R404A在螺杆乙二醇机组中替代R22性能试验研究

= = = = = =研 究 论 文 杆 乙 二 醇 机 组 中 替 代 试 验 研 究*刘 艳 丽（ 西 安 交 通 大 学 能 动 学 院 大 连 冰 山 集 团 博 士 后 工 作 站 大 连 116033）王 智 明 周 海 峰（ 大 连 冰 山 集 团 设 计 研 究 院 大 连 116033）摘 要 为 研 究 共 沸 混 合 制 冷 剂 143a/44/52/4 替 代 可 行 性 和 适 用 性 ， 将 原为 计 的 启 式 螺 杆 乙 二 醇 机 组 稍 加 改 动 ， 充 入 冷 剂 ， 在 不 同 工 况 下 进 行 性 能 试 验 。 试 验 结果 表 明 ， 与 杆 乙 二 醇 机 组 相 比 ， 工 作 压 力 、 制 冷 量 、 消 耗 功 率 分 别 增 加 20%、 2% 6%和 12% 15%，排 气 温 度 和 分 别 下 降 8% 19%和 10%。关 键 词 热 工 学 ； 替 代 工 质 ； 试 验 研 究 ； 性 能404A 22 Po 116033， ln to of a FC 404A（ 143a/44/52/4 a an 22， 22 wa 404A. of re of 22， of 404A e 0%， 2% - 6% 2% - 15% re di 10 OP e by 0% 言臭 氧 层 破 坏 和 全 球 气 候 温 暖 化 已 成 为 当 今 世 界所 面 临 的 主 要 环 境 问 题 ， 也 是 制 冷 和 空 调 业 近 年 来所 遭 遇 的 严 峻 考 验 和 挑 战 。 根 据 1992 年 修 订 后 的“ 蒙 特 利 尔 公 约 ” 规 定 ， 限 制 和 淘 汰时 间 均 被 提 前 。 因 此 ， 制 冷 剂 的 替 代 工 作 异 常 紧 迫 ，寻 求 既 满 足 环 保 要 求 又 保 证 制 冷 和 空 调 系 统 性 能 的新 型 制 冷 剂 已 成 为 当 前 世 界 范 围 内 相 关 企 业 和 科 研机 构 的 研 发 重 点 。目 前 ， 制 冷 剂 其 良 好 的 工 作 性 能 仍 广 泛应 用 于 制 冷 和 空 调 业 。 迄 今 ， 人 们 还 没 有 发 现 一 种完 美 的 制 冷 剂 能 够 彻 底 替 代 但 有 关 研 究 1 4认 为 ， 为 零 和很 小 的 冷 剂有 望 替 代 比 如 。 其中 ， 非 共 沸 混 合 制 冷 剂 有 与 标 准 沸 点- 较 为 相 近 的 热 物 理 性 质 ， 其 标 准 沸 点 为- 无 毒 ， 安 全 性 高 ， 温 度 滑 移 小 （ 约 ，压 力 和 容 积 制 冷 量 也 与 有 相 当 的 可 比 性 。因 此 ， 在 原 组 上 进 行 较 小 改 动 ， 直 接 用 成 为 可 能 。 但 一 直 以 来 ， 有 关 研 究 5 7大 都 是 针 对 其 替 代 开 的 ， 关 于 其 替代 报 道 却 较 为 罕 见 。 为 此 ， 本 文 在 原 启 式 螺 杆 乙 二 醇 机 组 基 础 上 ， 稍 加 更 换 相 关 部 件 和材 料 ， 将 入 机 组 进 行 性 能 试 验 ， 以 检 验 其替 代 可 行 性 和 适 用 性 ， 为 顺 利 替 代 提供 有 力 参 考 和 可 靠 依 据 。2 试 验 装 置 、 方 法 和 条 验 装 置试 验 机 组 为 大 连 冰 山 启 式 螺 杆 乙 二52*收 稿 日 期 ： 2004 年 11 月 1 日第 26 卷 第 4 期2005 年 12 月 螺 杆 乙 二 醇 机 组 中 替 代 能 试 验 研 究26， 42005醇机组，其流程简图和主要测点如图 1 所示。该机组主要由压缩机组、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、电控箱和其他附属部件及管路等组成。其中，压缩机组包括 启式螺杆压缩机、外置电机、联轴器、高效油分、油冷和油泵等；冷凝器为卧式管壳式换热器，四流程，管程为水，壳程为制冷工质；蒸发器采用卧式干式管壳式换热器，两流程，管程为制冷工质，壳程为乙二醇；热力膨胀阀为 ；其他附属部件包括干燥过滤器、吸气过滤器等；管路主要由吸气管路、排气管路、液体管路和油路等组成。图中标有 P、 T 和 V 字母处分别代表压力、温度和体积流量的测量点。图 2 为 启式螺杆乙二醇机组试验时照片。图 1 试验用 启式螺杆乙二醇机组流程简图及主要测点图 2 试验用 验方法为了解和掌握 代 可行性和适用性，分别对 启式螺杆乙二醇机组进行性能试验。（ 1）试验准备阶段将原 启式螺杆乙二醇机组冷凝器冷却水的进、出水管和蒸发器乙二醇的进、出管分别与试验室相对应的水和乙二醇系统连接好；分别在油分粗滤段、压缩机吸气端和冷凝器上放置高精密压力表（或压力传感器），以测量压缩机排气压力 气压力 c；为测得冷凝器冷却水进、出水温 发器乙二醇进、出口温度 别在对应管路上设高精度温度计；启动功率消耗测量系统、电子流量计和数据采集系统。（ 2） 组性能试验将矿物油和 冷剂依次充入 启式螺杆乙二醇机组中，在不同工况下进行性能试验。机组的制冷量 热容 积流量 凝器热负荷组消耗功率 N 由功率表测得；监测压缩机 d、喷油压力 油温度 便与 组工作性能进行比较。（ 3） 组性能试验62第 26 卷 第 4 期2005 年 12 月制 冷 学 报26， 42005回收原机组内的 冷剂和润滑由，并彻底清洁系统；更换原机组的热力膨胀阀；将 滑油和 进机组；在对应工况下，测试 d、 N 和 性能参数和指标。验条件在对 杆乙二醇机组进行性能试验时，压缩机 100%负荷运转；冷却水进出水温分别为30和 35；乙二醇密度 1037kg/1050kg/二醇出口温度 - 15 0，乙二醇进、出口温差（ 5；吸气过热度 5。用于测量温度、压力、流量和功率消耗的仪器、仪表最大误差不超过 1%。3 气压力和吸气压力图 3 和 4 分别给出 杆乙二醇机组排气压力 3 组 较图 4 组 较从中可以看到：（ 1）在试验范围内， 组的 22 的高将近 5 时， 组的 右。这主要由制冷剂自身物性所决定。对螺杆压缩机而言， 命以及机组的泄漏程度。根据有关标准规定， 冷螺杆压缩机的设计压力至少为 19应的饱和温度为 49），试验用 启式螺杆压缩机设计压力为 20于作压力。可见，将 入原 二醇机组，不会受到压缩机设计强度方面的限制，压缩机能够满足 作压力的要求。（ 2）在试验范围内， 组的 22 的高。 组的 15 到 0的不断升高而增大，变化范围分别为 者比后者高，但相差不大。冷量、消耗功率、冷凝器热负荷和性能系数试验测得的 二醇机组制冷量耗功率 N、冷凝器热负荷 所示。冷量由试验结果可知， 组的 22 的相比，增大约 2% 6%，这与理论计算有些出入。在冷凝温度 0，过热、过冷度均为 5，蒸发温度为 - 20 - 5条件下，理论计算 果表明， 积制冷量的比值（百分比）随蒸发温度的升高而增大，变化范围为 96% 101%。可见，在上述工况下，当不考虑其他因素时，理论上， 组的制冷量不应比 高 2% 6%。事实上，制冷机组的性能是机组中所有部件和材料综合因素的结果。在同一 二醇机组条件下， 22 高的主要原因是 组蒸发器的传热性能优于 图 6 所示试验测得的 蒸发器内总传热系数比值 蒸发器内的传热性能优于 ，且乙二醇 热效果越好。这主要源于两方面因素：（ 1） 式 蒸 发 器 单 管 质 量 流 量 增 加。冷剂气体比容约是 70%，在同一机组条件下，其质量流量约增加 40%，相应的，单根换热管内质量流量亦增加 40%，从而使干式蒸发器传热能力增强。这也许是导致 组制冷量较72第 26 卷 第 4 期2005 年 12 月螺杆乙二醇机组中替代 能试验研究26， 42005大的最主要原因。（ 2） 体表面张力较小。 和液体的表面张力约是 三分之二，故相比较而言， 容易产生气泡，气化率更高，相应的传热系数也更大。图 5 组 N 和 较图 6 组 耗功率从图 5 可以看到， 组的消耗功率 N 比高约 12% 15%。这主要是 冷剂质量流量较大的原因。由公式 N = mh/i/m/ 主要取决于制冷剂质量流量 m、排气与吸气焓差值h、绝热指示效率i、机械效率同一制冷机组和压缩比相近的条件下，决定机组 N 的因素则主要是 m和h。尽管理论计算显示 组的h 比 低 23%左右，但由于 m比 40%而使机组的 N 有所增加。凝器热负荷图 7 组 组 404A 机组的 均大于同一工况下组的，故 组的 比 10% 左 右。但 图 7 显 示，在 试 验 工 况 下，组的 22 有明显升高，两者最大相差只有 且均低于 这主要是 组冷凝器较强的传热性能所致。如图 6所示，基本上， 凝器的总传热系数比 要高。分析其原因是，一方面， 凝器热负荷比 有所增加，在进出水温差相同的情况下，冷却水流量加大，水侧对流换热得到强化；另一方面，因冷凝器热流密度增大，制冷剂侧传热能力增强，传热系数随之增加。能系数在试验范围内， 组的 低约 10%左右。这是 组消耗功率的增加大82第 26 卷 第 4 期2005 年 12 月制 冷 学 报26， 42005于 制 冷 量 增 大 的 直 接 结 果 。 气 温 度排 气 温 度 油 制 冷 压 缩 机 的 一 个 重 要 指标 ， 它 主 要 取 决 于 压 缩 机 的 N、 制 冷 剂 气 体 的 定 压 比热 容 油 量 和 喷 油 温 度 。 在 同 一 机 组 条 件 下 ，喷 油 量 和 喷 油 温 度 基 本 变 化 不 大 。 这 样 ， 压 缩 机 的 要 由 N 和 。 由 于 和 气 体 和过 热 气 体 的 30%左 右 ， 故 尽 管 的 N 比 12% 15%， 但 因 其 较大 而 最 终 使 22 机 组 的 低 。 图 8 给 出 的 果 不 仅 充 分 证 实 了 这 一 点 ， 还 显 示 乙 二 醇 的 ， 越 大 。4 结 论通 过 对 组 性 能 试 验 结果 的 分 析 ， 可 以 得 到 如 下 结 论 ：（ 1） 乙 二 醇 工 况 下 ， 组 的 ， 但 满 足 压 缩 机 使 用 要 求 。（ 2） 乙 二 醇 工 况 下 ， 组 的 分 别比 2% 6%和 12% 15%， 蒸 发 器 和 电 机 均能 正 常 工 作 ； 降 约 10%， 与 理 论 计 算 结 果 非常 一 致 。（ 3） 乙 二 醇 工 况 下 ， 由 于 制 冷 剂 气 体 同 ， 组 的 22 低 5 12。（ 4） 乙 二 醇 工 况 下 ， 由 于 组 冷 凝 器 的22 高 ， 故 尽 管 其 约 10%， 但 8左 右 ， 说 明 凝 器 的 设 计 和加 工 可 与 完 全 一 致 。（ 5） 在 原 二 醇 机 组 基 础 上 ， 更 换 其 热 力 膨胀 阀 和 冷 冻 机 油 ， 直 接 将 入 制 冷 系 统 替 代机 组 完 全 能 够 正 常 工 作 且 性 能 指 标 变 化 不 大 。可 见 ， 在 螺 杆 乙 二 醇 机 组 中 ， 尤 其 是 采 用 干 式 蒸 发 器的 制 冷 系 统 ， 以 用 作 替 代 物 ， 且 替 代工 作 量 可 能 最 小 。参 考 文 献1 D Y Y Y et in 407C as a 22 2002， 25（ 5） ： 575 5852 陈 斌 ， 陈 光 明 冷 系 统 相 关 特 性 研 究 进展 机 械 ， 2003， 31（ 2） ： 42 453 22 1997， 20（ 3） ： 165 1784 李 红 ， 崔 天 生 ， 邢 子 文 替 代 工 质 的 风 冷 热 泵 机 组 性能 试 验 研 究 与 空 调 ， 2003， 3（ 2） ： 28 305 C R F 502 996， 19（ 4） ： 257 2636 蒋 能 照 ， 翁 文 兵 等 泰 康 商 用 风 冷 冷 凝 机 组 用 应 用 研 究 学 报 ， 1996， （ 3） ： 58 637 ， M of 502 2000， 20（ 2） ：199 = = = = = =212学 会 动 态“ 中 美 制 冷 空 调 采 暖 能 效 研 讨 会 ” 在 京 召 开由 中 国 制 冷 学 会 、 中 标 认 证 中 心 共 同 主 办 的 中 美 制 冷 空 调 采 暖 能 效 研 讨 会 于 2005 年 11月 11 日 在 北 京 中 苑 宾 馆 举 行 。 会 议 特 邀 美 国 采 暖 制 冷 空 调 工 程 师 协 会 （ 专 家 就 美 国政 府 和 建