螺杆式冷水机组：Ｒ５１３Ａ替代 Ｒ１３４ａ

       R513A 具有与Ｒ１３４ａ相近的基本物性，如沸点、临界温度和临界压力等，符合当前保护臭氧层、缓解全球变暖的要求，且 R513A 属于共沸制冷剂，没有温度滑移。 R513A 被认为可作为 Ｒ１３４ａ冷水机组直接替代使用的制冷剂。

    本文我们将基于２种制冷剂的物性进行热力循环分析，结合制冷剂特性重新进行机组设计及系统匹配，通过变工况试验分析 R513A 替代 Ｒ１３４ａ应用于螺杆式冷水（热泵）机组的可行性。

   

１ R513A 物性及理论循环计算分析          

   

 

１．１ R513A 的热力性质

R513A 是由Ｒ１３４ａ和 Ｒ１２３４ｙｆ（质量分数比为４４：５６）组成的二元共沸混合制冷剂，其ＯＤＰ值为０，ＧＷＰ 值为５７３，基本物性与Ｒ１３４ａ非常接近（见表１）。 R513A 无毒，不可燃（ＡＳＨＡＲＥ 认定安全性 Ａ１）。

 

由表１与图１可以看出， R513A 具有以下特点：

１）对臭氧层没有破坏作用，其ＧＷＰ值小于Ｒ１３４ａ，符合当前保护臭氧层、减缓全球变暖的要求。

2 ）在相同温度下， R513A 饱和压力值与Ｒ１３４ａ非常接近（见图１），并且温度越低时，两者的饱和压力差值越小。结合表１中两者标准沸点、临界温度和临界压力等参数，说明 R513A 与Ｒ１３４ａ的物性参数基本接近。 R513A 的热工特性适合用于直接代替Ｒ１３４ａ。

 

１．２　理论循环计算分析

将制冷剂 R513A 和Ｒ１３４ａ在相同吸气体积流量，蒸发温度５℃，冷凝温度 45 ℃，过冷度５Ｋ，过热度１０Ｋ，等熵效率０ . ７的设计工况下进行理论循环特性对比，见表２。

从表２可以看出：

１） R513A 的蒸发压力、冷凝压力均与Ｒ１３４ａ基本相当，且两者的压比相差不大；

２） R513A 质量流量比Ｒ１３４ａ高， R513A

单位容积制冷量较Ｒ１３４ａ略高， R513A 性能系数ＣＯＰ略低于Ｒ１３４ａ；

３）Ｒ５１３Ａ 的排气温度比Ｒ１３４ａ低。通过理论循环特性分析可以看出，Ｒ５１３Ａ 制冷剂可以应用于Ｒ１３４ａ冷水（热泵）机组，可考虑作为直接替代制冷剂使用。

 

   

２　样机设计与性能试验方法          

   

 

试验系统由水系统、制冷剂循环系统和数据采集系统组成。性能试验室通过美国ＡＨＲＩ认证，测试制冷（热）能力范围为６００～３０００ｋＷ，冷（热）水温度范围为５～５５℃。试验装置主要由恒温水箱、冷水机组、板式换热器及冷却塔等组成，如图２所示。

 

被试机的冷冻水和冷却水之间通过兑水实现部分水的热交换，多余的热量通过加水泵转移至恒温水箱，冷水机组和冷却塔可根据实际需要对恒温水箱进行降温。采用液体载冷剂法进行机组性能测试。试验样机共４台，Ｒ５１３Ａ和 Ｒ１３４ａ螺杆式冷水机组各１台，Ｒ５１３Ａ和 Ｒ１３４ａ螺杆式地源热泵机组各１台。Ｒ１３４ａ螺杆式冷水（热泵）机组根据Ｒ１３４ａ制冷剂物性进行选型设计。Ｒ５１３Ａ螺杆式冷水（热泵）机组分别在 Ｒ１３４ａ螺杆式冷水（热泵）机组基础上结合Ｒ５１３Ａ 制冷剂特性进行机组设计及系统匹配。

主要从以下几方面进行优化设计：

１）压缩机方面：

与 Ｒ１３４ａ相比，相同工况下Ｒ５１３Ａ的压比略小于Ｒ１３４ａ，压缩机的内容积比改变，通过更改压缩终了排气口的位置以降低压缩机的内容积比，从而提高压缩机效率。由于Ｒ５１３Ａ的排气温度低，压缩机转子变形小，转子与星轮之间啮合间隙减小０．０１～０．０２ｍｍ，输气量可提升０．５％～２％。

２）系统方面：

相同排气量的压缩机在相同工况下运行，Ｒ５１３Ａ制冷剂质量流量比Ｒ１３４ａ高，节流阀容量设计或开度设置相应加大２０％左右。吸排气管路压降比Ｒ１３４ａ机组略高，考虑对机组性能影响不大，吸排气管径可不做修改。相同管路 Ｒ５１３Ａ机组液体流速比 Ｒ１３４ａ机组高２２％，液体管路过大的压降会使液体管路中产生闪发蒸气，从而影响节流阀控制和调节流量的能力。故液体管路须重新优化设计，确保液体流速控制在１．５ｍ／ｓ以内。

３）换热器方面：

从提高换热效率、降低压力损失、减小制冷剂充注量的角度进行优化。４台试验样机蒸发器均采用降膜式结构。分配器是降膜式蒸发器中的关键部件，通过ＣＦＤ 仿真分析实现制冷剂均匀分配。

４）控制方面：

相同工况下Ｒ５１３Ａ的排气温度比Ｒ１３４ａ低，节流阀的排气过热度控制目标值须适当调整，水冷工况运行排气过热度目标值调低４℃左右。螺杆式冷水机组主要由螺杆式压缩机、外置油分离器、带过冷装置的冷凝器、电子膨胀阀、降膜式蒸发器、引射泵、压力传感器、温度传感器、连接管路及控制部件等组成。按照ＧＢ／Ｔ１８４３０．１—２００７《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第１部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》的测试要求，分别测试样机在名义工况、部分负荷工况、变工况、变流量等条件下的性能。

螺杆式地源热泵机组主要由螺杆式压缩机、二次油分离器、带过冷装置的冷凝器、干燥过滤器、电子膨胀阀、降膜式蒸发器、引射泵、喷液装置、压力传感器、温度传感器等组成。按照ＧＢ／Ｔ１９４０９—２０１３《水（地）源热泵机组》的测试要求进行测试，试验用的样机按地埋管运行工况测试名义制冷（热）性能。

 

   

３　试验结果与分析          

   

 

３ ．１　螺杆式冷水机组试验结果与分析

３．１．１名义工况下性能对比

依据 ＧＢ／Ｔ１８４３０．１—２００７规定的综合部分负荷性能系数（ＩＰＬＶ）计算方法，结合变工况测试数据计算可得：在名义工况（冷冻水出水温度ｔｅｏ＝７℃，冷却水进水温度ｔｃｉ＝３０℃）下，Ｒ５１３Ａ 和Ｒ１３４ａ机组性能对比结果如表３所示，Ｒ５１３Ａ 机组测试结果与Ｒ１３４ａ机组比较接近。以 Ｒ１３４ａ机组为基准，制冷剂充注量相同情况下，制冷量增加了２ . ３４％，输 入 功 率 增 大６ . １４％，ＣＯＰ下 降３．４８％，吸排气管路压降比Ｒ１３４ａ机组稍高，冷凝压力及蒸发压力比Ｒ１３４ａ机组稍高，排气温度比Ｒ１３４ａ机组低。Ｒ５１３Ａ机组的ＩＰＬＶ相比Ｒ１３４ａ机组下降３．５２％。

 

3．１．２　冷却水进水温度对机组性能的影响

蒸发器在相同冷冻水流量及冷冻水出水温度（分别取７℃和１０℃）条件下，采用２种制冷剂时制冷量、功率、ＣＯＰ 以及排气温度与冷却水进水温度的关系。由图３～图６可得，在相同冷冻水出水温度下，随着冷却水进水温度上升，机组制冷量下降，机组功率上升，机组ＣＯＰ下降，机组排气温度上升。

相同工况下，Ｒ５１３Ａ机组制冷量平均高于Ｒ１３４ａ机组２３．％，功率平均高于Ｒ１３４ａ机组５．７％，ＣＯＰ 平均低于Ｒ１３４ａ机组３．２％，排气温度均低于 Ｒ１３４ａ机组。试验结果与理论制冷循环分析结果趋势相一致。

无论是 Ｒ５１３Ａ 机组还是 Ｒ１３４ａ机组，相同冷却水进水温度条件下，随着冷冻水出水温度上升，机组制冷量和功率均有所增大，且增加幅度基本相同，冷冻水出水温度提高１℃，机组制冷量上升约３．７％，功率上升约０．３５％。

３．１．３　水侧流速对蒸发器总传热系数的影响

对于蒸发器侧，机组测试条件为冷冻水出水温度７℃（水温控制精度±０．２℃），恒定热流密度（控制范围±１％），通过改变蒸发器水侧流速（１～３．１ｍ／ｓ）测得制冷量、蒸发温度、冷冻水进出温度、冷冻水流量，利用式（１）计算蒸发器的总传热系数。Ｑ＝ＫＦΔｔｍ（１）式中：Ｋ为蒸发器总传热系数（Ｗ／（ｍ２·Ｋ））；Δｔｍ为对数平均温差（℃）；Ｑ为蒸发器的换热量（Ｗ）；Ｆ为蒸发器的传热面积（ｍ２）。

结果表明（见图７），随着冷冻水流速的增加，蒸发器总传热系数上升，当流速大于２．７ｍ／ｓ时，总传热系数变化逐渐平稳，且流速在１～３．１ｍ／ｓ范围内时Ｒ５１３Ａ的总传热系数均略低于 Ｒ１３４ａ。

 

３．２　螺杆式地源热泵机组试验结果与分析

依据 ＧＢ／Ｔ１９４０９—２０１３名义工况，即名义制冷使用侧７℃出水，地埋管侧２５ ℃进水，名义制热使用侧４５℃出水，地埋管侧１０ ℃进水条件下进行测试。

以Ｒ１３４ａ机组为基准，Ｒ５１３Ａ 机组和 Ｒ１３４ａ机组性能如表４所示，在制冷剂充注量相同情况下，与Ｒ１３４ａ机组相比，Ｒ５１３Ａ 机组的制冷量增加了１．２６％，制冷输入功率上升２．６％，ＥＥＲ 下降１．２４％；

制热量增加了４．７３％，制热输入功率上升２．１％，ＣＯＰ上升２．５６％，全年综合性能系数（ＡＣＯＰ）二者近似相等。与螺杆式冷水机组试验结果相比，螺杆式地源热泵机组采用这２种制冷剂时的性能试验结果更接近。

 

   

４　结束语          

   

 

为分析 Ｒ５１３Ａ 作为 Ｒ１３４ａ制冷剂的替代可行性，在 Ｒ１３４ａ螺杆式冷水（热泵）机组基础上，结合Ｒ５１３Ａ 制冷剂特性对螺杆式冷水（热泵）机组重新进行设计及系统匹配，并针对分别采用２种制冷剂的螺杆式冷水（热泵）机组在名义工况条件下以及变工况条件下的运行性能进行对比测试，得到以下结论：

１）由理论循环特性分析可以看出，相同工况下，Ｒ５１３Ａ系统制冷剂流量比Ｒ１３４ａ大，节流阀开度可放大２０％左右。润滑油可不作变更，仍采用合成醇脂类冷冻油（ＰＯＥ）。

２）无论是螺杆式冷水机组还是螺杆式地源热泵机组，在相同工况下，Ｒ５１３Ａ机组的制冷量略高于Ｒ１３４ａ机组；制冷能效略低于Ｒ１３４ａ机组；吸排气管路压降略高于 Ｒ１３４ａ机组；排气温度比Ｒ１３４ａ低。

３）Ｒ５１３Ａ螺杆式冷水机组的ＩＰＬＶ比Ｒ１３４ａ机组略低，蒸发器综合传热系数略低于Ｒ１３４ａ机组。

４）Ｒ５１３Ａ 螺杆式地源热泵机组的 ＡＣＯＰ与Ｒ１３４ａ机组近似相等；制热量比Ｒ１３４ａ 机组 高４ . ７３％；名义制热能效比Ｒ１３４ａ机组略高。

 

综上所述，Ｒ５１３Ａ可以作为 Ｒ１３４ａ的替代制冷剂应用于螺杆式冷水（热泵）机组。

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