热能与动力工程专业-220L空气源热泵热水器设计
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在家用空调和热泵中用R432A替代R22的性能试验在家用空调和热泵中用R432A替代R22的性能试验 Ki-Jung Park, Yun-Bo Shim, Dongsoo JungDepartment of Mechanical Engineering, Inha University, Incheon 402-751, Republic of Korea摘要 在本文中，分别对家用空调和热泵两种不同的工况条件进行了研究，用一个板式热泵测试仪测量了R432A和HCFC22各自的热力学性能。R432A不会对臭氧层造成破坏，并且它的温室效应潜在值非常低，小于5。同时为了能完全替代HCFC22， R432A有着和HCFC22几乎一样的蒸气压力值。试验结果表明，在家用空调和热泵两种不同的条件下，R432A的制冷效率分别比HCFC22高出8.5%和8.7%，功率分别比HCFC22高出1.9%和6.4%，压缩机排气温度分别比HCFC22低14.1和17.3，并且由于R432A的密度比较低，它的制冷剂质量甚至比HCFC22低50%。总的来说，由于R432A具有良好的热力学性能，又不会对环境造成破坏，这使它可以在家用空调和热泵中能长期的并且很好的替代HCFC22制冷剂，同时也能更好的改善环境。关键词：自然型制冷剂 丙烯 二甲醚 R432A 空调 热泵ABSTRACT In this study, thermodynamic performance of R432A and HCFC22 is measured in a heat pump bench tester under both air-conditioning and heat pumping conditions. R432A has no ozone depletion potentialand very low greenhouse warming potential of less than 5. R432A also offers a similar vapor pressure to HCFC22 fordrop-in replacement. Test results showed that the coefficient of performance and capacity of R432A are 8.58.7% and 1.96.4% higher than those of HCFC22 for both conditions. The compressor discharge temperature of R432A is 14.117.3 C lower than that of HCFC22 while the amount of charge for R432A is 50% lower than that of HCFC22 due to its low density. Overall, R432A is a good long term dropinenvironmentally friendly alternative to replace HCFC22 in residential air-conditioners and heat pumps due to its excellent thermodynamic and environmental properties.Keywords: Natural refrigerants Propylene Dimethylether R432A Air conditioners Heat pumps1 序言在过去的几十年中，HCFC22制冷剂一直主要用于家用空调和热泵系统中。但是由于HCFC22在分解过程中能产生并释放出破坏臭氧层的氯代烃气体，因此，根据蒙特利尔议定书的规定，HCFC22制冷剂要被逐渐淘汰。条例中规定，在发达国家中，从1996年起，要对使用HCFC制冷剂的产品进行管制和调节。目前在欧洲，新型的设备和仪器中已经不在使用HCFC22制冷剂，同时美国也将从2010年后停止使用HCFC22制冷剂。在过去几年间，人们为了遵守蒙特利尔议定书的规定，已经提出并测试了许多各种各样的制冷剂。同时，一些国家开始尝试使用氯代烃的混合型制冷剂，比如R410A和R407C，来取代HCFC22制冷剂。与此同时，许多公司也花费很多努力来寻找它们自己的HCFC22制冷剂的替代品。在这些研究中，尤其是混合型制冷剂已经得到了一些行业的特别关注，这些行业期望在它们产品系统不需要重大改变的情况下，混合型制冷剂能提高它们的能源效率。混合型制冷剂是有几种对环境无污染的纯工质按一定的比例混合而成的。尽管R410A制冷剂的工作压力比R407C高1.6倍，但它不会像R407C的温度下降造成的，和其他共沸性质非常相似，因此更容易控制。此外，由于R410A的比容（立方米/公斤）相对较小（单位体积高密度），容量大，其中有一个狭窄的管道直径和压力舱尺寸的优势。因此，与R407C，R410A更换更彻底，而且所取得的进展能效比更多的帮助，这些也都是由R410A的提示的重要原因。现如今，全球气候变暖已经成为了一个全球性的重要问题。为了应对由温室性气体氯代烃的排放所引起的气候变暖问题，人们为此签订了京都议定书来应对和解决这个问题。从全球逐渐变暖的这一趋势来看， 根据欧盟F-Gases条例和MAC条令的规定，从2011年起新型的汽车空调车辆中将禁止使用HFC134a作为制冷剂。欧盟的这一条例和条令主要针对的是全球变暖潜能值（GWP）超出150的制冷剂的使用。参考文献中提供的HFC134a的全球变暖潜能值是1300。同时，欧盟的许多国家也在认真考虑禁止在家用空调和热泵中使用氯代烃制冷剂的这一条例。尽管R410A和R407C还在一些国家的制冷系统中有所使用，但从长远来看，她们以后能否被使用还是个未知数，因为R410A和R407C的全球变暖潜能值分别是1700和2000，这一数值甚至比R134a还高出许多。为了避免氯代烃的高GWP值所引起的温室效应问题，其中一个可能的解决办法是使用自然型制冷剂，如碳氢化合物。在过去的几十年中，出于安全方面的考虑，在正常的家用空调和热泵中禁止使用烃类制冷剂，由于它们的易燃性。然而，现如今由于环境和能源问题的日益严重，这一禁令有所缓和。因此，在某些领域中，一些易燃制冷剂的应用可以得到批准。比如，在欧洲热泵可以使用丙烷（R290）和丙烯（R1270）作为制冷剂。众所周知，碳氢化合物的全球变暖潜能值非常小，小于5，成本又低，实用性很强，还可以和传统润滑油相互容，并且它对环境几乎不会造成任何破坏。除此之外，二甲醚（RE170）也是一种对环境无污染，并且还有良好的热力学性能的制冷剂。R134a制冷剂是一种新型无公害制冷剂，属于氢氟化碳化合物（四氟乙烷）。它具有与R12相似的热物理性质，标准沸点为-26.1。但臭氧消耗潜能为零，温室效应潜能在0.240.29之间。常温常压下R134a无色，有轻微醚类气体味，不易燃，没有可测量的闪点，对皮肤眼睛无刺激，不会引起皮肤过敏，但暴露是会产生轻微毒气，工作场所应通风良好，R134a是不溶于矿物油的制冷剂，他采用脂类油、合成油（往复式压缩机用）或烷基苯油（旋转式压缩机用）来满足压缩机的润滑要求。相对于R12制冷剂，R134a制冷剂无毒、不可燃，R134a制冷剂化学性质稳定、热力性非常接近R12，但材料兼容性差，与矿物油不相容、易吸水。最近上市的R432A也是一种能在家用空调和热泵中替代R22的制冷剂。R432A是有80%的丙烯（R1270）和20%的二甲醚（RE170）混合而成的一种近共沸混合物。它不会对臭氧层造成任何破坏，同时它的GWP值很低，小于5。并且在发生相变时，它的滑移温度仅变化1，它正常情况下沸点是-46.6。尽管R432A是一种混合物，但它的传热退化预计不会很快，因为它的滑移温差非常小。在本文的研究中，正是要测量R432A的热力学性能是否有可能完全替代HCFC22制冷剂在家用空调和热泵热水器中的应用。2 实验2.1 实验装置 在本文的实验中，我用了一个像在Ref参考文献中所描述的类似装置，来测量替代品R432A的热力学性能。仪器装置如下图1所示。该仪器使用水冷冷凝器，并带有一个标准容量是3.5千瓦的水加热式蒸发器。仪器中使用的是蜗旋式压缩机，它的作用就是压缩制冷剂，让其达到适合的压力。此压缩机原本主要是为HCFC22制冷剂设计的。除此之外，仪器中还有一个手动式的膨胀阀，它的主要作用是控制流量和流速。在Ref参考文献中包含了该实验所有的细节，有实验仪器，实验步骤，数据记录和数据整理等等，有兴趣的读者可以参阅一下。在本文的实验中，我将着重描述实验步骤和实验条件。2.2 实验步骤 实验步骤如下所述：（1） 在系统开始运行前，提前2-3个小时排净空气。（2）先大概设定一下冷冻机组和蒸发机组的温度，同时还要在冷凝器和蒸发器中充注一定量的换热流体（HTF），并且要明白一点，针对不同的制冷剂，对系统有着不同的要求。对于R22制冷剂来说，要求制冷剂在压缩机的入口处保持蒸气状态。对R432A制冷剂来说，要求系统应有较低的蒸气压力。对于RE170制冷剂来说，要求在压缩机的进气口处，应有较高的蒸气压力，对于R1270制冷剂的要求也是如此。并且在充注制冷剂时，要求达到0.1克的精确度。（3）对膨胀阀进行控制调节，并同时对制冷剂的流速和流量进行调整，以此来保持制冷剂恒定的过热和过冷，通常在蒸发器和冷凝器的出入口处，过热或过冷5左右即可。（4）当系统达到并超过稳定状态1小时后，每隔30秒记录一次数据，连续记录30多分钟。2.3 实验条件为了能够正确的比较两种制冷剂的热力学性能，应保证试验条件的公平合理性。为达到此目的，要求在实验中两种制冷剂的HTF温度均保持固定的数值。对于在空调工况下的模拟实验来说，蒸发器进，出口处的HTF温度（蒸发器中的水/乙二醇混合物和冷凝器中的冷却水）分别设置为大约26.0和11.0，而在冷凝器进，出处的HTF温度分别设定为大约30.0和42.0。尽管一样的外部条件，但实验结果显示：HCFC22和R432A在蒸发器和冷凝器中的饱和温度值不一样（分别大约是7和45），这是由于这两种制冷剂流体有着不同的传热性能。对于在热泵工况下的模拟实验而言，蒸发器进，出口处的HTF温度分别被设定为大约10.0和1.0，而在冷凝器进，出处的HTF温度分别被设定为大约30.0和39.0 。同时实验结果表明，在热泵工况的在这一条件下，HCFC22和 R432A在蒸发器和冷凝器中的饱和温度分别大概是-7和41。事实上，在蒸发器和冷凝器出口处的HTF温度，总是会存在一点点的差异，这是由于这两种制冷剂有着不同的热力学性能，并且在实验中，实验仪器之间也存在有一些误差或达不到精度要求。因此在本实验中要求：压力校准传感器的精度达到0.1%，科里奥利式质量流量计的精度达到0.2%，数字电用能表的精度达到0.1%，实验结果中温度测量的不确定度小于0.1。国际上己逐步完成了对CFCs的替代，我国也成功地履行了CFCs逐步禁用的国际义务。对制冷空调界来说，在保护臭氧层问题上，当前面临的主要任务是如何落实R22等HCFCs替代的步骤，这又是一个相对长远的事。众所周知，R22是综合性能很优秀的制冷剂，人们在R22制冷剂的设计、制造、行、维修等方面成功地积累了数十年的经验，它对臭氧层的破坏也很小（ODP值仅0.05），有一定的GWP值（1700）。在实验的测试过程中，蒸发器出口处的过热和在冷凝器出口处的过冷均要保持在5，同时还要对制冷剂的流速和流量进行调节，以便在相同的外部条件下，让这两种制冷剂都能保持同样的过冷和过热。最后对于在实验系统中使用的润滑油来说，R432A和HCFC22制冷剂都可以使用传统的矿物油。3 结果和讨论 在表1和表2中（如下图所示），列出了两种制冷剂在实验中所测量的各种性能参数，有制冷效率（COP），功率，压缩功，压力比，排气温度和制冷剂质量。以上数据分为两种情况，分别是R432A和HCFC22在家用空调和热泵两种不同的工况条件下。同时还要求，对于每一种制冷剂，应至少进行3次实验，并且实验结果的误差应在1%之内，才可记录。表1 在空调工况条件下，R432A和R22的实验结果制冷剂COPCOP对比Qe(w)Qe对比W(w)W对比PRTdis充注量(g)R223.41373410962.9984.71300R432A3.708.5%38061.9%1028-6.2%2.7070.6650表2 在热泵工况条件下，R432A和R22的实验结果制冷剂COPCOP对比Qe(w)Qe对比W(w)W对比PRTdis充注量(g)R223.6834729434.2794.11350R432A4.008.7%36936.4%923-2.1%3.8676.86503.1 制冷效率在冰箱和空调的中，对于任意个设备，在制冷剂给定已知的情况下，制冷效率（COP）是衡量其能源利用率的一个重要参数。制冷效率实际就是热泵系统所能实现的制冷量（制热量）和输入功率的比值，在相同的工况下，其比值越大说明这个热泵系统的效率越高越节能；因此在作制冷系统COP值比较之前，首先要确定各个热泵系统是否在相同的工况之下，然后再进行计算比较。 因此，在实验中，准确的测量并记录COP值是非常重要的。首先，我们可以肯定的说：R432A和HCFC22的制冷效率是不一样的，这一点，我们从表中就可以看出。表1和表2的数据显示：在相同的外部条件下，在空调和热泵工况中，R432A的制冷效率分别比HCFC22多出8.5%和8.7%，R432A的制冷效率之所以能够提高的一个主要原因就是，它在压缩机中的压缩比（PR）比HCFC22小很多。正如表1和表2中所示的一样，R432A的压力比（PR）比HCFC22低9.7%，同时压力比的降低反过来又导致了压缩功的减小，这一点我们也可以从表1和表2的数据中看出。总之，实验结果表明，从能源效率这一方面来说，R432A确实是HCFC22制冷剂的一种很好的替代品。3.2 功率在制冷系统中，功率是和制冷效率（COP）一样重要的性能参数。表1 和2列出的是两种各种制冷剂在蒸发器中的制冷量，对于家用空调和冷凝加热器来说，它的功率是指Qe,对于热泵来说，它的功率是指Qc。当具体到某种给定的压缩机机型时，和HCFC22相比，R432A的功率都有所改变（Qe和Qc均不相同）。从表1和表2我们可以看出，在家用空调和热泵两种不同工况条件下，R432A的功率分别比HCFC22高出1.9%和6.4%。尤其是在热泵的工况条件下，R432A和HCFC22的功率值相差很大，不过考虑到热泵在设计过程中一直存在的一个问题：热功率随着外部温度的降低而减小，R432A的功率比HCFC22大，这一结果应该是一个很好的现象！除此之外，实验结果还表明，R432A制冷剂确实是一种很好的，安全的替代品，并且它还不用对压缩机进行重大变化。事实上，调换或重新设计压缩机是一件成本非常昂贵的事情，因此，单从节约生产成本这一角度来看，R432A替代HCFC22制冷剂确实是很有利的。3.3 压缩机排气温度在制冷剂的替换时，制冷系统的使用寿命，稳定性以及制冷剂和润滑油之间的稳定性等等这些因素到要考虑到。不过，这些特性都可以通过间接测量压缩机的排气温度来衡量。从表1和表2中的数据，我们可以知道，在家用空调和热泵两种不同工况条件下，R432A的排气温度（Tdis） 分别比HCFC22低14.1和17.3。从压缩机排气温度这一点，我们可以得出如下结论：从制冷系统的稳定性和可靠性上看，R432A制冷剂是一种合适的替代品。3.4 制冷剂的质量由于大多数碳氢化合物密度较比氯代烃小，因此碳氢化合物的制冷剂质量明显降低了许多。正如表1和表2的数据所示，在家用空调和热泵两种不同工况条件下，R432A的制冷剂质量分别比HCFC22低50.0%和51.9%。因此，从长远来看，这将有利于降低由制冷剂的直接排放所造成的温室效应问题。4 结论在本文中，对R432A和HCFC22制冷剂在家用空调和热泵两种不同工况条件下的性能进行了研究，在实验中，用了一个类似于“切片面包”式的实验装置，对这两种制冷剂的热力学性能进行了测试，并对不同的性能特点进行了记录和分析，我们可以得出如下结论：（1）在家用空调和热泵两种不同工况条件下，R432A的制冷效率分别比HCFC22多出8.5%和8.7%。（2）在家用空调和热泵两种不同工况条件下，R432A的功率分别比HCFC22高出1.9%和6.4%。（3）在家用空调和热泵两种不同工况条件下，R432A的排气温度（Tdis） 分别比HCFC22低14.1和17.3。（4）由于R432a的密度低，因此，它的制冷剂质量比HCFC22降低约50%。（5） 在家用空调和热泵中，R432A确实是一种能很好的，并且能长期替代HCFC22的制冷剂。参考文献1 United Nations Environmental Programme, Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer, Final act, United Nations, New York, 1987.2 A. Cavallini, Working fluids for mechanical refrigeration, Int. J. Refrigeration 19(1996) 485496.3 D. Jung, Y. Song, B. Park, Performance of HCFC22 alternative refrigerants, Int. J. Refrigeration 23 (2000) 466474.4 K. Park, D. Jung, Performance of alternative refrigerants for residential airconditioning applications, Appl. Energy 84 (2007) 985991.5 J.M. Calm, P.A. Domanski, R-22 replacement status, ASHRAE J. (2004) 2939.6 D.A. Didion, D.B. Bivens, Role of refrigerant mixtures as alternatives to CFCs, Int. J. Refrigeration 13 (1990) 163175.7 Global Environmental Change Report, A Brief Analysis of the Kyoto Protocol,9(24), 1997.8 Directive 2006/40/EC of the European Parliament and of the Council, Off. J. Eur. Union, 2006 (14.6.2006).9 N. Cox, Energy comparison of a ground source heat pump using hydrocarbon refrigerants, in: Proceedings of the Sixth IIR Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference Glasgow, U
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