在传统焓差实验室的制冷机组中,制冷剂绝大部分为R22,而因R22对大气臭氧层有较严重的破坏作用,已明确被列为限制使用和逐步被替代的物质,我国目前也在逐渐减少R22的使用.顺应节能环保的国际趋势,本文所研制的空调器焓差实验室的制冷机组采用了制冷剂R404A,并对实验室进行了极限工况试验及结果分析.

表 1为R22与R404A的主要物性对比^{[1, 2]}.由表可知:

(1) 尽管R404A比R22的全球变暖潜能稍高,但其臭氧层消耗潜能为0,环保性能更好.

(2) R404A无毒,且因含有较大比例的R125,不具可燃性,安全性较R22更高.

(3) R404A的标准沸点比R22低,可得到更低的蒸发温度;R404A工作压力比R22略高,在较低的蒸发温度下仍可保持正压工作.

(4) R404A的压缩机排气温度比R22的更低,因为在相同温度和压力条件下,R404A的等熵指数比R22稍小.

(5) R404A的温度滑移较小,属于近共沸制冷剂,在蒸发器和冷凝器内的传热性能与R22相近.

表 1 Table 1

表 1 R22与R404A的主要物性对比 Tab. 1 The fundamental properties of R22 and R404A 制冷剂 相对分子 质量 臭氧层 消耗潜能 全球变暖 潜能 安全性 标准 沸点/℃ 临界 温度/℃ 临界 压力/MPa 温度 滑移/℃ 0.1 MPa、10℃时 等熵指数 R22 86.47 0.034 1700 A1 -40.8 96.2 4.99 0 1.194 R404A 97.60 0 3800 A1 -46.6 72.1 3.77 0.78 1.125

表 1 R22与R404A的主要物性对比 Tab. 1 The fundamental properties of R22 and R404A

除了以上优点外,R404A在蒸发性能、流动性及制冷剂充注量上亦优于R22.因此,用R404A替代R22在理论上是可行的.

近年来,由于R404A的容积制冷量、压力与R22具有可比性,R404A受到制冷行业和科研机构的更多关注与研究.狄春红^[3]、秦海杰等^[4]和张华俊等^[5]分别进行了R404A在半封闭活塞压缩机中替代R22的研究;石云波^[6]、刘艳丽等^[7]作了R404A在螺杆压缩机中替代R22相关试验研究,刘光华等^[8]、张剑飞等^[9]研究了R404A在涡旋压缩机中替代R22性能特性.根据以上对R404A替代R22的可行性和适用性的研究发现,在同等工况下,R404A比R22的压缩机制冷量略有提高,轴功率稍有增加,制冷系统性能系数(COP)比R22略有降低.采用R404A后,原制冷系统中的压缩机、换热器和其他相关制冷部件均需重新设计,但制冷系统装置的改动较小,性能差别也不大^[10].因此,用R404A替代R22是可行的.

房间型量热计法和空气焓值法被GB/T 7725—2004^[11]定为房间空调器制冷量和制热量的测试方法.房间空调器的季节能效比(SEER)的测试实验需在间歇启/停的状态下,测定空调器的制冷量和输入功率,属于动态测试.房间型量热计无法完成该类型试验.由于房间型量热计法的局限性,使得空气焓值法测试技术逐渐得到广泛应用.

本文根据需要研制了一套采用空气焓值法测试技术的房间空调器焓差实验室.焓差实验室是空调器性能测试的重要手段,主要包括绝热库房、空气处理系统及温度场测控系统三大部分.

焓差实验室是通过测量房间空调器的送风参数、回风参数以及循环风量等,再以测出的风量与送回风焓差的乘积确定空调器的能力.需测试的项目多以标准所规定工况下的制冷量和制热量为主,还包括最大运行制冷(制热)、制冷(制热)消耗功、COP、能效比(EER)及SEER等.

根据压缩机对制冷剂蒸汽的压缩热力学原理将压缩机分为容积型压缩机和速度型压缩机.考虑到本研究的使用范围和实际情况,选用容积型活塞式压缩机.制冷循环的具体流程如图 1所示.制冷剂R404A经压缩机压缩后,高温高压的制冷剂气体经过油分离器后进入冷凝器.冷凝器采用水冷冷凝器,通过改变水流量和冷却塔水温来维持冷凝压力在一定的范围内.制冷剂气体经冷凝器冷却和冷凝后变为低温高压液体,然后经储液罐、电磁阀等进入热力膨胀阀膨胀,中温高压液态制冷剂被节流成低温低压的气液两相流并进入蒸发器蒸发,最后经气液分离器吸入压缩机,完成整个制冷循环.

图 1

Fig. 1

图 1 制冷机组系统原理图 Fig. 1 The principle diagram of the refrigeration system

空调器性能测试实验室的空气处理系统的主要目的是为了保证各个测试室的空气温度和湿度,并为测试提供均衡的温、湿度和气体流速.利用制冷机组提供的冷量和电加热系统精确控制环境温度,通过蒸汽加湿精确控制环境湿度.而温度场的均匀性及流速的合理分布则需要进行合理的气流组织设计.

对空气的处理可简单地归纳为两种情况,即送风温度比回风温度高和送风温度比回风温度低.与普通的空气调节相比,焓差实验室对空气的温、湿度的精度要求更高,需保证空间温、湿度梯度.利用制冷机/蒸发器冷却减湿的方式对空气进行冷却除湿,利用电加热系统进行加热,利用蒸汽等温进行加湿.实验室空气处理柜与舒适性空调的空气处理过程不同,其制冷工况、制热工况时室内侧空气处理过程分别如图 2、3所示.被测机制热工况时不加湿,故在空气处理图中角系数为90°^[12].此为两种工况的不同点之一.

图 2

Fig. 2

图 2 制冷工况时室内侧空气处理过程 Fig. 2 The indoor air processes in the refrigeration condition

图 3

Fig. 3

图 3 制热工况时室内侧空气处理过程 Fig. 3 The outdoor air processes in the heating condition

图 2、3中:O点为送风状态点;N点为回风状态点;L点为露点;I点为等湿加热过程终点;NL为空气经处理柜蒸发盘管再冷过程;LI为等湿加热过程;IO为等温加湿过程,该过程是通过将干蒸汽减压,直接喷入空气中,以增加空气的湿度.通过调节器输出的百分比来控制加湿量,以满足实验室对湿度的需要,同时也避免加湿过量,造成空气过饱和.

气流组织即空气分布,只有合理地组织空气流动方式,才能够使室内的温度分布均匀,波动范围小.孔板送风具有射流混合过程短、温差和风速衰减快的特点,可以使工作区的温度场和速度场分布均匀,所以本实验室采用全孔板上送下回方式.图 4为实验室气流组织示意图,被测机出风依次流过空气处理柜内的蒸发盘管、电加热器、循环风机及蒸汽加湿器的过程中,空气经降温去湿、加热、加湿处理后,进入顶层的稳压层后经送风孔板流送至工作区,再被吸入空气处理柜,完成一个空气处理循环.

图 4

Fig. 4

图 4 气流组织示意图 Fig. 4 The schematic of indoor air-flow organization

焓差实验室内、外侧均需进行极限工况及工况调整速度实验.极限工况实验主要有极限低温工况实验、极限高温工况实验、极限湿度工况实验等.限于篇幅要求,以下仅对室内侧进行实验并进行结果分析.

图 5为极限低温工况实验曲线.从图中可以看出,经过60 min左右,实验室内侧可达到10℃的极限低温设计工况,并且保持工况稳定.工况稳定后,PID控制器的输出为39%,电加热输出功率为3.9 kW,因此,实验室的空气处理装置和制冷系统均有裕量,能够满足极限低温工况的要求.

图 5

Fig. 5

图 5 极限低温工况实验曲线 Fig. 5 Curve of testing condition at extreme low temperature

鉴于高温高湿工况相比于其他温度下的湿度极限工况更难达到,且在高温工况时,湿度不易控制,因此,选择了在极限高温工况时对极限湿度工况进行实验,这样能同时检测极限湿度工况和极限高温工况.

室内侧的设计极限高温为45℃.45℃时极限湿度工况实验结果如图 6所示.从图中可以看出,室内侧的温度控制在设计极限高温工况下并稳定在允许的小范围内,然后湿度从低湿度调整到设计的相对湿度90%的极限湿度工况,经30 min左右可达到设计工况并保持,能够满足实验要求.

图 6

Fig. 6

图 6 极限高温时的极限湿度工况实验曲线 Fig. 6 Curve of testing condition at extreme high tem-perature and extreme high humidity level

工况调整速度实验是验证实验室能否在规定时间内,将实验室由任一工况调整到所需的工况.根据工况调整的温度变化趋势,将工况调整速度实验分为升温速度实验和降温速度实验.设计工况速度调整实验均必须在90 min内完成并保持工况稳定.

首先将实验室内侧温度稳定在设计的最低温度10℃,然后通过计算机控制将温度调整到设计的最高温度45℃.升温速度实验曲线如图 7所示.从图中可以看出,在室内侧升温速度实验中,由最低温度10℃升温到最高温度45℃,仅用了40 min左右,远远低于规定的90 min.在前30 min内,室内温度迅速上升,达到并超过45℃的设计温度,然后又下降到45℃附近并保持稳定.

图 7

Fig. 7

图 7 升温速度实验曲线 Fig. 7 Curve of the rate of temperature rise

在室内侧降温速度实验中,首先将实验室的温度稳定在设计的最高温度45℃,然后通过计算机控制将温度调整到设计的最低温度10℃.降温速度实验曲线如图 8所示.由图中可以看出,室内侧温度由最高温度45℃降温到最低温度10℃,仅用了38 min左右.前30 min内,室内温度平稳下降,且降温速度非常快,平均降温幅度约为1.5℃·min^-1.温度达到最低温度10℃后,继续下降约3℃,再平稳上升,最后稳定在10℃附近.

图 8

Fig. 8

图 8 降温速度实验曲线 Fig. 8 Curve of the rate of temperature drop

本文研制完成了空调器焓差实验室.在焓差实验室的制冷机组中,采用环保制冷剂R404A替代传统工质R22,并对实验室进行了标准规定的极限工况实验.实验结果表明,该实验室能满足空调器性能测试所需的各种工况要求.