R410A 空调器系统的实验研究
文章编号:ISS N1005-9180(2005)04-0020-04Ξ
R410A空调器系统的实验研究
刘 洋,王 芳,杜世春,邬志敏,刘云生
(上海理工大学,上海200093)
[摘要]小型空调工质R22被取代的同时,人们已经将研究热点放在R410A上,由于R410A的特性,系统需做较大改进。本文以单管试验为基础,将铜管制作成高效换热器,加以对R410A空调器系统进行研究。
[关键词]R410A,单管试验,实验研究
[中图分类号]T M92511 [文献标识码]A
Experimental R esearches on Air Conditioner System of R410A
LI U Y ang,W ANG Fang,DU Shi2chun,W U Zhi2min,LI U Y un2sheng
(University of Shanghai for Science and T echnology,Shanghai200093)
Abstract:People focus on studying R410A while the refrigerant of R22in small air conditioners is substituted,the refrig2 eration system should be renovated because of the particular performance of R410A1Based on the single-tube experiment, the copper tube is made into high efficiency heat exchanger,s o we can study on the air conditioner system of R410A1 K eyw ords:R410A,S ingle-tube experiment,Experimental research
1 前言
目前,家用空调器的普及率越来越高而空调器中制冷剂仍以R22为主,其产生的温室效应和臭氧层破坏作用也越来越大。随着《蒙特利尔议定书》中规定的R22停用期限的接近,各国都在寻找一种新制冷剂来代替R22,但到目前为止仍无法找到一种物性与其很相近的纯工质。虽然非共沸工质R407C能够替代R22,但近共沸工质R410A以其优越的性能倍受人们的关注。在美国和日本,R410A 是房间空调器和商用组合空调系统中R22的主要替代物。
2 制冷系统的改进
R410A的组成为R32/R125,质量比为50∶50,其性能与R22的比较如表1所示。
表1 工质R410A与R22的物性对比
性能参数R22R410A
ODP010550
G WP17001900
Pc(MPa)21173138
Pe(MPa)01621100
Qv11001141
C OP110001925
△T(℃)00107
从表中可以看到R410A的蒸发、冷凝压力比R22高60%,所以只能用于新设计的系统中而不能用于原有R22系统的灌注式替代。由于蒸气压力高,系统性能受压降损失的影响不敏感,因此循环时工质流速可以很大,有利于热交换器的传热,这些都会影响R410A系统热交换器、压缩机、管路大
Ξ收稿日期:2005-7-22
作者简介:刘洋(1983-),男,硕士,主要从事制冷空调专业的研究。T el:021-********,E-mail:liu16yang@https://www.360docs.net/doc/0311018450.html,
小的设计。
211 管路系统改进
由于R410A的蒸发、冷凝压力是R22的116倍,因此管路必须重新设计。根据理论计算,高低压管壁厚应为018mm,换热器管壁厚应为0135 mm。在进行强度试验时,高压应为415MPa,低压应为2MPa,而且所有的阀类元器件、弯头也都要重新考虑耐压设计。
212 气体的泄漏性
由于近共沸工质R410A是混合制冷剂,所以系统密闭性要求很高,一旦发生泄漏,制冷剂的组分将产生变化,这将严重影响整个系统的性能。R410A的温度滑移为0107℃,当液体发生泄漏时可以直接充注,如果是气体泄漏,制冷剂中高沸点的成份就将增加,制冷量就会降低。如果泄漏不严重,可以采用补灌处理,如果泄漏量大,就应进行更换,因为气体大量泄漏后,即使采取了充填方法,充填后气体的组成已发生变化,所以必须放出工质重新进行充注。非共沸工质R407C是由三种制冷剂混合而成,其最大温度滑移为712℃。从工质产生分馏引起组分变化影响系统性能的角度讲, R407C对系统密闭性的要求比R410A更高。
213 冷冻油的选择
R410A属于HFC工质,这种工质与矿物油和烷基苯油不相溶,所以应使用酯类油(POE)和烷类油(AB)。POE油与制冷剂相溶,也是压缩机随机所带的冷冻油。POE油会使滑动部分的耐烧结性、耐磨耗性下降,此外,一旦混入水分和杂质,很容易使油劣化而产生淤渣,堵塞毛细管。为了防止这一现象,需加入一些添加剂予以改进,添加剂的选择应遵循厂家推荐的产品[1]。当选择弹性或塑性材料作为系统部件以及在选择干燥剂时需要综合考虑工质及与其配套的润滑油性质。
214 压缩机的选用
R410A与R22相比,运转压力大约为R22的116倍,而且单位容积制冷量约是R22的114倍。由于R410A是高密度蒸汽,单位质量的蒸汽体积比R22少30%。因此,在维持提高压缩机效率的同时,必须进一步减小气缸尺寸,提高耐压性。旋转式和涡旋式压缩机是R410A系统常用的压缩机,旋转式压缩机与涡旋式压缩机相比,排气、吸气压力损失小,机械损失和油气损失都比涡旋式压缩机小,且在218kW到5kW制冷量范围内,旋转式压缩机的效率比涡旋式压缩机的效率提高1%～2%[2]。
215 换热器的高效化
由于R410A的高压化,必须考虑传热管的壁厚要达到承受的耐压值。热交换器管路采用内螺纹管,翅片采用切口的低肋形,这样可提高空气侧的传热系数。在较大的翅片间距情况下,得到某种程度的高热交换性能的优点。但是,为了得到较高的性能,不可避免的要增大风量和换热器面积。更改后的换热器风速分布较好,热交换性能较好,在送风系统中,根据风机和电动机效率,将贯流风叶的直径适当减小,并同时提高转速,此时最大风量情况下的风机输入功率得到了改善。
3 换热器及系统的性能研究
作为制冷系统的四大部件之一,换热器的好坏直接影响到整个空调系统的性能而且起着关键作用。对于R410A系统,如何选择一个既高效又能够承受高压的换热器至关重要。
311 换热器单管性能实验
由于R410A系统需对管路进行重新布置,为达到与R22相近的性能应尽可能的使管子高效化。在此基础上,上海理工大学对R410A系统使用的内螺纹管进行了单管实验以便得到其内表面的传热系数。试验系统布置如图1所示:
11冷凝器 21储液罐 31泵 41质量流量计
51过冷器 61预热器 71可视镜 81试件
图1 单管实验装置系统图
该实验采用分离法计算内表面传热系数[3],不计污垢热阻,基本传热方程为:
1/K=1/α1+δ/λw+1/α2
式中:K—传热系数,W/(m2℃);
α1—管内侧的换热系数,W/m2℃;
α2—管外侧的换热系数,W/m2℃;
λw—壁面的导热系数,W/m℃;
δ—壁面的厚度,m
通过试验,我们可以测得K值,若α2的值或计算式已知,或者在试验的不同工况中保持不变,我们可从上式中分离得到α1。通过一系列的试验工况,我们可以得到一系列的K值和α2值,通过数学方法进行拟合从而得到各工况的α1。
312 管内蒸发、冷凝及压降性能的研究
文献[4]比较了R410A在外径 915mm、内径 7175mm、长30418mm的光滑水平铜管内当质流通量为160～561kg/m2s、冷凝温度为4611～5117℃、平均进出口干度为87%和25%下的冷凝传热性能。结果如下:
(1)局部传热系数随干度增加而增加。尽管R410A的导热系数比R22稍低(低0%～8%),但其粘度更低(低30%～36%),使得传热系数比R22高2%～6%,而且传热系数随质流通量增加和冷凝温度减小而增加。
(2)压降随冷凝温度下降而增加。压降R410A 比R22低23%～45%,这是由于R410A蒸气密度比R22的大,蒸气密度越大,压降越小。两工质压降差随干度和质流通量增加而增大。压降随冷凝温度下降而增加。
文献[5]采用外径 710mm,内径 614mm,长540mm的水平光滑铜管研究了R410A在质流通量分别为300kg/m2s和150kg/m2s时管内蒸发、冷凝传热及压降性能。实验结果如下:对蒸发器,在干度x≤014时,R410A蒸发传热系数比R22高20%,当x=016时两者数值几乎相等。对冷凝器,传热系数皆随制冷剂干度的下降而下降,R410A比R22的稍小,但随干度的减小差值变大。文章将实验数据分别与冷凝、蒸发公式计算所得的数据进行比较,对蒸发传热情况,R410A实验值与文献[6]计算公式相差在±10%范围内,在低质流通量下公式值估计过高。这表明R410A可当作纯制冷剂考虑,其公式可用于热交换器计算。对冷凝传热情况,R410A在低干度时不准确,而在干度x≥014时符合较好。
文献[7]测试了R410A和R22工质在W型管中冷凝传热和压降性能,获取了多个数据点,并观察到管内流动的气液流型。W管管内传热流动时液膜在管内两侧面被拽薄、上下侧变厚的特点仅在高的质流通量、大的干度下才呈现,相反则表现为液体集中在管内下部流动。所以在较高的质流通量下(300kg/m2s以上),W管的传热系数和压降高于传统的螺旋型微肋管,而在低的质流通量下(约100 kg/m2s),却稍稍低于或等于微肋管。
313 系统研究方案
由单管试验得到管内侧换热系数后,将该铜管制成高效的蒸发器和冷凝器进一步研究整个系统中换热器性能,本实验是在焓差室中进行[8],制冷测试装置如图2所示
:
图2 换热器性能实验测试装置
实验中采用两套数据采集程序(焓差室采集程序和小型制冷装置采集程序)进行对比性研究,焓差室采用P LC和PI D控制,控制精度为:干、湿球温度±012℃,当工况稳定后,小型制冷装置采集程序采集得到各测点的温度和压力,可以计算出蒸发器和冷凝器的换热性能,再通过焓差实验室测量得到的换热量来验证换热器的性能优劣。
314 换热器与系统性能的研究结果
从压缩机性能、传热特性、系统性能等方面研究了R410A系统的有关特性。在中低冷凝温度下,压缩机性能弥补了R410A相对于R22热力学效率的
差距,使得等熵效率高于R22系统。当冷凝温度高
于47℃时则变差。经比较,由于同温下R410A的饱和压力比R22大60%左右,对同样的饱和温度变化,R410A系统质流通量变化可比R22的大得多,蒸发器中在同样质流通量下R410A传热系数比R22的高55%左右。在同样的压降和同样的饱和温度降下,R410A比R22蒸发传热系数分别高90%和115%左右,虽然两者冷凝传热系数相差不大,对等压降和等温降下的两质流通量指标,R410A分别比R22高35%和65%。在典型的设计条件下, R410A系统的效率比R22系统高2%～5%,性能与R22相当,甚至更好。
4 结论
通过单管试验和在焓差室中进行的空调器部件测试与空调器性能匹配试验,可以得到R410A空调器有关部件和系统性能。
R410A的压力损失小,因此热交换器流路数可以减少,从而改善传热性能。这样换热器的管路经优化设计后,可以比原来减少约20%。R410A的容积制冷量大可选取稍小容量的压缩机。经各方面优化后,R410A系统可达到与R22系统相当的制冷能力。5 参考文献
[1]陈斌,陈光明1R407C、R410A制冷系统相关特性研究
进展[J]1流体机械,2003,31(2):42-45
[2]谢利昌,徐剑,高永红等1R410A新冷媒家用空调压
缩机的设计与试验[J]1家用电器科技,2000,(11):
68-71
[3]欧阳新萍,陶乐仁1分离法在翅片管传热性能试验中
的应用[J]1发电设备,1999,(4):41-44
[4]Wijaya,H1,et al1T w o phase flow heat trans fer and pressure
drop characteristics of R-22and R-32/R-1251ASHRAE T ransaction,1995(I):1020-1027
[5]Ebisu,T1et al1Heat trans fer characteristics and correlations for
R-410A flowing Inside a H orizontal sm ooth tube1ASHRAE T ransaction,1998(I):556-561
[6]Y oshida,S1H1,et al1Heat T rans fer to non-azeotropic mix2
tures of refrigerants flowing in a horizontal evaporator1AS ME/
JS ME Thermal engineering proceeding,1991,V ol12:295
-300
[7]Miyara,A1et al1C ondensation heat trans fer and flow pattern
inside a herringbone-type micro-fin tube1International Journal of Refrigeration12000(2),V ol123:141～152 [8]王芳,邬志敏,李征涛等1空调器部件测试与性能匹
配试验系统的研制与分析[J]1制冷空调新技术进展, 2005,(4):560-564
———〔市场分析〕———
2006年空调市场竞争将更加激烈
2004年度家用空调品牌从2003年度150多个减少到96个,2005年又有27个品牌退出了市场竞争,市场仅剩下69个品牌。空调市场增长速度在平稳中呈现下降趋势,空调业新一轮的洗牌风暴已经开始。
2005年所剩下的69个空调企业并不都是优质企业。2006年,中国市场的空调品牌还会消失1/3。业内人士认为,2004年三线品牌全面失守,2005年轮到二线品牌,估计会剩下20～30家。
2005年是空调业有史以来形势最为严峻的一年。原材料价格的持续上涨,能效标准的实施,人民币的升值及欧盟环保指令的实施,致使国内外市场增幅趋缓,产销成本上升,利润持续下跌。
空调业前十位厂商垄断市场的势头越来越明显。日前,空调类上市公司2005年第三季度业绩全部公布。格力和美的两大空调巨头继续领跑市场,并且有和第二梯队进一步扩大差距的迹象。由于缺乏核心技术,大多数国内空调企业都选择走规模化的道路,这种战略成为企业迅速壮大的主要手段。然而,一旦市场增长趋缓,产能过剩的矛盾进一步激化,竞争更加激烈。———(特约通讯员费人杰报道)