佳开启度及最佳充注量的 关系;王建栓等l_6 比较了用R290替代R22,R290/ 平均温差(LMTD)与最优充注量的关系。 但是,关于充注量对制冷系统性能影响的研 究一般都是以具体的实验为基础,虽然能反映充 注量对具体制冷系统性能影响的趋势和大小,但 因实验的离散性突出,工作量大,而难以推广;再 R600a替代R12后,最优充注量的变化情况。傅 明星等[7 提出了一种以小型空调器最大性能系数 COP为目标来确定制冷剂最佳充注量和匹配毛细 收稿日期:2009 07—08 者,一般研究的对象都是以毛细管作为节流元件, 由于毛细管对流量的调节能力差,难以实现对过 通信作者:钱文波,Email:kt31.qwbb@stu.xjtu.edu.ca 制冷与空调 第10卷 热度的控制,所以,环境温度和充注量的变化都会 m =l ID(f,p)d (4) 引起系统循环图的变化,使系统性能的分析计算 变得复杂,直观性、可比性较差;最重要的一点,很 少有研究人员研究空调器各个部件的制冷剂分布 情况,对充注量的研究主要集中在通过系统相关 参数性能的变化以确定最优充注量,但对于引起 这些参数变化的内在原因却研究得很少。笔者通 过建立相应的充注量模型,对1台使用膨胀阀的空 调器各个部件中的制冷剂分布随制冷剂充注总量 1)蒸发器过热区、冷凝器过冷区、冷凝器过热 区制冷剂量 : )dV+ lD(t)dV+ ) (5) 2)连接管路中的制冷剂量 连接管路中制冷剂温度变化不大,故采用管 变化的情况进行研究,并分析系统其他参数随充 注总量变化的根本原因。 1 稳态分布参数模型的建立 对于制冷系统各个部件(压缩机、蒸发器、冷 凝器、膨胀阀)的稳态分布参数模型,已有很多研 究人员进行了研究,并且已经比较成熟 “]。笔 者侧重建立制冷系统充注量模型,区别于以往对 充注量模型的研究,笔者在研究总的充注量的基 础上,侧重研究各部件制冷剂量的计算。 充注量计算的难点在于两相区空泡系数的确 定 ,空泡系数与制冷剂物性、制冷系统结构参数 有关,须深入探讨。近几年对空泡系数的研究比 较重视相间滑动比对两相区质量计算的影响。空 泡系数的模型一般分为4种:均相模型、滑移比模 型、修正模型以及考虑质量流率的模型。 1.1首先选择合适的空泡系数 空泡系数是两相混合物在任一流动界面内气 相所占的总面积份额,又称截面含气率或者真实 含气率,其表达式为 口:A /A (1) 根据文献[11-123,在计算中等制冷剂流量时, 对于空调器制冷工况下空泡系数宜采用Hugh— mark模型(考虑质流率的修正模型): a KH (2) +( ) KH=_厂(Z) (3) 式中:Z又是a的函数,所以在计算空泡系数 时, 必须经过迭代计算。 1.2单相区制冷剂充注量 单相区的主要有蒸发器过热区、冷凝器过冷 区、冷凝器过热区、连接管路、压缩机壳体空腔、干 燥过滤器等。由于单相区的制冷剂密度计算较为 简单,因此处于单相区的各部分制冷剂量可用式 (4)计算: 路中的平均温度计算制冷剂的密度。 mp =p(tpipe) pipe (6) 3)压缩机中的制冷剂量 压缩机壳体空腔中制冷剂气体的温度分布较 为均匀,而汽缸、吸排气腔及缓冲腔的内容积很 小,可以忽略,故压缩机中的制冷剂量计算采用壳 体中气体平均温度计算密度。 。m=p(t 。 )Vo。 (7) 4)干燥过滤器中的制冷剂量 干燥过滤器虽然体积不大,但由于此中一般 为过冷液体,故贮存的制冷剂量也不少。制冷剂 在干燥过滤器中的温度变化不大,采用平均温度 计算密度。 =p(tn 】t)V.1 (8) 1.3两相区制冷剂充注量 在制冷系统当中,制冷剂在蒸发器和冷凝器 中质量内存是最大的,而在这2个部件中制冷剂绝 大部分以两相态存在,所以两相区制冷剂质量的 确定是整个制冷系统制冷剂质量计算的关键。 MyP=I¨[a +(1一a)pf]Ad8 (9) 式中:A是流道内截面积;L 是两相区长度;口是 空泡系数。 2仿真算法 首先,通过已知蒸发器过热度(其他的结构参 数与环境参数见约束条件)求整机的充注量。冷 凝器和蒸发器采用的是稳态集总参数模型,充注 量计算采用了考虑质量流率的数学模型[1“,算法 流程图如图1所示。 其次,根据充注量模型得出充注量,利用系统 仿真模型计算在不同充注量下的各种性能参数。 以通过不同的充注量仿真计算得到的充注量为参 考,选取一系列在此充注量附近的充注量值,并将 第二流体风速和进水温度作为已知条件,确定系 统的各个参数和不同充注量之间的关系。系统仿 第2期 钱文波等:家用空调系统制冷剂充注量的研究 开始 输入结构尺寸和已知条件 假设冷凝温度r,c和蒸发温度 调整 『 是l 了 调整凡 是● 面茗 图1算法流程图 O ∞ 跚 真模型的算法见参考文献[13]。 3 约束条件 所选取的空凋器的冷量大约为2.5 kW,充注 制冷剂为R22,空调器采用膨胀阀调节,控制过热 度为5℃,换热器的几何结构参数如表1所示。换 热的第二制冷剂均为空气。其中蒸发器和冷凝器 的流路数均为1。 表1 换热器的几何结构参数 选择2P16C235A—SA型号压缩机,具体参数 如表2所示。 表2压缩机参数 排气量/(cm /r) 5.66 转速/(r/min) 2 900 热损失率 5 输入功率/W 800 冷量/kW 2.576 注油量/cm 1 500 4计算结果与分析 计算结果均是采用稳态分布参数法计算得 到。图2所示为系统制冷剂总充注量增加时,系统 各个部件内制冷剂量的变化情况。 ∞ \ 鲫 O 亲 0 ∞ ∞ 0 0 O 如 加 O O 嚣 700 800 900 l 000 1 100 I 200 I 300 l 400 制冷剂充注总量/g 图2各部件中制冷剂量随充注总量变化曲线 由图2可以看出,随着系统总充注量的增加, 冷凝器内制冷剂量增加的最多,蒸发器内制冷剂 量也稍微有点增加,而管路内和压缩机内的制冷 剂量基本上没有变化。当系统总充注量为747 g 时,冷凝器内制冷剂有288 g,占38.6Voo;当系统制 冷剂总充注量增加到1 313 g时,冷凝器内制冷剂 量有816 g,占62.1 ,冷凝器内制冷剂量增加了 528 g左右,其增加量占充注量增加量的93.3 9/6。 可见增加的制冷剂量主要集中在冷凝器内,这也 就提供了一个减少系统制冷剂充注量的方法,即 提高冷凝换热器的换热效率,减小冷凝器的体积, 特别对于对充注量有严格限制的制冷剂,使用换 热效率高的微通道换热器将会在很大程度上降低 冷凝器内的制冷剂量而达到安全标准要求。 制冷系统中各部件内制冷剂量变化趋势影响 了系统其他参数随充注量的变化。笔者从各部件 内制冷剂量的变化情况入手分析冷凝温度、冷凝 压力、蒸发压力、质量流量、排气温度、过冷度、 c0P等参数随充注量的变化规律以及原因。 O 制冷与空调 第10卷 图3所示为冷凝温度、冷凝压力和蒸发压力随 系统制冷剂充注总量的变化情况。由图可知:① 冷凝温度随着系统制冷剂充注总量的增加而增 大。这主要是因为充注量的增加量基本都集中在 冷凝器内,即冷凝器内积液增加,而冷凝器本身容 积是不变的,所以两相段长度变短,相变换热面积 减少,故必须增大传热温差,这导致冷凝温度升 高。②随着系统制冷剂充注总量的不断增加,冷 凝压力不断增加,而蒸发压力基本保持不变。这 7OO 800 900 1 000 l 1O0 1 200 1 300 l 400 也是由各部件内充注量变化所决定的,因为制冷 剂增加量主要集中在冷凝器内,这使得冷凝温度 升高,而冷凝温度的升高必然导致冷凝压力的升 高。③随着制冷剂充注总量的增加,蒸发器中充 注量基本保持不变,因此蒸发压力变化不大,有很 微小的下降趋势。 凸_ \ 幽 充拄总量/g 图3冷凝温度、冷凝压力和蒸发压力随 制冷剂充注总量变化曲线 图4所示为质量流量和排气温度随制冷剂充 注总量的变化情况。由图可知:①当系统制冷剂 2 0 O O O 5 2 O ^∞/暑O 20  \捌蜷棚峰 5 9 ;O O 9 0 5 8 O  充注总量增大时,质量流量减小。这主要是由于 蒸发器内制冷剂量变化很小,蒸发器内压力有很 小的下降,所以压缩机吸气比容增加,又因为压缩 机排气量恒定,所以质量流量减小。②随着系统 充注量的不断增加,系统的排气温度不断增加。 这主要是因为冷凝器内充注量的增加导致冷凝压 力升高,而蒸发压力稍有下降(见图3),从而使得 压力比增加,最终导致排气温度升高。 图5所示为COP和过冷度随系统制冷剂充注 总量的变化情况。由图可知,随着系统充注量的 不断增加,过冷度一直增加。这主要也是由各部 件内充注量变化情况(见图2)所引起的系统其他 参数的变化导致的。下面从2个角度分析过冷度 随充注量的变化情况:一方面,假如过冷段终点 充注总量/g 图4质量流量和排气温度随制冷剂充注总量变化曲线 (即冷凝器出口)温度增加,因为过冷段起始温度 (即冷凝温度)增加(见图3),所以制冷剂侧的温度 是升高的,而空气侧温度变化很小,所以过冷段管 内制冷剂与管外空气换热过程的换热温差增加。 又因为过冷段的长度增加,所以换热面积增加,换 热量增加(Q7-.KA△丁,K为换热系数,A为换热面 积,AT为换热温差)。此时,换热量又与制冷剂侧 的焓值变化相同。Q=研c AT2( 为质量流量,C 为比热容,△ 为过冷度)中, 稍有减小(见图 4),f 在制冷剂单相流动中基本不变。所以△T2 必定增加,即过冷度增加。另一方面,假如过冷段 终点(即冷凝器出口)温度减小,因为过冷段起始 温度(即冷凝温度)增加,过冷度等于冷凝温度和 冷凝器出口温度的差值,所以过冷度增加。 3・9 3O 3.8 25 2O 3.7 §3.6 10螽 3・5 3.4 O -5 600 700 800 900 l 000 l lO0 l 200 充注总量/g 图5 COP和过冷度随制冷剂充注总量变化曲线 由图5可以看出,随着充注总量的不断增加, 系统的COP值是先增大后减小,在充注总量为 811 g时C0P达到最大值。这主要是因为当系统 充注总量增加时,冷凝压力增加(见图3),过冷度 也增加。冷凝压力的增加导致压比的增大,耗功 增加,COP减小;过冷度的增加会增加制冷量,从 而增大COP。所以两方面因素综合影响导致系统 第2期 钱文波等:家用空调系统制冷剂充注量的研究 COP有最优值。因此,可以利用充注总量、过冷度、 C0.P三者之间的关系确定达到最优COP值时的须充 注的制冷剂量。譬如在笔者所选择的系统中,充注量 在811 g时,系统的CoP值最大,此时系统的过冷度 大概在4 K左右,此时系统性能是最优的,即4 K的 过冷度是此系统充注总量最优的表征值。 5 结论 E2] 邵双全,石文星,李先庭,等.空调系统制冷剂充注量与 毛细管长度的优化匹配研究.流体机械,2002(2):45—48. E3]郭朝红,何绍书,郇中杰.冷柜系统最佳充注量的实 验研究与理论分析.流体机械,2003(05):43—46. E43杨蜂,刘志刚,金晓春.HCs冷柜系统最佳充量的实 验研究与理论分析.家电科技,2004(08):75—78. [5]张萍.小型家用空调器最佳膨胀阀开启度及充灌量的 实验与分析.中国科技信息,2008(18):7-12. [6]王建栓,张于峰,张志红.天然制冷剂充注量的计算 与试验.流体机械,2003(01):44—47. 1)在制冷系统中,制冷剂主要在分布在冷凝器 中,并且当充注总量增加时,增加的制冷剂主要在冷 凝器中,其余部件的制冷剂量基本上没有增加。可以 利用这点,通过设计高换热效率的冷凝器来减少系统 充注量,这对于对充注量有严格限制的制冷剂非常重 要。同时,充注量增加时,各部件中制冷剂的分布情 况决定了系统其他参数的变化规律。 2)随着系统制冷剂充注总量的增加,系统冷 [7]傅明星,孙淑凤,曹琦。确定空调器最佳充注量的实 验研究.流体机械,1999(04):38—42. 1 8 l Jose M Corberan,Israel O Martinez,Jose Gonzaluez. Charge optimization study of a reversible water-to-water propane heat pump.Int j of Refrig,2008,31:716—726. [9]Primal Fernando,Bjorn Palm,Per Lundqvist.Propane heat pump with low refrigerant charge:design and la— 凝温度、冷凝压力、排气温度、过冷度增加,蒸发压 力略有下降,质量流量减小,COP值先增后减。 3)制冷剂充注总量影响过冷度,而过冷度影 响CoP,最终C0P反过来影响充注量。可以利用 boratory tests.Int J of Refrig,2004,27:761-773. ElO]丁国良,王险峰.小型制冷装置HFC134a和HFC152a 充注量的研究.流体机械,1995(8):47 50. r11] Farzad M,O’Neal D L.Effect of void fraction model on estimation of air conditioner system performance variables under a range of refrigerant charging condi— 这一点,在采用膨胀阀调节的空调器中,通过测量 系统的过冷温度来确定达到最优COP值时的须 充注的制冷剂量。 参考文献 Eli袁秀玲,张华俊,金文谦,等.空调系统毛细管长度和 制冷剂充注量最佳匹配的实验研究.家电科技,1996 (2):12—15. tions.International Journal of Refrigeratjon,1 994, 17(2):85—93. [12]马小魁,丁国良,张平,等.R410A空调器空泡系数 模型适用性的实验验证.上海交通大学学报,2007 (03):387—392. [13]丁国良,张春路.制冷空调装置仿真与优化.北京: 科技出版社,2001:116 112. 宣i}业坐啦坐出 § 生啦 ;鲁 妊 业宣 坐业业 船 妊坐 坐 j j 夸;窖坐 》kr业 宣妊啦 I j妊 出生鞋 业 jj} 譬生 (下接第87页) 靠。为寒冷地区推广应用海水源热泵技术提供了 可借鉴的成功经验。 义在于节能减排的社会效益,减少一次性不可再 生能源的消耗,减少有害物质的排放,不污染海 水,不污染生存环境,不产生温室效应。因此是一 项节约能源、保护环境的绿色环保技术。 参考文献 [1]李霞.大连冰轮友联在节能环保领域创新发展铸辉 煌[EB/OL ̄.中国高新技术导报E2007—11-a2].ht— tp://paper.chinahightech.corn.en/html/2007 l 1/12/ content——2)攻克耐海水腐蚀的难关。采用耐海水腐蚀 的玻璃钢材质替代钢材,试制成功具有过滤及反 冲功能的除砂器。研发了海水井专用多孔水泥管 井壁,改善了井水质量,提高了井的使用寿命等多 项防腐措施。 3)实施对地下热源的保护,将供暖初始相对 温度较高的海水截流回灌,防止热资源初期无端 地消耗和浪费。 1 13.htm. 4)采用海水源热泵技术供热制冷最重要的意 

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